Теория и технология металлургии стали

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1991 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов 

В.П. Лузгин 
А.Е. Сёмин 
О.А. Комолова 

Теория и технология 
металлургии стали 

Внепечная обработка стали 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
150100 – Металлургия 

Москва  2010 

УДК 669.18 
 
Л82 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Н.А. Смирнов (МГВМИ) 

Лузгин В.П., Сёмин А.Е., Комолова О.А. 
Л82  
Теория и технология металлургии стали: Учеб. пособие. – 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 72 с. 
ISBN 978-5-87623-346-2 

Приведены основные цели и задачи внепечной обработки стали. Проанализированы способы электродугового и химического подогрева металла, рассмотрены основные элементы конструкции и технологический регламент работы агрегата ковш-печь. Выполнен анализ процессов десульфурации при 
внепечной обработке стали, образования и удаления неметаллических включений при раскислении. Представлены методики расчета нагрева металла в 
агрегате ковш-печь, производительности насосов вакуумной системы, технологических параметров процесса десульфурации стали, а также количества и 
состава оксидных неметаллических включений. В Приложении даны примеры типовых задач. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150100 – 
Металлургия. 

УДК 669.18 

ISBN 978-5-87623-346-2 
© Лузгин В.П., Сёмин А.Е., 
Комолова О.А., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Обработка металла на агрегате ковш-печь.........................................7 
1.1. Основное назначение АКП...........................................................7 
1.2. Оборудование АКП .......................................................................8 
1.3. Огнеупоры АКП...........................................................................11 
1.4. Нагрев металла в АКП ................................................................13 
1.4.1. Расчет процесса электрического подогрева металла в 
агрегате............................................................................................13 
1.4.2. Примеры решения задач ......................................................20 
1.4.3. Химический способ подогрева стали .................................21 
1.5. Сера в стали и процесс десульфурации.....................................23 
1.6. Раскисление и легирование стали..............................................35 
1.6.1. Расчет процессов раскисления и легирования стали ........38 
1.6.2. Расчет количества и состава неметаллических 
включений в стали..........................................................................39 
2. Обработка металла на вакуумной установке ...................................48 
2.1. Циркуляционное вакуумирование стали (RH)..........................54 
2.2. Ковшевое вакуумирование стали (VD) .....................................56 
2.3. Расчет производительности насосов вакуумной системы.......60 
Библиографический список...................................................................69 
Приложение. Примеры типовых задач.................................................70 

Введение 

В последние годы в сталеплавильном производстве широкое развитие получили процессы внепечной обработки стали, позволяющие 
существенно повысить производительность основных сталеплавильных агрегатов (дуговая сталеплавильная печь, кислородный конвертер), рафинировать металл от вредных примесей с учетом современных и перспективных требований к качеству стали. Внепечная обработка обеспечивает надежную и эффективную работу современного 
сталеплавильного комплекса – кислородного конвертера (КК) или 
сверхмощной дуговой сталеплавильной печи (ДСП) и машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). 
Создание особых физико-химических условий при внепечной 
обработке дает возможность производства высококачественных 
особо чистых сталей с новыми служебными и потребительскими 
свойствами. 
Основными целями внепечной обработки стали являются: 
– нагрев металла в агрегате ковш-печь или за счет химического 
подогрева; 
– выравнивание химического состава и температуры металла за 
счет продувки расплава инертным газом или электромагнитного перемешивания либо при использовании обоих приемов; 
– дегазация металла – удаление водорода, частично азота и кислорода (в зависимости от способа внепечной обработки – продувки 
нейтральным газом, вакуумной обработки); 
– глубокое обезуглероживание стали за счет вакуумной обработки 
с одновременной продувкой расплава кислородом; 
– десульфурация стали благодаря использованию твердых шлаковых смесей или металлических десульфураторов либо при сочетании 
обоих приемов; 
– микролегирование и модифицирование стали порошковыми материалами в оплетке (cored wire). 
Одной из основных задач в сталеплавильном производстве является согласование температурного режима процессов выплавки и 
непрерывной разливки металла. Задача охлаждения металла оперативно решается путем продувки металла в ковше аргоном или присадки расчетного количества металлического охладителя – «сечки». 

