Производство стали : обработка металла инертными газами

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2324 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

С.В. Коминов 
А.Е. Семин 
Ф.В. Чуйков 

Производство стали в электропечах 

Обработка металла инертными газами 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150400 – Металлургия 

Москва 2014 

УДК 669.046.554 
 
К63 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. К.С. Шатохин 

Коминов, С.В. 
К63  
Производство стали : обработка металла инертными газами : учеб. пособие / С.В. Коминов, А.Е. Семин, Ф.В. Чуйков. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 55 с. 
ISBN 978-5-87623-777-4 

Представлены современные методы внеагрегатной обработки металла, 
основные положения теории подобия, показаны особенности применения 
физического моделирования в исследовании гидрогазодинамических процессов в агрегатах ковшевого рафинирования. 
Предназначено для бакалавров и магистров направлений 150400 «Металлургия», 220400 «Управление в технических системах», инженеров специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств 
в черной металлургии». Рекомендуется к использованию при выполнении 
курсовых научно-исследовательских работ и выпускных квалификационных 
работ бакалавров, магистров и аспирантов, а также при проведении занятий 
по повышению квалификации работников высших учебных заведений, научно-исследовательских институтов и промышленных предприятий. 
 

УДК 669.046.554 

ISBN 978-5-87623-777-4 
© С.В. Коминов, 
А.Е. Семин, 
Ф.В. Чуйков, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Современная технологическая схема производства стали............... 4
2. Основные методы внеагрегатной обработки металла...................... 6

2.1. Технологические цели и основные методы 
внеагрегатной обработки металла.................................................................6
2.2. Подготовка металла к внеагрегатной обработке.................................7

3. Обработка металла инертными газами ................................................ 10

3.1. Оборудование для обработки металла инертными газами..............10
3.2. Технология обработки металла инертными газами..........................12
3.3. Особенности гидродинамики и газодинамики 
при обработке металла инертными газами................................................13
3.4. Влияние режима истечения газа на удаление 
неметаллических включений .......................................................................21
3.5. Качество получаемой стали ..................................................................23
3.6. Защита поверхности металла при обработке 
инертными газами..........................................................................................27

4. Моделирование процесса обработки металла инертными газами....... 30

4.1. Общие принципы моделирования технологических процессов....30
4.2. Анализ физической системы и выбор величин, 
ее характеризующих......................................................................................32
4.3. Выбор критериев подобия при моделировании 
процесса обработки металла инертными газами......................................34
4.4. Критерии физического подобия...........................................................35
4.5. Понятие автомодельности.....................................................................39
4.6. Один определяющий критерий ............................................................39
4.7. Режимы истечения газа при донной продувке...................................41
4.8. Краткий обзор современных методов моделирования ....................45

5. Описание лабораторной установки для изучения характера 
перемешивания жидкости в сталеразливочном ковше............................ 49
Библиографический список .................................................................. 52

1. СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ 
СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ 

Сталь – это сплав железа с углеродом (до 2,03 %) и другими компонентами, придающими металлу специфические свойства. 
Специфические свойства стали придают путем легирования. Легирование (нем. legieren – сплавлять, от лат. ligo – связываю, соединяю) – введение в металлы или металлические сплавы для изменения 
их физических (в том числе механических), химических и физикохимических свойств других металлов либо их сплавов. 
Возможности регулирования физических и физико-химических 
условий протекания процессов выплавки стали в агрегате ограниченны. Возрастающие требования к качеству металла привели, фактически, к разработке принципиально новых технологий получения 
стали в комплексе: технологический агрегат (конвертер, мартеновская печь, дуговая сталеплавильная печь) – внеагрегатная установка 
доводки металла. Таким образом, технологическая схема выплавки 
стали в современных условиях может быть представлена следующим 
образом (рис.1.1). 

