CC BY
63
УДК 669.1.004.86
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСКИСЛЕНИЯ
ШЛАКОВОЙ ВАННЫ ПРИ ЭШП МЕТАЛЛИЗОВАННОГО СЫРЬЯ
ЕЛ. Ворона, И.В. Чуманое
SOME FEATURES OF DEOXYDATION
OF SLAG BATH AT ESR OF IRON-RICH RAW MATERIAL
E.A. Vorona, I.V. Chumanov
Проведены расчеты, позволяющие определить количество алюминия, необходимого для раскисления шлаковой ванны при электрошлаковом переплаве комбинированных электродов, сформированных с использованием металлизованных окатышей и жидкой лигатуры заданного химического состава.
Ключевые слова: металлизованные окатыши, лигатура, электрошлаковый переплав, раскисление.
The calculations are carried out, allowing to define the quantity of aluminum necessary for deoxydating a slag bath at electroslag refining process of combined electrodes shaped using iron-rich pellets and a liquid ligature of the set chemical composition.
Keywords: iron-rich pellets, ligature, electroslag refining process, deoxydation.
Электрошлаковый переплав (ЭШП) позволяет получать высококачественные стали и сплавы, используемые в различных отраслях промышленности. Себестоимость электрошлакового металла достаточно высока, что объясняется, в первую очередь, высокими затратами на изготовление расходуемых электродов.
Одним из вариантов получения расходуемых электродов для электрошлакового переплава является формирование комбинированных электродов с использованием металлизованных окатышей (МО) и жидкой лигатуры методом их одновременной подачи в специальную изложницу [1]. Это исключает из технологической схемы производства металла ЭШП такие трудоемкие операции по изготовлению электродов, как ковка и прокатка [2]. Использование электродов со значительной долей МО позволит получить металл после ЭШП с низким процентным содержанием фосфора и примесей цветных металлов, а также снизить его себестоимость [3].
Однако металлизованные окатыши содержат довольно значительное количество окислов железа и пустой породы. Наличие пустой породы вызывает сильное шлакообразование, что приводит к увеличению расхода электроэнергии и продолжительности плавки. Оксиды железа сильно повышают окисленность флюса и ухудшают его де-сульфурирующую способность. Для обеспечения низкого угара легирующих и устранения повышенной окисленности металла шлак необходимо непрерывно раскислять, но таким образом, чтобы это не приводило к образованию стойких окислов элементов-раскислителей в металле [4].
В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с раскислением шлаковой ванны при электрошлаковом переплаве комбинированных электродов, сформированных с использованием МО и жидкой лигатуры заданного химического состава.
Авторами работы [5] были приведены результаты исследований металла, полученного методом электрошлаковой плавки металлизованных окатышей с добавлением в качестве раскислителей алюминиевой стружки, молотого чугуна, ферросилиция, кремния, марганца, силикомарганца, ферромарганца и карбидов кремния, кальция и титана. Отмечено, что при раскислении шлака алюминием были получены практически здоровые и плотные слитки.
Однако для использования этого метода необходимо ответить на вопрос о том, какое количество алюминия необходимо добавить в шлак для восстановления оксидов, попадающих в него из окатышей. Прежде всего, речь идёт об оксиде железа.
При расчете ориентируемся на получение после электрошлакового переплава химического состава стали марки 5ХНМ. Для получения расходуемых электродов используем МО производства ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат», химический состав которых приведен в табл. 1. Химический состав лигатуры рассчитан с учетом массового соотношения окатышей и жидкой лигатуры 1:3 (табл. 2). Для осуществления переплава комбинированных электродов выбран флюс АНФ-6, содержащий 70 % СаР2 и 30 % А1203.
Из представленных данных можно сделать вывод, что 1 кг металлизованных окатышей содержит около 45 г РеО, 0,35 г МпО и 39 г ЗЮ2, которые могут быть восстановлены алюминием.
