Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [ 33 ] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52

Таблица 20 Неметаллические включения в стали 00Х16Н15МЗБ

* в числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

была предложена технология легирования стали губкой металлического титана, которая присаживалась в каждый ковш непосредственно перед выпуском металла. Добавки корректировали с учетом емкости ковша и температуры металла. Такая технология обеспечила стабильное усвоение титана и его оптимальное содержание в стали, ограниченное требованиями по коррозионной стойкости и по склонности стали к пленообразованию в отливках. Легирование титаном в ковше целесообразно производить и при выплавке стали в крупных индукционных печах.

Важную роль играет предварительное и конечное раскисление металла. Например, повышение остаточного содержания алюминия в сталн 00Х16Н15МЗБ до 0,10- 0,16% способствовало снижению оксидных и глобулярных включений.

Можно полагать, что с расширением производства низкоуглеродистых нержавеющих и других сталей выплавка в основных индукционных печах получит развитие, тем более что стойкость основного тигля достигла 25-30 плавок. Особенно перспективны индукционные печи при работе на жидкой завалке - заливке в них глу-бокообезуглероженного железо-никель-молибденового полупродукта. Увеличение емкости этих печей, оборудование их сводами, дополнительный подогрев шихты

и шлака с помощью плазмотронов будут также способствовать расширению производства стали в индукционных печах.

4. ВЫПЛАВКА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

В вакуумных индукционных печах (ВИП) выплавляют нержавеющие и жаропрочные стали повышенного качества для деталей ответственного назначения. Наиболее часто вакуумная индукционная плавка применяется при получении фасонных отливок и слитков для последующего передела на листы, трубы и фасонный прокат. В последние годы ВИП используют для получения электродов с последующим переплавом их в электрошлаковых и особенно в вакуумно-дуговых и электроннолучевых печах.

Емкость вакуумных индукционных печей непрерывно растет: в течение 10-15 лет наблюдался рост емкости с 10-100 кг до 30-60 г. Для выплавки нержавеющих и жаропрочных сталей используют тигли из окиси циркония, магния или корундизовые. Теоретические основы и металлургические возможности вакуумной индукционной плавки изучены Б. В. Линчевским .

Исследование раскислительной способности углерода в вакууме показало, что достаточно выдерживать металл при давлениях порядка нескольких сотен ньютонов на квадратный метр {мм рт. ст.), при этом раскислительная способность углерода в железе меньше зависит от давления над металлом, чем в железохромоникелевых сплавах. Снижение поверхностного натяжения в жидких сплавах по сравнению с чистым железом обусловливает меньшее значение упругости СО в образующемся пузыре. Важную роль играют обменные реакции металла с футеровкой тигля. Если взаимодействие кислорода и оксидных включений с углеродом ведет к очищению металла от кислорода, то при реакциях с футеровкой кислород переходит в металл. Практически в первые 20-30 мин плавки в печи емкостью 10 кг скорость первого процесса наибольшая и при этом содержание кислорода в металле достигает минимального значения, а затем либо не изменяется, либо чаще всего возрастает.

В диапазоне остаточных давлений 6700 и 2,66 н/м (501 и 0,02 мм рт. ст.) и температур 1500 и 1600° С

Линчсвский Б. В. Автореферат диссертации. Москва, 1970.

Б. В. Линчевским было установлено, что в тигле из AI2O3 минимальное значение кислорода (0,006%) в стали Х17 достигается при давлении 2,66 н/л (0,02 мм рт. ст.), в тигле из MgO - 0,002% О - при давлении 133 н/л (1 мм рт. ст.), а в тигле из Zr02 -0,003% О -при давлении 133 н/м (1 мм рт. ст.). Во всех плавках при давлении 6700 н1м (50 мм рт. ст.) содержание кислорода увеличивалось. С повышением температуры содержание кислорода в металле росло, так как возрастала растворимость кислорода в железо-хромистых расплавах и повышалось воздействие горячего металла на огнеупорную футеровку тигля. Кинетика обезуглероживания в ВИП характеризуется линейной зависимостью скорости реакции от концентрации углерода. С понижением давления над металлом скорость раскисления и обезуглероживания возрастает: например в стали Х17 (тигель из Zr02) константа скорости возросла с 5,25-10- до 7,05-10- 1/жын при изменении давлений с 133,3 до 2,66 н/м (с 1 до 0,02 мм рт. ст.).

Наиболее интенсивно обезуглероживание стали типа Х18Н9 протекает в малых вакуумных индукционных печах (до 10 кг). Чем крупнее печь, тем медленнее идут процессы обезуглероживания, в связи с чем появляется необходимость присадок железной руды (печь емкостью 150 кг) и газообразного кислорода (печи емкостью 0,5 т и выше).

Раскисление металла в вакуумной индукционной печи осуществляют сильными раскислителями (алюминием, церием и их сплавами), так как марганец и кремний не могут раскислить сталь, содержащую углерод. Введением алюминия илЯ алюминия совместно с церием можно достичь содержания кислорода в стали Х18Н9Т около 0,003%.

Вакуумная индукционная плавка является весьма эффективной для удаления из металла азота и водорода.

Эксперименты, проведенньш Б. В. Линчевским, показали, что скорость дегазации для водорода составляет 3,8-10- г/{см-сек), для азота 4,8-10- г/{см-сек), тогда как расчетные значения скоростей были выше, соответственно: 1,01-10-2 и 6,35-10-2 г/(сж-се/с); опыты и расчеты проведены при условиях: температура 1600° С, давление водорода в камере печи 133,3 н1м (1 мм рт. ст), азота 0,0133 н/м (10- мм рт. ст.), содержание в металле водорода 3 сж/ЮО г, азота 0,03%.

