» » Электрошлаковый процесс
04.02.2015

Электрошлаковый процесс ЭШП до настоящего времени в металлургии применялся только для переплава компактных электродов, полученных прокаткой слитков из металла, как правило, обычной электродуговой плавки. Электроды имеют тот же химический состав, что и слитки ЭШП, т.е. никакие легирующие и раскислители в процессе ЭШП в металл не вводятся. В результате ЭШП происходит значительное освобождение металла от крупных неметаллических включений, некоторое снижение удержания в нем серы, уменьшение дендритной ликвации и общее улучшение макро- и микроструктуры металла. Благодаря образованию на стенках кристаллизатора шлакового гарниссажа получаемые слитки имеют очень хорошую поверхность.
В принципе установки ЭШП удобные агрегаты для переплава металлизованных окатышей, которые могут вводиться в шлаковую ванну различными способами: в зазор между стенкой кристаллизатора и нерасходуемым водоохлаждаемым или графитовым электродом, через полый электрод. Из окатышей методом прессования могут быть изготовлены и компактные электроды, которые затем могут быть переплавлены обычным способом. Процесс может осуществляться практически непрерывно при условии вытяжки слитка. При этом отпадают такие стадии, как выплавка стали в обычной печи из окатышей, разливка ее, прокатка на электроды и зачистка поверхности электродов.
Однако при всей заманчивости ЭШП металлизованных окатышей и кажущейся простоте этого процесса в действительности при его осуществлении возникают гораздо больше трудностей, чем при переплаве окатышей в дуговых, индукционных или руднотермических печах. Обусловлены эти трудности отсутствием легирующих элементов, высоким содержанием окислов железа и пустой породы в металлизованных окатышах. При обычной плавке в том или ином агрегате можно, если необходимо, и путем применения внепечных методов удалить из металла кислород и ввести в него любые легирующие с равномерным их распределением в объеме металла. При ЭШП происходит непрерывная кристаллизация металла непосредственно из жидкой ванны, имеющей очень небольшой объем. Поэтому добиться равномерного распределения легирующих элементов, особенно если их несколько, путем непрерывного введения их в эту ванну в виде гранул, ленты или проволоки представляет большие трудности. Эти трудности еще более усугубляются наличием над ванной толстого слоя шлака, в который непрерывно поступают довольно значительные количества окислов железа из свежих порций окатышей. Для обеспечения низкого угара легирующих и устранения повышенной окисленности металла шлак должен непрерывно раскисляться, но таким образом, чтобы это не приводило к образованию стойких окислов элементов-раскислителей в металле, т.е. неметаллических включений.
Несмотря на очевидность этих трудностей, большие потенциальные возможности ЭШП металлизованных окатышей привлекают к себе внимание исследователей. К настоящему времени выполнены исследования, на основании результатов которых можно в известной мере судить о ближайших перспективах использования металлизованных окатышей в ЭШП.
В центре металлургических исследований в г. Олбани (США) была проведена серия исследований с использованием при ЭШП губчатого железа, полученного различными способами: в шахтных печах Мидрекс-процессом, во вращающихся печах и в ретортах ХиЛ-процессом. При этом степень металлизации колебалась от 82,8 до 96,8 %, содержание углерода - от 0,038 до 1,49 %, фосфора - от 0,006 до 0,23 %, серы - от 0,004 до 0,047 %, кремнезема — от 2,10 до 3,45 %, суммы окислов кальция и магния - от 0,26 до 4,41 %.
Из металлизованных окатышей средним диаметром 1,2 см методом изостатического прессования при давлении 559 МПа с добавками и без добавок легирующих присадок изготовляли стержни размером 5х5х25 см. Расходуемый электрод состоял из трех сваренных встык стержней массой по 3,2 кг каждый.
ЭШП производился с использованием предварительно расплавленного флюса, содержащего 70 % CaF2, 15 % CaO и 15 % Al2O3. Полученные слитки имели диаметр 10 и высоту 17,5-20 см.
