CC BY
19
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10
УДК 669.18.046
Мельник С.Г.
ВЛИЯНИЕ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ ЖИДКИМИ ЛИГАТУРАМИ НА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЕЁ ПРОИЗВОДСТВЕ В БОЛЬШЕГРУЗНЫХ
КОНВЕРТЕРАХ
Применение жидкой лигатуры взамен кусковых ферросплавов для легирования стали в ковше позволяет уменьшить расход тепла конвертерной плавки. Получено уравнение, позволяющее рассчитать это изменение расхода тепла с учётом нагрева кусковых ферросплавов до температуры плавления, фазового перехода - плавления и нагрева расплавленных ферросплавов до температуры жидкой стали с учётом возможных аллотропических превращений элементов в ферросплавах Приведены результаты расчетов изменений теплового баланса конвертерной плавки для стали марок Sen и 09Г2С в условиях МК «Азовсталъ».
Применение различных способов внепечной обработки стали при её производстве вносит изменения в тепловой баланс конвертерной плавки. Обработка стали в ковше аргоном, порошкообразными реагентами, вакуумом, корректировка химического состава стали требуют расхода тепла. В результате, повышение качества стали, обеспечиваемое применением различных способов внепечной обработки, сопровождается необходимостью дополнительного повышения температуры металла на выпуске из конвертера в сталеразливочный ковш.
Использование внепечной обработки стали жидкими лигатурами вносит определенные изменения в тепловой баланс металла в сталеразливочном ковше по сравнению с традиционной схемой её легирования. Если при обычной технологии легирования в ковше кусковыми ферросплавами происходит нагрев кусков до температуры плавления Тпл, затем нагрев жидких ферросплавов от Тпл до температуры жидкой стали Тжс, а также фазовый переход - плавление ферросплавов, который происходит с поглощением теплоты, то при легировании стали жидкими лигатурами этих дополнительных затрат тепла не требуется.
На комбинате «Азовсталь» разработана и освоена технология производства конвертерной стали, выплавляемой в большегрузных 350-тонных конвертерах и разливаемой на двухручьевых УНРС, с обработкой в сталеразливочном ковше комплексными жидкими лигатурами [1-3]. Лигатуры выплавляли методом сплавления ферросплавов в дуговых сталеплавильных печах ДСН-12НЗ в специальном отделении жидких лигатур и синтетических шлаков конвертерного цеха. Для этих условий на примере производства конвертерной стали марки 09Г2С по методике работы [4] провели расчёты уменьшения тепловых потерь при легировании стали на выпуске в сталеразливочном ковше жидкими лигатурами по сравнению с твердыми кусковыми ферросплавами.
Разница между тепловыми эффектами легирования стали кусковыми и жидкими ферросплавами AQ будет определяться как сумма количества тепла Он.т,ф.., необходимого для нагрева твердого ферросплава от исходной температуры Тмч до температуры плавления ферросплава Тщ , теплоты его плавления L и количества тепла СЬГЖф, расходуемого для нагрева жидкого ферросплава от температуры плавления ТГ1Л до температуры жидкой стали Тж с.:
AQ-Qhxo О)
* ОАО МК «Азовсталь», канд. техн. наук
Количество тепла для нагрева ферросплава массой М до температуры плавления Тщг можно определить по уравнению:
Qn Т Ф. = М • {нГю - нТтч) = ы \сР ■ dT, (2)
т
1 ЖП
где Нтпл и Нтнлч - энтальпии системы при температурах, соответственно Тга и Т»«, кДж/кг; Ср- удельная теплоёмкость ферросплава при постоянном давлении, кДж/(кг-К). Обычно при расчёте значений Ср = ДТ) с незначительной погрешностью ограничиваются двумя первыми членами степенного ряда:
СР=оо (3)
где Oq и си - коэффициенты, которые приведены в справочных таблицах термодинамических величин для простых веществ и химических соединений.
После подстановки выражения (3) в уравнение (2) и интегрирования с учётом того, что
Т +Т
Гср= » (4)
получаем
Q,т.ф =М[(Тт~ THJ ■ (oto ' aj ад (5)
В качестве примера расчёта возьмем конкретную плавку стали 09Г2С, на которой легирование осуществляли присадкой в сталеразливочный ковш силикомарганца СМн17 и ферросилиция ФС65 в количестве соответственно 6,4 и 1,4 т.
