CC BY
120
УДК 669.046.564-982
Б.А. Буданов, Ю.А. Колесников
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ С ОСОБО НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА*
В ОАО «ММК» предусматривается выпуск оцинкованного автомобильного листа (1Р-сталь) с улучшенными механическими свойствами на агрегате горячего оцинкования. Эти свойства обеспечиваются, наряду с другими условиями, особо низким содержанием в стали углерода (менее 0,004%). Из анализа литературы следует, что для гарантированного и стабильного получения в металле такого содержания углерода требуется особая технология выплавки и вакуумной обработки стали. За рубежом особо низкие содержания углерода достигаются при вакуумировании жидкой стали циркуляционным способом и, в основном, с использованием кислородной продувки металла в вакуумкамере различными способами. Кислородная продувка в процессе вакуумного обезуглероживания при обработке ультранизкоуглеродистой стали пресле-дуетдве основные цели:
- активизацию химической реакции окисления углерода путем подвода газообразного кислорода в первой половине процесса, когда лимитирующим фактором реакции обезуглероживания является подвод кислорода;
- дожигание в вакуумкамере газообразного СО, образующегося в ходе реакции обезуглероживания, и использование выделяющейся теплоты для уменьшения настылеобразования на стенках вакуумкамеры и компенсации охлаждения стали.
С подводом кислорода появляется возможность достигать особо низкого содержания углерода в металле за меньшее время или за прежнее время провести обезуглероживание металла с высокого исходного содержания углерода. Благодаря этому возможно понизить температуру (на 20-40°С) и переокисление выпускаемого металла из конвертера, что должно оказать положительное влияние на стойкость футеровки конвертера. В дополне-
* Работа выполнена при непосредственном участии Ю.А.Бодяева. © Буданов Б.А., Колесников Ю.А., 2011
ние к этому положительный эффект вдувания кислорода в ваку-умную камеру проявляется в уменьшении потерь температуры металла во время обработки его в процессе вакуумирования.
Поэтому начиная с 2001 г. в соответствии с программой освоения производства марок стали с особо низким содержанием углерода (не более 0,004%) проводилась поэтапная реконструкция вакууматора.
На первом этапе была реконструирована система обогрева рабочего пространства вакуумкамеры [1,2]. Первоначально ваку-умкамера была оборудована системой электрообогрева при помощи графитового стержня. Основными недостатками этой системы явились:
- наличие углеродсодержащего материала в вакуумкамере, предназначенной для глубокого обезуглероживания металла;
- недостаточная скорость и температура нагрева футеровки вакуумкамеры.
Для активизации процесса обезуглероживания металла в процессе вакуумирования нужно было организовать продувку металла кислородом. Поэтому встала необходимость замены электронагрева огнеупорной футеровки вакуумкамеры на нагрев ее природным газом. Для этого фирмой «Эталон» (г.Магнитогорск) была разработана и спроектирована многофункциональная газокислородная фурма внешнего смешения. Применение такой фурмы позволило повысить технологическую гибкость процесса вакуумирования и привело к возможности:
- экономичного разогрева вакуумкамеры теплом от сжигания природного газа в атмосфере кислорода и поддержания нормального теплового состояния ее в течение рабочей кампании;
- снижения тепловых потерь за счет выделения тепла при дожигании СО в вакуумной камере;
- уменьшения опасности образования настылей на стенах вакуумной камеры;
- сокращения длительности обезуглероживания металла и получения стали с особо низким содержанием углерода.
Многофункциональная газокислородная фурма установлена вертикально по оси вакуумной камеры в куполе горячего газохода. Она имеет четыре контура-тракта: кислородного, газового, подвода и отвода охлаждающей воды. Головка выполнена из меди и имеет шесть кислородных сопел Лаваля и одно газовое сопло с диаметром на выходе, равным 22 мм. Пропускная способность фурмы по кислороду и природному газу составляет 3000 и 500 м3/ч соответственно. Давление кислорода - 2,0 МПа. Фурма оборудована запорно-регулирующей и регистрирующей аппаратурой, кон-
трольно-измерительными приборами на трактах подачи кислорода, природного газа и воды.