Первоначально была сделана попытка произвести ЭШП электродов, изготовленных из металлизованных окатышей без каких-либо добавок. Однако только при степени металлизации окатышей 96,5-96,8 % процесс протекал более или менее удовлетворительно. Во всех других случаях плавка протекала неустойчиво, шлак пенился, выход железа был низким. В связи с этим в последующем в электрод запрессовывали следующие раскисляющие добавки: алюминиевые опилки; чугунную крошку с содержанием 2,8 % С; ферросилиций (49,3-48,7 % Si); Si (97,9 % Si); Mn (98 % Mn); SiMn (14,5 % Fe, 62,9 % Mn, 17 % Si); FeMn (79,7 %Мп, 1,9 % Si, 6,0 % С); SiC (66,4 % Si, 27,4 % С). Применение металлического кремния и карбида кремния привело к растрескиванию электродов во время плавки. Все остальные добавки способствовали стабилизации процесса плавки и получению слитков с удовлетворительной поверхностью.
Основные данные по химическому составу и качеству слитков, полученных при переплаве электродов из губчатого железа с содержанием 1,19-1,49 % С, приведены в табл. 29.
Электрошлаковый процесс

Электрошлаковый процесс

Из табл. 30 видно, что при определенной степени раскисленности металла были получены практически здоровые, плотные слитки. Это обеспечивалось введением каждой из добавок в следующих количествах: 25 % чугунной крошки, 13 % FeSi; 4 % FeMn или 2 % и более SiMn. На ряде плавок в конце процесса добавляли алюминий на шлак. Это также способствовало получению более плотных слитков. Многие слитки в верхней части имели усадочные раковины. При введении в шлак в конце процесса экзотермических смесей, состоящих из алюминиевого порошка или опилок и окислов железа, усадочные явления в значительной степени устранялись, одновременно возрастало содержание алюминия в верхней части слитков.
На ряде плавок производили раскисление шлака по ходу процесса присадками карбидов кальция, кремния и титана (табл. 30). Карбид кальция вводили на плавках с использованием окатышей, содержавших 0,06 % С. При этом наблюдали уменьшение содержания кислорода в металле и пористости слитков, но окончательно она не исчезала даже при введении в шлак до 30 % CaC2. Содержание окислов железа в шлаке во всех случаях колебалось от 17 до 24 %. Характерным для плавок этой группы было крайне неравномерное распределение углерода по высоте слитка - содержание его в нижней части до 10 раз превышало содержание в верхней части. Влияние количества добавляемого карбида кальция на содержание неметаллических включений обнаружено не было.
При использовании в качестве раскислителя карбида кремния здоровые слитки на плавках с электродами из губчатого железа, содержащего около 1 % С, были получены при добавлении его к шлаку в количестве 15 % и более. Ho при этом (см. табл. 31) содержание углерода в металле увеличивалось примерно в два раза и кремния примерно до 1 %. Дендритная структура слитка становилась более равноосной
Добавки карбида титана действовали так же. как и добавки карбида кремния, но оказались менее эффективными - пористость в слитках устранялась только при введении в шлак 40 % TiC что практически не приемлемо.
Были сделаны также плавки с использованием нерасходуемого графитового электрода и подачей металлизованных окатышей и раскислителей на шлак сверху. При этом были получены лучшие результаты, чем на плавках с компактным электродом, однако подробности в работе не сообщаются.
He сообщаются также подробности и о выплавке промышленных слитков углеродистой, высокомарганцовистой и высоколегированной стали. Отмечается только, что возникали трудности при получении слитков высоколегированной стали: либо не достигалось нужного содержания легирующих, либо было высоким содержание углерода. Тем не менее с использованием основных приемов, отработанных на опытных плавках, включая добавку экзотермической смеси в конце процесса, удалось получить плотные слитки с довольно равномерным распределением элементов по их высоте (С, Mn и Cr в пределах 1-6 % от среднего, Р до 10 %, Si до более высоких значений). Степень усвоения Mn колебалась в пределах от 18 до 81 %, Ni - от 62 до 100 %, Cr - от 39 до 100% и V - от 62 до 100'л.
Таким образом, в работе было показано, что при использовании высокометаллизованного губчатого железа и при определенных условиях раскисления могут быть получены качественные электрошлаковые слитки различных сталей. Ho вместе с тем не получили освещения многие другие важные вопросы, касающиеся качества стали (содержание и равномерность распределения неметаллических включений, механические свойства и т.д.), а также экономики процесса. В целом работа явилась не более чем первой попыткой опробования использования металлизованного сырья при электрошлаковом процессе и практические ее рекомендации весьма относительны.
