Ковшевая доводка стали* представляет заключительную часть технологии плавки стали, целью которой является доведение до требуемых конечных значений двух главных параметров сталеплавильного процесса — химического состава готовой стали и ее температуры, а также обеспечение однородности (гомогенности) металла по указанным параметрам. Для достижения этой цели в общем случае необходимо решать несколько конкретных технологических задач, как правило, с применением специальной техники, некоторые виды которой являются довольно сложными.
Необходимость доводки стали в ковше по химическому составу возникла во второй половине XIX в. в связи с появлением конвертерных процессов – бессемеровского и томасовского, поскольку в конвертерах возможно проведение только окислительного рафинирования, т. е. получение полупродукта, требующего, по крайней мере, раскисления – удаления кислорода, неизбежно накапливающегося в металле во время окислительного рафинирования. Уже тогда было выработано основное правило введения в ковш раскисляющих и легирующих присадок (ферросплавов): если расход этих присадок большой (более 1,5% от массы металла), то их необходимо подавать в ковш в жидком виде. В настоящее время в связи с появлением возможности нагрева металла в ковше допустимая масса твердых присадок выше 1,5%, но при выплавке высоколегированной стали необходимость предварительного расплавления ферросплавов сохраняется**.
Необходимость доводки стали в ковше по температуре связана с освоением непрерывной разливки ее, которое произошло во второй половине XX в. На первом этапе эта доводка сводилась лишь к охлаждению металла, а в настоящее время при наличии установки печь-ковш она связана прежде всего с нагревом.
Необходимость гомогенизации металла по химическому составу и температуре существует с момента возникновения ковшевого раскисления-легирования стали. Эта задача является относительно простой, поскольку для ее решения необходимо обеспечить только перемешивание металла. На первом этапе развития ковшевой доводки стали использовали лишь естественное перемешивание, вызываемое падающей в ковш струей металла, выпускаемого из сталеплавильного агрегата. В настоящее время часто этого естественного перемешивания оказывается недостаточно, поскольку некоторые раскисляющие и легирующие присадки вводятся в металл во время его ковшевой обработки. Дополнительное перемешивание, необходимое во время ковшевой обработки, как правило, обеспечивают продувкой металла нейтральным газом (аргоном).
В ковшевой доводке, как и при окислительном рафинировании металла в сталеплавильном агрегате, регулирование химического состава стали является самой сложной задачей и для своего решения в полном объеме требует проведения нескольких технологических операций, некоторые из которых являются довольно сложными.
Конечной целью ковшевой доводки стали по химическому составу является обеспечение требуемого содержания примесей в готовом металле, т. е. окончательное формирование химического состава стали. В общем случае для ее достижения в металл вводят недостающие примеси и проводят удаление излишних примесей, т.е. осуществляют дополнительное рафинирование металла. Причем процессы рафинирования должны быть вполне совместимы с процессами раскисления и легирования. Таким образом, современная технология выплавки стали по рафинированию металла является двухстадийной, проводимой в двух рабочих объемах: основное рафинирование в сталеплавильном агрегате и дополнительное – в сталеразливочном ковше.
Дополнительное рафинирование металла в ковше обычно сводится к его обезуглероживанию, дегазации и десульфурации.
Обезуглероживание металла в ковше достигается обработкой его вакуумом и нейтральным газом. К такой обработке прибегают для обеспечения вакуумно-углеродного раскисления или глубокого обезуглероживания металла (получение особо низкого остаточного содержания углерода).
Дегазация металла в ковше – это в основном удаление водорода, которое достигается тоже обработкой металла вакуумом и нейтральным газом.
По физико-химической сущности процессы обезуглероживания и дегазации металла продувкой его нейтральным газом вполне совместимы, больше того, они друг друга стимулируют. Это объясняется тем, что в результате протекания каждого из рассматриваемых процессов выделяется газ, способствующий увеличению объема пузырей нейтрального газа.
Десульфурация металла в ковше достигается в результате его взаимодействия с высокоосновным восстановительным шлаком. Для повышения эффективности этого процесса обязательно необходимо перемешивание взаимодействующих фаз, прежде всего продувка металла нейтральным газом.
Таким образом, важнейшим элементом современной технологии ковшевой доводки стали является продувка металла инертным газом.
Следует отметить, что были попытки применения электромагнитного перемешивания металла в ковше. Но оно гораздо сложнее, дороже и менее эффективно, чем перемешивание продувкой нейтральным газом.
* Часто употребляют выражения “ковшевая обработка”, “ковшевая металлургия”. Они недостаточно точно отражают физико-химическую сущность рассматриваемой части сталеплавильной технологии.
** Исключение составляет легирование кремнием с использованием ферросилиция, содержащего 70-75% Si и более, растворение которого в металле сопровождается выделением тепла благодаря протеканию экзотермической реакции [Si]+[Fe]=[FeSi].
