CC BY
89
УДК 621.745.4
К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ORIEN
Г. А. Дорофеев, В. А. Синельников
Изложены металлургическая концепция нового способа производства стали на основе технологии ОШЕЫ и его металлургические показатели, а также возможность повышения качества стали и создание на базе процесса ОШЕЫ новых видов металлопродукции.
Ключевые слова: ОШЕЫ, концепция, брикеты, синтиком, показатели, высокопрочные трубные стали, толстые слябы, тонкая полоса.
1. Металлургическая концепция процесса ORIEN
Одним из новых способов получения железа прямого восстановления в жидком виде является процесс, разработанный в России и получивший название ОМЕК. Процесс носит совмещенный характер и предназначен для одновременного получения первичного металлического сырья и выработки электрической энергии из образующегося газа - в основном из моноокиси углерода. В качестве исходного сырья используют железо- и углеродосодержащие материалы техногенного и природного происхождения как в дисперсном, так и окускованном состоянии. Процесс ОМЕК разработан фирмой ГК «Ферро-Технолоджи» на основании ранее проведенных исследований [1 - 2], а также многочисленных работ отечественных исследователей, в частности, проф. Г.Н. Еланского и соавторов.
По сравнению с традиционным электросталеплавильным процессом, помимо различий в виде исходных материалов, новый процесс ORIEN отличает особая энергетика, обусловленная подачей по ходу плавки брикетов синтикома в центральную зону печи, примыкающую к электродам. Благодаря этому достигается совмещение технологической зоны восстановления железа и получения СО и зоны выделения тепла. Соответственно этому нагрев, плавление, и восстановление в композите происходит в режиме прямого дугового нагрева. Это сочетается с огромными температурами, превышающими многократно температуру плавления железа и значительной концентрацией энергии. Совокупность этих факторов предопределяет более высокую эффективность восстановления по сравнению с восстановлением при косвенном характере нагрева. В частности, при плавке в ДСП с подачей металлизованных окатышей (ПАО «ОМК») процессы восстановления не происходят. Помимо увеличения скорости восстановления, дуговой нагрев вызывает исключительно высокий перегрев железа прямого восстановления над линией ликвидус, обеспечивая тем самым получение расплава металла со структурой, отвечающей равновесному состоянию.
По ходу плавки в ванну вдувается газообразный кислород, который окисляет избыточный углерод металла с выделением непосредственно внутри ванны тепловой энергии в количестве примерно 2,9 кВт/ч на 1 кг углерода. Это тепло практически полностью усваивается жидкой ванной и расходуется на расплавление части брикетов синтикома, оставшихся нерасплавленными, восстановление железа и подогрев металла. Углерод в данном случае помимо роли восстановителя выполняет и роль дополнительного энергоносителя и источника тепла.
Подача извести, флюсов и других материалов, в том числе дополнительного количества науглероживателя по ходу плавки не представляет трудностей и осуществляется аналогично действующей технологии.
На рисунке представлена общая схема металлургического процесса ОМБК в варианте работы на предварительно окускованных материалах-брикетах синтикома, базирующихся на системе Бе-О-С.
ОТДЕЛЕНИ Е БРИКЕТИ РОВАН ИЯ (брикеты синтикома)
MHJU (литая заготовка)
1
ПРОКАТНЫЙ СТАН
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БЛОК (злсктрогенсряторы)
1 1 \ 1
ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ФЛЮСЫ
ТОВАРНАЯ ПРОДУКЦИЯ
Схема металлургического процесса ОШЕМ
Преимуществом процесса ОШБК является исключительно высокая скорость взаимодействия углерода с жидкими окислами железа, носящая эндотермический характер. Процесс восстановления при этом вместо твердофазного состояния приобретает жидкофазный характер. Скорость последнего на порядок с лишним превышает аналогичную величину при твердофазном восстановлении (доменная печь, шахтная печь).
Другим преимуществом варианта работы на брикетах синтикома является разделение зоны восстановления и зоны окисления(горения) углерода на две отдельные независимые области. Первая из них относится к
35
месту расположения электродов в печи, а вторая - к металлической ванне, куда стекает железоуглеродистый расплав, образующийся в зоне горения электродов. Этот расплав выполняет по отношению к ванне роль жидкого науглероживателя, создавая в ванне запас углерода, используемого в качестве дополнительного теплоносителя. Одной из особенностей процесса ORIEN является постоянное наличие в зоне горения дуг твердых брикетов синтикома. Эти материалы, выполняют роль своеобразных «холодильников». Они снижают локальные температуры, увеличивают перепад температур между дугами и шихтой, сокращают потери тепла с отходящими газами, снижают пылевыделение из печи. Такой режим работы дуг является более оптимальным по сравнению с существующей практикой.
В табл. 1 приведены металлургические показатели процесса ORIEN и стандартной технологии ДСП, работающей с использованием металлолома.
