автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение технологии выплавки стали в условиях интенсивного шлакообразования

Академия Наук СССР Уральское отделение Институт металлургии

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз.3>

' ОССКИН ВДЦЩИР АЛЕКСЕЕВИЧ

УДЕ 569.183.422

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ: ШШБКИ СТАЖ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ШШЯХЕРАЗОаАШйГ

Специальность: 05.16.02 - Металлургия тарных металлов

А в т о р е ф вра т диссертации на соискание ученой степени кандидата технические наук

¿8

/

Свердлов« - 1991

Капгс л1Т;ЛГ т | Иск., 3 5" 2 - / (

ВЛ2' 'О '0

Работе выполнена в Институте металлургии УрО АН СССР

Научные руководители: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник I С.В.Ыихайликов I

доктор технических наук, профессор В .И. Жучков

и^исвальные оппоненты:

Ведущее предприятие -

Лауреат Государственных премий СССР, доктор технических наук, профессор Л.А.Смирнов.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.А.Истомин

Кузнецкий металлургический комбинат имени В.Н.Ленина.

Задата состоится " 29" МОЯЬрА 199/г. на заседании специализированного совета Д 002.0I.Ul при Институте ыеталлурган УрО Ай СССР по адресу: 620219, г.Свердяовск, 1СП-812 ул.Амундеена, 101.

С дисаертащей иоано ознакомиться в техническое библиотека Уральского отделения Ай СССР.

Автореферат разослан "с?^ " б К ТЯдрЯ 199/г.

Ученый секретарь спещали-зированного совета Д 002.01.01 доктор химических наук

Г.К.Моисеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Переход к рыночному механизму управления экономикой СССР выдвигает'в число первоочередных задачу производства высококачественной продукции (в том числе и стали) с минимальными затратами. Решение этой задачи требует не только реконструкции производства с заменой устаревшего оборудования, но и разработки новых технологий, а так же совершенствования существующих. Проведение исследований в этом направлении невозможно без изучения взаимодействия оксидных систем и металла.

Оксидные системы, характерные для сталеплавильных процессов, неоднородны (гетерогенны). Гетерогенность этих систем, обусловленная незавершенностью формирования шлака, может быть устранена за счет интенсификации процесса шлакообразования. Гетерогенность, обусловленная наличием огнеупорной футеровки, насыщением различными оксидами и соединениями, неизбежна." Разработка новых и совер-. шенствование существующих технологий, выплавки стали невозможны без выявления и изучения влияния гетерогенности оксидной системы на процессы окислительного рафинирования металла. Эта задача является актуальной и по отношению к технологиям, основанным на использовании мартеновских печей. Такое положение объясняется тем, что около 50% от всего объема стали производится и в ближайшие годы будет производиться с использованием мартеновских печей в связи с невозможностью осуществить в короткий срок значительные капитальные затраты для замены мартеновских печей другими сталеплавильными агрегатами. Кроме того, имеющаяся в стране тенденция к увеличению объема стального лома повышает роль мартена как сталеплавильного агрегата. Результаты исследований, проведенных с использованием мартеновской печи, применимы не только для совершенствования мартеновского процесса, но и при разработке технологий с использованием других сталеплавильных агрегатов, в том числе и принципиально новых( конвертер,обработка шлаком в ковше и т.д.)..

Таким образом, изучение закономерностей взаимодействия гетерогенных оксидных систем с металлическим расплавом с целью разработки и совершенствования технологии выплавки стали является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований. Цель работы - разработка и внедрение технологии выплавки стали в условиях интенсивного шлакообразования с использованием закономерностей, обусловленных гетере-

генностьш оксидной системы.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Определение состава, свойств и порядка использования шла-кообразующих материалов, позволяющих интенсифицировать шлакообразование.

2. Изучение влияния интенсификации шлакообразования на технологические, и теплотехнические параметры процесса выплавки стали.

3. Выявление гетерогенности оксидной фазы и изучение особенностей процессов рафинирования металла с ее участием.

4. Разработка и внедрение технологии выплавки стали с использованием выявленных закономерностей.

Научная новизна. В результате проведенного анализа выявлена новая зависимость показателя распределения компонента между гетерогенным сталеплавильным шлаком и жидким металлом от его концентрации в шлаке. Показана применимость этой зависимости для выявления и качественной оценки гетерогенности разяичнш шлаковых систем, сосуществующих с жидким металлом.

На основании опытных данных установлено, что интенсификация процесса шлакообразования не позволяет ьк ранней стадии плавки устранить гетерогенность оксидной системы, обусловленную наличием продуктов окислительного рафинирования и оказывающую определяющее влияние на распределение компонентов между шлаком и металлом. Показано, что при интенсификации шлакообразования, не приводящей к изменению состава твердых фосфор- и хромсодержащих оксидных фаз, концентрация фосфора и хрома в металле остается неизменной.

Установлено, что на ранней стадии мартеновской плавки твердая оксидная фосфорсодержащая фаза' находится не только в расплаве плака на поверхности металла, но и ниже ее, на извести под нерас-плавившимся ломом.

С использованием результатов промышленных исследований показано, что сера на ранней стадии мартеновской плавки концентрируется в жидкой составляющей шлакового расплава, а показатель ее •распределения зависит от степени гетерогенности шлака. Содержание' марганца в твердой и жидкой фазах шлакового расплава может изменяться в широких пределах.

Установлено, что вследствие интенсификации процесса шлакообразования, приводящей к раннему формированию жидкого ферритного илаха и твердой фазы из оксида и феррита кальция на поверхности известняка, появляются особенности в процессах разложения извест-

няка,. плавления, нагрева метачла и окисления его примесей.

