автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка теоретических основ и комплексной технологии получения особо чистой высококачественной конвертерной стали для толстого листа

Министерство образования Украины р рГосу^рственная металлургическая Академия

На правах рукописи

_ Ц П~У< -• J I

ПОЖИВАНОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

"РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТОЙ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ КОНВЕРТЕРНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ТОЛСТОГО ЛИСТА"

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

ДИССЕРТАЦИЯ

па соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

г.Днепропетровск 1994г.

Работа выполнена на металлургическом комбинате "Азовсталь",Новолипецком металлургическом комбинате и в Государственной металлургической Академии Украины.

Научный консультант: БАПТИЗМАНСКИЙ

Вадим Ипполитович -член-корр.Национальной

Академии наук Украины, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Перелома

Виталий Александрович -член -корр. Национальной

Академии наук Украины, доктор технических наук, профессор, зав. отделом Института проблем литья НАН Украины

-доктор технических' наук, профессор, заведующий кафедрой теории металлургических процессов Государственной металлургической Академии Украины

-академик инженерной академии ' Украины, доктор технических наук, профессор, директор Донецкого научно-исследовательского института черной металлургии Ведущее предприятие: Днепровский металлургический

комбинат им. Дзержинского Защита состоится 13 декабря 1994 г. в 12.30 на заседании специализированного совета Д.068.02.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Государственной металлургической Академии Украины по адресу : 320635,г.Днепропетровск, 5, пр. Гагарина,4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной металлургической Академии Украины. Диссертация разослана1994г.

Ученый секретарь /

специализированного совета, ./

доктор технических наук I/^ ^ В.К.ЦАПКО

ЯКОВЛЕВ Юрий Николаевич

ДЮДКИН Дмитрий Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последние годы четко проявляется тенденция повышения спроса металлоперерабатывающих отраслей на прокат из низколегированных и углеродистых сталей повышенного качества.Массовое потребление высококачественного металлопроката имеет место в газовой и нефтяной промышленности,автомобильном и транспортном машиностроении,строительстве и мостостроении,атомном и химическом машиностроении и т.д.На металлургическом комбинате "Азовсталь" за период с 1978 г. по настоящее время разработаны и освоены около 40 новых низколегированных и углеродистых марок стали повышенного качества,в том числе для магистральных газопроводов северного исполнения различных классов прочности, для оборудования и труб, стойких к сероводородному растрескиванию, строительных и мостовых конструкций повышенной сплошности и изотропности.для судостроения различных категорий по требованиям Регистра,химического машиностроения и др.[1,2].Доля сталей повышенного качества в сортаменте конвертерного и толстолистового цехов составляет более 50%.

¿Существенное повышение качественных и эксплуатационных характеристик толстолистового проката может быть обеспечено за счет повышения степени рафинирования стали от вредных примесей, неметаллических включений и газов на стадии сталеплавильного передела. Особое значение придается вопросам глубокой десульфурации металла.

Об актуальности работ, направленных на разработку комплексных технологий получения особо чистых сталей для производства толстолистового проката , свидетельствуют комплексные межотраслевые Программы " Чистая сталь " и "Надежность", в соответствии с которыми проводились исследования по некоторым вопросам, представленным в настоящей работе.

Цель работы.

На основе исследований и теоретического анализа процессов рафинирования чугуна и стали разработать научные основы и технологию производства особо чистых конвертерных сталей для толстолистового проката.

Научная новизна»

Установлены основные термодинамические и кинетические закономерности десульфурации чугуна гранулированным магнием.Определены на основе современной теории массообмена лимитирующие звенья процессов усвоения магния чугуном и его взаимодействия с серой.Установлены механизм и факторы, определяющие влияние на усвоение магния чугуном.его температуры, типа газа - носителя, глубины ввода магния в металл и других параметров. Сформулированы научные основы технологии выплавки в конвертерах высококачественной стали для толстолистового проката ответственного назначения. Впервые в Украине в 350т конвертерах разработана рациональная комплексная технология получения особо чистой стали на основе использования в шихте метал-лизованных окатышей, специальных приемов шлакообразования. Установлены основные термодинамические и кинетические особенности десульфурации стали жидкими синтетическими шлаками и кусковыми твердыми шлакообразующими смесями (ТШС) при выпуске ее в большегрузные 350-тонные сталеразливочные ковши , а также на установках доводки металла в ковше.

Отработаны оптимальные режимы термодеформационной обработки низколегированных сталей.обеспечивающие структуру металла, которые в сочетании с высокой степенью рафинирования обеспечивают уникальный комплекс механических ( прочность,пластичность, низкотемпературная вязкость) и служебных (свариваемость, коррозионная и сероводородная стойкость , хладостойкость , изотропность) свойств толстолистового проката.

