CC BY
53
штшг [гт[шп:й ioû
- 2 (02). 2007/ L9
ЕТАЛЛУРГИЯ
The technological peculiarities of melting and out-of-fumace processing of balanced steels in conditions of electric furnace steelmaking and continuous cast of RbP "BMZ" are considered.
с. В. ТЕРЛЕЦКИЙ, В. В. ПИВЦАЕВ, А. В. ОЛЕНЧЕНКО, А. С. ЗАЗЯН, РУП «БМЗ» ^ n
УДК 669.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫПЛАВКИ И ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУСПОКОЙНЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ
Одна из основных технологических операций при выплавке стали в дуговой печи — раскисление и легирование. Целью данной операции является связывание свободного кислорода и перевод его в неактивную форму, а также получение заданного химического состава стали. Разработанная ранее технология раскисления стали при выпуске из ДСП-3, описанная в работе [1], не применима для условий ЭСПЦ-1. Сложность данного процесса в ЭСПЦ-1 по сравнению с ЭСПЦ-2 заключается в том, что усвоение алюминия металлом должно быть исключено, так как повышение массовой доли алюминия выше 0,005% ведет к образованию большого количества корундовых неметаллических включений при разливке и затягиванию канала выпускного коллектора сталеразливочного ковша и дозаторов промежуточного ковша. Существующая технология предполагает присадку алюминия в зависимости от содержания углерода перед выпуском плавки из печи, однако такой метод весьма не совершенен, так как не учитывает ни температуру выпуска, ни активность кислорода в стали, кроме того, от момента отбора пробы до выпуска проходит 5—10 мин, при этом печь продолжает работать, а кислород — поступать в металлическую ванну, в результате чего конечное ее состояние неизвестно, а присадка алюминия неадекватна потребности ванны. Управление и оптимизация этой операции возможны при экспрессном контроле активности (концентрации) кислорода, в частности, электрохимическим методом с использованием созданных на его основе кислородных зондов непосредственно перед выпуском плавки из печи [2].
Электрохимические измерения активности кислорода в металле экспресс-методом позволяют учесть все перечисленные выше факторы, для чего необходимо рассчитать коэффициенты по формуле расчета количества алюминия по измеренному значению активности кислорода.
На РУП «БМЗ» для измерения активности кислорода в металле используется система «Multi-Lab Celox» фирмы «Heraeus Elektro-Nite». Системы были стационарно установлены на пультах управления ДСП-1,2, а измерения производятся с помощью одноразовых зондов «Celox», состоящих из гальванической ячейки, работа которой основана на действии закона Нернста, и термопары.
В работе [3] приведен пример измерения активности кислорода в металле при производстве малоуглеродистой стали 08Ю, где необходимо обеспечить условия для уменьшения концентрации кислорода. Это связано со значительным расходом А1, вводимого в ковш как на сливе, так и при обработке на АДС (агрегат доводки стали). На выпуске из конвертера концентрация кислорода составляет 0,06-0,10% и возникает необходимость связать его избыток, используя (в случае 08Ю) алюминий, по реакции:
3[0] + 2[А1] = (А1203).
Алюминий в виде чушек присаживается в ковш при сливе из конвертера. Отсечка шлака, необходимая при производстве данной марки стали, отсутствует. В связи с этим разброс значений содержания А1 после усреднительной продувки на АДС весьма значителен [3].
В условиях РУП «БМЗ» дуговые печи оснащены желобным и эркерным устройствами для выпуска металла в ковш и большой проблемы с отсечкой шлака нет, поэтому существует возможность получать стабильное содержание алюминия в металле после выпуска плавки в ковш, используя информацию об окисленности металла перед выпуском. Единственным негативным и дестабилизирующим фактором является то, что алюминий легче стали и при присадке в ковш он всплывает на поверхность, при этом, контактируя с атмосферным воздухом, окисляется. По результатам обработки статистических Данных доля алюминия, окислившегося кислородом атмосферы, составляет в среднем 44%.
on щw г írmfJST- гггп _
и U / 2 (42), 2007 -
Возможности системы «Multi-Lab Celox» позволяют рассчитывать и выводить на экран количество алюминия, необходимого для раскисления металла. Для этого существует формула расчета количества алюминия по измеренному значению активности кислорода, общий вид которой предложен фирмой «Heraeus Elektro-Nite» и которая введена в прибор, однако параметры этой формулы фирмой не указываются. Наша задача - определить сущность и численные значения этих параметров. Для измерения активности кислорода в металле используется формула:
а[0]=ехр(/1 +//Г2)[{(ехр(/3 +/4/Г))1/4 +(ехр(/5 +/6/Г))1/4}ехр(/7£/Г + /8/Г + /9)-
-(ехр(/3 +/4/Г))1/4]2+/10, (1)
где Е - ЭДС (EMF), мВ (mV); Т - температура, К; /¡=8,2740200; /2=16486,3000; /3=56,2291000; f=-171243,00; /5=18,6325000; /=-86370,000; /,=11,6114000; /g=290,280000; /9=0; /¡„=0.
