Внепечные методы обработки стали

Перспективными и дешевыми являются внепечные (внеагрегатные) методы обработки стали, обеспечивающие повышение качества стали, выплавляемой современными методами. Используют различные способы внепечной металлургической обработки стали для снижения в ней содержания газовых примесей, главным образом, кислорода, вредных включений серы, а также уменьшения загрязненности стали неметаллическими включениями. Основные способы внепечной обработки стали – вакуумный, синтетическими шлаками, инертными газами, редкоземельными металлами (РЗМ) и др.

При вакуумной обработке жидкую сталь, находящуюся в ковше, выдерживают перед разливкой в вакуумной камере при давлении 300 МПа в течение 10–12 мин. Раскислители не вводят.

Первоначально перед вакуумированием ставили цель снижения концентрации водорода в стали до пределов, при которых в крупных поковках не возникают флокены. В настоящее время эта цель значительно расширена: под вакуумной обработкой понимают понижение давления над металлическим расплавом для дегазации и смешения равновесия химических реакций, зависящих от внешнего давления и протекающих в расплаве с образованием газообразных продуктов. Например, реакции между растворенными в расплаве углеродом и кислородом, углеродом и оксидами металлов приводят к снижению концентрации вредных примесей (главным образом газовых), повышению пластических свойств, ударной вязкости и качества стали. Выделение газов при вакуумировании вызывает бурное кипение и перемешивание металла. При этом содержание кислорода может уменьшаться в малоуглеродистой стали от 0,01–0,03 до 0,003–0,005%. При замене раскисления в ковше внепечным вакуумированием повышается качество стали и увеличивается выход годного металла из слитков.

Для повышения качества трубной стали (рафинирования) ее обрабатывают жидким синтетическим ишаком в ковше. В отдельной печи с угольной футеровкой подготавливают синтетический шлак, называемый известково-глиноземистым, который состоит из 38–45% А1₂О₃ и 52–55% СаО с небольшим количеством кремнезема и не более 1 % FeO. Шлак обладает высокой обессеривающей и раскислительной способностью, что позволяет получать столь хорошо раскисленную, с низким содержанием серы, имеющую повышенную пластичность и вязкость. Количество серы в стал и снижается на 50–70%, а содержание неметаллических включений уменьшается в 1,5 раза по сравнению с обычным ее производством. В шлак, находящийся в ковше, заливают жидкий металл из печи после раскисления. Благодаря относительной простоте и высокой производительности данный способ не вызывает заметного удорожания стали.

Продувка жидкой стали инертными дачами (аргоном, гелием и др.) в печи или ковше также значительно улучшают ее качество. Способ прост и сравнительно дешев. Удаление водорода и азот при таком рафинировании стали происходит главным образом за счеч перехода растворенных в жидком металле газов в объем пузырьков инертного газа, а удаление кислорода связано с всплыванием оксидных неметаллических включений в шлак, что приводит к улучшению пластических свойств и вязкости стали.

Обработка стали инертными газами позволяет получать конструкционную сталь, близкую по содержанию газов и неметаллических включений к стали электрошлакового и вакуумного дугового переплава. В ряде случаев рафинирование стали инертными газами проводят после ее обработки в ковше синтетическими шлаками. Все большее распространение получают также процессы вдувания в металл (в ковше) сильных раскислителей и десульфураторов (щелочноземельных металлов). Например, струей аргона вдувают в ковш кальций и его соединения.

Обработка стали редкоземельными металлами сопровождается уменьшением содержания серы, а также неметаллических включений. Редкоземельные элементы в виде "мишметалла" (сплавы церия, лантана, неодима и празеодима или ферроцерия) вводят в ковш или изложницу при разливке после раскисления стали. Кроме того, возможна присадка бора для обработки жидкой стали.

Редкоземельные и щелочноземельные элементы, а также бор, обладая высоким сродством к кислороду, являются активными раскислителями стали. Они нейтрализуют отрицательное влияние легкоплавких примесей, располагающихся по границам и в местах дефектов зерен. Вместо легкоплавких включений по границам зерен и межосевым: пространствам дендритов в первую очередь кристаллизируются устойчивые тугоплавкие соединения, что приводит к повышению прочности стали. Церий, например, активно взаимодействует с серой, висмутом, оловом, свинцом, образуя стойкие химические соединения и очищая тем самым границы зерен. В результате образования и всплытия сульфидов содержание серы в стали снижается в 2–5 раз. Наряду с удалением серы происходит связывание азота в стойкие нитриды, повышающие прочность стали. Бор вводят в сталь в количестве 0,0015%, а редкоземельные металлы – в количестве 0,1–0,5%.

Обработка стали РЗМ, синтетическими шлаками и вакуумированием приводит к одинаковому изменению ее механических свойств: повышению пластических свойств; возрастанию в 1,5–2 раза ударной вязкости; смещению критической температуры хрупкости (порога хладноломкости) в область более низких температур; уменьшению склонности к хрупкому разрушению, чувствительности к концентрации напряжений и анизотропии механических свойств в готовом прокате.