 

Рис. 1.1. Современная технологическая схема производства стали 

Следовательно, в агрегате производится так называемый полупродукт, 
т.е. металл по упрощенной технологии, а до заданной кондиции, т.е. 
до стали, он доводится вне агрегата, на так называемой установке внеагрегатной (внепечной) обработки (установке доводки металла – УДМ). 
Такая методика обладает целым рядом преимуществ, важнейшими из которых являются [1]: 
– упрощение технологии конвертерной плавки, так как появляется 
возможность коррекции температуры и состава металла не во время 
выпуска, а на установке доводки металла; 

– замена двухшлаковой технологии плавки в ДСП на одношлаковую без скачивания шлака; 
– обеспечение лучшего согласования работы (логистика) агрегатов – машина непрерывного литья заготовок; 
– получение чистой стали более дешевыми методами и в больших 
количествах; 
– снижение требований и изменение типа используемых ферросплавов и раскислителей, использование более дешевых легирующих 
материалов (феррохрома, ферроникеля и т.п.); 
– внедрение технологии «прямого легирования» с использованием 
природно-легированных руд и отходов смежных производств. 
Уже в середине 1980-х годов появилось множество технологических процессов получения стали повышенного качества с использованием внеагрегатной обработки [2]. Это процессы: АВР – аргоновакуумное рафинирование; АКР – аргонокислородное рафинирование; AIS – продувка аргоном плюс индукционное перемешивание; 
AР – внепечная обработка, включающая электродуговой подогрев 
металла; ASEA-SKF – внепечная обработка в ковше при накрывании 
ковша крышкой для вакуумирования и электродугового нагрева 
с индукционным перемешиванием; САВ – перемешивание пузырьками аргона металла, находящегося под слоем синтетического шлака, плотно накрытого крышкой; DH – порционное вакуумирование; 
RH – циркуляционное рафинирование; VOD – продувка кислородом 
металла, находящегося в ковше под вакуумом.  

2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ВНЕАГРЕГАТНОЙ 
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА 

2.1. Технологические цели и основные методы 
внеагрегатной обработки металла 

Внеагрегатная обработка позволяет [1]: 
– улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели); 
– получать сталь с принципиально новыми свойствами (с содержанием углерода ≤ 0,003 %, азота ≤ 0,004 %), не имеющую предела 
текучести, т.е. способную работать до предела прочности; 
– получать гарантированно сталь с узкими пределами содержания 
элементов, что позволяет уменьшить запас прочности при проектировании машин и механизмов почти в два раза и тем самым снизить их массу. 
Методы внеагрегатной обработки металла могут быть классифицированы по физическим и физико-химическим воздействиям на качество стали следующим образом [1]: 
– выравнивание температуры и химического состава в сталеразливочном ковше – продувка инертными газами и некоторые способы вакуумирования; 
– глубокое обезуглероживание (< 0,02 % углерода) – вакуумирование; 
– дегазация (получение содержания водорода ≤ 0,0002 %) – вакуумирование; 
– десульфурация (получение содержания серы ≤ 0,003 %) – продувка порошками, обработка синтетическим шлаком; 
– модификации оксидных и сульфидных включений – обработка порошками щелочноземельных металлов (обычно кальция) и их сплавов. 
Эти эффекты обусловлены следующими особенностями обработки металла вне основного агрегата [1]: 
– создание благоприятных термодинамических условий для развития заданного процесса (разряжение для глубокого обезуглероживания или углеродистого раскисления); наводка синтетического шлака для глубокого удаления серы; 
– значительное увеличение скорости взаимодействия металла 
с газовой фазой из-за дробления металла на капли с развитой поверхностью контакта; 
– улучшения массопереноса и его интенсивности в металле за 
счет дробления на капли и, как следствие, увеличение градиента 
концентрации растворенных элементов. 

2.2. Подготовка металла к внеагрегатной 
обработке 

Основная масса стали производится в окислительных агрегатах, 
шлаки в которых имеют повышенную окисленность (содержание оксидов железа составляет 15…30 %). Шлак такого состава ухудшает 
условия раскисления (приводит к повышенному угару раскислителей) 
и рафинирования металла от неметаллических включений, практически делает невозможным проведение операции десульфурации. При 
вакуумной обработке раскисленного металла источником кислорода 
может быть футеровка ковша, что является причиной загрязнения стали неметаллическими включениями. Эти факторы могут существенно 
затруднить операцию обработки металла синтетическими шлаками. 
Следовательно, металл, подвергаемый внеагрегатной обработке, должен обязательно пройти стадию предварительной подготовки, включающую, прежде всего, операцию отсечки печного шлака. 