На основании опытных данных показано, что снижение остаточных концентраций ванадия в металле после деванадации чугуна в кислородном конвертере возможно только при изменении состава твердой ванадийсодержащей фазы. Выявлена идентичность твердых ванадийсо-держащих фаз в условиях доменной плавки и миксера конвертерного цеха, которые предопределяют постоянство концентрации ванадия в металле на этих этапах переработки ванадийсодержащего сырья.

Практическая ценность работы. Разработаны два варианта технологии выплавки стали скрап-рудным процессом с применением шлакооб-разующего агломерата. Один из них позволяет уменьшить расход яид-кого чугуна на 20% без уменьшения производительности печи, снизить расход шлакообразующих материалов на 30% и себестоимость 1т стали на 1,05 руб., а второй создает предпосылки для улучшения условий дефосфорации в период плавления. Разработан способ выплавки стали, позволяющий интенсифицировать процесс плавления и уменьшить угар углерода. Способ прошел промышленное опробование и рекомендован при выплавке стали скрап-процессом и скрап-рудным процессом с продувкой ванны кислородом. На основании этого внесены изменения в технологическую инструкцию по выплавке стали в мартеновском цехе Северского трубного завода.

Разработанные рекомендации по совершенствованию шлакового режима. в период плавления мартеновской плавки внедрены в мартеновском цехе Н1МК и на Северскоы трубном заводе, где получен годовой экономический эффект 106 тыс.руб.

Показана возможность и разработаны, рекомендации по замене плавикового пшата пемзой доменного шлака при выплавке стали из углеродистого полупродукта в кислородном конвертере. Рекомендовано изменение технологии деванадации ванадийсодержащего чугуна в кислородном конвертере с целью повышения степени извлечения ванадия.

На защиту выносятся:

1. Результаты термодинамического анализа и экспериментального изучения распределения компонентов между гетерогенной оксидной системой и металлическим расплавом.

2. Результаты изучения технологических особенностей процесса выплавки стали, проявляющихся при интенсификации шлакообразования.

3. Разработка новых и рекомендации по совершенствованию существующих процессов выплавки стали на основе выявленных физико-химических и технологических особенностей.

4. Внедрение в производство новой и усовершенствованной технологии выплавки стали.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на У и У1 Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических к шлаковых расплавов (Свердловск, 1983; Свердловск, 1986}; семинаре "Структура и свойства шлаковых расплавов" (1(урган, 1984); Всесоюзном семинаре "Применение результатов физико-химических исследований металлических и шлаковых расплавов для разработки металлургической технологии" (Челябинск, 1985); У1 научно-технической конференции "Передел чутунов и сплавов специального состава, включая природнолегированные и фосфористые" (Свердловск, 1988); У Всесоюзном совещании по химии, технологии и применению ванадиевых соединений (Чусовой, 1987); X Всесоюзной конференции по физи-ко-химическиы основам металлургических процессов (Москва, 1991).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах, получено одно авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация изложена на 188 страницах, состоит из введения, четырех глав, общих выводов, включает 41 рисунок, 18 таблиц, список литературы из 110 наименований и приложения.

Основное содержание работы

В первой главе с использованием имеющихся в литературе данных рассмотрена роль оксидной фазы в процессах окислительного рафинирования. Известно, что роль регулятора полноты, последовательности и скорости протекания реакций окислительного рафинирования выполняется шлаками вне зависимости от способа выплавки стали. Поэтому всякое совершенствование технологии выплавки стали и, в первую очередь, имеющее целью ускорение процессов нагрева и окислительного рафинирования, требует разработки мер по интенсификации шлакообразования. Значительный вклад в изучение и ускорение процессов шлакообразования внесли Н.Б.Бэкон, П.В.Умрихин, В.И. Явойский и др.

Использованию множества известных способов и материалов, позволяющих ускорить процесс формирования шлака, чаще всего мешает недостаточная изученность их влияния на технологию сталелла-

вильных процессов. Для реализации всех преимуществ того или иного способа интенсификации шлакообразования необходимо провести всесторонний анализ и выявление сущности возникающих технологических особенностей.

Ускорение шлакообразования имеет одной из основных целей улучшение условий дефосфорации. Известно, что термодинамические условия дефосфорации улучшаются с понижением температуры. Бротека-ние процесса дефосфорации в окислительных условиях невозможно без участия оксидов железа и кальция. Остальные данные о влиянии состава шлака и о количественной оценке влияния температуры на равновесные характеристики дефосфорации неоднозначны. Однофз возможных причин такой неоднозначности является неоднородность (гетерогенность) оксидной системы, под которой мы понимаем'равновесное сосуществование нескольких твердых и жидких фаз.

Характер и форма проявления гетерогенности фосфорсодержащих оксидных систем могут быть различными. Она может проявляться в виде микронеоднородности, переходящей при определенных условиях в макронеоднородность. Последнюю наблюдали многие исследователи (В.А.Фишер, Г.Энде, Г.Трёмель, К.Ито и др.) в виде несмешиваицих-ся жидкостей, жидкого шлака, насыщенного твердыми фосфорсодержащими соединениями и растворами этих соединений на основе извести и двукальциевого силиката.-

Имеющиеся в литературе данные о влиянии гетерогенности оксидной системы на равновесные концентрации фосфора получены, в основном, в результате изучения взаимодействия расплава металла с трех-компонентной оксидной системой Са.О-ГеО-Р^Ог , насыщенной различными оксвдами или соединениями. Сопоставление этих данных показывает, что вне зависимости от вида гетерогенности (расслаивание на две жидкости, насыщение оксидного расплава твердой фазой) ее влияние на равновесные концентрации фосфора проявляется одинаково. А именно, равновесное изотермическое изменение в некоторых пределах содержания фосфора в плаке не приводит к изменению его концентрации в металле.

