Содержание статьи
- Введение
- Различие между раскислением и продувкой аргоном
- Гомогенизация расплава при продувке аргоном
- Удаление неметаллических включений
- Дегазация стали аргоном
- Технология продувки аргоном в ковше
- Технологические параметры и расчеты
- Влияние на качество стали
- Промышленная практика применения
- Часто задаваемые вопросы
Введение
В современной металлургии получение высококачественной стали невозможно без применения комплексных технологий внепечной обработки. Одним из ключевых процессов является продувка аргоном в ковше после окончательного раскисления стали. Этот процесс решает задачи, которые не могут быть выполнены только раскислением, и играет критическую роль в формировании конечных свойств металла.
Различие между раскислением и продувкой аргоном
Процесс раскисления
Раскисление стали представляет собой химический процесс связывания растворенного в металле кислорода путем введения элементов-раскислителей (кремний, марганец, алюминий). При этом образуются оксидные неметаллические включения, которые теоретически должны всплыть в шлак.
Назначение продувки аргоном
После раскисления кислород в стали практически полностью находится в связанном состоянии в виде включений. Продувка аргоном решает комплекс задач, которые не может выполнить раскисление:
| Процесс | Основная цель | Механизм действия | Результат |
|---|---|---|---|
| Раскисление | Химическое связывание кислорода | Реакция с раскислителями | Образование оксидных включений |
| Продувка аргоном | Физическое удаление включений | Перемешивание и флотация | Очистка от включений и газов |
Гомогенизация расплава при продувке аргоном
Гомогенизация представляет собой выравнивание химического состава сплава по всему объему ковша. В металлургии это критически важный процесс, поскольку обеспечивает равномерное распределение легирующих элементов и раскислителей.
Механизм гомогенизации
При продувке аргоном создается интенсивное перемешивание металла за счет восходящих потоков газа. Это обеспечивает:
Время гомогенизации по химическому составу при продувке аргоном составляет 8-12 минут при расходе газа 0,5-1,0 м³/т, в то время как без продувки этот процесс может длиться 30-40 минут.
- Быстрое растворение и усвоение вводимых в ковш ферросплавов
- Выравнивание температуры по объему расплава
- Равномерное распределение раскислителей
- Улучшение контакта металла со шлаком
Влияние на качество легирования
Энергичное перемешивание металла при продувке аргоном позволяет значительно повысить степень усвоения легирующих элементов. Это особенно важно для дорогостоящих ферросплавов и позволяет сократить их расход на 0,9-5,2 кг/т.
Удаление неметаллических включений
После раскисления в жидкой стали образуются неметаллические включения - продукты взаимодействия раскислителей с кислородом. Эти включения необходимо удалить из металла для получения высококачественной стали.
Классификация неметаллических включений
| Тип включений | Химический состав | Размер, мкм | Влияние на свойства |
|---|---|---|---|
| Глинозем | Al₂O₃ | 5-50 | Снижение пластичности |
| Силикаты | MnO-SiO₂ | 10-100 | Волосовины при прокатке |
| Сульфиды | MnS, CaS | 1-20 | Красноломкость |
| Экзогенные | Огнеупоры | 50-500 | Концентраторы напряжений |
Механизмы удаления включений при продувке аргоном
Продувка аргоном обеспечивает удаление неметаллических включений тремя основными способами:
1. Флотационный механизм
Мелкие неметаллические включения адгезируют к поверхности пузырьков аргона и выносятся ими в шлак. Эффективность флотации зависит от размера пузырьков газа.
- Диаметр пузырьков аргона: менее 3 мм
- Эффективность удаления включений размером менее 60 мкм: более 80%
- Снижение количества крупных включений: на 10-25%
2. Коагуляция включений
Интенсивное перемешивание способствует столкновению и укрупнению мелких включений. Крупные включения легче всплывают в шлак под действием архимедовой силы.
3. Ассимиляция шлаком
Энергичное перемешивание увеличивает поверхность контакта металла со шлаком, что способствует переходу включений в шлаковую фазу.
Дегазация стали аргоном
Дегазация - процесс удаления растворенных в стали газов (водорода и азота), которые отрицательно влияют на механические свойства металла.
Удаление водорода
Водород вызывает флокены и снижает пластичность стали. При продувке аргоном происходит его эффективное удаление за счет понижения парциального давления водорода над расплавом.
| Исходное содержание H₂, см³/100г | Конечное содержание H₂, см³/100г | Расход аргона, м³/т | Время продувки, мин |
|---|---|---|---|
| 8 | 2 | 1,5 | 15 |
| 6 | 2 | 1,2 | 12 |
| 4 | 2 | 0,8 | 10 |
Формула Геллера для расчета дегазации
Для получения остаточного содержания водорода менее 2 см³/100г необходим расход аргона 1,5-2 м³/т при продувке в течение 15-20 минут.