Химический состав металлизованных окатышей ОАО «ОЭМК»
Таблица 1
Элемент F®MeT С S Р Ti Cu Zn
Содержание, % 90,50 87,00 1,700 0,004 0,011 0,020 0,006 0,002
Окончание табл. 1
Элемент Sn Pb Sb As Si02 CaO A1,03 MgO MnO
Содержание, % 0,002 0,001 0,001 0,001 3,900 2,000 0,280 0,260 0,035
Таблица 2
Химический состав используемой лигатуры
Элемент С Si Mn s P Cr Ni Mo
Содержание, % 0,200 0,400 1,000 0,020 0,020 0,900 2,100 0,300
Если предположить, что содержащийся в МО углерод не восстанавливает оксиды, то по реакции
ЗБеО + 2А1 = А1203 + ЗРе потребуется затратить т,;
тА\ =-
"FeO
М,
FeO
2 45 — М А, =--
3 м 72
-•27 = 11,25 г,
11,25 27
при этом образуется По реакции
ЗМпО + 2А1 = А1203 + ЗМп потребуется затратить
^мпо 2 0-35
'з
102 = 21,25 г.
"Al
М,
■МА1=-
МпО
71
27 = 0,089 г,
при этом образуется
т
т,
'Al
'А!203
м.
0,089 1
Al,О,
Al
27
— •102 = 2
0,168 г.
Таким образом, для раскисления шлака после переплава электродов, содержащих 1 кг окатышей, потребуется 11,339 г алюминия. При этом шлак обогатится на 21,418 г оксида алюминия вдобавок к 2,8 г оксида алюминия, попадающим в шлак непосредственно из окатышей. Помимо этого в шлак из МО перейдет 39 г БЮ2, 20 г СаО и 2,6 г М§0.
Добавочное количество алюминия может восстанавливать оксид кремния по уравнению 38Ю2 + 4А1 = 2А1203 + 381 На полное восстановление кремния израсходуется
/и,
т
SiO,
Al
М<
■■М
Al
SiO,
39 60
•27 = 23,4 г,
при этом образуется еще
т
т
'АЬО з
Al
м
Al
1 23,4 1
■-■А/д, п =---
2 27 2
102 = 44,2 г,
который обогащает шлак, и
т,
SiO,
3
39
"Si
^SiO,
3 ы 60
•28 = 18,2 г,
который может уходить в металл, а может, учитывая его невысокую плотность, оставаться в шлаке в виде включений.
Если предположить, что содержащийся в составе окатышей углерод будет раскислять шлак по уравнению
2РеО + С = С02 + 2Ре, то от общего его количества (17 г в 1 кг окатышей) на восстановление оксида железа уйдёт
_ _ тТеО 1 - - 45
М,
FeO
■Мс = — ---12 = 2 L 72 2
:3,75 г.
На восстановление оксида марганца по реакции 2 МпО + С = С02 + 2Мп израсходуется
т
тг
'МпО
М,
МпО
■ — ■Мг =°iM.i.i2 = 0,03 г.
2 с 71 2
Если предположить, что оставшийся углерод вступит во взаимодействие с оксидом кремния по принципиально возможному пути
Si02 + ЗС = SiC + 2СО, то углерода потребовалось бы ещё
msio2 3 39 3
тс -
WSiO,
1
■М,
с
60 1
•12 = 23,4 г,
т. е. углерода было бы недостаточно. Однако, учитывая условия проведения процесса - прежде всего, относительно невысокие температуры, низкие концентрации углерода и оксида кремния, а также небольшое время контакта, нет оснований рассчитывать, что такого рода процессы получат сколь-ко-нибудь существенное развитие.
Таким образом, если предположить, что содержащийся в составе окатышей углерод способен раскислять шлак в условиях проведения процесса, то его количество более чем достаточно для этого. Если считать, что углерод вообще не раскисляет шлак, тогда для его раскисления потребуется порядка 11,339 г алюминия на 1 кг окатышей. Превышение этого количества вызовет восстановление кремния, повышение его содержания в слитке и загрязнение шлака как самим кремнием, так и избыточным количеством оксида алюминия, который может не растворится в шлаке и существенно ухудшить его качество.
