Достижение ультранизкого содержания углерода при обработке металла в циркуляционном вакууматоре

Введение

Современные требования к качеству стали, особенно для электротехнических и специальных марок, обуславливают необходимость снижения содержания углерода до ультранизких значений (<0,002 %). В циркуляционных вакууматорах этот процесс осложняется множеством взаимосвязанных факторов, включая кинетику реакций, гидродинамику расплава, свойства футеровки [1 – 5].

Материал и методы исследования

Исследования проводились на промышленных установках RH-процесса, при этом использовались:

– микроструктурный анализ проб металла;

– рентгеноспектральный микроанализ включений;

– теоретические расчеты площадей взаимодействия фаз;

– промышленные испытания с варьированием параметров [6].

Результаты исследований и их обсуждение

В настоящей работе проанализированы следующие механизмы удаления углерода при пониженном давлении в циркуляционном вакууматоре (указаны на рис. 1) [1 – 3; 7; 8]:

1 – переход газов с поверхности расплава;

2 – образование пузырьков газа в глубине расплава;

3 – формирование пузырьков газа на поверхности футеровки;

4 – диффузия нейтрального газа, подаваемого через впускной патрубок, в пузырьки;

5 – взаимодействие металлических брызг с окружающей средой в вакуум-камере.

Механизмы 1, 4 и 5 функционируют в диффузионном режиме и зависят от площади взаимодействия расплава с газовой средой, а механизмы 3 и 4 зависят от количества образующихся пузырьков газа {СО} [9; 10].

Теоретические расчеты показали, что площадь взаимодействия по механизмам 4, 1 и 5 составляет 60, 6 и 1 м² соответственно. Таким образом, основным механизмом удаления углерода в диффузионном режиме через образование газа {СО} является механизм 4.

Скорость удаления углерода из расплава по механизмам 2 и 3 зависит от концентраций кислорода и углерода в металле, от площади контакта футеровки с расплавом (механизм 3) и от объема обрабатываемого металла (механизм 2). Теоретические расчеты показывают, что при одинаковых технологических параметрах обработки расплава механизм 2 оказывается в 25 раз более эффективным, чем механизм 3.

Однако для объективной оценки удаления углерода через образование пузырьков газа {СО} (механизм 2) необходимо рассмотреть условия и возможность их формирования [8; 11]. Образование пузырьков газа в глубине расплава возможно при наличии различных микронеоднородностей или на поверхности микрочастиц в расплаве. Для определения наличия микрочастиц в расплаве была отобрана проба металла с «повалки» конвертера во время измерения температуры, перед операцией раскисления/легирования. Для этого использовался погружной пробоотборник, из которого предварительно был извлечен раскисляющий элемент. После отшлифовки исследуемого образца был проведен микроструктурный анализ на наличие в нем неметаллических включений, показанных на рис. 2 [5].

По результатам исследований выявлено наличие неметаллических включений различных размеров: от 5 до 140 мкм (рис. 3) [5]. Дополнительно, на сканирующем электронном микроскопе Quanta Inspect S200 с системой Trident – XM4 был определен количественный элементный состав исследуемых неметаллических включений в пробе образца методом рентгеновского микроанализа. Полученные результаты представлены на рис. 4 [5].

Из представленных на рис. 3 и 4 данных видно, что состав неметаллических включений соответствует составу шлака, образующегося в конвертере, то есть даже в нераскисленном металле (перед обработкой в вакуумной камере) присутствуют неметаллические включения, которые могут служить основой для формирования пузырьков газа {CO}.

Таким образом установлено, что основными механизмами удаления углерода в циркуляционном вакууматоре являются образование пузырьков газа СО в расплаве (механизм 2) [12 – 14] и диффузионный режим (механизм 4) [15; 16].

При рассмотрении процесса удаления углерода из металла необходимо учитывать поступление данного элемента из футеровки. Для достижения ультранизкого содержания углерода в стали (менее 0,002 %) целесообразно усиливать механизмы дегазации и уменьшать поступление углерода из огнеупорных материалов.

Интенсифицировать механизм удаления углерода 2 (образование пузырьков газа {CO} в глубине расплава) можно за счет увеличения количества неоднородностей в расплаве, что достигается путем предварительного раскисления переокисленного металла алюминием перед вакуумированием. Например, на одном из заводов разрешена операция раскисления с использованием алюминия для достижения концентрации кислорода 400 ppm перед декарбонизацией в циркуляционном вакууматоре. Оптимальные значения концентрации углерода и кислорода в расплаве перед вакуумированием, согласно теоретическим расчетам, составляют: [С] = 0,043 %, т. е. [О] = 576,87 ppm.

Рациональный расход газа во впускном патрубке циркуляционного вакууматора зависит от состояния футеровки. В вакуум-камерах (140 – 170 т) для интенсификации процессов декарбонизации подают большое количество газа, что может привести к увеличению размеров пузырьков и к снижению эффективности декарбонизации [17 – 19].

Например, на одном из металлургических комбинатов был разработан режим глубокого обезуглероживания расплава на RH-вакууматоре, где для увеличения поверхности контакта металл – газовая фаза была снижена интенсивность подачи транспортирующего газа с 140 до 80 м³/ч, что позволило достичь содержания углерода 0,003 % и менее в готовой стали [7].

Еще одним фактором, влияющим на содержание углерода, является время выдержки металла перед разливкой. Оптимальное время перед разливкой составляет 20 – 30 мин, учитывая все операции (такие как крановые работы, отбор проб, замеры и др.). Увеличение этого времени может привести к повышению содержания углерода, в то время как более короткий срок выдержки может вызывать нестабильные параметры в процессе разливки металла на МНЛЗ, что проиллюстрировано на рис. 5.

На содержание углерода влияют и другие факторы: работоспособность эжекторов и степень их износа. Регулярные осмотры эжекторов и оценка их состояния необходимы, так как это напрямую влияет на способность системы достигать низкого давления. На практике было замечено, что чем быстрее удается достичь давления ниже 100 Па, тем выше вероятности эффективного удаления углерода и достижения содержания углерода в стали менее 0,002 %.

Немаловажным фактором является чистота системы отходящих газов. Наличие загрязнений в виде шлакометаллических образований в системе газохода, в частности, в колене газохода, мешает достижению низкого давления в системе и, как следствие, затрудняет удаление углерода (рис. 6).

На содержание конечного углерода может повлиять футеровка [18; 20]. При этом остаточное содержание углерода будет зависеть от объема растворяемого углерода из футеровки сталеразливочного ковша. Исследования показали, что замена углеродсодержащих огнеупорных материалов на безуглеродные или низкоуглеродные в области днища и нижней части стен ковша существенно (на 60 %) снижает общую скорость растворения углерода из футеровки [7].

Выводы

Основными механизмами декарбонизации металла в циркуляционном вакууматоре являются образование пузырьков {CO} в объеме расплава и продувка инертным газом. Ключевые технологические параметры: расход газа 80 м³/ч, время выдержки 20 – 30 мин.

Использование безуглеродной футеровки существенно снижает поступление углерода в расплав.