Для определения Q^jf применяем закон Коппа-Неймана для расчёта теплоемкостей элементов с учётом возможных модификаций марганца в рассматриваемом интервале температур. Марганец до перехода в жидкое состояние находится в виде а - фазы до 1000 К, в виде Р- фазы -от 1000 до 1374 К, у-фазы - от 1374 до 1410 К и б - фазы - от 1410 до 1517 К. После подстановки получаем:
6, SiMn _ s^Si{SiMn) , s-)Mn(SiMn) , s\F«(SiMnj _
н.Т.Ф ~УН.Т.Ф. ^У-н.т.Ф Н.Т.Ф,
д у М Та~Р 4- ТШп
28.1 54.9 2
-T'JXay + af'r • + (7V -Г&7Ж'* + ^)+ (6)
rpS-ж , fy~&
+as" - T'nf) ■+ • * *v)+&-,+ Q»-r + Qrs + а-»+
- гг?х«г"• Ф)
В уравнении (6) Q^^*^- тепло для нагрева кремния, вносимого в сталь силикомарган-цем SiMn, от начальной температуры до температуры плавления Р™", Q%¡{SiMn)-тепло
для нагрева Мп из SiMn до температуры плавления , Q^j ^ - тепло для нагрева же-
леза из SiMn до температуры , MSi = 1,09 т, М^ = 4,86 т, M{Ffn) = 0,45 т
- количество
присаживаемых элементов в составе SiMn в сталеразливочный ковш для легирования стали
Y'SiMn . '¡'SiMn
09Г2С, Tscfn = -А.м. Si = 28,1 г, А.м. Mn - 54,9 r, A.M.Fe = 55,8 г- атомные массы
элементов.
После подстановки всех значений, в т.ч. справочных величин теплот фазовых переходов Qa_(% Qp-y> Qy-5) Qs-ж, В уравнение (6), получаем Qh% = 5513,13
Тепло Qht ф Для нагрева 1,4 т ферросилиция ФС65, присаживаемого в сталеразливочный ковш при выплавке стали марки 09Г2С, можно определить по уравнению:
0F«Si _ ^¡Si(FeSi) .r}Fe(F*Si) /74
н.т.Ф zz-нт.Ф. ^^нт.ф. y'f
01 sFeSi
,FeSi _ IVi Si crFeSi rpFeSi \ / Si(FeSi) Si(FtSi) rpFeSi л ■ н.т.Ф. ~ л c. \£пл нач) ' \ q +а\ 2СР ) f
AmSI (8)
\jFeSi
iVl р srj^PeSi rr>FeSi \ / Fe , Fe rpFeSi \ + А г-(ТПЛ ~THA4)<a0 "TCP ) .
A.M.Fe
После подстановки значений, в т.ч. справочных [4, 5], в (8) в результате расчета получаем Qh%.= 1474,2- 106Дж.
Количество тепла Онт ф > необходимое для нагрева присаживаемых в ковш ферросплавов до температуры плавления Тгы в рассматриваемых условиях, составляет: Qhx«> = (5513,13 + 1474,2>10б- 6987,3 106Дж. Теплоту плавления ферросплавов L определим из следующего уравнения для п элементов в ферросплавах
-, <?)■
j=i
где L, - теплота плавления элемента i (Fe, Mn, Si) в ферросплаве j (SiMn, FeSi) при известной массе присаживаемых в ковш легирующих для стали марки 09Г2С.
Для этой марки при легировании используются ферросилиций ФС65, силикомарганец СМн17 и теплота плавления ферросплавов составит
^ _ jjSiMn) + ftSiMn) + jjSIMn) + jjFtSO + - m Si . j{Sihdn) д^ + IViШ _ j,{SMn) д^ +
я Ш Fe s' F* A.m. Si m А.мМп m TuMn ^qj
M^ TW ao M$eS,) (FtSi) (FeSl) A„
A UJI ^mFe 7Г £пл ШплSi + ~~ J ПМ ^n.iFe ,
AM.Fe A.mSi A.M.Fe
Количество тепла для нагрева жидких ферросплавов от температуры плавления Тпл ДО температуры жидкой стали Тж.с.:
—, MJ
йнжФ^Ъ-^Г-СРЛТжс.-Т'т) (И)
А.мл
Преобразуем уравнение (11) к рассматриваемым условиям производства стали 09Г2С.
\j{SiMn) д¿{SiMn)
П — Si С m (Т — TSiMn\ I Mn fi Mnsrp fSiMn\ .