Было установлено, что лимитирующим звеном для процесса дегазации является диффузия вещества в поверхностном слое или десорбция. Коэффициенты диффузии азота и водорода приведены в табл. 21. На скорость удаления азота большое влияние оказывает содержание кислорода и серы, а также перемешивание металла. В связи с этим продувка жидкого металла газами~типа пропана, способствующая снижению содержания кислорода и перемешиванию металла, интенсифицирует процесс деазотации. Например, при выплавке в 50-кг ВИП нержавеющей стали 000Х18Н12 с продувкой пропаном константа скорости удаления азота возросла до (2,7- 15) •10- се/с- против 1,34-10- се/с- при простой выдержке металла.

Таблица 21

Коэффициенты диффузии азота и водорода в сплавах Fc-Сг и Fe-Сг-Ni (данные Б. В. Линчевского)

Удаление серы при вакуумной плавке в принятых на практике условиях невелико, так как скорость испарения серы составляет около (2-7)-10- се/с-. Значительно полнее и быстрее процесс десульфурации в вакууме протекает при использовании шлаковых реагентов, при этом наиболее интенсивно удаление серы ироисходит в первый период плавки (расплавление), когда бурно выделяется окись углерода [143].

Исследования С. Е. Волкова и др. [143] показали, что шлаковая смесь, состоящая из извести и шпата (9:1) с размером кусков 10-15 мм и вводимая на дно тигля перед загрузкой металлической шихты в количестве 2- 3% от массы садки, позволяет весьма эффективно провести десульфурацию нержавеющей стали (степень десульфурации 72-82% при конечном содержании серы 0,002-0,004%!).

с понижением содержания углерода в нержавеющей стали с 0,06-0,09 до 0,02-0,03% необходимо для успешной десульфурации снижение остаточного давления с 133,3 до 1 HJM (с \-мм рт. ст. до сотых долей мм рт. ст.).

Таблица 22

Константы скоростей испарения примесей из жидкого металла при давлении 0,133 н/ж мм рт. ст.)

При вакуумной плавке происходит испарение химических элементов из ванны, которое зависит от давления в камере печи, температуры металла, удельной поверхности контакта, упругости пара элемента и длительности процесса плавки. Константы скоростей испарения примесей из жидкого металла, по данным Б. В. Линчевского, приведены в табл. 22.

При вакуумно-индукционной плавке нержавеющей стали испарение хрома составляет 3-4%, а марганца 70-80% исходной концентрации, не происходит изменения концентрации кремния и фосфора, несколько возрастает содержание никеля. Особенности выплавки нержавеющих сталей в вакуумных индукционных печах освещены в монографии [144], обзорах [145, 146] и диссертационных работах А. Г. Шалимова, Ю, В. Тараканова, А. Л. Соболевского.

Обычно мягкое железо и отходы нержавеющих и других сталей, часть ферросплавов (сплавы хрома, никеля, молибдена, кобальта) присаживают в тигель при открытой печи, при этом тугоплавкие компоненты шихты загружают в середину тигля. Присадку ванадия, титана, углерода, бериллия, алюминия производят через дозатор после создания в печи вакуума.

Вакуумирование начинают одновременно с включением тока. При значительной окисленности шихты в печь подают аргон или гелий и расплавление ведут в атмосфере нейтрального газа, после чего начинают вакуумирование.

Раскисление металла производят через дозатор после достаточной дегазации металла и при достижении требуемой температуры металла при выпуске плавки. Марганец вводят в сплав в конце во избежание больших его потерь на испарение.

Выплавленный в ВИП металл разливают, как правило, в вакууме и лишь в некоторых случаях при отливке сложных сплавов - в атмосфере аргона. Усвоение легирующих элементов при плавке нержавеющей стали, по данным [147], составляет: хрома, никеля, вольфрама и кобальта 100%, бериллия 95%, углерода 80%• Содержание водорода снижается по сравнению с обычной сталью в шесть-семь раз, азота - в полтора-два раза, кислорода - в четыре-пять раз, вредных примесей: висмута на 40%, мышьяка на 45%, свинца на 60%, олова на 55%!, меди на 75%.

Если ранее нержавеющую сталь в ВИП получали методом сплавления мягкого железа, никеля и металлического хрома, то в последнее время успешно применяется способ ЦНИИЧМ, позволивший за счет обезуглероживания при вводе аргоно-кислородной смеси заменить в шихте металлический хром безуглеродистым феррохромом.

При выплавке стали 0Х18Н9 на отходах вместе с завалкой присаживали окалину и руду. Вакуумировали металл при 1600° С при рост=400-=-670 н/ж (3-5 мм рт. ст.). После раскисления кремнием и алюминием получили сталь, содержащую 0,02% С и 0,005% О.

Весьма перспективна для улучшения технико-экономических показателей ВИП работа на жидкой завалке. По данным зарубежных исследователей, при дуплекс-процессе в открытой печи расплавляют сталь с 0,19- 0,06% С, которую заливают в тигель ВИП. После вакуумирования при остаточном давлении 40-67 н/лг (0,3- 0,5 мм рт. ст.) (в крупных печах добавляли 0,8% железной руды) происходило обезуглероживание до 0,03% С и снижение содержания водорода. При обезуглероживании в вакууме, в том числе при вводе твердого и газообразного окислителя, концентрация хрома уменьшается всего на 1 - 1,5% (абс). Преимущества ВИП позволяют получать металл повышенного качества.

Длительная прочность стали типа Х18Н10Т, выплавленной в вакууме, при 650° С и нагрузке 245 Мн/м (25 кГ/мм) возрастает с 22 ч 15 мин до 33 ч 40 мин.

Сталь Х27 после плавки в вакууме имела ударную