Для расчета содержания углерода в стали по измеренному значению активности кислорода используется формула:
lg[C, %] = /1+/2/r + /3lgfl[0], (2)
где Т — температура, °С; а[0] — измеренное значение активности кислорода в металле, ррш;
/=2,2360000; /2=-1303,0000; /,=-1,0000000.
Эмпирические коэффициенты предложены производителями и требуют корректировки для адаптации к условиям РУП «БМЗ», для чего используется набор статистических данных измерений и отборов проб. При проведении опытных плавок перед выпуском плавок из печи производили замер активности кислорода датчиком Celox и одновременно отбирали пробу металла для анализа на приборе ARL методом спектроскопии. Статистические данные обрабатывали методом регрессионного анализа с помощью редактора Excel персонального компьютера.
Зависимость содержания углерода от активности кислорода определяли по уравнению регрессии:
Y = а0 + яД, + а2Хг,
где V = lg[C, %];*,= 1/7; Х2 = lg[a0, ррш]. Матрица исходных данных имеет вид
7= lg[C, %1 Х,=1/Г Хг= lg|ao, ppml
У. Хп Х2\
г2 Хп Х22
г,; Х\п х2„
После обработки экспериментальных данных уравнение (2) принимает вид
1ё[С, %]=3,3784-3501,93/7М),9312^а[0]. Коэффициент корреляции Л=0,92.
Расчеты количества алюминия, необходимого для присадки в ковш во время выпуска плавок из печи по измеренным значениям активности кислорода
Количество алюминия по измеренному значению активности кислорода рассчитывали по формуле
МА1 = (к,а[О]^™к2к3) + (Д4), (3)
где к{ — коэффициент, учитывающий содержание алюминия в АВ-87:
, 100 ..л-
к, =-= 1,14,
1 88
кг - коэффициент, учитывающий стехиометрическое соотношение алюминия и кислорода по уравнению реакции окисления:
2А1 + 3[0]2 = А1203.
Используя известные мольные массы реагентов, находим, что для связывания 1 кг кислорода необходимо 1,125 кг алюминия. Таким образом, коэффициент к2 определяем по формуле:
10-* Мш а 125 = 0 124 (4)
2 100
где ММе= 110000 кг - масса металла в ковше (статистические данные за ноябрь 2005 г.).
- 2 (42). 20071
Отсюда к} учитывает влияние на активность кислорода других элементов, кроме алюминия, таких, как углерод, кремний и кислород, который численно равен коэффициенту активности кислорода, определяемому с учетом параметров взаимодействия:
1 Ък3 =1ё/[0] = еО[0] + ^[С]+41[81] + е^,п[М11] + 4,[А1], (5)
где - с'о • ¿'о • е^ ~ параметры взаимодействия [2]. Выбор параметров взаимодействия производится
по табл. 2.16 [2] в соответствии со следующими принятыми условиями: после выпуска в ковш температура металла равна 1600°С, химический состав металла приведен ниже.
С Si Мп AI
0,08 0,204 0,593 0,005
Примечание. Статистические данные по 458 плавкам стали Ст1сп, 1008 и других подобных марок.
Содержание кислорода принимаем равным 0,0100%, так как, по данным [5], оно соответствует равновесному содержанию алюминия в металле (0,003—0,005%) при отсутствии других раскислителей. Содержание кислорода рассчитывали по формуле:
[%0] =
f Ч1/3
1
yurtij2"
V
(6)
[%А1] У|А]|&А1_0 ^
где [%0], [%А1] — соответственно содержание общего кислорода и общего алюминия в стали, мас.%;
у[А1] — коэффициент активности алюминия; км_0 — константа равновесия реакции раскисления алюминием.
После подстановки формула (5) принимает вид
lg к3 = (-0,20)[0,0100] + (—0,45)[0,129] + (-0,137)[0,204] + (-0,21)[0,593] + (-0,94)[0,005] = (-0,002) + +(-0,05805) + (-0,0274) + (-0,1239) + (-0,0047) = -0,21605.
Отсюда
¿з = 10(-°'21605) =0,60806,
/ - эмпирический коэффициент, найденный экспериментальным путем и равный —9,075.