В реальных сталеплавильных процессах оксидные системы гетеро-генны вследствие протекания процессов нагрева и растворения исходных шихтовых материалов, наличия огнеупорной футеровки, образования тугоплавких продуктов окислительного рафинирования металла. Если первую из названных причин можно частично или полностью устранить за счет интенсификации шлакообразования (использование брикетов или агломератов,'приготовление шлакового расплава вне основ-

кого агрегата и т.д.), то остальных в первые периоды плавки избежать невозможно. Интенсификация шлакообразования только ускоряет процесс достижения конечного состояния оксидной системы, характеризующегося гетерогенностью, которая обусловлена наличием тугоплавких продуктов окисления примесей металлов и насыщением некото-рьаж оксидами или соединениями. Влияние гетерогенности оксидной

У

системы, характерной для сталеплавильных процессов, на равновесное распределение фосфора и других компонентов, участвующих в формировании этой гетерогенности, изучено недостаточно. Сложность изучения этого вопроса заключается в том, что в условиях реального сталеплавильного процесса различные фазы, образующие гетерогенную систему, могут быть неравномерно распределены в объеме сталеплавильного агрегата. Твердые фазы могут находиться как в шлаковом расплаве на поверхности жидкого металла, так и на поверхности футеровки, на кусках извести под нерасплавившимся ломом и т.д.

Ча^е всего, при проведении исследований с целью выявления и анализа гетерогенности оксидных систем предметом изучения служит злаковый расплав. Его состав в условиях насыщения -несколькими соединениями к оксидами близок к эвтектическое и, как правило, не отражает полный состав (химический и фазовый) всей оксидной системы б целом. Известные методы, применяющиеся для изучения этого расплава (термодинамически-диаграь&шй, измерение вязкости, электропроводности, снятие тершграмы затвердевания и др.), дают результаты, точность и применимость которых зависит от соответствия состава слака составу всей оксидной системы в целом. Кроме того, . использование известных методов не позволяет оценить влияние гетерогенности на равновесное распределение компонентов между оксидной системой и металлом.

С целью поиска закономерностей, позволяющих обнаруживать и изучать гетерогенность оксидных систем, равновесных с жидким металлом, нами проанализирована система, состоящая из расплава металла и двухкомпонентного оксидного расплава МО- N0 (рлс.1).

Из рассмотрения диаграммы состояния данной системы следует, что равновесное изотермическое (при температуре Т) изменение валового состава оксидного расплава ( с1 ) в пределах от С^ до не приведет к изменению активности кошонента /V в оксидных фазах, а равно и в металлической фазе, в которой растворен рассматриваемый компонент. Если концентрация N в металле такова, что ее изгко численно приравнять к активности этого кошонента в металле, то в рассматриваема условиях она будет постоянной. Отсада

Рис Л Рис.2

следует, что в интервале концентраций С|-С, показатель распределения А/ между оксидным и металлическим расплавами ( будет функцией концентрации А/ в оксидном расплаве:

где К - постоянная, равная 1/[Л/} .

Выражение (I) является уравнением прямой в координатах -(/V) (рис.2а). Если составы жидкой и твердой фаз будут изменяться в некоторых пределах, что возможно в сложных многокомпонентных системах, то рассматриваемая зависимость приобретет вид лучка точек, ограниченного лучами, проходящими через начало координат (рис.26). Все рассуждения относятся к интервалу концентраций в оксадном расплаве от С-^ до С^. Соответственно, рассмотренные зависимости тоже будут ограничены этими пределами.

• Таким образом, в результате анализа выявлена характерная зависимость показателя распределения компонента, участвующего в образовании гетерогенности, от его концентрации в оксидном расплаве. Эта зависимость является следствием и показателем гетерогенности оксидного расплава. Поэтому ее можно использовать для выявления и анализа гетерогенности оксидной системы, равновесной с металлом. При этом безразлично в каком виде существует эта гетерогенность и каковы ее количественные характеристики.

Во второй главе обоснован выбор состава высокоосновного агломерата, названного шлакообраэущим, который использовался для интенсификации процесса шлакообразования.

Состав агломерата ( Ре б - 30*40; СаО - 25+35; • М£03-4*6; М<¡031 8% мае.; основность (Со0/5£0<г) - 3,5-=-4,5) был выбран применительно к условиям скрап-рудного процесса. При этом исходили из соотношения оксидов железа, кальция и кремния, которое обеспечивало бы образование в качестве основной минеральной составляющей агломерата легкоплавкого феррита кальция. Это должно было обеспечить начало плавления агломерата при температуре около 1200°С и предотвратить образование ортосиликата кальция на поверхности кусков извести при ее взаимодействии с образующимся расплавом. На основании анализа литературных данных было решено ввести е состав агломерата оксиды магния и алюминия.

Для принятия решения о возможности использования агломерата • выбранного состава были изучены вязкость расплава и рафинирующие свойства шлаков на его основе.

Измерение вязкости расплава шлакообразущего агломерата проводили с использованием вибрационного'вискозиметра. Было установлено, что при температурах выше ликвидус (1270°С) вязкость расплава не превышает 0,09 Па'с. Это ниже вязкости реальных сталеплавильных слаков, отобранных из основной мартеновской печи в процессе плавления.

Для изучения взаимодействия агломерата с нелезоуг-

леродистыы расплавом, содержащим серу и фосфор, использовали три методики, отличающиеся количественным соотношением металла (от

до ЮООг) и агломерата (от 30 до 70г). Опыты проводили в печи с трубчатым графитовым нагревателем, изолированным изнутри алундовой трубой. Расплав агломерата во время опытов в зависимости от методики находился либо в тигле из плавленного периклаза, где осуществляли его взаимодействие с металлом, либо - в кольце ез этого материала, плавающего на поверхности металла. Пробы ме- -талла и шлака, отобранные после достижения равновесия, подвергались химическому анализу.

