Технология выплавки стали 03Х18Н11 методом аргонно-кислородного обезуглероживания. Обосновать изменение соотношений между кислородом и аргоном по ходу обезуглероживания

Марка стали 03Х18Н11 содержит не более С 0,03 %; Cr 17-19 %; Ni 10,5-12,5%.

Процесс аргоно-кислородного рафинирования нержавеющей стали основан на понижении парциального давления p _CO аргоном. Для этого продувку металла ведут не кислородом, а смесью кислорода и аргона. В результате такой продувки образующийся при окислении углерода монооксид СО разбавляется аргоном, и его парциальное давление соответственно понижается. Это позволяет повысить отношение концентраций [%Cr]/[%C] при постоянных других параметрах плавки.

Процесс аргоно-кислородного рафинирования (АКР), получив-ший в англоязычной литературе наименование AOD (Argon Oxygen Decarburisation - аргон кислород обезуглероживание), был впервые применен в 1968 г. в США. Высокая эффективность процесса - возможность получения стали с весьма низким содержанием углерода при низком угаре хрома, возможность использования углеродистого феррохрома и др. -вызвали его интенсивное распространение во многих странах и вскоре он завоевал доминирующее положение в произ-водстве нержавеющей стали. К началу 1990 г. на его долю приходилось около 75 % мирового производства этой стали.

Полупродукт для рафинирования в виде железо-хромистого расплава обычно получают в дуговой печи, где в максимальной мере используют высоколегированные хромом, а при получении аустенитной стали - и никелем, скрап, обрезь проката, стальной лом. В дуговую печь заваливают также углеродистый феррохром. Для уменьшения угара хрома при плавке в ДСП, а также с учетом необходимости интенсивного ведения процесса АКР, обеспечиваемого окислением углерода, и нагрева металла по ходу процесса, плавку полупродукта в дуговой печи обычно заканчивают при содержании углерода 1,0-2,5 % и содержании кремния < 0,20-0,25 %. Температура полупродукта -1520-1600 °С.

Полупродукт сливают в агрегат АКР и начинают продувку через придонные боковые фурмы смесью аргона и кислорода, последовательно изменяя соотношение их количеств. Процесс АКР проводят в два периода:

1. Окислительный.

2. Восстановления и десульфурации.

В окислительный период продувку ведут ступенчато, изменяя по мере снижения содержания углерода в расплаве соотношение количеств кислорода и углерода во вдуваемой смеси от 6/1 до 1/6. Такое изменение состава газовой смеси обеспечивает высокий окислительный потенциал дутья при высоком содержании углерода в начале продувки и последующее снижение парциального давления СО по мере понижения содержания углерода в металле для уменьшения угара хрома. Равномерному распределению аргоно-кислородной смеси в объеме металла и интенсивному перемешиванию, обеспечивающему хорошие условия рафинирования, способствуют продувка через несколько боковых придонных фурм и их рассредоточенное расположение.

Обычно в окислительный период применяют пять-шесть ступеней продувки с последовательным соотношением количеств O₂/Ar: 6/1; 4/1; 2/1; 1/1; 1/3; 1/6. Для получения нержавеющей стали с особо низким содержанием углерода (< 0,010-0,015 %) на последней ступе­ни продувку ведут при соотношении количеств O₂/Ar 1/7-1/9.

По мере необходимости в течение окислительного периода, предпочтительно в первой его половине, в ванну присаживают гранулированный никель и ферроникель, высокоуглеродистый феррохром. Во второй половине периода ферромарганец.

В качестве примера на рис. 1 приведен типичный ход процесса АКР. Видно, что по ходу окислительного периода наряду с интенсив-ным окислением углерода происходит окисление хрома. В общем, за окислительный период содержание хрома понижается от 16–18 % его исходного значения примерно на 1,5–2,0 %. Следует, однако, учесть присадки хрома в этот периода, что на кривой изменения содержания хрома в металле на рис. 63 проявляется в виде его скачкообразного повышения. Поэтому действительная степень окисления хрома боль-ше, чем это следует из сравнения начального и конечного его содер-жания в окислительный период.

Рис. 1. Типичный ход процесса АКР

На рис. 1 также видно, что по ходу окислительного периода по-вышается температура металла, что является следствием протекания экзотермических реакций, главным образом окисления углерода и хрома.

