Оптимизация процесса десульфурации и микролегирования стали на установке ковш-печь Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2003 р. Вип.№13

УДК 669.18.046.546.2

Макуров С.Л.1, Мотренко С.А.2

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ДЕСУЛЬФУРАЦИИ И МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ НА УСТАНОВКЕ КОВШ-ПЕЧЬ

Разработана и внедрена технология обработки стали на установке ковш-печь,

включающая экономичный режим нагрева и перемешивания шлака, оптимизацию

его количества и химического состава, рациональные условия микролегирования.

В последние годы в связи с разработкой сероводородсодержащих газовых и нефтяных месторождений к качеству используемых стальных труб предъявляются повышенные требования по содержанию вредных примесей и неметаллических включений. Сталь, которую производят в мартеновских цехах по традиционной технологии (без внепечной обработки) не удовлетворяет вышеуказанным требованиям.

Наиболее распространенным в странах СНГ способом десульфурации стали в ковше в настоящее время является применение твердых шлакообразующих смесей (ТШС). В работе [1] отмечается, что при расходе ТШС 18-22 кг/т стали и дополнительном вводе в ковш силико-кальциевой проволоки (0,36 кг/т) максимальная степень десульфурации составляет 30 - 40 %. Однако, температура металла в ковше в процессе обработки понижается на 20 - 30 °С, что требует дополнительного перегрева выплавляемой стали и не позволяет обеспечивать стабильные режимы разливки металла.

Новые возможности для внеагрегатной обработки стали появились при использовании установок типа ковш-печь (УКП).

В ОАО «ТАГМЕТ» (Таганрогский металлургический завод) в настоящее время осваивается установка ковш-печь с последующей разливкой металла на круглые трубные слитки, установленные на 16-местных поддонах [2].

Для проведения операций обработки стали на УКП используются шлакообразующие смеси, легирующие добавки, аргон для перемешивания металла и расходуется электроэнергия, чтобы компенсировать теплопотери.

Однако, нерешенными до настоящего времени остаются проблемы энергоресурсосбережения при внепечной обработке стали, в особенности при глубокой десульфурации.

Целью настоящей работы явилась разработка рациональной технологии десульфурации и микролегирования стали на УКП при максимальной экономии шлакообразующих материалов и электроэнергии.

В работе [3] приведено эмпирическое уравнение для расчета коэффициента распределения серы между металлом и шлаком:

= о,86 %(СаО) + 0,05-о/о(М§0)

5 %(8Ю2) + 0,6-%(А1203) 0 8

где Ь3 - коэффициент распределения серы между металлом и шлаком;

а^1 - активность кислорода в металле;

- коэффициент активности серы в металле.

Если принять, что в процессе рафинирования масса металла и шлака не изменяется, то преобразовав выражение (1) с учетом уравнения материального баланса, можно получить формулу, описывающую степень десульфурации стали г|5 :

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ГТГТУ, аспирант

8 Гя 1

-(2)

1-0,01-А,-Ь^

где X - кратность шлака (отношение массы шлака к массе металла);

(вн) и [8Н] - начальные содержания серы в шлаке и металле, %.

Анализ уравнений (1) и (2) показывает, что коэффициент распределения серы увеличивается при уменьшении активности кислорода в металле, увеличении коэффициента активности серы, изменяющегося в зависимости от химического состава стали и кратности шлака.

В результате проведенных исследований установлено, что при существующих в ковше-печи условиях равновесие не достигается. Продолжительность и интенсивность перемешивания расплава оказывают значительное влияние на коэффициент распределения серы. На рис. 1 приведена зависимость содержания серы в готовой стали от длительности процесса десульфу-рации (пунктиром показано равновесное содержание серы).

Продолжительность десульфураищ, мин

Рис. 1 - Зависимость содержания серы в готовой стали от длительности процесса десульфура-ции (пунктиром показана равновесная концентрация серы)

Приведенные на рис. 1 данные показывают, что обработка стали в ковше в течение одного часа позволяет примерно в два раза понизить содержание серы в металле, однако глубокая де-сульфурация в этом случае не достигается.

Следует отметить, что степень десульфурации металла зависит от начального содержания в нем серы (рис. 2).