При проведении лабораторных опытов установили, что темпера- ■ тура начала плавления агломерата составляет около Ц00°С.

Анализ результатов проведенных исследований позволил выявить наличие характерной зависимости показателя распределения фосфора от его концентрации в шлаке при содержании оксида магния менее 1С> «ас. (область I на рис.3).

Это позволяет говорить о наличии в шлаке фазы, в которой, в основном, сосредоточен фосфор. Состав этой фазы и, как следствие, активность фосфора изменяются в соответствии с изменением концент-

рации оксида магния в шлаке. При концентрациях МдО , характерных для сталеплавильных шлаков, показатель распределения фосфора достигал 198.

Таким образом, результаты лабораторных исследований позволили прогнозировать достаточно хорошие рафинирующие свойства шлаков на основе агломерата выбранного состава, начало ассимиляции извести расплавом агломерата при температуре около 1100°С, взаимодействие расплава агломерата без образования ортосиликата кальция на поверхности ее кусков, ускорение процессов шлакообразования при использовании шлакообразующего агломерата

. г 3 < 5,4 7 в -Содержание Р&в шлсхе, носс.% Концентрация НзО6 шлаке,масс.У,-1-£~ю; ц-тгб

Рис.3

взамен обычного агломерата и части известняка. Это явилось основанием для использования шлакообразующего агломерата при проведении исследований в промышленных условиях.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния интенсивного шлакообразования на процесс мартеновской плавки.

Опыты с использованием шлакообразующего агломерата проводили при выплавке стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской печи садкой 180т в условиях металлургического завода им.А.К. Серова.

■ Шлакообразугаций агломерат использовали в завалку с варьированием места завалки, а так^же во время плавления. На опытных плавках мартеновский агломерат не использовали, а расход известняка сокращали до полного исключения из завалки.

На основании сопоставления результатов петрографического и рентгеноструктурного анализов шлаков, отобранных на опытных и обычных плавках, сделан вывод об ускорении процесса шлакообразования при использовании шлакообразующего агломерата.

Было установлено, что применение шлакообразующего агломерата привело к появлении следующих особенностей в процессе выплавки стали: I) повышенное содержание углерода в металле после расплав-

ленкя; 2) более интенсивное плавление шихты и нагрев металла; £) возможность введения в ванну твердого окислителя (шлакообра-зукс-его агломерата) в период плавления (до расплавления лома);

отсутствие выбросов металла и шлака во время и после заливки чугуна..

^Анализ этих особенностей позволил выявить их сущность. Так, ускорение процессов тепло- и массообмена в ванне после заливки чугуна объясняется интенсификацией "известкового" кипения. Этот эффект - следствие раннего (до заливки чугуна) образования на поверхности известняка твердой фазы, состоящей из оксида и феррита кальция, которая замедлила разложение известняка во время завалки к прогрева. Ускорение процесса плавления привело к умень-сениЕ количества углерода, окисляющегося в этот период, и увеличению его концентрации в металле к концу периода. Кроме того, ферритные шлаки при температурах раннего периода мартеновской плавки (1250-1350°С) обладают пониженной реакционной способностьк по отношению к углероду, растворенному в металле. Это также явилось одной из причин повышенной (в среднем на 0,2%) концентрации углерода в металле опытных плавок.

Отсутствие выбросов во время и после заливки чугуна объясняется пониженной окисленностыо расплавившегося металла, который находился до заливки чугуна под шлаками с повышенной основностью. Благодаря легкоплавкости.шлакообразующего агломерата не происходило образование значительного по объему оплавленного с поверхности конгломерата в случае длительного его прогрева, что происхо дкт с обычным агломератом во время перерывов в завалке. Поэтому отсутствовало Бзрывообразное взаимодействие залитого чугуна с этим конгломератом и, как следствие, не наблюдались выбросы.

Значительная часть гематита в шлакообразующем агломерате вхо лит в состав двухкальциевого феррита, что снижает вероятность тер ьжческого разложения Рег03 при температурах сталеварения. Поэтому присадки шлакообразующего агломерата в ванну не приводили к заметному охлаждению ее за счет протекания эндотермической реакции разложения гематита. Этим объясняется возможность использования агломерата во время плавления, когда ванна недостаточно натре та, без увеличения продолжительности плавления.

Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод о неявном характере известных закономерностей процесса дефосфорации. 1ак, зависимости показателя распределения фосфора от основности

шлака и отношения концентраций оксидов железа и кальция имели ввд массивов точек, ограниченных кривыми, ввд которых соответствовал приведенным в литературе. Наиболее четко проявилась зависимость показателя распределения фосфора ( Ь р ) от концентрации лентаоксида фосфора в шлаке (рис.4). Практически прямолинейный характер этой зависимости свидетельствует об участии фосфора в формировании гетерогенности оксидной системы.

Ёид рассматриваемой зависимости позволяет говорить о стабильном составе фосфорсодержащей фазы и идентичности его как в опытных, так и в обычных плавках. Отсюда следует, что интенсификация процесса шлакообразования не позволяет устранить или изменить гетерогенность оксидной системы, обусловленную образованием тугоплавких продуктов рафинирования металла, если при этом не изменяется состав оксвдной системы.

Известно, что в условиях мартеновской плавки процесс дефос-

.под нррпсплсЪиЪишмся лтЬм,

форации близок к равновесию. Лоэгоку на поверхности извести*долж-на находиться фосфорсодержащая фала, близкая по составу к фосфорсодержащей фазе в шлаковом расплаве.