В течение всего окислительного периода в ванну присаживают шлакообразующие материалы: известь и, иногда для уменьшения агрессивного действия шлака на футеровку, в небольших количествах доломит. В результате окисления части хрома и других элементов, а также присадки шлакообразующих состав шлака по ходу окислительного периода изменяется. В начале периода содержание Cr₂O₃ в шлаке 15–25 %, а в конце обычно 18–28 %, хотя по некоторым данным достигает 34 % и более. Содержание CaO, соответственно, 25–40 и 35– 45 %.

При необходимости в ванну присаживают охладители - ферроникель, легированный или углеродистый стальной лом.

По завершении окислительного периода и получении нужного содержания углерода прекращают подвод кислорода и продолжают продувку через боковые придонные фурмы только аргоном. При такой продувке проводят восстановительный период, целью которого являются восстановление возможно большего количества хрома из шлака в металл, а также десульфурация стали. Для этого на шлак дают восстановительную смесь, состоящую из извести (1–2,5 % от массы металла), 70 % ферросилиция (1,5–2,0 %) и понижающего температуру плавления шлака плавикового шпата (0,5–0,7 %). Эта смесь быстро расплавляется благодаря относительно высокой температуре (1700–1730 °С) и интенсивному перемешиванию шлака, как и металла, при продувке ванны аргоном.

В восстановительный период вследствие восстановления хрома содержание Cr₂O₃ в шлаке существенно понижается, в значительной мере восстанавливается (FeO). Состав шлака конца восстановительного периода обычно следующий, %: 38-53 CaO; 28-36 SiO₂; 1-2 Cr₂O₃; 0,2-0,4 FeO; 0,2-0,5 MnO; 5,5-6,5 MgO; 5,5-6,5 CaF₂. Количество образующегося в агрегате АКР шлака, без его скачивания, составляет 11-14 % от массы металла. При такой степени раскисления шлака усвоение хрома металлом в процессе АКР составляет 97-98,5 %, а сквозное усвоение хрома, с учетом его потерь при плавлении в ДСП, превышает 95 %. Это значительно выше, чем при выплавке нержа-веющей стали полностью в ДСП, где усвоение хрома составляет 85–87 %. Это позволяет работать с небольшими присадками низкоуглеродистого феррохрома или даже без них.

Весьма низкое содержание FeO в шлаке при повышенной его ос-новности (%CaO / %SiO₂ > 1,5) способствуют десульфурации стали и позволяют за время восстановительного периода удалить из металла серу до концентраций < 0,015-0,010 %. Удаление серы происходит в основном после формирования восстановительного шлака, т.е. во второй половине восстановительного периода. Поэтому ее часто называют периодом десульфурации. Более глубокая десульфурация в агрегате АКР возможна при смене шлака. Но более эффективна последующая глубокая десульфурация обработкой стали в ковше, например, как будет рассмотрено ниже, кальцием.

Продувка в восстановительный период одним аргоном, унося-щим из ванны значительное количество тепла, вызывает охлаждение металла со скоростью примерно 0,20-0,30 °С/мин.

Высокое усвоение хрома позволяет в процессе АКР довольно легко получать в конце продувки содержание углерода 0,015-0,020 %, труднее 0,010 %. Этому способствует отсутствие в агрегате АКР источников науглероживания расплава.

Расход кислорода и аргона на продувку колеблется в широких пределах и определяется в основном степенью обезуглероживания расплава. При исходной концентрации углерода в начале процесса 1,3-1,5 % на получение стали с содержанием углерода ≤ 0,03 % расходуется кислорода 15-25 м³/т и аргона 18-23 м³/т.

Качество нержавеющей стали, получаемой процессом АКР, выше, чем при плавке только в ДСП. Содержание кислорода в металле во время продувки составляет 0,03-0,06 %, а к концу рафинирования снижается до 0,002-0,005 %, т.е. ниже, чем в дуговой электропечи после продувки кислородом (0,008-0,010 %). В результате этого достигается более низкое суммарное (в оксидных включениях и в растворе) содержание кислорода и экономятся раскислители. Вследствие интенсивного перемешивания металла в реакторе в восстановительный период образующиеся продукты раскисления более полно удаляются из расплава. Поэтому металл, выплавленный с применением АКР, содержит меньше оксидных включений, размеры их меньше, чем в электропечном металле.

Удаление азота в процессе АКР незначительное. И все же, вследствие длительного кипения ванны и экстрагирующего действия большого количества пузырьков (Ar + CO) во время продувки содержание азота понижается до 0,01-0,02 %. По этой же причине при использовании процесса АКР готовая сталь содержит меньше, по сравнению с электросталью, свинца и некоторых других примесей цветных металлов. Все это обеспечивает повышенную пластичность нержавеющей стали, полученной с применением процесса АКР.