Более актуальной и сложной является проблема нагрева металла 
при внепечной обработке. В настоящее время получили широкое 
развитие два способа подогрева металла – электродуговой и химический, каждый из которых имеет преимущества и недостатки. 
В первом случае для нагрева применяют специальные агрегаты 
типа ковш-печь (АКП), работающие на переменном или постоянном 
токе. Во втором случае используют теплоту экзотермической реакции окисления алюминия, вводимого в расплав в виде проволоки с 
помощью трайб-аппарата с одновременной продувкой металла кислородом. 
Применение электродугового метода нагрева имеет ограничения 
при производстве низкоуглеродистых сталей для производства автомобильного листа с высокой штампуемостью, а также некоторых 
электротехнических и коррозионно-стойких марок стали из-за опасности их заметного науглероживания при обработке на АКП. Однако 
эта проблема может быть решена последующей вакуумной обработкой с помощью процесса вакуумно-кислородного обезуглероживания. 
Основные технико-экономические преимущества внедрения внепечной обработки стали заключаются в следующем [1]: 
1) увеличение производительности сталеплавильных цехов на 
25...30 %; 
2) снижение температуры металла на выпуске из сталеплавильного агрегата; 
3) использование менее чистых и более дешевых шихтовых материалов и ферросплавов; 
4) обеспечение более стабильных показателей качества металла за 
счет производства сталей с пониженным содержанием вредных примесей (серы, фосфора, углерода, газов, неметаллических включений 
и некоторых цветных металлов); 
5) получение сталей с новыми или улучшенными потребительскими свойствами; 
6) согласование циклов работы технологических агрегатов в процессе производства (ДСП или КК), АКП, вакууматор, МНЛЗ). 
Внепечную обработку применяют при производстве широкого 
сортамента качественных, специальных сталей, в частности таких 
как: 

– микролегированная сталь для производства автомобильного 
листа типа 08Ю или IF (interstishial free); 
– горячекатанная листовая судовая сталь; 
– электротехническая кремнистая сталь; 
– конструкционная сталь с термомеханическим упрочнением; 
– высокопрочная микролегированная трубная сталь; 
– коррозионно-стойкая сталь; 
– инструментальная сталь. 
Пособие разработано на основании анализа материалов, опубликованных в профильных технических журналах, учебниках и монографиях, а также детального ознакомления с конструктивными особенностями действующих агрегатов внепечной обработки, технологическими инструкциями и практикой работы отделений внепечной 
обработки стали в сталеплавильных цехах ряда металлургических 
предприятий. 

1. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА 
НА АГРЕГАТЕ КОВШ-ПЕЧЬ 

1.1. Основное назначение АКП 

1. Нагрев металла до заданной по регламенту температуры, что 
позволяет исключить так называемые «холодные» плавки. 
2. При необходимости проведение контролируемого охлаждения 
металла в ковше за счет продувки стали аргоном для достижения 
требуемой температуры металла на разливке. 
3. Продувка металла инертным газом в целях усреднения его по 
химическому составу и температуре, а также ускорения процессов 
растворения раскислителей и легирующих элементов. 
4. Проведение процесса глубокой десульфурации стали под специальными шлаками или за счет инжекции порошковых материалов 
типа СаО–СаF2. 
5. Более гибкое согласование циклов работы агрегатов выплавки и 
разливки стали, т.е. наличие промежуточного демпфера в непредвиденных случаях (продолжение разливки предыдущей плавки или авария на МНЛЗ). 
6. Проведение более точного, в узких пределах легирования металла в ковше на АКП микролегирующими элементами (V, Zr, Nb, 
Ca, Al и др.) с применением порошковой проволоки, что существенно повышает коэффициент усвоения элементов. 
7. Обеспечение компенсации тепловых потеръ в случае вакуумной 
обработки стали за счет предварительного нагрева металла на АКП. 
8. Возможность частичного удаления неметаллических включений при продувке металла инертными газами под шлаками определенного состава. 
9. Проведение контролируемого науглероживания металла в АКП 
за счет инжекции заданного количества углеродсодержащих материалов в предварительно раскисленный металл. 
При обработке металла на АКП возможно восстановление фосфора в металл из шлака, а также повышение содержания водорода в металле. Для предотвращения этих процессов следует проводить скачивание шлака из сталеразливочного ковша перед его постановкой 
на АКП. 