Вообще вопрос о количестве оксидов, загрязняющих шлак, и о соотношении этого количества с исходным количеством шлака заслуживает от-
46
Вестник ЮУрГУ, № 14, 2011
Ворона ЕЛ., Чуманов И.В.
Некоторые особенности раскисления шлаковой ванны при ЭШП металлизованного сырья
дельного рассмотрения. Допустим, что масса электрода 1 т, а исходное количество флюса - 60 кг. Металлизованные окатыши составляют одну четвертую от массы электрода, т. е. 250 кг. Без раскисления алюминием (и в случае если оксиды железа и марганца восстанавливаются углеродом) состав ишака обогащается на 9,75 кг 8Ю2, 5 кг СаО, 0,65 кг Г^О и 0,7 кг А120з. То есть общая масса примесей составит порядка 16,1 кг, что составляет более четверти исходной массы шлака. Если проводить раскисление алюминием в указанных выше количествах, то в шлак перейдёт еще 5,355 кг оксида алюминия. Общая масса шлака увеличится практически на треть (60 + 21,455 = 81,455 кг).
Состав шлака в этом случае (при исходном -70% СаР2 + 30% А1203), будет следующим: 51,6 % Са¥2, 29,5 % А12Оэ, 12 % БЮг, 6,1 % СаО, 0,8 % ]У^О.
При расчете не учитывался угар легирующих элементов лигатуры и расход флюса на формирование гарнисажа.
Выводы
1. При ЭШП расходуемых электродов, сформированных с использованием металлизованных окатышей, целесообразно использование алюминия для раскисления шлака.
2. Рассчитано оптимальное количество алюминия, позволяющее восстановить содержащиеся в шлаке железо и марганец и не допустить восстановления кремния. Эта величина для МО заданного состава составляет порядка 11,4 г алюминия на 1 кг содержащихся в электроде окатышей.
3. Во избежание локального восстановления кремния необходимо добавлять в шлаковую ванну алюминий, в количестве порядка 3 г, по мере
сплавления каждого килограмма комбинированного электрода.
НИР проведена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (ГК № П874 от 18 августа 2009 г.), а также в рамках реализации АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 гг.» (№ 2.1.2./207).
Литература
1. Пат. № 2233895 Российская Федерация, МПК7 С 22 В 9/18, Н 05 В 7/07. Способ получения расходуемых электродов / В.И. Чуманов, И.В. Чума-нов, ДА. Пятыгин, В.В. Ватинов. -№ 2003108193/02; заяви. 24.03.03; опубл. 10.08.04, Бюл. № 22.
2. Ворона, Е.А. О возможности получения расходуемых электродов для электрошлакового переплава с использованием металлизованных окатышей. Часть I / Е.А. Ворона, И.В. Чуманов// Электрометаллургия. - 2009. — № 9. -С. 15-20.
3. Чуманов, И.В. Анализ способов получения расходуемых электродов для ЭШП с использованием металлизованных окатышей и жидкой лигатуры / И.В. Чуманов, Е.А. Ворона // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». —2008. - Вып. И. -№ 24(124). - С. 24-27.
4. Трахимович, В.И. Использование железа прямого восстановления при выплавке стали / В.И. Трахимович, А.Г. Шалимов. - М.: Металлургия, 1982. - 248 с.
5. Патон, Б.Е. Электрошлаковая плавка метач-лизованных окатышей. Современное состояние и перспективы применения. Часть 2 / Б.Е. Патон, Б.Н Медовар, Л.М. Ступак//Проблемы специачьной электрометаллургии. -1986. —N9 3. —С. 3-9.
Поступила в редакцию 9 марта 2011 г.