Значение коэффициента к4 принимаем равным 1,66, т.е. 66% алюминия, присаженного в ковш, взаимодействует с растворенным в стали кислородом. Это значение определено по результатам анализа данных 13 плавок, раскисленных алюминием.
После подстановки расчетных параметров формула (1) имеет вид
kg - AI = (1,14а[0]РР" • 0,124 • 0,60806 + (-9,075) 1,66 .
Необходимым условием при использовании данной методики определения содержания алюминия, который нужен для раскисления стали, является то, что замер окислительного потенциала кислорода производится непосредственно перед выпуском плавки из печи при выведенной из рабочей позиции кислородной фурмы и отключенной мощности [2, 7, 8]. Однако выполнение всех перечисленных условий влечет потерю времени, поэтому с определенной долей вероятности допускается проведение замера без прекращения работы печи, но время от момента замера до выключения не должно превышать 1—2 мин. Практический опыт показывает, что в этом случае достоверность измерений имеет приемлемый для технологии уровень.
Присадка большого количества алюминия 100—150 кг в условиях непрерывной разливки открытой струей может привести к затягиванию дозаторов и прекращению процесса разливки. В данном случае необходимо предусмотреть присадку модифицирующих материалов, способствующих переводу тугоплавких корундовых включений, осаждающихся на поверхности огнеупорных проводок, в жидкое состояние. В качестве наиболее эффективного модификатора на РУП «БМЗ» применяется силикокаль-Ций, который вводится в металл в виде порошкообразного наполнителя в стальной оболочке. Задача состоит в расчете количества силикокальция, необходимого для обеспечения разливаемости стали.
Расчеты количества силикокальция, необходимого для модификации тугоплавких корундовых включений в конце внепечной обработки стали
В основе принципа модифицирования неметаллических включений лежит перевод их из твердого состояния в жидкое, а также увеличение их размеров для облегчения процесса всплывания на поверхность расплава и ассимиляции их шлаком. Такой перевод возможен при изменении химического
qo кшшш
Ü£ / 2 (02). 2007 -
состава включений. По данным [5], алюминаты кальция становятся жидкими, когда доля СаО в соединениях достигает 40—60%, что соответствует составу ЗСаО • А1203 и 12СаО • 7А1203. В диапазоне 45—55% СаО температура плавления соединений приближается к 1400°С. Задачей является рассчитать необходимое количество силикокальциевой проволоки для получения в стали соединений подобного состава. Для чего нужно знать количество и концентрацию оксида алюминия в стали. В таблице приведены значения содержаний алюминия общего и кислоторастворимого в стали реальных плавок, проведенных в ЭСПЦ-1.
Распределение концентраций общего и свободного (кислоторастворимого) алюминия в стали
опытных плавок
Плавка Параметр
[А1]„6Ш [АЦкисл [A'Lcn .шо% [А1]общ
1 0,0030 0,0011 37
2 0,0030 0,0015 50
3 0,0037 0,0011 30
4 0,0040 0,0012 30
5 0,0040 0,0012 30
6 0,0043 0,0012 28
7 0,0039 0,0011 28
8 0,0030 0,0011 37
9 0,0037 0,0010 27
10 0,0047 0,0013 28
Средние значения 0,0037 0,0012 32,5
Как видно из таблицы, соотношение кислоторастворимого и общего алюминия имеет довольно стабильное значение, поэтому для дальнейших расчетов вполне возможно воспользоваться средним арифметическим значением.
Необходимое количество силикокальциевой проволоки для модификации корундовых включений находим следующим образом.
Определяем массу корундовых включений в стали, для этого сначала находим концентрацию алюминия, связанного в оксиды:
[А1]окс=[А1]общ -0,675. (7)
Затем, используя известные мольные массы элементов в формуле оксида алюминия, и зная массу металла в ковше, определяем массу (А12Оэ):
т(А1203) —-ш---(8)
Так как наиболее благоприятный состав включений образуется при содержании СаО в составе включений 45—55%, соответственно содержание оксида алюминия будет составлять также 45—55%. Для расчета принимаем соотношение масс оксидов в составе включений 50:50. Тогда масса необходимого для модификации оксида кальция будет равна массе оксида алюминия:
Ш(А1,03) = т(СаО) ■
Зная массу оксида кальция, найдем количество кальция, необходимого для образования оксида, используя известные мольные массы:
т(СаО)
(9)
1,4
Известно, что кальций, кроме кислорода, имеет большое сродство к сере, а так как концентрации серы в стали довольно существенны (0,030-0,060% в ЭСПЦ-1), этим фактором нельзя пренебречь. Вероятность образования соединений кальция с серой возможно оценить с помощью уравнений для изменения энергии Гиббса следующих реакций:
1) [Са] + [О] = (СаО), ДG= -184175 + 34,65 Т [5],
2) [Ca]+[S] = (CaS), Д0= -132638 + 29,89 Т [5].
