Внепечная обработка и модифицирование стали

ОАО "Черметинформация". Бюллетень "Черная металлургия". 2006. № 11. С. 47...51

ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА И МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТАЛИ

В. А. Голубцов, Л. Г. Шубя, P. Г. Усманов (НПП "Технология")

Обработка металла вне печи направлена на снижение в нем концентрации вредных приме­сей, загрязненности неметаллическими включе­ниями (НВ), улучшение механических и специ­альных свойств, уровень которых выявляется в ходе эксплуатации металлоизделий (жаропроч­ность, усталостная выносливость, хладостой­кость, коррозионная стойкость и др.). Вместе с тем при использовании внепечной обработки не всегда успешно решаются вопросы, связанные с качеством металла: ликвидация трещин на слит­ках и прокате, снижение химической неоднород­ности металлопроката и изделий из него, а при производстве стали для труб - обеспечение высокой коррозионной стойкости и др.

Сокращение цикла плавки в плавильных агре­гатах наряду с разливкой плавок сериями на ус­тановках непрерывной разливки приводит к тому, что на ряде заводов продолжительность обработки металла вне печи часто превышает длительность плавки в современных дуговых пе­чах или кислородных конвертерах, а внепечная обработка стали становится узким местом в об­щем цикле производства металла в сталепла­вильных цехах.

Дальнейшее развитие методов внепечной обработки металла, помимо прочих направле­ний, должно идти, по мнению авторов, следую­щими путями:

1. Снижение продолжительности обработки металла вне печи за счет отказа от глубокой де­сульфурации (например, при производстве стали для нефте- и газопромысловых труб).

В связи с развитием ликвационных процессов в слитках и непрерывнолитых заготовках низкое содержание серы (до 0,001...0,003 %) в ряде слу­чаев не гарантирует достижения полной изо­тропности механических свойств стали. Наибо­лее эффективным методом повышения качества металла является модифицирование жидкого расплава, изменение на более благоприятную морфологию НВ. Подсчитано, что минимальная стоимость обработки (десульфурация + ввод редкоземельных металлов) достигается при со­держании в металле 0,009...0,012 % S [1], а ней­трализация отрицательного влияния серы осу­ществляется путем модифицирования стали, в первую очередь редкоземельными металлами (РЗМ).

Следующим доводом за "высокую" концен­трацию серы в металле является снижение ве­роятности появления флокенов, которое проис­ходит в результате того, что в жидком металле сера способствует уменьшению растворимости водорода [2], а в твердом - связывает его в сероводородные группировки, не позволяющие во­дороду участвовать во флокенообразовании.

Чрезмерное снижение содержания серы в ряде случаев оказывает негативное влияние на некоторые свойства стали - ухудшается обра­батываемость резанием, возрастает балл зерна аустенита, растет склонность стали к образова­нию камневидного излома и др. Поэтому серу, так же как и азот, неправильно было бы всегда относить к числу вредных примесей.

Целесообразность безграничного снижения содержания серы в металле подвергают сомне­нию результаты работы сотрудников ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина. Ими были получены данные, что срок эксплуатации труб (приблизительно в одинаковых условиях), изготовленных из стали 20 с содержанием серы 0,024 %, составил 12 лет (скорость коррозии 0,5 мм/год), а труб из этой же стали с 0,005 % S - 3 мес (скорость коррозии около 40 мм/год) [3]. Авторы работы делают вы­вод, что достижение низкого содержания серы не является достаточным условием обеспечения высокого уровня коррозионной стойкости угле­родистой стали.

С операцией десульфурации стали тесно свя­зан вопрос содержания водорода в металле, так как при длительной и интенсивной обработке металла в ковше усиливается переход в него водорода из высокоосновных рафинировочных шлаков.

Целесообразность проведения глубокого обезводороживания металла, по крайней мере, при производстве стали для труб, эксплуати­рующихся в контакте с водородсодержащими средами (нефтью, нефтепродуктами, природным газом), авторами также подвергается сомнению. 2. Оптимизация вакуумирования или отказ от этой операции при производстве стали для труб - второй путь повышения экономической эф­фективности внепечной обработки стали.