Одним из путей интенсификации процесса десульфурации стали на УКП является увеличение кратности шлака. Однако при увеличении количества рафинировочного шлака возрастают затраты материалов на его формирование, а также затраты электроэнергии на нагрев и расплавление шлакообразующих. Кроме того, формирование шлака требует временных затрат, что также связано с затратами энергии.

Учитывая вышеизложенное, химический состав шлака и его количество должны обеспечивать: максимальную десульфурирующую способность, удовлетворительную жидкоподвиж-ность, минимальную окисленность, низкую температуру плавления.

75 95 115 135 155 175 195 215 Начальное содержание серы, ррш

235

Рис. 2 - Зависимость степени десульфурации стали при обработке на установке ковш-печь от начального содержания серы в металле.

Опыт рафинирования стали высокоосновными шлаками позволил установить, что для обеспечения условий, благоприятствующих десульфурации, содержание оксидов железа и марганца не должно превышать 1... 1,5 %. Для глубокой десульфурации стали (содержание серы в металле не более 0,005 %) содержание оксида железа в шлаке не должно превышать 0,5 %. Как показано в работе [2], для обеспечения жидкоподвижности рафинировочных шлаков отноше-

^ %СаО ^

ние основности

к содержанию А120з в шлаке должно составлять 0,25...0,35. Содер-

%8Ю2

жание 1У^О в шлаке не должно превышать 8... 10 %, так как при содержании его до 5 % высокоосновной шлак разжижается, а свыше 10 % - загущается.

При соблюдении вышеперечисленных условий уже через 7-8 минут после начала обработки металла на УКП шлак может быть полностью сформирован и обладает необходимыми де-сульфурирующими свойствами.

Фирма «Даниели» рекомендует шлак следующего состава, % мае.:

для стали, раскисленной алюминием:

СаО Si02 А120З FeO+MnO MgO В В/ А120з

56-62 6 - 10 20-25 1,0-2,0 6-8 7,25 0,33

для стали, перераскисленной алюминием:

СаО Si02 А120З FeO+MnO MgO CaF2

56-62 15-20 5 - 8 1,0-2,0 6 - 8 5-10

В шлаках мартеновских печей ОАО «ТАГМЕТ» обычно содержится 5 - 16 % что

обусловлено значительной продолжительностью плавки на твердой завалке (в среднем она составляет 10,5 ч). В то же время в сортаменте цеха имеется металл, раскисленный алюминием. Содержание алюминия в стали колеблется от 0,015 до 0,060 %, а содержание А1203 в рафинировочном шлаке находится в пределах 9 - 16 %. Поэтому для разжижения шлака в зависимости от химического состава стали предусмотрели использование алюмошлака или плавикового шпата (его количество составляет 5 - 20 % от массы присаживаемых шлакообразующих).

По литературным данным [4] при рафинировании стали в ковшах жидкими шлаками для глубокой десульфурации рекомендуется иметь 3 % шлака от массы металла. Однако, при рабо-

те ковша-печи, в связи с нагревом электрической дугой, условия рафинирования отличаются от указанных выше.

Для обеспечения устойчивого горения дуги и снижения теплопотерь на крышку и с отходящими газами толщина слоя шлака должна быть не меньше длины дуги, что для ковша емкостью 120 - 140 т составляет величину 6,5 см (при более тонком слое шлака имеет место поглощение металлом углерода из электродов со скоростью 2 ...2,5 ррт/мин).

В работе [2] показано, что толщина слоя шлака должна быть в пределах 6,5 - 20,0 см. При увеличении толщины слоя шлака сверх оптимальных значений появляются негативные тенденции при нагреве металла и понижается КПД установки.

В работе [3] приведена структура теплового баланса установки ковш-печь ОАО «ТАГ-МЕТ» из которого следует, что электроэнергия полезно затрачивается на нагрев металла, шла-кообразующих и формирование шлака, нагрев и расплавление ферросплавов. При этом коэффициент полезного действия установки ковш-печь составляет 47 %. Минимальные фактические затраты электроэнергии в данном случае составляют 32,7 кВт-ч/т стали, а ее средний фактический расход равен 42 кВт-ч/т стали. Из данных теплового баланса следует, что только около 34 % энергии затрачивается на нагрев металла. Применение качественных шлакообразующих материалов позволяет существенно снизить расход энергии на процесс. Так, использование плавикового шпата с содержанием СаГ2 до 93 % вместо 62 % дает возможность снизить расход электроэнергии на 1,03 кВт-ч/т стали.