Принимаем для обеих реакций температуру, равную 1823К (1550°С). Тогда для реакции 1 AG = = -121008,05; для реакции 2 АС = -78148,53, т.е. AG2 = 0,65Д<71, соответственно и вероятность образования сульфида кальция во столько же раз меньше вероятности образования оксида, следовательно, количество кальция, вводимого для модификации корундовых включений, следует увеличить во столько же раз. Тогда формула (9) примет вид
fSrv-r- Г i'rTU.f:;rn:
2 m, 2007
/33
= <10)
Отсюда массовый расход силикокальциевой проволоки находим следующим образом:
"Ссю=-—-> (11)
(biLa) rp 1 ,
^"-шаполп'чшп
где [Са]|ШП0ЛП =0,3 — массовая доля кальция в наполнителе; ктп= 0,51 — коэффициент наполнения проволоки.
Соответственно длину проволоки определим по выражению:
тпров
пров v '
"метр
где »Сотр = 0,4 — масса 1 пог. м проволоки, кг/м.
Из анализа выражений (7)—(12) видно, что в реальных условиях два показателя будут иметь переменные значения: это масса металла в ковше и концентрация алюминия в металле. В связи с этим расчет необходимого количества силикокальциевой проволоки должен производиться на каждой плавке в зависимости от конкретных условий. Объединяя указанные выражения, получаем конечные расчетные формулы, которые и были использованы при проведении опытных плавок:
при содержании [AI] < 0,005% ¿SiCa = 1,13Мме, (13)
при содержании [AI] = 0,006% ¿SiCa = 1,35Мме, (14)
при содержании [AI] = 0,007% LSiCa = 1,60Мме, (15)
при содержании [AI] = 0,008% ЬЖг = 1,83Мме. (16)
Результаты применения разработанной технологии
По результатам проведенных опытных плавок с использованием разработанной технологии получены следующие результаты.
1. Время плавки под током ниже, чем общее и составило соответственно 45 мин (на сравнительных 48 мин) и 76 мин (на сравнительных 77 мин) на опытных плавках. Данный факт можно объяснить тем, что экспресс-информация о содержании углерода и активного кислорода дает возможность выпускать плавки без отбора дополнительной пробы.
2. Выход годного на опытных плавках выше и составил 98,3% (на сравнительных 97,1%), что объясняется лучшей разливаемостью стали из-за более полной модификации корундовых включений, приводящих к затягиванию дозаторов. При проведении опытных плавок зарастания дозаторов и повышенного шлаковыделения в кристаллизаторе не зафиксировано.
3. Расход алюминия на опытных плавках выше и составил 39 кг (на сравнительных 28 кг), что говорит о возможности более полного связывания свободного кислорода при отсутствии опасности затягивания дозаторов во время разливки.
4. Расход силикокальциевой проволоки на опытных плавках ниже и составил 43 кг (на сравнительных 45 кг), что объясняется оптимизацией присадки проволоки в зависимости от содержания алюминия в пробах. Однако следует отметить, что по мере отработки технологии расход силикокальция должен увеличиться, так как преимущества данной методики позволят более смело работать с алюминием и шлакораскисляющей смесью на основе алюминия, что в целом окажет положительное влияние на качество непрерывнолитой заготовки.
Литература
1. Якшук Д.С., Терлецкий C.B., Паршиков А Н. Технология выплавки стали в ДСП с контролем активности кислорода в металле // Сталь. С. 36-37.
2. Рыжонков Д.И., Падерин С.Н., Серов Г.В. Твердые электролиты в металлургии. М.: Металлургия, 1992.
3. Шебаниц Э.Н., J1 а р и о но в A.A., Небога Б. В. и др. Использование системы определения активности кислорода при производстве стали 08Ю // Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология». Киев, 2000.
4. Руководство по эксплуатации прибора «Multi-Lab Celox».
5. Айзатулов P.C., Харлашин П.С., Протопопов Е.В., Назюта Л.Ю. Теоретические основы сталеплавильных процессов. М.: МИСИС, 2004.
6. Дюдкин Д.А., Бать С.Ю., Гринберг С.Е. и др. Внепечная обработка расплава порошковыми проволоками. Донецк: Юго-Восток, 2002.
7. Р ыжо н ко в Д.И., Арсе нтье в ГТ.П., Я ковлев В.В. и др. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989.
8. Линчевский Б.В. Теория металлургического эксперимента. М.: Металлургия, 1992.
