Внепечное рафинирование чугуна и стали
  10.3 Технология производства нержавеющей стали обезуглероживанием высоколегированного полупродукта продувкой кислородом в вакууме

Технология производства нержавеющей стали процессом VOD включает следующие основные этапы:

  • выплавка высоколегированного полупродукта в дуговых сталеплавильных печах, восстановление хрома из шлака и подготовка металла к последующему рафинированию;
  • обезуглероживание полупродукта продувкой кислородом в вакууме;
  • восстановление хрома из шлака, десульфурация, корректировка химического состава и температуры металла. В зависимости от конкретных производственных условий эти операции полностью или частично могут выполняться как в камере установки VOD в вакууме или при атмосферном давлении, так и на УДМ.

Выплавку полупродукта в электропечи ведут с использованием в шихте максимально возможного количества легированного металлического лома и наиболее дешевых материалов: высокоуглеродистого феррохрома, бедного ферроникеля, оксида никеля, оксида молибдена и др. Шихтовку плавки рекомендуют вести таким образом, чтобы содержание углерода в металле после расплавления примерно на 0,5% превышало требуемую концентрацию его в полупродукте.

Особое внимание следует уделять содержанию фосфора в шихте. Так как дефосфорация полупродукта с высоким содержанием хрома в дуговой сталеплавильной печи и в процессе VOD не возможна, содержание фосфора в металле после расплавления не должно выходить за пределы, предусмотренные маркой выплавляемой стали.

Для этого необходимо использовать металлический лом и ферросплавы с низким содержанием фосфора. При отсутствии чистого по фосфору металлического лома рекомендуют предварительно провести плавку нелегированного металла, дефосфорация которого может быть проведена традиционным способом. Полученный металл в жидком или твердом состоянии используют в качестве шихтовой заготовки для выплавки нержавеющей стали.

После расплавления шихты при температуре 1530 – 1550оС начинают продувку металла кислородом, которую ведут одновременно с электрическим нагревом. Это позволяет быстро поднять температуру ванны до 1650 – 1660оС, что особенно важно в случае низкой удельной мощности печного трансформатора.

Выплавка полупродукта в электропечах сопровождается частичным окислением хрома. Поэтому перед выпуском плавки из электропечи на шлак присаживают ферросилиций, после чего печной шлак вместе с металлом выпускают в ковш. Интенсивное перемешивание металла и шлака в ковше во время выпуска плавки способствует восстановлению хрома. По окончанию выпуска шлак, содержащий, % мас.: 45 – 50 CaO; 15 – 18 SiO2; 20 Al2O3; 5 Cr2O3; 4 MgO; 6 (FeO+MnO), скачивают из ковша. После скачивания шлака отбирают пробу металла для химического анализа и проводят замер температуры. Затем в ковш загружают необходимое для наведения шлака количество извести, после чего металл отправляют на установку VOD.

Для рафинирования процессом VOD рекомендуют использовать полупродукт, содержащий 0,5 – 1,0% C и около 0,1% Si . Концентрация хрома должна приближаться к верхнему пределу, предусмотренному маркой выплавляемой стали, никеля и молибдена – к нижнему пределу. С учетом того, что при вакуумном рафинировании потери марганца испарением составляют около 20%, при производстве стали ферритного класса полупродукт должен содержать около 0,3% Mn, аустенитного – около 1%. Температура полупродукта, поступающего на установки VOD, должна составлять около 1600оС.

Последовательность технологических операций в процессе VOD рассмотрим на примере получения аустенитной стали с содержанием углерода < или = 0,03% из 100 т полупродукта с исходным содержанием углерода 0,5%. Установка оборудована водоохлаждаемым брызгозащитным экраном, подвешенным под крышкой вакуумной камеры.

Сведения о последовательности и длительности технологических операций, а также об изменении расхода аргона представлены в табл. 10.2. На рис. 10.3 приведены сведения об изменении давления в вакуумной камере, расхода кислорода, скорости окисления углерода и хрома при обработке металла процессом VOD. Эти данные получены при обработке стали в ковшах другого тоннажа, поэтому указанные на рисунке скорости окисления углерода и хрома можно рассматривать только как качественные.

технологические операции при обработке стали процессов VOD

Сведения об изменении давления в камере, расхода кислорода, скорости окисления углерода и хрома при рафинировании металла процессом VOD

Рис. 10.3. Сведения об изменении давления в камере, расхода кислорода, скорости окисления углерода и хрома при рафинировании металла процессом VOD: I – откачка камеры; II – обезуглероживание продувкой кислородом; III – обезуглероживание без продувки кислородом; IV – восстановление хрома, десульфурация и заполнение камеры; 1 – давление в камере; 2 – расход кислорода; 3 – скорость окисления углерода; 4 – скорость окисления хрома

Полученный в электропечи полупродукт вместе со шлаком выпускают в ковш, который транспортируют на станцию скачивания шлака. После установки ковша на стенд подключают подачу аргона, проводят скачивание шлака, отбор пробы и замер температуры металла, после чего дают в ковш необходимое количество извести, отключают подачу аргона и транспортируют ковш к установке VOD.

Суммарная продолжительность этих операций составляет около 15 минут.