Использование извести с содержанием СаО до 90 % и минимальным количеством недопа-ла уменьшает расход электроэнергии на 2,07 кВт-ч/т стали.

Таким образом, затраты материалов и электроэнергии на обработку стали обусловлены целым рядом факторов, определяющих технологический режим процесса.

Значительное улучшение качества металла без существенных энергетических затрат достигается введением в сталь кальцийсодержащих материалов [4].

Добавка кальция в раскисленную алюминием сталь в оптимальном количестве, определяемым содержанием в ней кислорода, серы и алюминия, способствует трансформации неметаллических включений: превращению твердых алюминатов в легкоплавкие алюминаты кальция глобулярной формы. В соответствии с диаграммой состояния СаО-8Юг при температуре 1600 °С сплавы, содержащие >25 % СаО, находятся в жидком состоянии. Мелкие твердые частички глинозема в результате обменного взаимодействия с оксидом кальция разжижаются в направлении от поверхности к центру. При этом они приобретают свойства жидких частиц с их меньшей, по сравнению с твердыми, силой сцепления друг с другом. Поэтому при разливке стали в изложницы такие полужидкие включения не образуют четко выраженных скоплений, свойственных твердому глинозему.

До последнего времени при выплавке стали марки 20 селект для раскисления металла и шлака при выпуске плавки из печи, помимо алюминия, использовали кусковый силикокальций в количестве 0,4 кг/т. В рамках настоящей работы провели оценку влияния присадок кускового силикокальция на показатели раскисления и десульфурации в процессе выпуска плавки из мартеновской печи. Анализ проб металла, отобранных из ковша перед началом обработки на УКП, показал, что содержание кальция не превышает 0,007 % и соответствует фоновым значениям на плавках, проведенных без использования кускового силикокальция. Значимых различий по степени десульфурации на выпуске из мартеновской печи между плавками с использованием кускового силикокальция и без него не обнаружено. Таким образом, был сделан вывод о нецелесообразности применения кускового силикокальция для раскисления металла в процессе выпуска.

Учитывая изложенное, в ОАО «ТАГМЕТ» разработана и внедрена в производство технология микролегирования трубных марок бурильных и обсадных сталей 32Г2, 20СА и др. присадкой порошковой кальцийсодержащей проволоки. Ее задают трайб-аппаратом со скоростью 3...3,5 м/с в конце периода рафинирования с последующим перемешиванием расплава в течении 3... 5 мин с целью усреднения состава и улучшения всплывания неметаллических включений.

В жидком металле кальций испаряется и, поднимаясь с пузырьками аргона, взаимодействует с примесями, главным образом с серой. Поэтому в период ввода порошковой проволоки обеспечивали минимальный расход аргона.

Учитывая различие технологий обработки первого и второго ковша при выпуске из мартеновской печи и при обработке на установке ковш-печь, а также применение для раскисления и модифицирования различных кальцийсодержащих сплавов, провели сравнительную статистическую оценку основных технологических показателей десульфурации и раскисления стали для каждого варианта технологии.

Для решения этой задачи был использован метод статистической проверки гипотез с использованием 1>критерия Стьюдента.

Для анализа использовали данные плавок текущего производства стали ст.20С селект по ТУ 14-157-54 (31 плавка обработана силикокальцием и 34 плавки обработаны алюмокальцием). Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что усвоение кальция не зависит от вида применяемого материала (силикокальций или алюмокальций) и различий технологии обработки металла в первом и втором ковше.

На рис. 3 приведено содержание кальция в готовой стали в зависимости от расхода кальцийсодержащих материалов в перерасчете на чистый кальций.