Использование многофункциональной газокислородной фурмы позволило провести разогрев рабочей футеровки вакуум-камеры за более короткое время и до более высоких температур
—ж— рабочее пространство камеры;
—■--нижняя часть патрубков;
—а--верхняя зона корпуса вакууматора;
—о--разогрев футеровки грфитовым стержнем;
—♦--разогрев футеровки газокислородной горелкой
Рис.1. График разогрева футеровки вакуумкамеры после холодного ремонта
Во время проведения разогрева футеровки вакуумкамеры газокислородной фурмой фиксировали не только подъем температуры в рабочем пространстве, но и скорость прогрева футеровки по толщине с помощью термопар.
Повышение скорости разогрева не оказало отрицательного воздействия на состояние футеровки. Хотя при разогреве считалась недопустимой значительная разница температуры между внутренней и наружной поверхностями футеровки.
Обогрев камеры при помощи газокислородной фурмы позволил снизить перепад температур до 340-400°С по высоте вакуумкамеры. При электрообогреве этот показатель был значительно больше - 550-600°С [3].
В течение всех кампаний велся визуальный контроль за состоянием футеровки. По окончании кампаний был проведен срав-
нительный анализ состояния футеровки РН-вакууматора при электрообогреве и использовании газокислородной фурмы.
При обогреве камеры газокислородной фурмой несколько изменился профиль износа футеровки днища. Наибольшему износу подвергается футеровка подины, защитная футеровка и футеровка стен.
Подобная картина износа футеровки объясняется близким расположением головной части горелки к подине. При электрообогреве движение газовой среды определяется конвективными потоками поступающей через патрубки газовоздушной смеси, не оказывающей направленного воздействия на поверхностные слои футеровки. Работа горелки регулируется задаваемыми технологическими параметрами. При увеличении расходов подачи газа и кислорода на сопло образуется направленный поток разогретой струи газа, разрушающий поверхностную структуру кирпича.
На втором этапе была усовершенствована система подачи аргона в патрубок. По первоначальному проекту вакуумкамера при обработке металла в циркуляционном режиме была оборудована 4-мя аргоноподводящими каналами, напрямую соединенными с аргонными фурмами. При постоянной эксплуатации РН-вакууматора возникли проблемы из-за интенсивного образования настылей на перевале газохода и полного зарастания рабочего канала газохода и самого газоохладителя.
Для снижения настылеобразования и интенсификации процесса перемешивания металла в процессе его дегазации, повышения скорости циркуляции металла в вакуумкамере увеличили число аргонных фурм во всасывающем патрубке до 6-12 и уменьшили диаметр выходного сопла с 5 до 2 мм [2,4]. Тем самым добились общего увеличения объема пропускаемого газа через металл в процессе вакуумирования его. С увеличением количества подаваемого газа возросла площадь раздела фаз между расплавом и газом. Пузырьки газа на поверхности расплава получаются значительно более мелкими и более равномерно распределенными. Подобный процесс способствует развитию кинетики обезуглероживания металла и снижению отрицательного воздействия на футеровку патрубка и днища камеры.
Технологические параметры вакуумной обработки опытных плавок с различным числом аргонных фурм и диаметром сопел приведены в табл.1.
Технологические параметры вакуумной обработки опытных плавок с различным числом аргонных фурм и диаметром сопел *
Число опытных плавок Число (диаметр аргонных фурм, мм) 2 Содержаниеуглерода, %10 Длительность вакуум и-рования, мин Расход аргона, м3/мин Коэффициент циркуляции Скорость циркуляции, т/мин
ДО ваку-умиро-вания после ваку-умиро-вания на разливке
30 6 (5) 2,7-7,5 4,7 0,2-1,7 0,74 0,3-1,9 1,08 11-34 20,5 0,75-2,25 1,50 3,0-7,2 5,4 92,9-133,8 116,9
14 6 (2) 3,6-5,1 4,4 0,4-0,8 0,52 0,6-1,3 0,87 19-22 20,3 0,83-1,53 1,08 5,2-6,0 5,6 96,1-119,0 104,9
26 12 (2) 3,5-4,6 4,0 0,3-0,6 0,45 0,3-0,8 0,58 23-28 26,3 1,43-1,87 1,51 6,0-7,0 6,5 115,1-135,1 117,2
47 12 (3) 3,1-5,7 4,1 0,2-0,4 0,36 0,3-0,7 0,49 20-42 32,1 1,53-2,58 1,85 6,0-11,1 9,5 117,4-140,0 125,4
* Числитель - пределы колебания, знаменатель - среднее значение.