У'В.Ж.Ф " AMSi ^пл )+АмМп^Рж^ж, +
■ 1 Si r^ si/ rp rpFeSi \ , 1Yl Fe Fe/f
A p.'Saie^ 1 ГШ . ~ 'S«"**- ПЛ ' * '
А .м.Ы ж A.MFe
Изменение теплового баланса конвертерной плавки AQ в результате применения жидких лигатур вместо твердых ферросплавов:
\А) . КА} Д^-У
щ-т£лчМтш -Мы-цл). (13) А.м.1 А.м.1 А.м.1
В случав, если в указанных температурных пределах Для элементов 1 имеет место фазовое превращение, например ¡а (при температуре превращения ), формула 13 преобразуется
в следующую:
КА] К*} гра-0
АЙ = -Т^У (а; + а! • 7£) + -р-;<7£г' ~ПАЧ){а^ + а^ ■ ¿ш^мц +
А.м.1 А.мл 2 ^^
\43
ЛЬш. В (13) и (14):
1 = 81,Мп,Ре,... ^ = 8&1п,Ре81...;
ДО - изменение количества тепла плавки при применении жидкой лигатуры, Дж; Д<31 - то же при наличии фазового превращения, Дж; А// - масса 1-го элемента в ]-ом вещесгве (материале), г; А.мЛ - атомная масса ьго элемента, г;
Тпл > ^нл ч > Т3Ср - температуры плавления, исходная и средняя для ,)-го вещества, К:
а'Г1, с?! - коэффициенты уравнений для определения теплоёмкости 1-го элемента при постоянном давлении;
Лвщи - энтропия плавления 1-го вещества, Дж/(моль-К); СрЖ - удельная теплоёмкость ¡-го элемента, Дж/(мольК);
Тж с - температура выпуска жидкой стали из конвертера, К; ! . .
Т^ - температура аллотропического превращения 1-го элемента, например а-фазы в р - фазу марганца, К;
Р ~Р' коэффициенты уравнений для огфеделения теплоемкости элемента в период между полимерными превращениями; О*;^ - теплота аллотропического превращения элемента (например, марганца) из а- фазы в р-фазу, Дж.
Расчёты изменения теплового баланса конвертерной плавки по приведенной методике показывают, что замена твердых кусковых ферросплавов жидкими лигатурами позволяет уменьшить необходимое количество тепла при производстве стали 09Г2С на
14,0-106 кДж, стали
Зсп - на 7,0-106 кДж.
С применением жидких лигатур вместо кусковых ферросплавов на МК «Азовсталь» выплавили десятки тысяч тонн стали марок 09Г2С, 13Г1СУ, 10ХСНД, 15ХСНД, 17Г1СУ. Зсп, 09Г2ЮЧ, 12Г2С и др [1-3]. Внепечная обработка конвертерной стали комплексными жидкими лигатурами позволяет наряду с улучшением качества металла и снижением расхода ферросплавов снизить расход чугуна на 10-20 кг/т стали без дополнительного переокисления металла и неблагоприятного воздействия на стойкость футеровки конвертера.
Выводы
1. Получена формула для расчета снижения расхода тепла конвертерной плавки при применении для легирования в ковше жидких лигатур вместо твердых ферросплавов.
2. Расчётные значения уменьшения необходимого количества тепла в результате замены твердых кусковых ферросплавов жидкими лигатурами при производстве низколегированной стали 09Г2С составили 4,2 ■ 104 кДж/т, углеродистой стали 3 сп - 2.1 ■ 104 кДж/т.
3. Уменьшение расхода тепла в тепловом балансе конвертерной плавки за счёт применения
жидких-лигатур-позволяет снизить расход чугуна на 10-20 кг/т стали с соответствующим , л л увеличением расхода металлолома в шихте конверторной плавки.
Перечень ссылок
1 Повышение качества конвертерной стали 09Г2С путем рафинирования в ковше жидкой лигатурой Мельник СТ., Чепель СЛ., Брызгунов К.А. и др// Сталь.-1993.-№8-С.24-25 .
2. Производство конвертерной стали в большегрузных 350-тонных конвертерах с использованием жидких лигатур / Носоченко О.В., Мельник С..Г, Коломоец АЛ. и др// Теория и практика кислородно-конвертерных процессов: Тез. докл. VIII междунар. н.-т. конф,- Днепропетровск, 1994,- С. 91-93.
• 3. Снижение расхода чугуна конвертерной плавки при легировании стали жидкими лигатурами / Семенченко П.М., Мельник С.Г., Поживанов М.А. и др.// Тез. докл. Ш региональной н.-т. конф. - Мариуполь, 1995. - Т. I. Металлургия. -С.57.
4. Казачков И.П. Легирование стали. - Киев: Техника, 1982.-120с. с ил
5. Эллиот Д. Ф., ГлейзерМ., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1969. -252 с. с ил.
Мельник Сергей Григорьевич. Канд. техн. наук, зам. начальника ЦЛМК «Азовсталь» по сталеплавильному производству, окончил Ждановский металлургический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - изучение физико-химических процессов производства стали, разработка и освоение новых технологических процессов сталеплавильного производства.