В России работы по созданию ЭШП ведутся Институтом электросварки им. Е.О. Патона, Донецким политехническим институтом, ЦНИИЧМ, НПО Тулачермет, Ждановским металлургическим институтом и другими организациями.
В ЦНИИЧМ на опытной установке ЭШП проведено большое количество экспериментов по различным технологическим вариантам, в ходе которых были практически отработаны основные положения технологии процесса и произведена предварительная оценка возможного качества получаемого металла. Плавки проводили с использованием нерасходуемого электрода. Состав использованных окатышей был следующий, %: Feобщ 92,3; SiO2 2,5: MnO 0,9; Al2O3 0,6: CaO1 MgO следы’: С 0,05: S 0,01; Р 0,02. Степень металлизации 89,7 7с.
Окатыши равномерно подавали на шлак. Поскольку плотность окатышей несколько выше плотности шлака, но ниже плотности металла, они располагаются на межфазиой границе итак металлическая ванна. Капли жидкого металла могут, как показали эксперименты на водно-масляной модели, длительное время находиться на границе раздела. При этом имевшиеся в капле примеси и неметаллические включения переходят в шлак. Таким образом, практически на всей поверхности раздела металл шлак в кристаллизаторе могут одновременно находиться капли жидкого металла, которые постепенно вытесняются в металлическую ванну под действием равномерно подаваемых в кристаллизатор еще не расплавившихся окатышей. Такая схема переплава обеспечивает значительно большую поверхность контакта металл - шлак и увеличение времени пребывания жидкого металла в шлаке, которое пропорционально увеличению поперечного сечения кристаллизатора. Другим преимуществом ЭШП с нерасходуемым электродом является отсутствие теплового центра и ограниченного в осевой части района каплепадения. Это приводит к получению мелкой и плоской ванны, размеры и форма которой не меняются по высоте слитка, даже при изменении скорости подачи окатышей (рис. 103). Форму ванны фиксировали вольфрамом после расплавления 8,18, 26 и 35 кг окатышей.
Эти особенности процесса привели к значительным отличиям и в качестве слитка. Главная трудность при производстве слитков переплавом металлизованных окатышей, как отмечено выше, состоит в загрязнении рабочего шлака окислами железа и кремния пустой породы окатышей.
Содержание FeO в шлаке зависит от скорости подачи окатышей в кристаллизатор, режима раскисления и обновления шлака, а также от электрического режима плавки. При переплаве со скоростью подачи окатышей 0,1-0,2 кг/мин без дополнительного раскисления и обновления шлака содержание FeO в шлаке стабилизировалось на уровне 1-5 % (в зависимости от напряжения) за счет углерода графитового электрода.
При переплаве со скоростью 0,5-0,75 кг/мин содержание FeO в шлаке повышалось до 25-30 %.
Повышение напряжения приводит к уменьшению поверхности контакта электрода со шлаком, к снижению содержания углерода в металле (рис. 104) и к повышению содержания FeO в шлаке.
Электрошлаковый процесс

Применение раскислителей (алюминия, кремния, марганца) в количестве до 2-2,5 % позволило понизить содержание FeO в шлаке до 6-8 %. Однако использование раскислителей при переплаве на воздухе неэффективно. Так, присадка алюминия в виде порошка приводила к окислению значительного количества алюминия кислородом воздуха. Присадка алюминия в виде ферроалюминия приводила к значительному легированию алюминием металла. В обоих случаях раскисление шлака было недостаточным. Более эффективным оказался переплав в атмосфере аргона. В этом случае при тех же количествах раскислителей удалось понизить содержание FeO в шлаке до 4-5 %.
Дальнейшего снижения окисленности шлака достигали обновлением шлака по ходу переплава за счет присадки в шлак CaF2, CaO и слива шлака. Добавка в шлак CaF2 определяется также необходимостью стабилизации состава шлака по содержанию кремния на уровне 15-20 %. Ниже приведен состав шлака по ходу переплава одной плавки, %:
Электрошлаковый процесс

Пробы шлака отбирали после переплава каждых 10 кг металлизованных окатышей. Количество шлака оценивали, исходя из его начальной и конечной массы.
Появление в составе шлака окиси кальция обусловлено протеканием реакции
2(CaF2 ) + ( SiO2 ) = 2 ( CaO ) + SiF4.
Ho стехиометрии реакции появление 1 г CaO сопровождается убылью 1,36 г CaF2. Как видно из приведенных выше данных, на первой половине плавки этот коэффициент составил около 1,50.