1.2. Оборудование АКП 

Взаимосвязи и конструктивные решения агрегатов АКП могут 
различаться в зависимости от конкретных планировочных решений 
сталеплавильных цехов и отделений внепечной обработки. Результатом этого могут являться определенные изменения в номенклатуре и 
расположении оборудования. Основные элементы АКП: источник 
питания – трансформатор; сталеразливочный ковш; оборудование с 
помощью которого обеспечивают подачу в металл легирующих материалов и раскислителей; контролирующее и управляющее оборудование. 
Перечень основного оборудования АКП, как правило, включает: 
– трехфазный трансформатор мощностью от 12 до 45 МВ·А в зависимости от вместимости ковша (однофазный при работе на постоянном токе); 
– самоходные тележки – сталевозы с тензометрической системой 
взвешивания металла в ковше; 
– водоохлаждаемую крышку – свод с приводом для его поднятия, 
опускания и огнеупорным защитным экраном, выполненным из жаростойкого бетона. Крышка АКП является одним из важнейших элементов, определяющих работоспособность всего комплекса; 
– электрододержатели со специальными зажимами и с приводом 
их перемещения; 
– портал с системой роликов для вертикального перемещения 
электродов; 
– вторичный токоподвод с высокой токовой нагрузкой от трансформатора к электродам в виде медных шин; 
– регулятор подаваемой на АКП мощности трансформатора (ступени напряжения); 
– систему подачи аргона от аргонопровода к огнеупорным пробкам в днище ковша; 
– дымосос с системами охлаждения, очистки и удаления из АКП 
отходящих газов; 
– одно или два устройства для подачи порошковой проволоки «в 
оплетке» (трайб-аппарат и его направляющие); 
– оборудование для транспортирования, взвешивания и подачи 
кусковых материалов (комовой извести, плавикового шпата) и специальные фурмы для инжекции в металл порошковых материалов 
(порошковой извести, кокса); 

– бункерную эстакаду и устройства для взвешивания и транспортирования раскислителей и легирующих материалов; 
– устройства для продувки металла инертными газами при нагреве 
металла на АКП (донные керамические блоки и запасная аварийная 
фурма); при дуговом нагреве перемешивание металла обязательно; 
– автоматические или ручные зонды для отбора проб металла, измерения температуры и активности кислорода в расплаве приборами 
типа Сelox или УКОС; 
– АСУ ТП внепечной обработки с соответствующими измерительными приборами. 

Дополнительное оборудование: 
– высоковольтное оборудование со стороны поступления электрической энергии (трансформаторная подстанция с напряжением до 
35 кВ); 
– стенды для футеровки, сушки и разогрева сталеразливочных 
ковшей; 
– участок подготовки шиберных затворов сталеразливочных ковшей. 
Ниже приведены основные параметры АКП мартеновского цеха 
ОАО «ВМЗ»: 

Номинальная вместительность ковша, т ................................... 105 
Внутренний диаметр ковша, мм................................................ 3615 
Номинальная мощность трансформатора, МВ·А ...................... 18 
Первичное напряжение, кВ.......................................................... 35 
Диапазон вторичных напряжений, В.....................................111...320 
Номинальная сила тока электродов, кА ....................................32,5 
Диаметр электрода, мм................................................................ 400 
Диаметр распада электродов, мм ............................................... 700 
Скорость нагрева, °С/мин ...........................................................3...5 
Расход охлаждающей воды, м3/ч................................................ 250 
Расход аргона на продувку, м3/ч ..............................................10...25 
Число фаз и частота тока, Гц .................................................... 3 и 50 
Расход электродов, г/(кВт·ч) ....................................................... 12 
Удельная плотность тока на электродах, А/см2......................25...30 

Возможна реализация нескольких вариантов внепечной обработки 
стали с применением агрегатов ковш-печь: 
1) обработка стали проводится только на АКП в целях повышения 
температуры, корректирования химического состава и проведения 
десульфурации; 

2) обработка металла проводится на АКП в целях нагрева для последующей обработки сталей, склонных к флокенообразованию, на 
установках вакуумирования стали (УВС); 
3) обработка стали на УВС с последующим корректировнием температуры на АКП. 

