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.