Из приведенных в табл.1 данных следует, что наилучшие результаты по вакуумному обезуглероживанию достигнуты при работе на 12 фурмах с соплами диаметром 3 мм.
Оснащение вакуумной установки автономной регулировкой расхода аргона на каждую фурму позволило заметно снизить износ футеровки надфурменной зоны патрубка, увеличить срок его службы и повысить стойкость огнеупорной футеровки в среднем до 155 плавок.
На следующем этапе осуществлялась отработка технологии вакуумной обработки металла с продувкой его кислородом в процессе вакуумного обезуглероживания. Основные положения данной технологии заключались в следующем [5,6]:
- в начале вакуумной обработки расход кислорода на газокислородную фурму составлял 100-300 м3/ч для дожигания выделяющегося из металла моноокисида углерода (СО). При этом расход аргона во всасывающий патрубок составлял 40-60 м3/ч;
- продувка металла кислородом начиналась после набора разрежения в вакуумкамере 80-100 мм рт. ст;
- продолжительность кислородной продувки при интенсивности 1500 м3/ч в период вакуумного обезуглероживания определялась начальным содержанием углерода в металле перед вакууми-рованием и составляла:
- после окончания продувки металла кислородом расход аргона во всасывающий патрубок увеличивали до 80-120 м3/ч и проводили вакуумирование с коэффициентом циркуляции не менее 1,0;
- вакуумное обезуглероживание металла производили до минимального остаточного давления в вакуумкамере;
- при окончании вакуумного обезуглероживания металла (остаточное давление в камере составляло менее 1 мм рт.ст. и больше не снижалось) металл раскисляли алюминиевой дробью и производили перемешивание с коэффициентом циркуляции, равным 0,5.
содержание углерода перед обработкой, %
длительность продувки,
мин 0,04 и менее 0,04-0,05 0,05-0,06 0,06-0,07 0,07-0,08 >0,08
0 1-2
2-4
3-6
4-8 6-10
С продувкой металла кислородом во время вакуумирования было проведено более 50 опытных плавок, основные технологические показатели которых представлены в табл. 2. Первые опытные плавки проводились, в основном, при начальном содержании углерода перед вакуумированием 0,04-0,05% и с продувкой кислородом в течение 2-5 мин с интенсивностью 10002000 м3/ч, что приводило к переокислению металла. Это видно по увеличению расхода алюминия и уменьшению его усвоения на опытных плавках по сравнению с плавками без продувки кислородом (см. табл. 2). В связи с этим в дальнейшем длительность вдувания кислорода в вакуумкамеру была сокращена.
На плавках с «высоким» (более 0,08%) исходным содержанием углерода перед вакуумированием содержание углерода после вакуумирования составляло менее 0,01%, что невозможно было получить без вдувания кислорода.
Путем статистического анализа технологических параметров опытных плавок была получена зависимость остаточного содержания углерода в металле после вакуумирования от разрежения в вакуумкамере в конце периода вакуумного обезуглероживания, которая представлена на рис.2 [6]. 0,018 0,016 0,014
«
0 0,012 а
5 0,010 § 0,008
1 0,006
I 0,004 о 0,002 0,000
0 1 2 3 4 5 6
Разрежение, мм рт.ст.
Рис. 2. Зависимость остаточного содержания углерода в металле после вакуумирования от разрежения в вакуумкамере
Из представленной зависимости видно, что для получения содержаний углерода менее 0,004% необходимо иметь разрежение в конце вакуумирования ниже 1 мм рт. ст.