Анализ содержания водорода в металле, прошедшем эксплуатацию, показал значитель­ное повышение его содержания по сравнению с металлом, отобранным от той же трубы до ее эксплуатации. Концентрация так называемого металлургического водорода, имеющегося в ме­талле после завершения всех операций метал­лургического передела, в сталях 20, 17Г1С, 12ГБЮ составляла 1,7...4,5 ppm, а в металле по­сле его эксплуатации - 4,4...15,6 ppm [4]. Так стоит ли вакуумировать жидкую сталь? Более рационально, по-видимому, связывать водород в стойкие гидриды за счет введения в металл гид­ридообразующих элементов (особенно РЗМ), чем добиваться низких концентраций водорода (менее 2 ppm) в металле за счет проведения длительного и дорогостоящего процесса ваку­умирования жидкой стали.

Сделанный вывод подтверждается и опы­тами, проведенными на Нижнеднепровском тру­бопрокатном заводе (НТЗ)*, которые показали, что качество неваккумированного, но модифици­рованного металла не уступает, а часто и превосходит качество вакуумированного, но не мо­дифицированного металла (рис. 1, табл. 1).

3. Третий путь развития внепечной обработки стали связан с повышением эффективности процесса микролегирования и модифицирования металла в ковше и на разливке с использова­нием комплексных модификаторов.

В России в последние 10...15 лет произошел прорыв по совершенствованию техники и техно­логии ввода модификаторов и микролегирующих элементов в металлический расплав. При этом вместо использования методов присадки реаген­тов кусками в ковш или инжекционной метал­лургии перешли на способ введения легкоокисляющихся реагентов в виде порошковой прово­локи (ПП), что значительно снижает потери лег­коокисляющихся элементов из-за окисления кислородом воздуха, шлаковой фазы. Однако и этому, несомненно, прогрессивному способу введения легкоокисляющихся реагентов присущ ряд недостатков.

Трудно решается проблема зарастания ста­леразливочного канала отложениями алюмина­тов кальция, для предупреждения образования которых необходимо строгое соблюдение соот­ношения концентраций кальция, алюминия и ак­тивных примесей стали - кислорода и серы. Ко­нечные результаты по улучшению качества ме­талла носят нестабильный характер из-за не­предсказуемой величины усвоения легкоокис­ляющихся элементов, в частности кальция.

Жидкая сталь перед выпуском из плавиль­ного агрегата и последующей обработкой его в ковше однородна по химическому составу и от­личается высокой чистотой по НВ. Однако в по­следующем ситуация меняется. В ходе выпуска металла из печи, его раскисления и вторичного окисления при разливке эффект рафинировоч­ных операций, проведенных в ковше, в некото­рой степени нивелируется или снижается. Кроме того, при затвердевании металла протекают лик­вационные процессы перераспределения в кри­сталлической структуре слитка углерода, серы и фосфора, а также трансформация ранее обра­зовавшихся включений, зародышеобразование и рост новых НВ. Таким образом, формирование качества конечной продукции в определяющей степени зависит не только от тех операций, ко­торые были проведены с металлом в ковше-печи, но и от технологии разливки и методов об­работки металла в ходе разливки. Следова­тельно, необходимо активное вмешательство в процессы при переходе металла из жидкого в твердое состояние, а не только в ходе его вы­плавки в сталеплавильном агрегате и обработки в ковше.

	а
	б
	в
	г
	д
	е
Рис. 1. Внешний вид образцов нефтегазопроводных труб стали 20ХФ производства НТЗ после выдержки в сероводородной среде, х2: а и б - невакуумированный металл, в - вакуумированный металл, г - невакуумированный металл, модифицированный на разливке комплексным модификатором, д и e - образцы свидетели (д - сталь 09Г2С, е - сталь 13ХФА).

Основной путь, по которому необходимо, по мнению авторов, идти - это перенесение мик­ролегирования и модифицирования стали из сталеразливочного ковша на разливку. Как пока­зывает опыт комбината "Азовсталь" [5, 6], целе­сообразно проводить эту завершающую опера­цию в промежуточном ковше или кристаллиза­торе (рис. 2, 3), а при разливке металла на слитки, как показывает опыт авторов, на струю стали, поступающую из ковша в центровую. При получении крупных слитков эффективна "сверх­поздняя" обработка металла модификаторами после окончания разливки [7, 8].