Методы отсечки конвертерного шлака при выпуске металла 

Самый простой, но наименее эффективный метод, заключается 
в загущении шлака перед выпуском из конвертера путем введения 
холодного доломита или извести, снижающих его жидкоподвижность и затрудняющих затекание шлака в сталевыпускную летку. 
При этом отсечка шлака осуществляется «подрывом», то есть подъемом конвертера во время выпуска в момент появления шлака. В этом 
варианте есть опасность оставления части металла в агрегате. 
Более эффективным является метод закупоривания сталевыпускной летки с использованием специальной «пробки», схема которой 
представлена на рис. 2.1.  

 

Рис. 2.1. Схема «пробки» для отсечки шлака:  
1 – стальной шар диаметром 160…190 мм; 
2 – наваренная на стальной шар стальная арматурная проволока, диаметром ~16 мм; 
3 – огнеупорная оболочка (магнезитовый порошок фракции 0…3 мм 60...65 %, 
фракции 0…1 мм 25…30 %); жидкое стекло 35...36 % (сверх 100 %) 

Манипулятором, установленным на тележке для ремонта сталевыпускной летки, шар сбрасывается в район выпускного отверстия 
за 0,5…1,0 мин до окончания выпуска. Кажущаяся плотность «пробки» 
составляет от 4700 до 4850 кг/м3 (для шара диаметром 160 и 190 мм соответственно), что обеспечивает его положение на границе раздела 
шлак – металл (плотность шлака составляет ~ 3200 кг/м3, а жидкого металла ~ 7000 кг/м3 соответственно). Следовательно, после слива металла 
«пробка» перекрывает сталевыпускную летку и обеспечивает отсечку 
шлака до 90 %, как показали промышленные испытания [1].  
Такой метод позволяет снизить угар алюминия на 0,2 кг/т, марганца – 
на 0,4 кг/т, обеспечить восстановление фосфора на 0,001…0,005 %, 
по сравнению с технологией без отсечки шлака (0,005…0,015 %). 
Фирмой Voest-Alpine (Австрия) разработана специальная пневматическая «пробка» для сталевыпускной летки конвертера, позволяющая более эффективно отсекать шлак. «Пробка» изготавливается 
из чугуна и имеет в центре сопло для подачи сжатого воздуха или 
азота. Между корпусом «пробки» и внутренней стенкой сталевыпускной летки имеется кольцеобразный зазор для выхода газа, подаваемого для удержания шлака в конвертере. Подача газа осуществляется по команде от радиационного пирометра, фиксирующего по измеряемой радиационной температуре окончание выпуска металла 
и начало схода шлака. Оборудованию присвоено название PSS 
(Pneumatic Slag Stopper).  
Следует отметить, что все описанные методы все же не позволяют 
обеспечить достаточную эффективность отсечки шлака. Кроме того, 
исследования показали, что при выпуске металла из конвертера 
в сталеразливочный ковш вследствие контакта металла с атмосферой 
массовая доля кислорода повышается на 0,005…0,010 %. 

Методы отсечки шлака при выпуске металла 
из дуговой сталеплавильной печи  

Эти методы в первом приближении могу быть классифицированы 
следующим образом: 
– «сифонный выпуск», т.е. размещение сталевыпускной летки 
ниже уровня расплавленной ванны; 
– метод донного центрального выпуска; 
– метод донного эксцентрикового (эркерного) выпуска, позволяющий наряду с отсечкой шлака оставлять в печи часть расплавленного металла; 

– оснащение сливных носков ДСП кассетными шиберными затворами (плавка ведется с закрытым затвором, для слива печь наклоняется на ~ 10°, затвор открывается и ведется выпуск металла). 
При донном сливе металла печь наклоняется на 10°, длительность 
выпуска составляет ~2 мин, а в печи остается «болото» – приблизительно 15 т металла и шлака. Обслуживание донного узла занимает 
~3 мин, стойкость блоков ~15 плавок, замена ~2 ч. Периодически для 
контроля состояния пода одна плавка сливается полностью. 

