Материал: Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали

Растворение ферросплавов в жидкой стали при раскислении и легировании 201

вильное мнение, что уменьшение времени выдержки металла в печи после предварительного раскисления и легирования вызы­ вает неравномерность химического состава металла и ухудшает качество выплавляемой стали. Такое мнение сложилось вслед­ ствие отсутствия точных данных о процессах, происходящих в жидком металле во время растворения ферросплавов.

Скорость растворения ферромарганца и феррохрома изуча­ ли при разных вариантах введения их-в жидкую сталь, выплав­ ляемую в мартеновских печах емкостью 40, 50 и 130 т с хро-

мома!гнезито1вы1ми сводами [119]. Для исследования были выбра­ ны легированные стали марок 40Х, 45Х, 40ХН, 18ХГТ, 30ХГСА и др. Исследовали три варианта легирования металла хромом и марганцем: 1) легирование в печи после предварительного раскисления доменным ферросилицием; 2) легирование в печи

без предварительного раскисления; 3) легирование в ковше во время выпуска металла из печи.

Ферросплавы вводили в металл в следующей последователь­ ности: при первом варианте сразу после доменного ферросили­

ция в печь вводили феррохром и через 5—7 мин. ферромарга­ нец; при втором варианте феррохром вводили в кипящий металл после достижения необходимого содержания углерода и через 5—7 мин. в печь добавляли ферромарганец; при третьем вари­ анте из печи выпускали нераскисленный металл с требуемым содержанием углерода и все ферросплавы вводили в ковш в струю металла.

После введения ферросплавов в печь из среднего окна отби­ рали через каждые 5—10 мин. пробы металла, в которых опре­ деляли содержание хрома, марганца и углерода. В случае леги­ рования стали в ковше отбирали пробы металла во время раз­ ливки и определяли его полный химический состав. Результаты химического анализа проб сравнивали с расчетным содержани­

ем элементов, с конечным составом металла и между собой, что давало возможность судить о процессе расплавления ферро­

сплава и распределении легирующего элемента в жидком ме­ талле

На рис. 84 приведены кривые изменения химического состава металла во время раскисления, легирования и выпуска стали 40Х, выплавленной по первому варианту. В условиях спокой­ ной ванны концентрация хрома и марганца постепенно нарас­ тает и к выпуску достигает величины концентрации в ковшовой пробе. Конечное содержание хрома и марганца в металле ниже расчетного вследствие частичного угара этих элементов. В рас­

смотренном примере общая длительность выдержки в печи сос­ тавила 33 мин., выдержка с феррохромом — 22 мин.

На рис. 85 приведены кривые изменения химического соста­

ва металла во время легирования и выпуска стали 40Х, выплав­

отобранной через 7 мин. после введения феррохрома, была свы­ ше 2%, а затем постепенно снизилась и достигла содержания

Рис. 84. Изменение химического состава металла в процессе раскис­ ления, легирования и выпуска стали 40Х. Печь 130 г; 1, 2, 3 — рас­ четные содержания хрома, марганца и углерода

его в ковшовой пробе. Содержание марганца в металле нара­ стало постепенно, как и в первом примере, и на выпуске равня­ лось концентрации марганца в ковшовой пробе. Выдержка ме­ талла в печи с феррохромом в разбираемом случае составляла

18мин.

На рис. 86 приведены кривые изменения содержания хрома,

марганца и углерода в мартеновской ванне для раскисления,

легирования и выпуска стали 18ХГТ. В этом примере, как сле­ дует из приводимых данных, ни в одной из проб металла, ото­ бранных из печи, концентрация хрома и марганца не достигает

Растворение ферросплавов в жидкой стали при раскислении и легировании 203

печи для последнего случая составила 50 мин., выдержка с фер­

рохромом ■— 37 мин.

Рассмотренные примеры показывают, ито содержание хрома и марганца в мартеновской ванне после введения ферросплавов

изменяется скачкообразно и в большинстве случаев не совпада­ ет с конечным содержанием этих элементов в ковшовой пробе.

Рис. 85. Изменение химического состава металла в процессе леги­ рования и выпуска стали 40Х. Печь 130 т; 1, 2, 3— расчетные со­ держания хрома, марганца и углерода

Последнее положение иллюстрируют рис. 87 и 88. По горизон­ тальной оси отложены концентрации хрома и марганца в ковшо­

вой пробе, а по вертикальной — содержание этих элементов в мартеновской ванне через разные промежутки времени после введения ферросплавов. Рис. 87 показывает, что между содер­

жанием хрома в конечном металле и содержанием хрома в про­ бах, отобранных после легирования, не существует взаимосвязи.

Следовательно, равномерное распределение хрома в металле

204 Легирование стали

в случае легирования в печи феррохромом в условиях успокоен­ ной ванны не достигается даже при длительной выдержке в те­

чение 30—40 мин.