Технологические параметры вакуумной обработки опытных ( с продувкой металла кислородом) и сравнительных (без кислорода) плавок
Технология Значения Интенсивность продувки, м3/ч Длительность Длительность продувки кислородом, мин Разрежение, мм. рт. ст. Коэффициент циркуляции Присадка ферромарганца после вакуумиро-вания, кг Усвоение алюминия, %
кислорода аргона ния, мин
С продувкой кисло-ро-дом Минимум 250 35 11 0 0,1 2,2 0 3,5
Максимум 3000 149 32 11 10 9,0 750 44,2
Среднее 670 68 19,1 4,4 1,6 5,0 228,1 21,0
Без кислорода Минимум 0 35 8 0 0,5 1,5 0 9,2
Максимум 0 70 23 0 8,5 4,2 480 48,4
Среднее 0 48,9 14,2 0 1,5 2,9 150,3 29,6
Использование газокислородной фурмы для вдувания в вакуумную камеру кислорода и увеличение расхода аргона во всасывающий патрубок с целью повышения скорости циркуляции металла привели к значительному увеличению объема газов, отсасываемых пароэжекторным насосом из вакуумной камеры. Это, в свою очередь, существенно удлинило время набора минимального разрежения в вакуумной камере (менее 1 мм рт. ст.) и, как следствие, общее время вакуумной обработки плавки. Длительность вакуумной обработки плавок !Р-стали до реконструкции пароэжекторного насоса в большинстве случаев составляла более 35 мин, что вызывало необходимость перегревать металл перед вакуумирова-нием или греть его после вакуумной обработки на установке печь-ковш.
Проектная производительность пароэжекторного насоса вакуумной установки (600 кг/ч) обеспечивается при снабжении его паром требуемых параметров (температура рабочего пара на входе в эжекторы должна быть не менее 250°С при давлении его не менее 11 кг/см2). Из-за существенных колебаний рабочих параметров пара (температура пара 175-210°С, давление пара 8,511,6 кг/см2) практически не удается обеспечить получение разрежения в конце вакуумирования ниже 1 мм рт. ст.
Для получение такого разрежения в вакуумной камере и за минимальное время возникла необходимость в проведении реконструкции пароэжекторного насоса с целью увеличения его производительности, обеспечения его энергоресурсами требуемых параметров для снижения времени набора минимального остаточного разрежения в вакуумкамере. С этой целью была проведена реконструкция пароэжекторного насоса и увеличена его производительности по сухому воздуху до 800 кг/ч.
Технологические параметры вакуумной обработки плавок !Р-стали, выплавленных до и после реконструкции пароэжекторного насоса, приведены в табл. 3, из которой видно, что новый, более мощный по производительности пароэжекторный насос, по сравнению с прежним, позволяет набирать разрежение до 1 мм рт.ст. за меньшее время, которое составляет в среднем 10,6 мин. На старом пароэжекторном насосе это разрежение набиралось в среднем за 15,1 мин [7-9]. Остаточное разрежение в вакуумкамере в конце вакуумирования при обработке плавок !Рстали после реконструкции пароэжекторного насоса составляет в среднем 0,32 мм рт.ст. (до реконструкции пароэжекторного насоса - 1,07 мм рт.ст).
Технологические параметры вакуумной обработки !Р-стали до и после реконструкции пароэжекторного насоса
Период Количество плавок Значение Коэффициент циркуляции Расход аргона, м3 Время вакууми-рования, мин Время набора разрежения до 1 мм рт.ст., мин Разрежение в конце вакууми-рования, мм рт.ст. Содержание углерода, %
ДО вакууми-рования после вакууми-рования
До реконструкции 28 минимальное 5,0 60 17 10 0,20 0,023 0,002
максимальное 12,1 120 42 27 4,80 0,060 0,006
среднее 9,0 99,3 35 17,1 1,07 0,041 0,0041
После реконструкции 31 минимальное 8,4 90 25 8 0,12 0,035 0,002
максимальное 12,8 135 32 13 0,80 0,047 0,004
среднее 10,8 118,0 29 10,6 0,32 0,039 0,0036
Это позволило гарантированно получать на плавках !Р-стали содержание углерода после вакуумной обработки не более 0,004% и за меньшую длительность вакуумирования.
Таким образом, проведенная поэтапная реконструкция вакуумной установки позволила сократить время вакуумирования, увеличить количество удаляемого углерода из металла в процессе вакуумного обезуглероживания и гарантированно получать содержание углерод в металле после вакуумной обработки менее 0,004 % на плавках с особо низким содержанием углерода.
Список литературы
1. Эксплуатация РИ-вакууматора на ОАО «ММК» / Р.С. Тахаутди-нов, А.Д. Носов, В.Г. Овсянников и др. // Совершенствование технологии на ОАО «ММК»: сб. науч. трудов ЦЛК. Вып. 6. Магнитогорск: Дом печати, 2002. С. 213-224.