Практическая ценность.

Разработана рациональная технология десульфурации чугуна гранулированным магнием , обеспечивающая в зависимости от расхода магния конечное содержание серы на уровне 0,002-0,005% и высокую степень усвоения магния-75-90%.Установлено,что наиболее целесообразно проводить десульфурацию чугуна магнием в заливочных ковшах непосредственно перед его заливкой в конвертер , а в качестве газа - носителя применять природный газ. В 350-тонных конвертерах получен металл с особо низким содержанием азота,фосфора, серы и примесей цветных металлов без использования методов ковшевой обработки стали.Разработана и освоена рациональная комбинированная технология десульфурации стали в сталеразливочных ковшах с муллито-корундовой и периклазо-известковой (смолодоломитовой) футеровкой уменьшенным количеством жидкого синтетического шлака с добавлением ТШС, обеспечивающая степень десульфурации не менее 70-75%.Применение разработанной технологии обеспечило условия для производства сталей с содержанием серы не более 0,004%.

Опробована технология десульфурации стали порошкообразными смесями на основе извести и плавикового шпата, инжектируемыми в металл в струе аргона через погружную футерованную фурму на УДМ.При вдувании порошкообразной смеси в количестве до 4 кг/т достигнута степень десульфурации 70%,что позволяет при широком освоении этой технологии полностью отказаться от применения дефицитного и дорогого синтетического шлака.

Предложены меры повышения эффективности обессеривания стали при выпуске плавки из конвертера и при обработке на УДМ.Определены и внедрены оптимальные параметры продувки металла инертным газом на УДМ,обеспечивающие необходимое усреднение металла и шлака по составу и температуре перед разливкой.

Разработаны оптимальные режимы термодеформационной обработки металла для листового проката толщиной 14-18 мм из низколегированных сталей различного назначения,которые в сочетании с высокой чистотой стали

5

обеспечивают уникальную хладостойкость и трещиностойкость стали при высоких показателях ее прочности.

Реализация результатов работы.

Предложенные на основе • теоретических и экспериментальных исследований научно-технические решения обеспечили условия для разработки и освоения в промышленных условиях новых марок стали ответственного назначения , расширения сфер применения сталей массового назначения с новым комплексом механических и эксплуатационных свойств , увеличения объема производства качественных и особо качественных сталей в конвертерном и толстолистовом цехах комбината "Азовсталь",экономию материалов и металла.В результате промышленного внедрения результатов исследований получен экономический эффект за счет снижения себестоимости металлопроката (в ценах 1990 г.) в размере 17,865 млн руб.

Апробация работы.

Материалы работы доложены и обсуждены на 7-й Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов (г.Днепропетровск, 1987г.),9-й Всесоюзной конференции по физико-химическим основам процессов производства стали (г.Москва, 1989г.), Международной конференции "X.MEZINARODNI HUTNIKA KÓNFERENCE" (Trinec , Rigen , 1989г.), 11-й Всесоюзной конференции по проблемам слитка(г.Волгоград, 1990г), 10-й Всесоюзной конференции по физико-химическим основам металлургических процессов (г.Москва,1991г.), Всесоюзном совещании "Качество толстолистового проката (штрипса) из новых низколегированных сталей и труб для магистральных газопроводов" (г.Мариуполь,1989г.), 5-й Всесоюзной конференции " Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов" (г.Мариуполь, 1991 г.), 10-й Всесоюзной конференции по физико-химическим основам

в

металлургических процессов (г.Москва, 1991г.),2-й Всесоюзной научно-технической конференции с участием иностранных специалистов "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" {г.Волгоград,1991г.),Всесоюзной конференции "Внепечная обработка металлов" (г.Киев,1991г.), 1-м конгрессе сталеплавильщиков (г.Москва, 1992г.).

Публикации.

По материалам исследований опубликовано 38 работ, получено 14 авторских свидетельств, 14 положительных решений по заявкам на изобретения, 1 патент Российской Федерации.

Экспериментальные и теоретические исследования, вошедшие в диссертацию,выполнены автором совместно с сотрудниками комбината "Азовсталь", Государственной металлургической Академии Украины , ИЧМ HAH Украины, МИСиС.ЦНИИЧМ и других организаций при активном участии автора или под его руководством.Основные идеи работы.методики их проведения принадлежат автору.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения,5 глав и выводов, содержит 60 стр. машинописного текста, 2 таблицы, 15 рисунков, список литературы из 38 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЧУГУНА ГРАНУЛИРОВАННЫМ

МАГНИЕМ.