Метод отсечки шлака при разливке стали 

Сущность метода заключается в переливе металла из ковша 
в ковш. Обеспечивается практически полная отсечка шлака, но при 
этом происходит остывание металла на 25…40 ºС. 

3. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ 

3.1. Оборудование для обработки металла 
инертными газами 

Один из самых простых и распространенных способов внеагрегатной обработки металла – продувка металла инертными газами. 
Этот метод обработки позволяет [1]: 
– усреднять металл по химическому составу (за счет интенсификации массопереноса); 
– проводить усреднение металла по температуре (за счет интенсификации процесса теплопереноса); 
– рафинировать металл от неметаллических включений (интенсивное перемешивание металла ускоряет перенос неметаллических 
включений к поверхности металл – шлак и удаление их из металла, 
способствует их адсорбции на поверхности газовых пузырьков); 
– удалять из металла газы, в первую очередь водород (парциальное давление водорода в пузырьках инертного газа равно нулю, они 
являются по отношению к водороду в некотором смысле вакуумными полостями и экстрагируют его из металла). 
На практике продувка металла в ковше инертными газами широко 
применяется в сочетании с другими методами внеагрегатной обработки: 
– различными способами вакуумирования (в ковше, на установках 
циркуляционного вакуумирования);  
– продувкой порошками; 
– обработкой металла синтетическими шлаками. 
В качестве несущих газов в этом методе используют: 
– аргон, являющийся инертным газом, содержание которого в воздухе которого составляет 0,93 %; 
– азот. 
Оба эти газа являются побочными продуктами получения технического кислорода.  
При внеагрегатной обработке металла расход инертного газа составляет, как правило, 0,30…2,00 м3/т стали. Для подачи инертного 
газа используют: 
– «ложный стопор», представляющий собой стальную трубу, футерованную снаружи огнеупорными катушками (в выходном сечении 
труба может иметь цилиндрические или щелевые сопла, расположенные перпендикулярно оси трубы); 

– пористые огнеупорные пробки [изготовляются из смеси крупнозернистого спеченного муллита (70 % Al2O3) и магнезита (95 % MgO) 
под низким давлением прессования и специальным отжигом], установленные в днище ковша, схема одного из вариантов представлена 
на рис 3.1; 
– трубку, устанавливаемую в разливочный стакан (стакан и верхняя приемная часть гнезда ковша во время установки стакана засыпаются магнезитовой крошкой); 
– пористые швы в днище ковша. 

 

Рис. 3.1. Схема установки пористой пробки в днище ковша: 
1 – пористая пробка; 2 – набивка из огнеупорногоматериала; 
3 – футеровка ковша; 4 – металлический корпус ковша 

«Ложный стопор» погружается на 2,2…2,4 м от кромки жидкого 
металла, давление аргона перед фурмой составляет для цилиндрических сопел 0,10…0,20 МПа, для щелевых – 0,40…0,50 МПа. Длительность продувки более 3 мин обеспечивает равномерное распределение химических элементов и усреднение температуры. Такие 
устройства безопасны в эксплуатации, поскольку в футеровку ковша 
не вносится никаких изменений. Недостатком способа является то, 
что это устройства одноразового использования, так как интенсивное 
движение металло-газовой взвеси вдоль стопора приводит к быстрому размыванию огнеупора [2]. 
Использование пористых пробок позволяет производить продувку 
одновременно через несколько таких устройств (3–4), расположенных примерно на серединах радиусов днища ковша. В этом случае 
эффективность воздействия инертного газа на металл существенно 
возрастает. Кроме того, пробки выдерживают несколько продувок 
[2]. Вместе с тем пористые пробки наряду с высокой газопроницаемостью должны обладать огнеупорностью, обеспечивающей надежную работу при температурах 1550…1650 ºС, высокой термостойкостью и химической стойкостью к металлу и шлаку.