Лекция № 10 Выплавка переплавом легированных отходов

1.Выплавка стали с использвонием легированных отходов переплавными способоми

Пока у металлургов не было возможности использовать в необходимых количествах газообразный кислород, переплав легированных отходов (имеются в виду отходы нержавеющих и близких к ним по составу сталей) не давал особых преимущеетв производителям. «Чистый» переплав (сплавление без окисления примесей) отходов нержавеющих сталей давал возможность получать стандартыый по состазу металл лишь в тех случаях, когда в качестве плавильного агрегата использовалась индукционная тигельная печь, в которой можно избежать науглероживания расплава. Технология производства нержавеющих сталей путем сплавления отходов нержавеющего металла в тигельной индукционной печи ограниченно применялась в металлургической практике ранее, изредка применяется и сейчас при использовании вакуумных индукционных печей. Массовое производство нержавеющих сталей таким способом невозможно из–за ограниченных размеров и производительности индукционных печей, сложностей со сбором, хранением и подготовкой нержавеющих отходов к плавке. (Недопустимо смешивание и невозможно использование отходов с различным содержанием углерода, нерацио- нально использование шихты с малой насыпной плотностью и очень велики расходы на порезку отходов из–за малых размеров тигля). Кроме того плавка в обычной открытой индукционной печи не дает возможности должным образом рафинировать металл от вредных примесей, накапливающихся в отходах.

«Чистый» (без окисления примесей) переплав отходов нержавеющих сталей в дуговой сталеплавильной печи затруднен из–за науглероживания легированного расплава в процессе плавки материалом графитированных электродов и практической невозможности получать таким путем нержавеющую сталь с содержанием углерода не более 0,12%. Данные отечественных заводов показытвают, что при «чистом» переплаве отходов нержавеющих сталей в дуговой печи содержзние углерода в них увеличивалось на 0,02...0,04%. Поэтому нереплав отходов нержавеющих сталей в дуговых злектропечах без окисления примесей практически можно было осуществить, лишь существенно разбавив углерод в расплаве путем введения в состав шихты в больших количествах мягкого железа (с содержанием углерода не более 0,05%). Такая технология довольно широко применялась в отечественной практике до начала применения газообразного кислорода в электрометаллургии стали. Содержание мягкого железа в шихте обычно составляло 35...45%. После расплавления шихты меняли шлак и проводили восстановительный период, во время которого осуществляли раскисление и десульфурацию металла, а также доводили состав стали до стандартного, добавляя в него низкоуглеродистый феррохром и никель. В связи с большим количеством мягкого железа в шихте расход низкоуглеродистого феррохрома и никеля для доводки стали был болыним, стоимость металла высокой, что является существенным недостатком данного технологического варианта. Другим суще- ственным недостатком этого варианта технологии была невозможность рафинирования металла от ряда примесей из–за отсутствия окислительных процессов и кипения ванны. К положительным сторона данного технологического варианта относится радикальное решение проблемы дефосфорации вы- соколегированных отходов нержавеющих сталей путем сильного разбавления фосфора в расплаве низкофосфористым мягким железом. Этот удачный прием широко использовался в дальнейшем в технологии плавки нержавеющих сталей на легированных отходах с использованием газообразного кислорода.

Но полное использование все больше накапливающихся нержавеющих отходов стало возможным только после разработки технологии плавки с использованием газообразного кислорода для окисления избыточного углерода в расплаве.

В наличие больших количеств хрома в железоуглеродистом расплаве существенно затрудняет окисление углерода из–за снижения активности углерода и кислорода в таком расплаве. При обычных температурахсталеплавильной ванны (порядка 1600 °С) понижение содержания углерода до концентраций менее 0,10% возможно только при очень низком содержании хрома в расплаве. В этих условиях использование отходов нержавеющих сталей в заметном количестве невозможно. И хотя присутствие в расплаве никеля несколько облегчает окисление углерода, для получения концентраций углерода порядка 0,05...0,06%, обычно необходимых при выплавке большинства нержавеющих сталей в дуговых печах, требуется вести обезуглероживание высокохромистого расплава (более 10% хрома) при температуре выше 1880...1890 °С. Поэтому применение твердых окислителей, обычно загружаемых на печной шлак и сильно снижающих температуру ванны, для глубокого обезуглероживания высокохромистых расплавов невозможно. Начиная со второй половины пятидесятых годов, за рубежом и в нашей стране для обезуглероживания высокохромистого легированного расплава при вьіплавке нержавеющих сталей монопроцессом в дуговых электропечах стали использовать газообразный кислород окислитель, применение которого не только не снижает, но и существенно повышает температуру расплава за счет тепла экзотермических реакций окисления составляющих легированного расплава. Тогда то и оформились основные положения технологии плавки нержавеющей стали в дуговых электропечах переплавом легированных отходов с обезуглероживанием расплава газообразным кислородом.