Характер зависимости показателя распределения хрома от его концентрации в шлаке подтверждает сосредоточение хрома в одной из оксидных фаз. Сопоставление результатов опытных и обычных плавок' позволило сделать вывод о получении более стабильного состава твердой хромеодержащей фазы при использовании шлакообразуицего агломерата, чем при выплавке стали по обычной технологии.

Полученные данные позволяли сделать вывод, что из компонентов шлака наиболее отрицательное влияние на распределение серы оказывают оксиды фосфора икремния. Характер зависимости показателя распределения серы от ее концентрации в шлаке (рис.5) свидетельствует о существовании фазы, содержащей серу, состав которой изменяется в определенных пределах. Изменение показателя распределения серы происходит в соответствии с изменением концентрации Рг 05 в шлаке. Это может быть связано с изменением доли жидкой

части шлака, в которой, по данным К.Коха и Н.Зиттерда, сосредоточена сера.

о «¿И ¿и ш- ом йЬ сЛ МассвЬав доли ары I шахе,

Рис.5

Вид зависимости показателя распределения марганца от концентрации его оксида в шлаке позволяет говорить о значительных изменениях соотношения концентраций марганца в твердой и жидкой фазах. По-видимому, марганец не образует какие-либо соединения в оксидном расплаве, а состав его растворов может изменяться в широких пределах. Этот вывод хорошо согласуется с результатами работы Г.Ккшпеля и 2>. Отерса.

Таким образом, интенсификация процесса шлакообразования за счет использования шлакообразующего агломерата привела к появлению ряда технологических особенностей в процессе выплавки стали. Выявление сущности этих особенностей создало предпосылки для совершенствования существующих и разработки новых технологий.

Интенсификация процесса шлакообразования не устранила гетерогенность шлаков периода плавления по фосфору, хроцу и сере, что предопределило неизменность концентраций этих компонентов ъ метал-

В четвертой главе изложены результаты работ по совершенствованию существующей и разработке новой технологии выплавки стали. Б основе этих работ - использование выявленных физико-химических и технологических особенностей, проявляющихся в условиях интенсивного шлакообразования. При проведении исследований в рамках данных . работ руководствовались принципом, который справедлив вне., зависимости от вида технологии: гетерогенность оксидной части системы, являющуюся Продуктом процесса рафинирования и участвущую в нем, следует учитывать и использовать для улучшения показателей этого процесса.

Скпап-рудный процесс. Результаты проведенных исследований и выявленные технологические особенности были использованы для разработки двух технологий выплавки стали с:фап-рудным процессом с

ле.

использованием шлакообразующего агломерата.

Первая основана на использовании шлакообразующего агломерата в завалку совместно с известняком. Преимуществом этой техно-' логии является уменьшение доли чугуна в шихте (на 20%) с заменой • его стальным ломом без снижения производительности печи. Кроме того, за счет разности в стоимости лома и чугуна, а также уменьшенного расхода шлакообразующих материалов (на 30$) появляется возможность снизить себестоимость 1т стали на 1,05 руб. Дополнительные затраты времени на завалку и нагрев увеличенного количества стального лома компенсируются за счет интенсификации процесса плавления. Уменьшение количества углерода, вносимого шихтой, не приводит к снижению его концентрации в металле после расплавления, т.к. угар углерода в этот период ниже, чем при использовании обычной технологии. Недостатком этой технологии является возможность формирования фосфорсодержащей фазы на поверхности извести, что затрудняет удаление фосфора из ванны до всплызания извести на поверхность металла в конце плавления.

Сосредоточить всю оксидную фосфорсодержащую фазу в шлаке на поверхности металла, до окончания плавления позволяет вторая технология. Она предусматривает проведение плавки без использования известняка в завалку с заменой его шлакообразующим агломератом. Через 30 минут после заливки чутуна образовавшийся шлак должен быть удален из печи и осуществлена наводка нового путем присадок плакообразующего агломерата. Это создает возможность для удаления значительной части фосфора из ванны до расплавления лома.

С целью проверки возмокности использования установленных закономерностей без применения шлакообраэущего агломерата были проведены опытные плавки, в ходе которых легкоплавкие ферриты кальция получали во время завалки путем сплавления окалины с известняком. В остальном технология опытных плавок не отличалась от обычной. Сопоставление результатов опытных плавок с показателями обычных (все они проведены на одной печи, при неизменном составе шихты) позволило установить, что при одинаковом содержании серы и фосфора в металле производительность печи на опытных .плавках оказалось выше (19,5 т/ч против 18,9 т/ч). Кроме того, удельный расход условного топлива снизился с 211 до 193 кг/т,

а содержание углерода в металле после расплавления повысилось в среднем на 0,21% абс. (с 1,26 до 1,47$).

Скрап-рудный процесс с продувкой ванны кислородом. Подача известняка в печной пролет 1-го мартеновского цеха НГЫК гаранти-

рованно осуществляется только во время завалки. Поэтому в данный период осуществляют присадку в печь такого количества известняка, которое обеспечивает всю необходик^ую на плавку массу оксида кальция. Это отрицательно сказывается на процессах шлакообразования, которые отстают от нагрева и окисления металла.

Для решения вопроса интенсификации шлакообразования и оптимизации шлакового режима в период плавления применительно к этим условиям была проведена работа по совершенствовании технологии выплавки стали.

Анализ показал, что воздействовать на процесс шлакообразования во время завалки можно за счет использования рабочего пространства печи у среднего окна, которое остается свободным от металлолома до конца периода, и за счет изменения организации завалки шихты.

При проведении опытных плавок во время завалки осуществляли сплавление известняка с отсевом агломерата в районе среднего окна. Кроме того, изменяли ахеыу завалки шихты с целью ускоренного вовлечения в процесс шлакообразования известняка за счет дополнительного прогрева его и использования оксидов железа, образующих- -ся при прогреве пшхты.