Технологический регламент процессов на АПК 

Обычно предусматривается следующий порядок выполнения операций [2]: 
– установка сталеразливочного ковша на сталевоз в позицию ожидания; 
– подключение аргона к продувочным блокам ковша; 
– подача сталевоза с ковшом металла в рабочее положение на 
АКП; 
– установка крышки АКП, а затем и электродов в рабочую позицию; 
– нагрев металла с низких ступений напряжения до устойчивой 
работы электрической дуги, что определяется состоянием шлака; 
– неоднократная наводка шлака с использованием шлаковой 
смеси, состоящей из извести, глиноземистого щебня и плавикового шпата; 
– периодическая остановка процесса нагрева для визуальной 
оценки состояния шлака, измерения температуры, отбора проб металла и шлака (отключение питания); 
– корректирование химического состава присадками легирующих 
материалов по результатам определения химического состава и температуры металла; 
– после получения требуемого химического состава (с учетом его 
изменения в процессе раскисления в ковше) нагрев металла до заданной температуры к моменту его выпуска в ковш; 
– после достижения необходимых температуры и химического состава отключение питания, подъем электродов и крышки АКП, отключение подачи аргона и перемещение ковша в зону действия сталеразливочного крана; утепление поверхности шлака теплоизолирующими смесями и передача ковша на разливку или последующую 
вакуумную обработку и разливку. 
При вводе легирующих и шлакообразующих материалов, как правило, происходит охлаждение металла. Значения охлаждающих эффектов в расчете на 1 % массы вносимого материала (10 кг/т) в соот

ветствии с технологическим регламентом составляют: науглероживатель (коксик) – 40...50 °С; ферромарганец –15 °С, ферросилиций 
45, 65 и 75 % – 10, 5 и 7 °С соответственно; феррохром – 20...25 °С, 
силикомарганец – 15 °С; известь комовая и порошковая – 30 и 60 °С 
соответсвенно; плавиковый шпат – 20 °С; глиноземистый щебень – 
25 °С. При применении алюминия отмечают нагрев металла на 30 °С. 

1.3. Огнеупоры АКП 

При обработке стали на АКП к огнеупорам сталеразливочного 
ковша предъявляют повышенные требования по термической и химической стойкости к агрессивному воздействию металла и шлаков 
[3, 4]. 
Применяют кладку огнеупорным кирпичом или блоками. В последнее время стали использовать наливные футеровки, однако эта 
технология требует выделения в цехе специального отапливаемого 
помещения и строгого соблюдения ряда технических условий. В качестве огнеупорных материалов в верхнем шлаковом поясе часто 
применяют периклазоуглеродистый огнеупорный материал с содержанием углерода около 12 %. Остальную часть рабочего слоя ковша 
выполняют высокоглиноземистыми огнеупорами. Из-за опасности 
разрушения футеровка ковша не должна охлаждаться ниже 
800...900 °С, что достаточно часто нарушается в производственных 
условиях. 
При выборе футеровки учитывают следующие факторы: 
1) отношение удельной стоимости и гарантируемого качества огнеупоров; 
2) способ изготовления и способы ремонта элементов футеровки; 
3) методы контроля износа футеровки в ходе эксплуатации; 
4) степень влияния футеровки на качество стали (загрязнение неметаллическими вкючениями); 
5) вероятность быстрого аварийного разрушения футеровки в экстремальных условиях. 
Наиболее быстро и неравномерно изнашиваемыми зонами футеровки являются: 
– шлаковый пояс, постепенно смещающийся вниз по мере разгара 
футеровки; 
– зоны контакта футеровки со струей падающего при выпуске металла из агрегата;