2. Опыт реконструкции КУВС в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» / Р.С. Тахаутдинов, Ю.А. Бодяев, А.Д. Носов и др. // Совершенствование технологии на ОАО «ММК»: сб. науч. трудов ЦЛК. Вып. 7. Магнитогорск: Дом печати, 2003. С. 75-79.
3. Эксплуатация РИ-вакууматора на ОАО «ММК»/ Ю.А. Бодяев, Е.В. Бурмистрова, В.Г. Овсянников и др. // Труды Седьмого конгресса сталеплавильщиков (Магнитогорск, 15-17 октября 2002 г.). М., 2003. С. 473-478.
4. Совершенствование конвертерного производства стали в ОАО ММК / В.Ф. Рашников, Р.С. Тахаутдинов, В.Ф. Сарычев, Ю.А. Бодяев, В.М. Корнеев // Сталь. 2004. №3. С. 13-16.
5. Отработка технологии вакуумирования особонизкоуглероди-стой стали / Р.С. Тахаутдинов, Ю.А. Бодяев, А.Д. Носов и др. // Совершенствование технологии на ОАО «ММК»: сб. науч. трудов ЦЛК. Вып. 6. Магнитогорск: Дом печати, 2002. С. 72-77.
6. Отработка технологии вакуумирования особонизкоуглероди-стой стали / Ю.А. Бодяев, А.Д. Носов, В.И. Фролов и др. // Труды Седьмого конгресса сталеплавильщиков (Магнитогорск, 1517 октября 2002 г.). М., 2003. С. 460-462.
7. Опыт реконструкции комбинированной установки вакуумирования стали в конвертерном цехе / В.И. Фролов, Ю.А. Бодяев, О.А. Николаев и др. // Сталь. 2004. №4. С. 25-27.
8. Совершенствование процесса циркуляционного вакуумирования на ОАО «ММК» / Ю.А. Бодяев, Е.В. Бурмистрова, В.Г. Овсянников и др. // Совершенствование технологии на ОАО «ММК»: сб. науч. трудов ЦЛК. Вып. 8. Магнитогорск: Дом печати, 2004. С.245-249.
9. Результаты реконструкции установки вакуумирования стали (УВС) в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» / Ю.А. Бодяев, В.И. Фролов, С.А. Самойлин и др. // Совершенствование технологии на ОАО «ММК»: сб. науч. трудов ЦЛК. Вып. 9. Магнитогорск: Дом печати, 2005. С. 50-55.
УДК 621.746.5.047:669.14
В.В. Мошкунов, A.M. Столяров, A.C. Казаков
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МЯГКОГО ОБЖАТИЯ
НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВ ТОЛЩИНОЙ 250 мм В ККЦ ОАО «ММК»
В конце 2009 года в ККЦ ОАО «ММК» была введена в эксплуатацию новая одноручьевая криволинейная МНЛЗ с вертикальным участком производства фирмы «SMS Demag». На этой машине возможна отливка слябов разной толщины: 190, 250 и 300 мм. На начальном этапе освоения новой МНЛЗ в основном отливались самые толстые слябы из трубной стали для снабжения заготовкой прокатного стана «5000». В дальнейшем потребовалось освоение отливки слябовых заготовок толщиной 250 мм. Объем их производства за восемь месяцев 2011 года увеличился в пять раз и составил более 20% (отн.) от общего количества отлитых заготовок.
Отличительной особенностью технологии разливки стали на слябы толщиной 250 мм в сравнении с условиями отливки более толстых слябов (300 мм) является довольно значительный диапазон изменения скорости вытягивания заготовки из кристаллизатора. Так, если слябы толщиной 300 мм, имеющие ширину от 1400 до 2700 мм, отливаются с практически постоянной скоростью, равной 0,75-0,80 м/мин, то заготовки толщиной 250 мм - со скоростью от 0,9 до 1,1 м/мин в зависимости от ширины сляба и величины перегрева металла в промежуточном ковше над температурой ликвидус. Это ведет к получению внутри сляба лунки жидкого металла разной протяженности. Мягкое обжатие слябов толщиной 250 мм осуществляется в двух смежных сегментах: либо в сегмен-
© Мошкунов В.В., Столяров A.M., Казаков A.C., 2011