При этом повышается усвоение легкоокис­ляющихся элементов (табл. 2), увеличивается их доля в неокисленном состоянии в жидком рас­плаве, усиливается микролегирующее действие "полезных" примесей в твердом металле. Кроме того, введение РЗМ (или комплексных лигатур, содержащих РЗМ) в ходе разливки металла ис­ключает затягивание сталевыпускных каналов разливочных ковшей.

Метод модифицирования на разливке стали в слитки, подвергающейся в последующем де­формации, в 70...80-е годы прошлого века ши­роко обсуждался в литературе, но из-за отсутст­вия надежных устройств для ввода модификато­ров и баз по производству модификаторов мел­ких фракций (1...20 мм) не получил заметного развития.

Рис. 3. Устройство для подачи проволоки в кри­сталлизатор [6]: 1 - бунт расходуемой проволоки; 2 - вращаю­щийся барабан; 3 - поворотная в вертикальной плоскости рама; 4 - механизм циклической подачи; 5 - правильный механизм; 6 - блок управления; 7 - волноводно-излучающее звено источника ультразвуковых колебаний; 8 - полость кристаллизатора; 9 - промежуточный ковш; 10 - расплав.

В настоящее время имеются все возможности для внедрения этих процессов.

Во-первых, создана аппаратура, позволяю­щая вводить в металл точно дозируемые коли­чества реагентов. При организации работы по методу "Модинар" могут быть использованы не­дорогие и компактные механические аппараты-дозаторы, которые просты в изготовлении и экс­плуатации. Аппарат-дозатор навешивается на ковш или устанавливается на сталевозную те­лежку. Подающая труба, закрепленная на уст­ройстве, подводится к месту выхода струи ме­талла, вытекающей из ковша. Для обслуживания процесса модифицирования не требуется под­вод коммуникаций (электроэнергии или сжатого воздуха), а сама операция не вызывает затруд­нений у обслуживающего персонала. Расход комплексных модификаторов, содержащих в разных соотношениях магний, кальций, барий, РЗМ, алюминий, титан и другие элементы, со­ставляет 0,5...1,5 кг на 1 т получаемой стали. Экономический эффект может быть получен за счет снижения брака, улучшения качества ме­талла, а также исключения из схемы производ­ства операции вакуумирования и снижения за­трат при обработке металла на установке ковш-печь.

Во-вторых, накоплен практический опыт мо­дифицирования стали широкого сортамента, разливаемой на слитки. Наивысшая эффектив­ность проведения процесса микролегирования и модифицирования металла, а вместе с тем и всего процесса обработки металла вне печи (в ковше и на разливке), по мнению авторов, воз­можна при условии применения не одинарных, а многокомпонентных - комплексных и комбини­рованных микролигатур. Обработка металла многокомпонентными реагентами позволяет достигать более высокой степени рафинирова­ния металла от окисных НВ, способствует более равномерному распределению в затвердевшем металле не удаленных на предыдущих стадиях процесса или вновь образовавшихся включений в слитке. Этот эффект связан с тем, что возник­новение комплексных зародышей окисной фазы в расплавах железа, вследствие их более низ­кого межфазного натяжения, может происходить при более низких пересыщениях, а формирова­ние крупных и в дальнейшем полнее удаляемых из расплава первичных продуктов раскисления идет более активно.

В-третьих, в Челябинске, в НПП "Технология" созданы производственные мощности, позво­ляющие обеспечить заводы порошковой прово­локой или фракционированными комплексными модификаторами любого состава, при этом по­лученными принципиально новым способом - методом мгновенной закалки исходного рас­плава [9]. Получение модификаторов таким спо­собом исключает ликвацию элементов в лига­туре, обеспечивает физико-химическую изотроп­ность продукта и стабильность получаемых ре­зультатов.

Таким образом, рациональное проведение операции модифицирования позволяет в ряде случаев отказаться от глубокой десульфурации металла или обязательного проведения его ва­куумирования. Только максимальное приближе­ние момента присадки легкоокисляющихся при­месей к температурам металла, близким к соли­дусу, т.е. на разливку, в условиях исключения их контакта с футеровкой ковша и ограничения раз­вития процессов вторичного окисления, позво­ляет в максимальной степени получить более эффективные и устойчивые результаты по улучшению качества металла.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Таблица 1. Результаты механических и коррозионных испытаний металла нефтегазопроводных труб из стали марки 20ХФ производства НТЗ.

Таблица 2. Условия и результаты модифицирования металла в процессе разливки [5].