Рис. 88 показывает, что между содержанием марганца в ко­

нечном металле и содержанием марганца в пробах, отобранных

С о д е р ж а н и е С, Мп, C i 6 м ет алле, %

Рис. 86. Изменение химического состава металла в процессе раскисления, легирования и выпуска стали 18ХГТ. Печь—130 г; 1, 2, 3 — расчетные содер­ жания хрома, марганца и углерода

из печи сразу после введения марганца, взаимосвязи не сущест­ вует. Однако такая взаимосвязь (прямая линия) намечается между концентрацией марганца в металле на выпуск и в ковшо­ вой пробе. Следовательно, за время выдержки металла в печи в течение 15—20 мин. ферромарганец в отличие от феррохрома успевает равномерно распределиться по объему металла. Это объясняется тем, что ферромарганец имеет меньшую температуру плавления, чем феррохром, и диффузия марганца в жидком ме­ талле происходит быстрее, чем диффузия хрома.

Ферросплавы, добавляемые в кипящую ванну, растворяются быстрее, чем в случае спокойной, раскисленной ванны. Это поло­

206 Легирование стали

после введения ферромарганца; третью пробу — во время выпуска

плавки. Содержание хрома в пробах при первом варианте леги­ рования постепенно нарастало, однако конечное содержание его было выше, чем ,в пробе из ковша, что может быть объяснено не­ равномерностью распределения хрома в спокойной неперемешивающейся ванне. Содержание хрома в пробах при втором вариан­ те легирования скачкообразно возросло, а затем постепенно снизи­

лось, достигнув концентрации хрома в ковшовой пробе. Это может быть объяснено тем, что в кипящей перемешивающейся ванне выравнивание концентрации хрома по объему металла проис­ ходит быстрее, чем в спокойной ванне. По всей вероятности атомы хрома в жидкой стали обладают малой подвижностью, поэтому скорость их распространения определяется степенью перемешивания мартеновской ванны. В отличйе от хрома рас­ пределение марганца и углерода в жидкой стали не зависит

от того, вводится ферромарганец в кипящий или в спокойный металл. По-видимому, подвижность атомов марганца и угле­ рода в жидкой стали настолько велика, что степень перемеши­

Это показывает, что в течение 5—7 мин. феррохром, попавший в жидкий высоконагретый металл, успевает расплавиться, однако неравномерность распределения его во всем объеме ван­ ны сохраняется на многих плавках до самого выпуска из печи.. Расплавление ферромарганца завершается еще быстрее — за

3—5 мин. Полная равномерность состава жидкого металла до­ стигается только во время выпуска плавки в ковш. Струя метал­ ла, вытекающая с большой скоростью из выпускного отверстия,,

падает в сталеразливочный ковш и перемешивает всю массу жидкой стали, что обеспечивает равномерное распределение всех

примесей, содержащихся в жидкой стали.

Работники Кузнецкого металлургического комбината изуча­

ли движение металла и распределение легирующих элементов, в ваннах мартеновских печей при помощи радиоактивных изото­ пов [120]. Для этого радиоактивный изотоп кобальта Со60 вводи­ ли в ванну через среднее или крайнее окно мартеновской печи. Через определенные интервалы времени отбирали пробы метал­ ла из всех окон, а также на разливке и из готового проката. Установлено, что в период дефосфорации происходит интенсивное-

перемешивание ванны и равномерность состава достигается на

печах емкостью 190—380 т через 25—30 мин. В период кипения интенсивность перемешивания металла меньше и равномерность

Растворение ферросплавов в жидкой стали при раскислении и легировании 207

его состава достигается в печа х большой емкости в течение 30—

45 мин. При раскислении стали рядовых марок ферросилицием

и ■силикомаргайцем равномерный состав ванны достигается за 10—20 мин. При выплавке хромистых сталей после введения фер­

с помощью радиоактивного изотопа хрома Сг51, показало, что

ной выдержке металла в печи после добавления ферросплавов. Длительность выдержки должна выбираться, исходя из усло­ вия расплавления кусков ферросплава.

Длительность выдержки металла в печи после раскисления и легирования рассчитывается по формуле Доброхотова [301

где z—время выдержки ванны с ферросплавами, мин.;

q — вес присаживаемых материалов (феррохром, ферро­ марганец, силикомарганец), кг;

Р — среднесуточная производительность печи, г;

k — коэффициент, равный 1,5 для печей с динасовым сводом и 1 — для печей с хромомагнезитовым сводом.

Длительность выдержки ванны с раскислителями, рассчитан­ ная по этой формуле, хорошо совпадает с практическими данны­ ми и справедлива для углеродистых и всех низколегированных сталей, выплавляемых в основных мартеновских, печах.

При расчете длительности выдержки металла в печи обычно не принимают во внимание продолжительность выпуска металла в ковш, которая для печей емкостью 40—50 т составляет 5—7 мин., а для печей 130—200 т и больше — 8—12 мин. Во время выпуска процесс расплавления ферросплавов протекает в такой же степени, как и во время выдержки металла в печи. Таким

образом, действительное время контакта твердого ферросплава с жидкой сталью на 5—10 мин. больше рассчитанного по приве­ денной формуле; это гарантирует полное его расплавление за время пребывания в печи.

Ранее было указано, что ферросплавы растворяются в кипя­

щей ванне быстрее, чем в спокойной. Наиболее быстрое расплав­

ление ферросплавов и распределение элементов по всему объ­ ему металла происходит в случае введения твердых ферроспла­

вов на струю металла во время выпуска плавки в ковш. При