Технология продувки аргоном в ковше
Существует несколько способов подачи аргона в расплав, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.
Способы подачи аргона
| Способ подачи | Преимущества | Недостатки | Применение |
|---|---|---|---|
| Пористые пробки в днище | Равномерное перемешивание | Сложность изготовления | Крупнотоннажные ковши |
| Погружаемые фурмы | Простота конструкции | Неравномерность продувки | Малотоннажные ковши |
| Через шиберный затвор | Продувка при выпуске | Ограниченное время | Легированные стали |
Технологические режимы
Оптимальные параметры продувки зависят от массы ковша, марки стали и требований к качеству:
- Расход аргона: 0,1-3,0 м³/т стали
- Продолжительность: 5-30 минут
- Охлаждение металла: 2,5-4,5°С/мин
- Давление подачи: 0,3-0,8 МПа
Технологические параметры и расчеты
Влияние на температуру металла
Продувка аргоном вызывает дополнительное охлаждение металла из-за затрат тепла на нагрев газа и увеличенного излучения с поверхности расплава.
Удельное охлаждение при расходе аргона 1 м³/т составляет:
- Для 160-тонного ковша: 2,5°С
- Для 300-тонного ковша: 1,8°С
- Для 500-тонного ковша: 1,2°С
Гидродинамические параметры
Эффективность продувки определяется гидродинамическими характеристиками потоков металла в ковше.
Влияние на качество стали
Продувка аргоном оказывает комплексное положительное влияние на качество стали, улучшая ее структуру и механические свойства.
Механические свойства
| Свойство | Без продувки | С продувкой аргоном | Улучшение, % |
|---|---|---|---|
| Ударная вязкость (легированная сталь) | 100% | 125-130% | 25-30 |
| Ударная вязкость (углеродистая сталь) | 100% | 107-110% | 7-10 |
| Критическая температура хрупкости | -10°С | -20°С | Снижение на 10°С |
Структурные характеристики
Продувка аргоном способствует:
- Измельчению зерна металла
- Более равномерному распределению включений
- Снижению химической неоднородности
- Улучшению макроструктуры слитков и заготовок
Промышленная практика применения
В современной металлургии продувка аргоном является стандартной операцией при производстве качественных сталей.
Нормативное регулирование в 2025 году
Требования к внепечной обработке стали с применением продувки аргоном регламентируются:
- ГОСТ 27772-2015 "Прокат для строительных стальных конструкций" (пункт 5.1.1.3 - требования к внепечной обработке)
- Технологическими инструкциями предприятий по внепечной обработке стали
- Стандартами предприятий по управлению качеством металлопродукции
- Требованиями промышленной безопасности для работы с инертными газами
Области применения в современной металлургии 2025 года
Обязательная продувка аргоном применяется для:
- Легированных конструкционных сталей по ГОСТ 27772-2015
- Нержавеющих сталей всех классов
- Подшипниковых и инструментальных сталей
- Автомобильных листовых сталей повышенной прочности
- Сталей для трубной промышленности и энергетики
- Сталей с особыми требованиями по чистоте и механическим свойствам
Современные агрегаты 2024-2025 годов
В российской металлургии активно внедряются новые типы установок внепечной обработки:
Экономическая эффективность
- Снижение расхода ферросплавов: 0,9-5,2 кг/т
- Повышение выхода годного металла: 0,5-1,2%
- Улучшение качества продукции: снижение брака на 15-20%
Современные тенденции 2024-2025 годов
В условиях снижения производства стали в России на 7% в 2024 году и прогнозируемого сокращения потребления до 43,3 млн тонн в 2025 году, развитие технологии продувки аргоном направлено на:
- Комбинирование с вакуумной обработкой и плазменным нагревом
- Использование аргоно-кислородного рафинирования (АКР) и импульсной продувки
- Автоматизацию процессов управления с применением цифровых технологий
- Оптимизацию расходов газа для повышения экономической эффективности
- Интеграцию с агрегатами комплексной обработки стали (АКОС)
Часто задаваемые вопросы
Внимание: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для изучения теоретических основ металлургических процессов. Автор не несет ответственности за любые последствия практического применения изложенной информации без соответствующей экспертной оценки и соблюдения требований промышленной безопасности.
Источники (обновлено на июнь 2025 года):
- ГОСТ 27772-2015 "Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия"
- MarkMet.ru - Исследование процесса продувки стали в ковше (актуализировано 2024)
- Металлургия стали и внепечная обработка (УАС.су) - современные технологии 2024-2025
- Научные труды по металлургии черных металлов (Известия ВУЗов. Черная металлургия, 2024)
- Технологические регламенты ММК им. Ильича и АМК по внепечной обработке стали
- Справочники по современным установкам АКОС и импульсной продувке аргоном
- Отчеты WSA (World Steel Association) по производству стали в России 2024-2025
- Техническая документация компании Techcom по импульсной продувке (2024)