Для выплавки нержавеющей стали переплавом легированных отходов лучше использовать специализированную дуговую печь, что обычно соблюдается в мировой и отечественной практике. Необходимость специализации печи вызывается сравнительно длительными высокими тепловыми нагрузками на футеровку печи, причем не только на футеровку стен и свода, но и на футеровку ванны печи (температура расплава в конце периода обезуглероживания достигает 1950 °С, а иногда бывает и выше). При заправке футеровки ванны печей, специализированных на выплавке нержавеющих сталей, к магнезитовому порошку добавляют некоторое количество огнеупорных материалов, содержащих оксиды хрома, например размолотый в порошок бой отработавших свой срок хромомагнезитовых огнеупоров. В таком случае отмечается более надежная служба футеровки ванны. Имеются сведения об образовании гарнисажа на стенках дуговых печей, выплавляющих нержавеющую сталь. Специализированные на выплавке нержавеющих сталей дуговые печи оснащаются устройствами для интенсивной подачи газообразного кислорода в расплав, в частности с шестидесятых годов специальными водоохлаждаемыми фурмами. Ниже будет показано, что конструкция и место установки такой фурмы на печи оказывают существенное влияние на технико-экономические показатели выплавки нержавеющей стали.

Шихта для выплавки нержавеющей стали перенлавом легированных отходов составляется из отходов нержавеющих и близких к ним по составу сталей, некоторого количества углеродистого феррохрома и материалов с высоким содержа- нием никеля, а также определенного количества низкофосфористых отходов, вводимых для разбавления фосфора в легированном расплаве, так как надежных, дешевых и технологичных способов дефосфорации высокохромистых расплавов металлургам пока не удалось разработать. При выплавке сталей типа Х18Н9 содержание хрома в шихте поддерживается на уровне 12... 14%, считается, что при более высоком содержании хрома возрастают потери хрома при плавлении шихты и обезуглероживании расплава. Содержание никеля в шихте обычно находится на уровне нижнего предела его содержания в производимой стали. Содержание углерода в шихте обычно равно 0,30...0,50%, более высокое содержание углерода вызывает затруднения нри обезуглероживании расплава, так как при высоком содержании углерода в начале продувки ванны кислородом над печью появляется высокое мощное пламя горящей закиси углерода, снижающее сроки службы оборудования печи. Часто для уменьшения потерь хрома во время плазления и обезуглероживания в шихте повышают содержание кремния до 1%, вводя в ее состав кремнийсодержащие отходы или относительно дешевые ферросплавы с большим содержанием кремния.

Для повышения технико–экономических показателей процесса большое значение имеет рациональная подготовка нержавеющих отходов к плавке и рациональное сочетание различных видов отходов нержавеющих сталей. Серьезные проблемы вызывает использование амортизационных отходов, особенно отходов вышедшего из строя оборудования химических предприятий, загрязненных остатками вредных химических соединений, производимых на этом оборудовании. В та- ком случае существенно затрудняются как огневая резка отходов (и обычно трудоемкая и дорогая операция), так и переплав загрязненных отходов. Серьезные проблемы вызывают разделка на габаритные части и переплав частей ракет и космического оборудования, загрязненных вредными металлическими примесями (медь, вольфрам, кобальт и др.). Следует учитывать и возможное наличие остатков токсичного ракетного топлива в таких отходах. Ждет своего решения важная проблема использования отходов нержавеющей стали из отслуживших свой срок ядерных реакторов. Такие отходы не обладают наведенной радиацией (т.е. сам металл не радиоактивен), на их поверхности внешней или часто внутренней (трубы) находится тонкий слой радиоактивного осадка. Количество нержавеющих отходов из отслуживших ядерных реакторов только в нашей стране исчисляется тысячами тонн, оно непрерывно увеличивается. Попьітки решить проблему путем смывания радиоактивного слоя с поверхности отслуживших деталей из нержавеющих сталей водой мало эффективны и резко увеличивают количество жидких радиоактивных отходов. По нашему мнению, весьма перспективны пирометаллургические варианты дезактивации радиоактивных отходов, переводящие радиоактивную грязь в проч- ный не разлагающийся со временем шлак. Соответствующие металлургические разработки такого процесса имеются.

Серьезные проблемы возникают и при использовании стружки, полученной при механической обработке изделий из нержавеющей стали. Эти проблемы связаны со смешиванием стружки различных марок стали, загрязнением стружки остатками водомасляной эмульсии и примесями неметаллов, а также повышенными потерями ценных легирующих при переплаве стружки. Особо стоит вопрос об использовании отходов, получаемых при абразивной зачистке слитков и заготовок нержавеющей стали. Трудности при использовании таких отходов связаны с очень малыми размерами стружки и загрязнением отходов частицами абразивного материала (корунда с повышенным содержанием серы). В то же время увеличение количества нержавеющей стали, разливаемой на МНЛЗ, приводит к увеличению количества отходов, получаемых при абразивной зачистке заготовок.