Для выявления характера изменения состава шлака при непрерывном процессе получения слитка при переплаве металлизованных окатышей проведены три плавки по 25 кг с использованием отработанных шлаков: исходным шлаком первой плавки был шлак АНФ6 (30 % Al2O3, 70 % CaF2), вторую плавку провели на шлаке, полученном после первой плавки, а третью - на шлаке после второй плавки. По ходу переплава шлак раскисляли алюминием, кремнием и марганцем. Режим раскисления и электрический режим на всех плавках был одинаковым. Исходное количество шлака в начале каждой плавки составляло 3,5 кг, конечное -около 5,5 кг. Составы шлаков после 1-й, 2-й и 3-й плавок были следующими, %:
Электрошлаковый процесс

Приведенные результаты анализа показывают, что содержание в шлаке CaF2 уменьшается очень быстро: после переплава 75 кг окатышей его содержание уменьшилось с 70 % практически до нуля. Уменьшение содержания CaO обусловлено разбавлением шлака пустой породой окатышей, которое частично компенсировалось за счет отмеченной выше реакции. Дальнейший переплав по данной технологии, очевидно, должен привести к составу шлака, отвечающему составу пустой породы металлизованных окатышей, несколько измененной за счет присаженных по ходу переплава раскислителей.
Для стабилизации содержания SiO2 в шлаке на уровне 15-20 % необходима, как показал анализ опытных плавок, присадка по ходу переплава 3-5 % CaF2. Раскисление алюминием в количестве 1-2 % позволяет стабилизировать содержание Al2O3 на уровне 30 % и FeO на уровне 2-6 % (в зависимости от технологии). Стабилизация состава шлака по основным компонентам позволила получать слитки постоянного химического состава. Содержание углерода после наплавления 16-20 кг металла остается постоянным. Изменение содержания кремния и марганца по высоте слитка не превышает 0,01-0,05 %.
Исследование макротемплетов опытных слитков показало, что в них отсутствуют поры, крупные шлаковые включения и другие макродефекты, ликвация серы незначительна. Параметры дендритной структуры слитков соответствуют обычному металлу ЭШП аналогичного состава. Карбидная неоднородность металла типа стали ШХ15 составляет 1-2 балла по ГОСТ 801-78.
Электрошлаковый процесс

Важным достоинством является то, что содержание азота и водорода в металле весьма стабильно и составляет соответственно 0,002-0,004 и 0,0002-0,0003 %.
В табл. 31 приведены результаты исследования размеров окисных включений в слитках, полученных при переплаве окатышей на шлаках, содержащих различные количества SiO2 и FeO. Как видно из табл. 31, увеличение SiO2 в шлаке свыше 30 % приводит к резкому увеличению размеров включений. В металле появляются включения размером до 100 мкм, представляющие собой частицы запутавшегося в металле шлака. Увеличение содержания FeO в шлаке вызывает в первую очередь повышение количества мелких включений, укрупнение включений происходит незначительно.
Несмотря на значительное содержание окисных включений, их размер в металле, выплавленном на правильно подобранных шлаках, не превышает 6-8 мкм. По этому показателю металл соответствует металлу рафинирующих переплавов с расходуемыми электродами. Анализ расположения окисных включений относительно элементов дендритной структуры показал, что около 90 % от всех включений расположены в межосных участках, дендритов.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. За время пребывания металла в шлаке термодинамически неустойчивые при температурах процесса включения успевают продиссоциировать, более крупные и термодинамически устойчивые включения переходят в ишак. Если состав шлака правильно подобран (достаточно большое межфазное натяжение на границе раздела металл - шлак и большая адгезия включений к шлаку), в жидкой металлической ванне неметаллические включения отсутствуют, а появившиеся в слитке включения образованы на фронте кристаллизации и в двухфазной зоне из растворенного в жидком металле кислорода, концентрация которого определяется активностью FeO в шлаке. Ограниченные возможности диффузионного роста включений из-за высокого температурного градиента и значительного количества растворенного кислорода обусловливают появление большого количества мелких включений. Даже при высоком содержании окислов железа в шлаке и кислорода в металле оказалось возможным получать слитки, в которых размеры окисных включений не превышают 6-8 мкм.
Прочностные, пластические свойства, ударная вязкость и твердость опытного металла, как показали испытания, не уступают свойствам металла обычных способов выплавки.
