Раскисление и легирование стали в мартеновских печах

Сортамент мартеновской стали

Мартеновский про­цесс характеризуется большой гибкостью как по виду используемых исходных материалов, так и по сортамен­ту выплавляемых сталей. Относительно удобные условия налаживания контроля за состоянием ванны и составом металла и шлака, а также относительно большие воз­можности регулирования температуры ванны, особенно при использовании кислорода, позволяют выплавлять в мартеновских печах широкий сортамент углеродистых и легированных сталей.

Однако возможности высокого нагрева металла и получения в нем низкого содержания серы в мартенов­ской печи ограничены по сравнению с электропечами. Поэтому несколько и ограничен сортамент высоколегированных сталей, выплавляемых в мартеновских печах.

В мартеновских печах выплавляют все группы сталей по степени раскисленности: кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскисление стали

Основными элементами-раскислителями, используемыми при мартеновском процессе, являются марганец, кремний и алюминий. Первые два элемента преимущественно используются в виде сплавов с железом -ферромарганца и ферросилиция, а алюми­ний — в виде чистого металла.

Раскисление спокойной стали обычно осуществляют в два приема. Поэтому и раскисление разделяется на предварительное и окончательное. Предварительное рас­кисление металла осуществляют в печи низкопроцентным ферросилицием из расчета введения в металл 0,15— 0,25% и ферромарганцем. Иногда для предваритель­ного раскисления используют комплексный сплав – силикомарганец. Предварительное раскисление продолжает­ся 10—15 мин, после чего металл выпускают в ковш. Угар кремния при предварительном раскислении состав­ляет 60—80%.

Окончательно металл раскисляют путем присадки богатого ферросилиция (45—75% Si) и алюминия на струю металла в момент его выпуска в ковш. Расход ферросилиция должен обеспечить получение заданного содержания кремния в металле, а расход алюминия со­ставляет 300—600 г/т в зависимости от марки стали.

Характер изменения содержания кислорода в метал­ле и элементов-раскислителей при предварительном и окончательном раскислении малоуглеродистой стали представлен на рис. 140.

Для сокращения продолжительности раскисления в печи и снижения расхода ферросилиция предварительное раскисление осуществляют только ферромарганцем. Ме­талл в этом случае продолжает кипеть и его выпускают в ковш.

Окончательно металл раскисляют в ковше.

Для получения нормального слитка кипящей стали необходимо, чтобы металл в изложнице продолжал энергично кипеть в течение 10—15 мин после заполнения из­ложницы в результате окисления углерода. В этом слу­чае пузыри СО успевают всплывать быстрее, чем металл затвердевает. В слитке образуется плотная поверхност­ная корка металла толщиной 8—20 мм, которая обеспе­чивает нормальный нагрев и прокатку слитков без вскрытия внутренних пузырей. Подобное кипение обес­печивается при раскислении кипящей стали одним фер­ромарганцем, присаживаемым чаще всего в ковш. Полуспокойную сталь раскисляют марганцем и небольшим количеством кремния, который вносится в металл в процессе выпуска ферросилицием.

Раскисление кальцием

Раскислительная способность кальция намного выше, чем у прочих раскислителей, включая алюминий, поэтому введенный в металл каль­ций взаимодействует не только с растворенным кислородом, но и с находящимися в стали продуктами раскисления, включая SiO₂ и Al₂O₃, восстанавливая их. Наблюдается также восстановление крем­ния и алюминия из шамотной футеровки разливочного ковша. При ис­пользовании кальция в качестве раскислителя приходится учитывать низкую температуру испарения кальция (1490 °С) и его небольшую растворимость в железе (менее 0,03 %). Введенный в металл кальций испаряется и взаимодействует с расплавом в парообразном состоянии. Степень полезного использования вводимого в металл кальция неве­лика из-за малой скорости и малого времени взаимодействия паров кальция с компонентами металлического расплава. Чтобы поднять степень действия кальция, его используют в виде соединений (карбид кальция СаС₂) или сплавов с кремнием (силикокальций) и с кремнием и алюминием.

При раскислении металла кальцием в промышленных условиях обычно образуются сложные продукты раскисления, доволь­но легко удаляющиеся из металла. В результате взаимодействия каль­ция с включениями глинозема в металле образуются алюминаты каль­ция типа nCaO • mAl₂O₃ с относительно низкой температурой плавле­ния, находящиеся в стали в жидком виде и довольно легко из нее удаляющиеся.

Некоторое (небольшое) количество таких включений оста­ется в стали в виде сравнительно мелких механически прочных вклю­чений шаровидной формы (глобулярные включения), не меняющих форму при обработке давлением, что в ряде случаев положительно влияет на служебные свойства стали. Для наиболее эффективного ис­пользования кальция его вводят в достаточно глубоко раскисленный металл (после алюминия). В таком случае кальций частично взаимо­действует с кислородом, а частично— с серой, связывая ее в прочные тугоплавкие сульфиды СаS, почти не влияющие на уровень металли­ческих свойств стали. Наиболее высокое усвоение кальция обеспечи­вается при введении его в жидкий металл в виде проволоки, получен­ной закатыванием порошка силикокальция или карбида кальция в стальную ленту. Возможен вариант с вдуванием порошка силико­кальция в металл в струе инертного газа, желательно в нижнюю часть ковша.

Раскисление марганцем

Марганец — очень слабый раскислитель. Он не обеспечивает получения необходимого низкого уровня окисленности стали. Введение марганца в металл при раскислении вызвано тем, что межфазное натяжение на границе металл – жидкое включение МnО невелико, в результате чего облегчается выделение включений и увеличивается скорость удаления кислорода. Кроме того, марганец уменьшает вредное влияние серы на свойства стали, увеличивает прокаливаемость стали и повышает прочность металла.

Легирование стали

Легирующие элементы, чаще все­го в виде сплавов, вводят в металл в различные момен­ты плавки в зависимости от их сродства к кислороду и расхода. Элементы, практически неокисляющиеся в мар­теновской ванне (никель, молибден), часто вводят в период завалки или после расплавления. Вместе с тем элементы, имеющие очень большое сродство к кислоро­ду, например титан, ванадий и др., вводят в ковш после добавок в металл богатого ферросилиция и алюминия.

Такие элементы, как хром, марганец (для легирова­ния), сродство которых к кислороду относительно неве­лико, а масса присаживаемых сплавов большая, вводят после предварительного раскисления в печь. Это обес­печивает хорошее расплавление ферросплавов и позво­ляет нагреть металл до необходимой температуры. Вы­держка металла после легирования этими элементами достигает 20—30 мин, что отрицательно влияет на стой­кость футеровки печи и технико-экономические показа­тели мартеновской плавки. Поэтому все шире находят применение экзотермические сплавы, которые в виде брикетов загружают на дно ковша до выпуска плавки. При термичности брикетов больше 1750 кДж/кг (420 ккал/кг) имеется возможность ввести в сталь мар­ганец или хром в количестве 1,5% без заметного влияния на тепловой баланс этого периода плавки. Одновремен­но возрастает усвояемость легирующего элемента, сокра­щается длительность плавки.