40 -

В

а 35 -

к" §

5 зо -

и «

К

3 25 -§

и

0

1 20 -

Й *

а

« 15 -о

и

10 -

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Удельный расход кальция, кг/т

Рис. 3 - Содержание кальция в готовой стали в зависимости от расхода кальция, вводимого в жидкий расплав

Усвоение кальция на УКП относительно стабильно и колеблется в пределах 15 - 25 %. В дальнейшем, в процессе разливки, происходит его интенсивное вторичное окисление и полное усвоение снижается до 5 - 21 % (в среднем 10 %). Потери кальция (АСа) в зависимости от его начальной концентрации в ковше после ввода обобщили линейным уравнением:

АСа = (Саукп - СаГОт) = - 0,0009 + 0,672 • Саукп, (3)

где Саукп и СаГот - содержание кальция (% мае) в металле после ввода кальцийсодержащих материалов на УКП и в готовой стали соответственно.

Обобщенные данные по качеству проката стали плавок, обработанных силикокальцием и обычных, приведены в таблице. Для корректного сопоставления представлены данные по одним и тем же плавкам, при производстве которых металл одного ковша обрабатывали кальций-сод ержащей проволокой, а второго - не обрабатывали.

Из приведенных в таблице данных следует, что при обработке стали кальцийсодержащей проволокой отходы по внутренним пленам снизились на величину порядка 2 %.

Внутренние плены определяются качеством металла и состоянием прокатного оборудования (дорнов). Данные приведены по плавкам, которые прокатывали на одном и том же оборудовании, поэтому, очевидно, что качество металла повысилось (наружные плены в основном зависят от качества поверхности изложниц и условий разливки).

По результатам механических испытаний образцов стали, обработанной порошковой проволокой с удельным расходом по силикокальцию до 1 кг/т улучшились пластические свойства стали: предел текучести на 12,8 % (отн), относительное удлинение на 18,5 %, а также значения ударной вязкости на образцах с круглым и острым надрезом (на 13,0 и 20,6 % соответственно).

Таблица - Характеристика качества проката из стали, обработанной силикокальцием и обычной

Отбраковка по внутренним пленам

Технология обработки в ковше Количество проката, т брак металл второго сорта Итого отбраковка

т % т % т %

Ввод 8ьСа по-

рошковой про- 1187 6,95 0,64 2,55 0,23 9,5 0,87

волоки

Без применения порошковой 1098 10,44 0,95 19,78 1,80 30,22 2,75

проволоки

Однако, металлографические исследования образцов стали, обработанной силикокальцие-

вой порошковой проволокой, показали в ряде случаев увеличение балла силикатных включений. Поэтому работу необходимо продолжить с целью опробования эффективности введения

порошковых проволок, не содержащих кремний, - алюмокальциевой и железокальциевой.

Выводы

1. Разработана технология обработки стали на установке ковш-печь, включающая рациональные условия нагрева и перемешивания расплава, применение слоя шлака оптимальной толщины и химического состава, что позволило получать низкосернистую сталь при одновременном снижении расхода шлакообразующих материалов и электроэнергии.

2. Оптимизация процесса обработки стали кальцийсодержащей порошковой проволокой позволила без существенных энергетических затрат увеличить на 2 % выход годного металла при одновременном улучшении его качества.

3. Улучшение качества стали по содержанию силикатных включений возможно при использовании порошковой проволоки, не содержащей кремний, однако это утверждение требует дополнительной проверки в опытно-промышленных условиях.

Перечень ссылок

1. Освоение технологии производства низкосернистых марок стали в ККЦ комбината «им. Ильича» / Э.Н. Шебаниц, А.А.Ларионов, Б.В. Небога и др. II Металлургическая и горнорудная промышленность.-2002.-№10.-С. 52-62.

2. Шакуров С.Л., Совершенствование технологии внепечной обработки стали на установке ковш-печь / С.Л.Макуров, С.А. Мотренко // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр.-Мар1уполь,2002.-Вип. 12.-С. 51-54.

3. Пути ресурсосбережения при внепечной обработке стали I Д.А.Дюдкин, С.Е.Гринберг, A.B. Грабов и др. II Сталь.-2002.-№3.-С. 55-57.

4. Воинов С.Г. Шарикоподшипниковая сталь /С.Г.Воинов, А.Г.Шалимов,-М.:Металлургиздат, 1963,-480 с.

Статья поступила 15.11.2002