Содержание вредных примесей цветных металлов в стали при выплавке в конвертерном и электросталеплавильных цехах

Современные технологии не позволяют в процессе технологических операция сталеплавильного передела воздействовать на уровень концентраций примесей цветных металлов. Наличие этих примесей в сталях провоцирует развитие интеркристталитных трещин, повышает склонность к отпускной хрупкости, приводит к снижению служебных характеристик изделий из выплавляемой стали, то есть препятствует получению металла с требуемыми свойствами[1].

Было выявлено, что содержание вредных примесей в металле напрямую зависит от состава шихтовых материалов, загружаемых в сталеплавильные агрегаты.

Остаточные примеси можно подразделить на три группы: примеси, совершенно не поддающиеся удалению; примеси, поддающиеся удалению в ограниченной сте­пени; легко удаляемые примеси. Примеси могут вноситься разнообразными путями. Сравнительный анализ показывает, что большинство остаточных примесей вносится с ломом. Загружаемый лом должен быть особенно тщательно отсортирован, если стоит задача удержать содержание примесей на ми­нимальном уровне.

Наличие вредных примесей тем или иным образом влияет на физико-химические свойства стали. Наличие в ломе небольшого количества мышьяка, олова, свинца (0,02 — 0.04 %). которые во время плавки переходят в сталь, вызывают ее хладноломкость. Пластичность стали снижается с увеличением содержания меди, молибдена и олова. Содержание 0,001 % Sb придает стали хрупкость, мышьяк ухудшает свариваемость[2].

Растущие требования, предъявляемые к качеству металла со стороны потребителей, приводят к тому, что в наше время содержание нежелательных добавок регламентируют на уровне 0,001 %. Суммарное содержание примесей (Сu+Mo+Sn+Cr) для производства стали для бесшовных труб должно быть не более 0,280 массовых % [3].

Плавка в кислородном конвертере и в дуговой печи проходит в окислительной среде. Поэтому вопрос состоит в том, какие из остаточных примесей могут быть удалены из металла при преобладании окислительных условий в главном сталеплавильном процессе. Самое низкое химическое сродство к кислороду при 1600 °C имеет медь; далее следуют никель, мышьяк, сурьма, олово, молибден, фосфор, же­лезо, цинк и хром. Если невозможно удаление остаточных примесей посредством окисления с образованием соответствующих оксидов, то остается возможность удалить их под вакуумом. Между тем даже в вакууме невозможно снизить содержание мышьяка, сурьмы и свинца до уровней ниже 0,1 %. Медь и олово вообще невозможно удалить вакуумированием расплава.

Процесс в дуговой печи имеет ряд недостатков по сравнению с кислородно-конвертерным с точки зрения достижения низкого содержания неудаляемых остаточных примесей. Это значит, что в общем случае содержание вольфрама, меди, молибдена, никеля и кобальта в электростали выше, чем в кислородно-конвертерной стали. Кроме того сталь из дуговой печи имеет более высокое, чем конвертерная, содержание олова, мышьяка и сурьмы. Образование и накопление вредных остаточных примесей в жизненном цикле стали будет ухудшать ситуацию в будущем.

Как уже было отмечено ранее примеси цветных металлов неблагоприятно влияют на механические свойства готовой продукции. В связи с этим необходимо внедрять решения, позволяющие снизить содержание вредных примесей прежде всего за счет правильного подбора шихтовых материалов. Главным источником примесей цветных металлов является лом. В общем случае, технологии электросталеплавильного производства предполагают использование большего количества лома, вследствие этого концентрация вредных примесей больше в ЭДП.

Проведем упрощенный расчет, исходя из того, что для плавки в конвертере используется 75 % чугуна и 25 %  лома, а в дуговой печи 75 % лома и 25 %  чугуна. Расчеты проведем для меди, как для самой сложной с точки зрения удаления примеси. Концентрация меди в чугуне на выпуске из доменной печи не регламентируется, поэтому возьмем содержание меди 0,01 %. В качестве металлошихты используем лом, содержание меди в котором по данным источников составляет 0,20 - 0,25 %[4,5]. Таким образом содержание меди в шихте будет равно:

Для конвертерной плавки:

Для электроплавки:

Таким образом, с учетом только лишь заданных материалов, в электропечь вносится в 3 раза больше меди.

В большинстве сталей допускают на допущения  <  0,3 % Cu. Медь в небольших количествах замедляет коррозию на воздухе. Однако сродство к кислороду ниже, чем у железа, и поэтому когда при нагреве под прокатку железо образует окалину, медь оттесняется в металл, и ее расплав проникает в сталь по границам зерна[6]. Так, уже в стали с 0,17 % при 950…1150 °С находили сетку поверхностных трещин, заполненных медью.

Одним из решений является выбор шихтовых материалов для плавки. Прежде всего это  уже повсеместное использование жидкого чугуна при выплавке стали в дуговой печи. Жидкий чугун вносит с собой дополнительное количество тепла( и физического, и химического), и это вызывает сокращение расхода электроэнергии и повышения производительности. Однако возрастает продолжительность плавки.

Также для снижения содержания вредных примесей в электроплавке используют металлизованное сырье, которое имеет следующие преимущества:

· химический состав точно известен,

· сырье однородно и в нем отсутствуют нежелательные примеси;

· растет производительность печи;

· при плавлении меньше шума;

· допускается расширение производства при минимальных капитальных затратах.

К этому относится применение металлизованных окатышей, железа прямого восстановления, горячего брикетированного железа. В последнее время развитие получило использование синтикома. В качестве основы в этом материале содержится чугун (70-90%) и твердые окислители в виде окатышей, концентрата железной руды, агломерата (10-30%). Главное достоинство материала – высокая чистота по примесям цветных металлов, что позволяет выплавлять стали любого сортамента. 

В конвертере при производстве сталей с высокими требованиями по химическому составу целесообразно использовать более дорогие, но при этом чистые от примесей охладители. Это могут быть как металлизованные окатыши, так и железо прямого восстановления.

Концентрация меди в различных шихтовых материалах представлена в таблице.

Таблица.

Содержание меди в шихтовых материалах для выплавки стали

Таким образом, использование чистых от примесей цветных металлов шихтовых материалов благоприятно влияет на конечное содержание вредных примесей в готовой стали.