Рафинирования, раскисления и модифицирования стали

Технологический процесс плавки стали в общем случае представляет последовательность следующих операций. В подготовленную сталеплавильную печь загружают шихту, затем ее нагревают, расплавляют. При этом образуются жидкий металл и шлак. При плавке стали в печах постоянного тока из-за низкого угара металла практически не образуется первичный шлак, а при подаче шлакообразующих материалов в течение 2–3 мин формируется шлак высокого качества, который в условиях интенсивного перемешивания активно взаимодействует с металлом. Далее следует обработка жидкого металла под шлаком, удаление этого шлака. Затем берут пробу металла и доводят сталь до требуемого состава. Во время доводки возможно наведение нового шлака, например с целью удаления вредных примесей. Во всех случаях на заключительном этапе производят раскисление стали. Для получения высококачественных сталей целесообразно модифицировать сталь.

Процесс плавки в кислой печи предполагает протекание кремнийвосстановительных реакций и более низкую окислительную способность шлака. В результате получается более низкая концентрация кислорода в металле. Различают две разновидности кислого процесса: кремнийвосстановительный (пассивный) и с ограниченным восстановлением кремнием (активный).

При активном процессе плавки в печь подают железную руду, элементы окисляются и происходит восстановление кремния углеродом металла по реакции (SiO₂)+[2C]=[Si]+{2CO}. При этом содержание углерода, кремния и марганца по ходу плавки уменьшается.

При кремнийвосстановительном процессе содержание кремния и марганца, наоборот, увеличивается. По окончании расплавления углерода должно быть примерно на 0, 8% больше требуемого содержания в стали. Присадку руды дают малыми порциями; известняк добавляют только в начальный период.

Рассмотрим конкретно плавку стали 40ХЛ. Состав металлической шихты для стали 40ХЛ: 58% стального лома, 40% возврата (литники и прибыли отливок) и 2% передельного чугуна. Поскольку кислые шлаки не позволяют проводить рафинирование стали от серы и фосфора, к стальному лому должны предъявляться повышенные требования по содержанию этих элементов, т.е. серы и фосфора в шихте должно быть столько, чтобы по расплавлении и введении FeCr в период доводки их содержание не превышало 0, 04%.

Подготовка печи к плавке производится следующим образом. После выпуска предыдущей плавки стали очищаются подина и откосы печи от остатков жидкой стали и шлака, производится осмотр футеровки с целью определения ее состояния. Если имеются выбоины и неровности, местные углубления, производят их заправку смесью песка с жидким стеклом. Заправку производят как можно быстрее, старясь сохранить температуру футеровки после выпуска стали с целью лучшей привариваемости материала заправки.

Шихтовые материалы перед загрузкой взвешивают, мелкую шихту и стружку загружают вниз на подину. Укладка шихты должна быть плотной. Процесс плавки делится на три периода в зависимости от расхода энергии, каждый из которых решает свои задачи. Плавка во все периоды проводится на постоянной мощности дуги.

Первый период – подготовительный. Этот период плавки протекает при высоком напряжении и небольшом токе дуги. Режим дуги позволяет вести расплавление шихты без привязки анодного пятна на расплав. Второй период – энергетический, при этом ток дуги удваивают, а напряжение в два раза снижают. Перегрев расплава под дугой во втором и третьем периодах предотвращается тем, что размещение подовых электродов формирует тороидальное вращение металла в вертикальной плоскости, при котором поток металла с большой скоростью подтекает под дугу и уходит вглубь расплава. В этих условиях температурное поле расплава выравнивается за счет интенсивной конвективной теплопередачи через расплав, а высокая скорость движения металла под дугой не допускает его локального перегрева. Третий период – технологический. Плавка в этот период проводится при короткой дуге и низком напряжении. При этом температура расплава плавно увеличивается до заданного уровня и в дальнейшем стабилизируется в требуемых пределах путем кратковременного включения-отключения дуги. В этот период осуществляются все необходимые технологические воздействия на металл.

При полном расплавлении шихты берут пробу металла для экспресс-анализа на C, Mn, S, P. Оптимальное содержание углерода перед началом окислительного периода должно быть 1, 15– 1, 25%. Для окисления углерода в хорошо нагретый металл присаживают малыми порциями железную руду, после каждой порции дают выдержку 5–10 мин. Продолжительность окислительного периода должна быть не более 40 мин, включая и кипение.

При достижении среднего содержания углерода по заданному анализу шлак должен быть нормальной жидкоподвижности, плотным, тянуться в нить и в изломе иметь зеленый цвет. При нормальном шлаке и достижении требуемого содержания углерода для раскисления металла в ванну присаживают ферросилиций ФС45. При этом ванну тщательно перемешивают. Через 10–15 мин ванну перемешивают вторично и берут пробу на раскисленность металла и температуру. Залитая в стаканчик проба металла, хорошо раскисленная кремнием, не должна искрить; при затвердевании металл должен давать усадку.

Раскисление металла совмещается с доводкой химического состава стали. Поскольку сталь 40ХЛ содержит 0, 8–1, 1% Cr, то расчетное количество хрома в виде феррохрома вводится во время доводки после первого этапа раскисления. Второй этап раскисления проводится во время выпуска стали из печи путем подачи на желоб дробленого ферросилиция ФС75. Окончательное раскисление стали проводится алюминием, который подается на дно ковша в количестве 1, 0–1, 2 кг на 1 т жидкой стали.