После доставки на установку VOD ковш устанавливают на стенде внутри вакуумной камеры. Подключают ковш к трубопроводу подачи аргона и при расходе газа 10 нм3/ч визуально контролируют наличие продувки. Укладывают рукава с огнеупорной массой поверх цапф и на верхний край ковша. Подвозят и опускают крышку вакуумной камеры, опускают брызгозащитный экран. При необходимости корректировки химического состава металла в ковш вводят ферросплавы, увеличивая расход аргона до 20 нм3/ч. Суммарная продолжи- тельность этих операций составляет 10 минут.

При расходе аргона 10 нм3/ч начинают откачку вакуумной камеры. При давлении менее 60 кПа начинается кипение металла, интенсивность которого по мере понижения давления в камере увеличивается.

При давлении в камере менее 33 кПа опускают кислородную фурму и, установив ее на высоте 1,4 м над поверхностью металла, начинают подачу кислорода. Одновременно с продувкой продолжают откачку вакуумной камеры, постепенно увеличивая расход кислорода до 1700 нм3/ч.

При этом в течение 2 минут происходит окисление кремния, после чего начинает окисляться хром. Максимальные скорости окисления хрома наблюдаются в начальном периоде продувки. По мере повышения температуры металла скорость окисления хрома уменьшается. Увеличение расхода кислорода сопровождается ростом скорости окисления углерода. В результате образования большого количества CO и CO2 давление в камере увеличивается. В заключительном периоде продувки скорость окисления углерода уменьшается, в результате чего давление в камере опять начинает понижаться.

В процессе продувки контролируют давление в вакуумной камере, расходы кислорода и аргона, состав и температуру отходящих газов. На основании данных о расходе кислорода и составе отходящих газов компьютер рассчитывает скорость окисления углерода, текущую концентрацию его в металле и время окончания продувки.

При содержании углерода 0,05 – 0,07% продувку прекращают и поднимают кислородную фурму. В рассматриваемом примере время от начала откачки вакуумной камеры до прекращения подачи кислорода составляло 50 минут.

После прекращение подачи кислорода в течение 15 минут проводят заключительный период обезуглероживания, в ходе которого концентрация углерода понижается в результате взаимодействия с растворенным в металле кислородом. Для этого расход аргона увеличивают до 20 нм3/ч и продолжают откачку вакуумной камеры, понижая давление до 130 Па. При понижении давления в камере скорость окисления углерода кратковременно увеличивается, после чего начинает быстро уменьшаться.

После обезуглероживания металла ковшевой шлак содержит, % мас.: 20 – 25 CaO; 10 – 15 SiO2; 15 Al2O3; 25 – 35 Cr2O3; 8 – 10 MgO; 11 ( FeO+MnO). Для восстановления хрома и получения подвижного высокоосновного шлака в ковш загружают ферросилиций, алюминий, известь и плавиковый шпат, увеличивая расход аргона до 40 нм3/ч. После восстановления хрома ковшевой шлак имеет состав, % мас.: 48 CaO; 15 – 25 SiO2; 15 – 25 Al2O3; 3 Cr2O3; 7 MgO; 2 (FeO+MnO). При перемешивании с этим шлаком концентрация серы в металле понижается с 0,020 – 0,035 до 0,003 – 0,009%. Через 20 минут после ввода восстановителей и шлакообразующих прекращают подачу аргона и заполняют камеру воздухом.

После заполнения камеры проводят отбор пробы металла для химического анализа и замер температуры. Если металл перегрет, во время ожидания результатов анализа в ковш может быть добавлен мелкий легированный лом. После получения данных о химическом составе металла вводят корректирующие присадки ферросплавов и проводят гомогенизацию расплава при расходе аргона 30 нм3/ч. Суммарная продолжительность этих операций составляет 20 минут.

В заключительном периоде пребывания ковша на установке VOD поднимают брызгозащитный экран, поднимают и убирают крышку вакуумной камеры. Очищают цапфы ковша, поднимают ковш и отсоединяют трубопровод подачи аргона.

Общее время пребывания ковша на установке VOD составляет 123 минуты. Его можно сократить на 20 минут, если после восстановления шлака, десульфурации и заполнения камеры воздухом корректировку химического состава и температуры металла проводить на УДМ. При использовании футерованного брызгозащитного экрана время пребывания ковша на установке VOD увеличивается на 13 минут, которые требуются для установки экрана на ковш и снятия его при помощи крана.

Содержание углерода в аустенитной нержавеющей стали с 18% Cr и 10% Ni не должно превышать 300 ppm. Производство ее описанным выше способом из полупродукта с исходным содержанием углерода 0,5 – 0,7% позволяет получать сталь с содержанием углерода 25 – 175 ppm (рис. 10.4).

Сведения о содержании углерода в аустенитной стали с 18% Cr и 10% Ni , полученной процессом VOD

Рис. 10.4. Сведения о содержании углерода в аустенитной стали с 18% Cr и 10% Ni , полученной процессом VOD

На производство 1 т стали в процессе VOD расходуется 13 нм3 кислорода, 25 кг извести, 5 кг плавикового шпата, 12 кг ферросилиция (с учетом получения в металле 0,2% Si ) и 0,3 нм3 аргона.

  10.3 Технология производства нержавеющей стали обезуглероживанием высоколегированного полупродукта продувкой кислородом в вакууме
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