Анализ результатов проведенных исследований позволил установить , что сплавление известняка о отсевом агломерата в районе среднего окна позволило ускорить формирование высокоосновного жид-коподвижного шлака. За счет этого была снижена запыленность отходящих газов во время продувки после заливки чугуна на 15% относ, (этот период характеризуется наибольшей запыленностью - до 4,562 г/нм3), что создает предпосылки для улучшения тепловой рабо-ыРк повышения стойкости футеровки. Содержание углерода в металле после расплавления повысилось в среднем на 0,2% абс. несмотря на увеличенный расход твердых окислителей. Продолжительность плавления на опытных плавках оказалась ниже, чем на обычных,в сред нем на 16 минут. Повышение основности первых шлаков, скачиваемых после заливки чугуна, привело к снижению содержания серы тв металле после расплавления (с 0,033 до 0,029%), но не сказалось на концентрации фосфора в металле. По-видимому не изменились природа фосфорсодержащей оксидной фазы и активность фосфора.

Было установлено, что оптимальным временем скачивания с точки зрения максимального удаления фосфора из ванны и минимальных потерь извести является период через 30 минут после заливки чугуна. Именно в это время наблюдаются наибольшие концентрации фосфо-

ра в шлаке, а значительная часть известняка еще не всплыла.

При основности шлака 1.9 содержание фосфора в металле не превышало 0,017%. Было показано, что при условии дальнейшего роста основности шлака во время доводки может быть гарантировано содержание фосфора в металле на выпуске в пределах 0,0104-0,014%. Было рекомендовано при выполнении этих требований по основности шлака сократить объем скачиваемого шлака в два раза (до одной чаши объемом 16 м3).

На основании полученных результатов изменена технологическая инструкция по выплавке стали в 1-м мартеновском цехе НГМК.

Скрап-процесс. Одной из причин неполного использования ресурса службымартеновской печи в условиях мартеновского цеха Се-верского трубного завода им.Ф.А.Меркулова являлся преждевременный выход из строя элешнтов нижнего строения печи (шлаковиков и насадок йгснераторов) иэ-за заноса та плавильной пылью. Это явилось следствием слетавшейся практики, в соответствии с которой скачи-ваниз шлака из печи начинали еще до полного оседания и расплавления скрапа, стремясь при этом поддерживать в ванне минимальное количество шлака. Целью такой технологии являлось возможно более полное удаление фосфора и обеспечение быстрого нагрева металла. Это приводило н обнажению зеркала металла и образованию в рабочем пространстве печи бурого дыма, оседания частиц которого в шлако-вихах и насадках гшшратора вызывало преждевременный выход их из строя.

С точки зрения'ускорения нагрева металла, раннее скачивание шлака, когда большая часть поверхности ванны занята нерасллавяв-шейся шихтой, нецелесообразно.

Результаты проведенных исследований показали, что значительное повышение концентрации РгО5 в шлаке (с 0,8 до 1,7% мае.) начинается через 90 минут после окончания завалки и происходит при практически неизменной основности (Сй0/&0а = 0,7^0,9). Последнее обстоятельство, сопоставление характера изменений основности шлака и концентрации пентаоксида фосфора в нем, а также результаты анализа поверхностного слоя куска извести, всплывшей в конце плавления, который провели с использованием рентгеновского микроанализа?ора "Камебакс", подтвердили предположение о наличии оксидной фосфорсодержащей фазы на поверхности известняка. Поэтому удаление значительного количества шлака из печи в начале плавления не может обеспечить адекватное удаление фосфора из ванны.

Результаты проведенной работы послужили основанием для вне-

сения в технологическую инструкцию изменений по режиму скачивания первичного плака из мартеновской печи в период плавления. Изменение технологии позволило повысить производительность агрегата за счет увеличения срока службы насадок «генератора. В результате получек годовой экономический эффект 106 тыс.руб.

Б ранках данной работы проводилась проверка возможности ис~ пользования способа вьияавки стали, основанного на интенсификация процесса шлакообразования путем сплавления окалины с известняком во время ъаЬалки, в условиях скрап-процесса. В результате установлено, что при завалке .известняка несплошным массивом и сплавлении его с окалиной ыоено без изменения производительности агрегата к качества металла уменьшить -долю чугуна в металлической части шкхтк до 31,223!(с 32,03^ на обычных плавках). При этом расход условного топлива сократился на 1,2 кг/т стали. Это дело основания для внесения дополнений в технологическую инструкцию. Опробованный способ выплавки стали залвден авторским свидетельством. Изучение возможности замены плавикового шпата доменным шлаком при, выплавке стали из .углеродистого полупродукта в кислородном конвертере

Интенсификация процесса шлакообразования за счет ускорения образования легкоплавкой жидкой фазы, состоящей из всех оксидов, которые входят в состав оксидной системы, использована при проведении работы в конвертерном цехе НГМК. Целью исследований была проверка возможности замены плавикового шпата шлаком от производства ванадиевого чугуна. Последний содержит большинство компонентов сталеплавильных шлаков и обладает температурой плавления (около 1300°С) нике температуры углеродистого полупродукта. При переделе последнего на сталь и используется обычно плавиковый шпат.

Анализ литературных данных, а также результаты проведенных лабораторных исследований показали принципиальную возможность де-сульфурацик доменного шлака кислородом на поверхности углеродистого полупродукта. На основании этих результатов были проведены исследования в промышленных условиях. В кислородном конвертере емкостья 160т было проведено 14 опытных плавок, на которых взамен плавикового шпата использовали пемзу доменного шлака (2т на плавку •

Через 45 секунд после введения пемзы на жидкий полупродукт происходило ее расплавление и претоащалось выделение бурого дама кз конвертера. Ассимиляция извести, присаженной по ходу продувки, происходила достаточно быстро (Зт за 2 шцуты "мягкой" продувки).