Из сравнения данных следует, что процесс ORIEN отличает более высокий выход годного, меньшее пылевыделение, более высокая степень испарения примесей цветных элементов в зоне дуг, возврата электроэнергии и экономический эффект. Весьма важными показателям качества металла процесса ORIEN являются повышение чистоты металла и его перво-родность по сравнению с существующем процессом при использовании металлолома в шихте.
Таблица 1
Металлургические показатели процесса ОЯТЕМ
№ п/п Наименование показателей Ед. изм. Величина показателей
ДСП стандартная технология Процесс «ORIEN»
1 2 3 4 5
1 Количество металлолома в шихте % 95 0
2 Количество твёрдого чугуна в шихте % 5-15 0
3 Количество железоуглеродистых брикетов % 0 80-100
4 Выход жидкой стали % 89-91 93-95
5 Относительный расход электроэнергии на выплавку стали % 100 60-75
6 Расход кислорода для продувки нм3/т 31,7 33-37
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5
7 Пылевыделение из печи кг/т 20 10
Утилизация отходов металлур-
8 гического производства (окалина, пыль газоочисток и др.) % 0 100
Испарение цветных элементов
9 (свинец, сурьма, олово) в зоне горения дуг % 20 60-90
Возврат электроэнергии в про-
10 цесс за счёт сжигания оксидов углерода вне печи % 0 60
11 Стоимость металлошихты в ценах 2016 г. руб./ т 18000 12600
12 Экономический эффект процесса ОШБК по отношению к стандартной технологии ДСП % 100 170
2. Обработка металла на литейно-прокатных комплексах
Основную роль в формировании структуры металла в современных металлургических технологиях непрерывного типа имеющих в настоящее время различные модификации, металлургического и прокатного оборудования, играет непрерывная разливка тонких слябов (70...115 мм). Эта технология имеет следующие преимущества [3]:
- более низкая макросегрегация углерода и легирующих элементов в процессе кристаллизации из-за высокой скорости разливки (5,0.7,0 м/мин);
- меньшая степень суммарного обжатия, требуемая при производстве проката;
- меньший размер включений из-за высокой скорости кристаллизации тонкого сляба.
Основной проблемой при разливке тонких слябов являются дефекты слябов особенно для стали перитектического состава [5]. Приходится уменьшать содержание углерода в стали, что снижает прочность и требует для компенсации этого дополнительного ввода легирующих элементов. Согласно работе [5] содержание углерода в стали влияет на структурную неоднородность и скорость кристаллизации, которая возрастает при увеличении содержания углерода, усиливая этот эффект при разливке в тонкие слябы. В результате этих процессов в середине тонкого сляба нет зоны равноосных зерен, преобладают только зерна столбчатых кристаллов, что вызывает трещинообразование в слябе. Первородность металла ОМБК,
позволяет снизить температуру металла при кристаллизации, что увеличивает зону равноосных кристаллов и горячую пластичность стали перитек-тического состава (табл. 2).
3. Получение высокопрочной конструкционной стали из толстых непрерывнолитых слябов
Получение первородного металла процессом ОШБК позволяет более эффективно реализовать существующие современные, а также прорывные технологии сталеплавильного производства.
Одним из таких процессов является получение бездефектных широких слябов для трубного металла.
Таблица 2
Новые виды металлопродукции на базе процесса ОЯ1ЕМ и реализация прорывных процессов в сталеплавильном
производстве
№ п/п Наименование продукции Существующее положение Мировой уровень Металлургические процессы
Непрерывная разливка в слябы ЛПК-комплекс Не-пре-рыв-ное литье полосы
1 2 3 4 5 6 7
1 Высокопрочная кон-струкцион-ная сталь, в том числе трубная класса прочности Х120 в толщине листа более 20 мм Нет промышленного производства Отдельные опытно-промышленные партии Разливка в слябы толщиной 350...450 мм - -
2 Конструкционная листовая сталь с супермелким зерном в структуре Нет производства Лабораторные исследования Разливка в слябы толщиной 200.400 мм - -
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6 7
Раз-
3 Низколегированная сталь пери-тектического состава Повышенный брак в производстве (до 30 %) Брак в производстве до 10 % - ливка в тонкие слябы (70-115 мм) об-работка на ЛПК -
Литье
Тонколисто- Брак по поло-
вая углеро- поверх- сы на
4 дистая сталь Нет про- ностным двух-
ответственного назначения изводства трещинам до 30 % валковой МНЛ З
Анализ работы [3] позволяет отметить следующие металловедческие тенденции в развитии производства высокопрочных трубных сталей:
- снижение содержания углерода до 0,03...0,05 % ( свариваемость и пластичность стали);
- уменьшение осевой ликвации в толстых слябах(350...450 мм) (стойкость против водородного растрескивание в агрессивных средах);
- рациональное микролегирование стали нитридообразующими элеменатми( И, V, МЬ) для регулирования размера зерна феррита и аусте-нита при горячей прокатке и термообработке;
- повышение чистоты металла по примесям цветных металлов, уменьшение концентрации газов и неметаллических включений;
- контролируемая прокатка по режимам деформации в двухфазных у+а-области или однофазной у-области (для эффективного измельчения зерна);
- нагрев металла после контролируемой прокатки(влияние на величину зерна аустенита, растворимость карбонитридных фаз, устойчивость аустенита);
- ускоренное охлаждение (с получением бейнитной структуры, обеспечивающей в металле оптимальное соотношение прочности и вязкости).