Результаты проведенной работы показали, что получение качественных слитков стали с заданным содержанием углерода, кремния и марганца, а также с достаточно низкой загрязненностью неметаллическими включениями и низким содержанием азота и водорода может быть обеспечено при условии непрерывной подачи из дозаторов окатышей, раскислителей, шлакообразующих и легирующих в атмосфере инертного газа в шлаковую ванну в сочетании с вытяжкой слитка из кристаллизатора и сливом избыточного шлака. Расход электроэнергии при таком процессе составил около 2880 МДж/т и может быть снижен до 1440-2160 МДж/т при использовании кристаллизаторов большего сечения и в результате некоторых других мероприятий. Непрерывный процесс позволяет получать слитки с бездефектной поверхностью, не требующей зачистки перед дальнейшей обработкой, с минимальными потерями в виде головной и хвостовой обрези. При таком процессе полностью исключается применение огнеупорных материалов, что гарантирует отсутствие в металле экзогенных включений огнеупорного происхождения.
Создание основ получения легированных слитков является более сложной проблемой, требующей дальнейших исследований.
Разработанная технология опробована в промышленных условиях ЦНИИЧМ совместно со Ждановским металлургическим институтом, НПО Новокраматорский машиностроительный завод и НПО Тулачермет. Было опробовано три основных варианта технологии: переплав окатышей при использовании нерасходуемого графитового электрода с раскислением и легированием металла по ходу переплава; переплав расходуемого стального электрода с добавлением по ходу переплава металлизованных окатышей; переплав окатышей с целью получения заготовки для последующего переплава с делегированием.
Для переплава использовали металлизованные окатыши с 88,72 % Fеобщ 1-я партия) и 92,21 % Feобщ (2-я партия). Расход окатышей при использовании стального расходуемого электрода изменяли в пределах 2,5-40 %; на графитовом электроде проводили 100 %-ный переплав окатышей.
Степень усвоения железа из окатышей зависит от подводимой мощности, вида электрода, коэффициента заполнения кристаллизатора, степени металлизации окатышей и скорости наплавления. При ЭШП 1-й партии с расходуемым электродом при расходе окатышей 30-40 % от массы слитка степень усвоения железа находилась в пределах 78-90 %, содержание окислов железа в конечном шлаке составляло 20-26 %. Обновление шлака по ходу переплава позволило снизить содержание окислов железа до 5-10 %. Уменьшение расхода окатышей до 2,5-5 % обеспечивает получение окислов железа в конечном шлаке на уровне 3,0-3,5 %, а повышение степени металлизации при таком же расходе окатышей до 1-2 %.
При замене расходуемого электрода графитовым степень усвоения железа из окатышей повышается до 100 %. При ЭШП 1-й партии окатышей с использованием графитового электрода без дополнительного раскисления содержание окислов железа в конечном шлаке составляло 2,5-6,0 % в зависимости от режима переплава, при ЭШП 2-й партии - менее 2,0 %.
Опробование окатышей различного химического состава показало, что при использовании сырья с невысокой степенью металлизации сложно получить слиток с высокой плотностью и бездефектной структурой. При переплаве с графитовым электродом для получения качественной поверхности и макроструктуры необходимы расход раскислителей свыше 5,0 кг/т и низкая скорость подачи окатышей. Однако такая технология снижает экономичность и производительность процесса и приводит к сильному износу графитового электрода, сопровождающемуся насыщением металла углеродом (до 3,5 %). Использование второго переплава позволяет проводить ЭШП при минимальном расходе раскислителей с высокой скоростью наплавления. При содержании железа в окатышах свыше 92 % можно получать качественные слитки при одношлаковом процессе.
Таким образом, промышленные эксперименты подтвердили результаты лабораторных исследований о возможности создания устойчивого процесса ЭШП металлизованных окатышей. Главным условием для этого являются максимальная степень металлизации окатышей и минимальное содержание пустой породы, прежде всего окислов кремния. Качество металла по ряду важнейших параметров может быть очень высоким. По-видимому, можно не сомневаться, что процесс электрошлакового переплава металлизованных окатышей займет определенное место в качественной металлургии. Задача дальнейших исследований заключается не только в завершении создания стабильного непрерывного процесса, но и в не меньшей степени в разработке стабильной технологии легирования металла. Без этого возможности процесса будут весьма ограниченны.