Анализ баланса серы показал, что окисление серы до газообразного состояния не происходило и она полностью переходила в металл. Причина - высокое содержание кислорода з полупродукте и неблагоприятные термодинамические условия распределения серы вследствие этого. Тем не менее было установлено, что при условии обеспечения основности' конечных шлаков 5 и вше содержание серы в металле опытных плавок находится на уровне обычных (0,023-0,02-1$). При этом полная замена плавикового шпата пемзой доменного шлака обеспечивает достаточную жвдкоподвижность шлаков с такой основностью.

Влияние гетерогенности шлака на деванадацин чугуна.

Проблема повышения степени извлечения ванадия при переделе ванадиевого чугуна (сейчас он менее 63%) по мнении многих исследователей может быть решена за счет снижения конечного содержания ванадия в металле. С целью оценки возможности изменения этого показателя были проанализированы данные, полученные на 6С0 выпусках шлака, проведенных подряд, при переделе ванадиевого чугуна з конвертерах НГМК. Из этого массива выбрали данные, соответствующие температуре полупродуктав1375-5°С. Представив полученные данные в координатах (ЫЬ), _ ( уг яолуч;ш( ряд годящихся к

началу координат прямых линий. Это согласуется с представлениями большинства исследователей о ванадиевом шлаке как о гетерогенной оксидной системе, включающей силикатную и шпинелидную фазы. Основная масса ванадия входит в состав твердых шпинелей, устойчивых до Г750°С.

Если показатель распределения ванадия можно считать характеристикой заключительного этапа деванадацш чугуна, близкого к равновесию,. то снижение содержания ванадия в-металле з данных условиях можно получить только за счет изменения состава шлака. Проведенный анализ показал, что конечному содержанию ванадия в металле 0,02% мае. соответствует концентрация железа в шлаке на уровне 31 {• 36% мае. Повышенное содержание железа в шлаке ведет к ухудшению показателей его переработки при извлечении ванадия. Поэтому было предложено при переработке чугуна с накоплением ванадия в шлаке от 2-3 продувок повышать концентрацию железа в шлаке после первых 1-2-х продувок, а в конце последней продувки (перед выпуском шлака) снижать ее до обычного уровня (менее 30%). Это позволит получить после первых продувок содержание ванадия в металле на уровне 0,02^ мае., а после последней - 0,03*0,С4£ мае.

Эти рекомендации могут быть реализованы после организации

отсечки жидкоподвияного высокожелезистого шлака во время выпуска металла первых продувок.

С целью поиска возможностей снижения потерь ванадия на других этапах переработки ванадийсодержащего сырья были проанализированы данные о распределении ванадия между оксидными системами и металлом в условиях доменной плавни и миксера конвертерного цеха НГМК. Вид полученных зависимостей показателя распределения ванадия от его концентрации в шлаке позволяет предполагать наличие твердых ванадийсодержащих фаз, составы которых идентичны и в домне и в миксере. Выявленные зависимости можко_использовать для повышения эффективности переработки ванадийсодержащего сырья.

ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная задача - разработана технология выплавки стали на основании выявленных закономерностей взаимодействия гетерогенных оксидных систем с металлическим расплавом и технологических особенностей, вызванных интенсификацией шлакообразования.

2. Показано, что оксидные системы, характерные для сталеплавильных процессов, неоднородны (гетерогенны). Гетерогенность, обусловленная наличием продуктов окислительного рафинирования и огнеупорной футеровки, не может быть устранена за счет интенсификации шлакообразования и оказывает определяющее влияние на распределение компонентов между шлаком и металлом. Проведенный термодинамический ' анализ позволил выявить характерную зависимость показателя распределения компонента, участвующего в формировании гетерогенности, от его концентрации в шлаке. Наличие этой зависимости - следствие и показатель существования гетерогенности. Установленная зависимость использована для выявления и качественной оценки гетерогенности шлаковых расплавов по фосфору, хроцу, сере, марганцу и ванадию.

3. Использование шлакообразующего агломерата выбранного состава позволило интенсифицировать процесс шлакообразования, что привело к появлению особенностей в технологии выплавки стали: интенсификации процесса плавления, повышению содержания углерода

в металле после расплавления, уменьшению вероятности выбросов во время и после заливки чугуна, возможности присадок агломерата в нерасплавивщуюся ванну. Показано, что. эти особенности — следствие проявления свойств • шлакообразующегося агломерата, раннего образования высокоосновных шлакоБ, а также формирования на поверхности известняка твердой фазы (из феррита и оксида кальция).

4. Показано, что часть фосфора а условиях мартеновской плавки сосредоточена на поверхности извести, находящейся ниже уровня металлического расплава. Это использовано для совершенствования технологии выплавки стали скрап- и скрап-рудным процессами с продувкой ванны кислородом путем оптимизации макового рекюга з период плавления. В результате улучшены показатели работы печи, что в условиях Северского трубного завода выразилось в годовом экономическом эффекте 106 тыс.руб.

5. Разработано две технологии выплавки стали скрап-рудным процессом с использованием шлакообразутощего агломерата. Одна из них за счет интенсификации процесса плавления и снижения угара углерода в этот период позволила уменьшить доля чугуна в пакте на 20% без снижения производительности печи. Вторая позволяет улуч-пить условия удаления.фосфора из печи в период плавления.