Период плавления в печи, производящей нержавеющую сталь, имеет ряд особенностей по сравнению с выплавкой стали на свежей шихте. Наличие этих особенностей вызвано стремлением уменьшить потери хрома и по возможности ни- келя во время плавления. Отечественный производственный опыт показывает, что потери никеля и хрома испарением в зоне электрических дуг могут быть уменьшены за счет сокращения длительности плавления. Потери хрома шихтовых материалов окислением (за счет окисления окисленным печным шлаком) также сокращаются при уменынеиии длительности периода плавления. Снижению потерь хрома окислением способствует также повышение температуры жидкого металла в период плавления. Для сокращения длительности плавления и повышения температуры жидкой ванны применяют продувку ванны газообразным кислородом в завер- шающей стадии плавления шихты (после расплавления примерно 75% шихты). Дополнительный приход тепла за счет экзотермических реакций окисления компонентов шихты кислородом позволяет заметно сократить период плавления и несколько уменьшить окисление хрома, особенно если в шихте повышено содержание кремния. Если продувка кисло- родом начинается раньше (при большом количестве нерасплавившейся шихты), существенно возрастает угар хрома за счет его окисления.

Можно ожидать некоторого положительного эффекта и при использовании топливо-кислородных горелок для ускорения расплавлеиия шихты в электропечах, выплавляюіцих нержавеющую сталь, за счет уменьшения потерь хрома и никеля испарением в результате уменьшения длительности плавления, хотя при этом возможно некоторое увеличение количества окисленного хрома. К сожалению, в литературе отсутствуют данные о влиянии работы топливо-кислородных горелок на величину потерь легирующих из шихтовых материалов.

Чтобы несколько увеличить основность образующегося в период плавления в основном за счет окисления компонентов шихты шлака в печь добавляют известь (до 2% к массе металла). Хотя этот прием увеличивает массу шлака и расход энергии на плавку, в целом достигается некоторый выйгрыш за счет улучшения условий работы футеровки и облегчения раскисления шлака кремнием в последующем. Средний состав шлака в конце периода плавления нержавеющих сталей 12Х18Н10Т в дуговых электропечах Челябинского металлургического завода нриведен в табл. 1, 2.

Как видно из приведенных данных, некоторое количество хрома, несмотря на принимаемые меры, все таки окисляется в период плавления. Различное содержание оксидов

Таблица 1 - Состав металла и шлака по ходу продувки ваниы 40 т дуговой печи

Таблица 2 - Изменение состава печных шлаков по ходу плавки сталей 12Х18Н10Т в 100 т печи

Продувка жидкой ванны кислородом в процессе доплавления шихты, как правило, не приводит к заметному окислению углерода из–за большого содержания в шихте элементов с высоким сродством к кислороду и сопровождается интен- сивным выделением из печи бурого дыма, содержащего частицы испарившихся и окислившихся компонентов расплава. Длительность периода доплавления шихты составляет 5... 15 минут в зависимости от химического состава и массы књсков шихты, интенсивности продувки кислородом, времени начала продувки, емкости печи.

В отечественной практике момент окончания продувки определяют, как правило, визуально, ориентируясь на количество и величину пузырьков оксида углерода, выделяющихся из ванны. Это требует очень высокой квалификации персонала и не гарантирует ошибок. Предпринимались попытки определять оптимальный момент окончания продувки ванны кислородом по температуре ванньі с помощью номограмм, построенных на основе эксперимснтальных данных. Такой прием может давать удовлетворителыіые результаты лишь при относительно стабильных параметрах процесса.

Рис. 2. Соотношение между угаром хрома за продувку и содержанием углерода в металле в конце продувки(40 т печь):

состав шихты; содержание хрома, углерода, никеля; интенсивность продувки кислородом и т.д., что довольно трудно обеспечивалось и обеспечивается в отечественных условиях. Перспективными, на наш взгляд, являются попытки определения момента окончания продувки по количеству пыли в отходящих газах, то есть по степени прозрачности отходящих газов. Установлено, что резкое снижение скорости окисления углерода при его низких концентрациях (0,10...0,12%) сопровождается столь же резким увеличением количества пыли в отходящих газах. Это позволяет примерно (с точностью до 1...2 минут) определить момент получения нужных концентраций углерода в расплаве в конце продувки. Температура металла в конце продувки в отечественной практике колебалась в широких пределах (1870...1950°С) и определялась прежде всего конечным содержанием углерода и угаром хрома. Содержание кислорода в металле в конце продувки по нашим данным и данным отечественных исследователей колеблется в пределах 0,070...0,120%. Печной шлак в конце продувки имеет низкую основность и содержит значительное количество оксидов хрома и железа (табл. 1, 2). Общая масса шлака в конце продувки 6... 10% от массы металла в печи.

Рис. 4. Влияние содержания оксида железа в рабочем слое футеровки ванны перед присадкой титана на усвоение титана металлом (40 т печь)

Рис. 5. Изменение состава металла и шлака по ходу плавок сталей 08-12Х18Н10Т в 40 т печи (среднее по 10 плавкам)