Характеристики металла, полученного процессом ORIEN, прежде всего, первородность, показывают, что выполнение металловедческих идей в отношении получения высококачественной трубной стали класса прочности х100-х120 в толщине листов более 20 мм могут быть выполнены в промышленных масштабах (см. табл. 2). Первородность металла ORIEN позволяет снизить температуру кристаллизации стали на 15...20 °С, что расширяет зону равноосных кристаллов в толстых слябах, увеличивая пластичность металла при разливке на криволинейных и радиальных МНЛЗ.
Уменьшение осевой ликвации в слябе успешно решается за счет применения ЭМП и мягкого обжатия при непрерывной разливке [4].
4. Непрерывная разливка тонкой полосы
Непрерывная разливка тонкой полосы в кристаллизаторе является прорывной технологией сталеплавильного производства. В мире действуют пять установок литья в тонкую полосу, выполненные по проектам «Castrip» (США), «Eurostrip» (Германия), «Mitsubishi» (Япония) [5]. Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковой МНЛЗ позволяет в 8 - 10 раз снизить затраты энергетически ресурсов, в 40 - 50 раз - потери металла в окалину, в 5 - 10 раз повысить производительность при существенном уменьшении затрат на капитальное строительство. Все это обеспечивает экономическую мотивацию в части дальнейшего развития и совершенствования этого процесса.
Вначале была успешно освоена технология получения нержавеющей стали с удовлетворительным качеством поверхности.
Освоение разливки углеродистой стали до сих пор остается менее успешным. При разливке углеродистой стали, выплавленной в ДСП с использованием товарного лома, готовая полоса, как правило, имеет множество дефектов в виде поперечных трещин. Причиной появления этих дефектов является различие в механических свойствах полосы в продольном и поперечном направлениях [5].
Можно предположить, что чистота металла и однородность зерен-ной структуры аустенита в металле позволяют успешно отливать углеродистую сталь на двухвалковых МНЛЗ, так как анизотропия свойств полосы значительно снижается (табл. 2).
Заключение
В России разработан, запатентован и частично опробован в промышленных масштабах новый энергометаллургический процесс ORIEN.
По сравнению с процессом ДСП, работающей на ломе, он имеет преимущества в улучшении показателей выхода жидкой стаи, содержанию цветных примесей, пылевыделению, утилизации железоуглеродистых отходов, экономическому эффекту.
Новые свойства металла ORIEN (первородность и однородность жидкого состояния) позволяют предположить об эффективной реализации новых прорывных технологий в области непрерывной разливки стали и обработке металла на ЛПК.
Список литературы
1. Шахпазов Е.Х. Дорофеев Г.А. Новые синтетические композиционные материалы и технологии выплавки с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.
2. Дорофеев Г.А. Перспективы применения композиционных материалов в электродуговых печах // Сталь. 2015. №10. С. 13-16.
3. Эфрон Л.И. Металловедение в большой металлургии. Трубные стали. М.: Металлургиздат, 2012. 696 с.
4. Современные технологии сталеплавильного производства / В. А. Синельников [и др.] // Электрометаллургия. 2016. №3. С. 3-10.
5.Паршин В.М., Буланов Л.В. Непрерывна разливка стали. Липецк, ОАО «НЛМК», 2011. 221 с.
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@,list.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»,
Синельников Вячеслав Алексеевич, д-р техн. наук, проф., sinelnikov-va@mail.ru, Россия, Москва, Академия технологических наук РФ
TO THE IMPROVEMENT OF STEELMAKING PROCESSES ON THE BASIS OF
TECHNOLOGY ORIEN
G.A. Dorofeev, V.A. Sinel'nikov
Metallurgical outlined the concept of a new method of steel production on the basis of technology ORIEN and its metallurgical performance, and the ability to improve the quality of steel and the creation ofprocess ORIEN new types of steel products.
Key words: ORIEN, concept, briquettes, sinticom, indicators, high-strength pipe steel, thick slabs, thin strip.
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@,list.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»,
Sinel'nikov Vyacheslav Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, sinelni-kov-va@mail. ru, Russia, Moscow, Academy of Technological Sciences of the Russian Federation