6. Разработан способ выплавки стали, основанный на раннем образовании ферриткого шлака и твердой фазы, состоящей из феррита и оксида кальция, на поверхности известняка. Способ может быть реализован без использования шлакообразукицего агломерата. Он провел опробование в условиях снрап- я скрап-рудного процессов (с продувкой й без продувки ванны кислородом). Показано, что при его использовании снижается продолжительность плавления, уменьшается расход чугуна. На основании этого внесены изменения в технологическую инструкцию по выплавке стали скрап-процессом.

7. На основании результатов изучения распределения ванадия между гетерогенной оксидной системой и металлом- в условиях кислородного конвертера, доменной печи и миксера выявлены возможности совершенствования использующихся технологий ванадиевого передела з целью уменьшения потерь ванадия.

Содержание работы отражено з следующих публикациях:

1. Изготовление илакообразующих агломератов - один из путей ^травления физико-химическими свойствами шлакового расплава./М.И. Золосников, В.А.Осочин, Э.В.Криночкин и др.//Применение результатов физико-химических исследований металлических и шлаковых расплавов для разработки металлургической технологии: Тез.докл. Всесоюзного семинара. Челябинск. 1965.-С.22-23.

2. Технология плавки, стабилизирующая тепловую работу шрте-ювской печи/Б.С.Глазирин, Э.В.Криночхин, Ю.В.Ляпин, В.А.Осокин// Энергосберегающие технологии и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хазяйства металлургических предприятий: Тез.докл. научно-технической конференции. Миасс. 1937.-С.23-24 (ДСП).

3. Особенности распределения ванадия между шлаком и металлом/ Э.В.Криночкин, В.А.Осокин, С.В.Михайликов и др.//Тез.докл. У Всесоюзного совещания по химии,- технологии и применении ванадиевых соединений. чЛ. - Свердловск: УНЦ АН СССР -1987.-С.33-34 (ДСП).

4. Усовершенствование методики измерения вязкости расплавов вибрационным вискозиметром/С.В.Штенгельыейер, В.А.Прусов, В.А. Бочегов, В.А.Осошщ//Заводсная лаборатория.-1985.-№ 9.-С.56-57.

5. Применение доменных шлаков, при переделе углеродистого полупродукта на сталь/Э.В.Кркночкин, В.А.Осокин, М.И.Волосников, С.В.Михайликов и др.//В кн.Передел чугунов, выплавленных из комплексных руд.- Свердловск: УралНИИЧерМет.-1985.'-С.26-30.

6. Оптимизация шлакового режима в период плавления при выплавке стали скрап-лроцессоя//В.А.Осокин, Ю.В.Лгоин, Э.В.Криноч-кин и др.//Молодые ученые и специалисты черной металлургии Урала-каучно-техническому прогрессу: Тез.докл.научно-технической конференции. -Свердловск:-1984.-С.25-26.

7. Измерение вязкости железистых шлаков/М.И.Волосников, Э.В. Криночкин, В.А.Осокин, Б .П.Сафронов/Дез.научн. сообщений У Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. ч.З. Исследования шлаковых расплавов.-Свердловск. -1983.-С.177-178.

8. Петрографический анализ мартеновских агломератов и шлаков/М.И.Волосников, Н.А.Ватолин, С.В.Иванова, В.А.Осокин и др.// Структура и свойства шлаковых расплавов:Тезисы докладов.-Курган.-I984.-C.II0-II3.

9. Рентгеноструктурный анализ основных мартеновских шлаков/ М.И.Волосников, Н.А.Ватолин-, Л.А.Овчинникова, С.В.Михайликов, В.А.Осокин и др.//Структура и свойства шлаковых расплавов: Тезисы докладов.-Курган.-1984.-C.I14-117.

10. Расслоение железоизвестковых шлаков и процесс дефосфора-ции металла//В.А.Осокин, Э.В.Криночкин, М.И.Волосников и др.// Структура и свойства шлаковых расплавов: Тезисы докладов.- Курган. -1984 . -C.II8-I22 .

11. Гетерогенность оксидных фосфорсодержащих расплавов и распределение фосфора между ними и металлом/3.В.Криночкин, В.А.Осокин, М.И.Волосников и др.//Тезисы научн.сообщений У1 Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. ч.З. Структура и свойства шлаковых расплавов.-Свердловск, 1986.-С.144-146.

12. Совершенствование шлакового режима мартеновской плавки/

Г.А.Обласов, Ю.В.Лялин, В.А.Осокин, Э.В.Криночкин//Еюлл.научн.-техн. информации. Черная металлургия.-1987.-Вып.21.-С.35.

13. А.с.1416514 СССР, МКИ С 21 С 5/04. Способ выплавки сга-ли/Э.В.Криночкин, В.А.Осокин, М.И.Волосников. и др. Опубл. з В.И., 1988.-» 30.

14. Осокин В.А., Криночкин Э.В., Михайликов C.B. Термодинамические особенности распределения компонентов между жадким металлом и гетерогенным шаком/Передел чугунов и сплавов специального состава, включая природнолегированные и фосфористые: Тезисы докладов У1 научно-технической конференции.-Свердлове^, 1989.-С.15-16.

15. Осокин В.А., йриночкин Э.В., Михайликов С.З. Термодинамические особенности распределения компонентов между металлом и гетерогенным шлаком.- В кн.: Выплавка и передел природнолегирован-кых чугунов.-Сверддовск: УралНПШерИет.-1990.-С. 34-37.

16. Закономерности распределения компонентов между ллаком я металлом в сталеплавильных агрегатах/В.А.Осокин, Н.А.Затолин, З.В.Криночкин,| С.В.гДихаййиков],. В.И.35учков//Гезисы докладов X Всесоюзной конференции по физико-химическим основам металлургических процессов.- Москва, I99I.-C.I44-I46.

L&K^-