На мировом и отечественном рынке наблюдается непрерывное увеличение спроса на низкосернистую высококачественную сталь.В настоящее время освоено промышленное производство сталей с содержанием серы ^менее 0,004%, а к 2000 году прогнозируется снижение ее

содержания в стали промышленной выплавки до 0,001% и менее.Это ставит перед металлургами задачу по максимальному уменьшению содержания серы на всех стадиях производствами подготовке шихтовых материалов для конвертерной плавки,продувке металла в конвертерах и обработке в сталеразливочных ковшах.

Одним из наиболее рациональных и экономичных методов получения металлопродукции с заданным содержанием серы является внепечная десульфурация чугуна инжектированием в расплав диспергированных реагентов.В качестве десульфуратора наибольшее распространение с 70-х гг. в отечественной практике,а с 80-х гг. и за рубежом получил магний, обеспечивающий высокую степень десульфурации. Однако высокая цена магния, значительные энергозатраты и капиталоемкость его производства требуют повышения эффективности и экономичности его использования.В настоящей работе проведен теоретический анализ процессов десульфурации чугуна магнием, определены факторы, определяющие эффективность его применения [3], в промышленных условиях отработана и внедрена технология производства низкосернистых чугунов для конвертерной плавки [4,5,6].

1.1.ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА ДЕСУЛЬФУРАЦИИ.

Механизм десульфурации чугуна магнием описывается реакциями:

{Мд}газ=[Мд] /1.1/

[Мд] + [в] = Мдв /1.2/

Константа равновесия реакции /1.2/:

/1.3/

/1.4а/ /1.46/

ам85 _ а м8;_

может быть определена по уравнениям ДС°=-300004 +117,19ТДж /моль 1пК= 36101/Т - 14,10 где

а - активность компонента;

f - коэффициент активности;

Т - температура расплава ,К;

[%S] и [%Мд] - соответственно , концентрации серы и магния в металле.

Ряд авторов считает , что MgS выделяется преимущественно в твердом виде,его активность равна единице и конечное содержание серы в чугуне { после его обработки ),в связи с энергичным перемешиванием последнего газами .определяется равновесием реакции /1.2/ и конечной концентрацией магния в металле,т.е.

[%S] * [%Mg] = const /1.5/

Для проверки этого сопоставили экспериментальные значения концентраций магния и серы в чугуне по данным производственных исследований (рис. 1.1) с расчетными значениями по константе равновесия реакции /1.2/ при одинаковой температуре (1350 "С).В расчетах учитывали влияние концентраций углерода и кремния в чугуне. Видно.что антибатная зависимость содержания серы от конечной концентрации магния,вытекающая из уравнения /1.3/,в целом соблюдается.Однако действительные значения концентраций компонентов выше расчетных равновесных,причем при увеличении содержания серы в металле отклонение от равновесия заметно увеличивается.

С термодинамических позиций установленный факт можно объяснить тем, что при уменьшении содержания серы в металле соответственно снижаются средняя активность и концентрация MgS в продуктах реакции /1.2/. Это может иметь место в том случае,если реакция /1.2/ протекает не только на твердых частицах (Мдв)тв,но и на поверхности оксидных неметаллических включений в чугуне и частицах-продуктах дробления покровного шлака при- интенсивном перемешивании расплава газами.

Второй возможной причиной установленной зависимости являются кинетические особенности процесса десульфурации. Неравновесность рассматриваемой системы подтверждается рис.1.2,иллюстрирующим зависимость произведения [%Mg]*[%S] от температуры чугуна.Видно, что

МАССОВАЯ ДОЛЯ СЕРЫ ■ ЧУГУНЕ, %

РИС.1.1. ЗАВИСИМОСТЬ СОДЕРМНИа СЕРН В ЧЫГМНЕ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ МАГНИЕМ ОТ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ В МЕТАЛЛЕ ПРИ ТЕИПЕРАТЫРЕ «330°С 1

1 - равновесные значения

2 - экспериментальные значения

степень отклонения от равновесия уменьшается с ростом температуры металла и снижением его вязкости .всегда способствующих ускорению массообменных процессов. Это влияние несомненно кинетическое.

При снижении содержания магния и серы в металле затрудняется массоперенос компонентов через пограничный слой на поверхности шлакосульфидных частиц, удельная интенсивность которого определяется уравнением:

■5Г 15

Ю

2 Г

—— 1

■"' 1

КБО 1Б80 1Б00 1520 1540 1ББ0 1Б30

ТЕМПЕРАТУРА ,'К

1200 1320 1340 13Е0 1380 1400 __ТЕМПЕРАТУРА,"С __

ннс.1.2. зависимость произведения 1и8ы51 от те*пе-

рйтнрн чагынй:

✓ - равновесные. 2~ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНА янаиринч-

у^=рд[Х>^-Д[Х]/1.6/ здесь:

В - коэффициент массопереноса; ДГХ] - разность концентраций компонента X; Ьх - коэффициент атомарной диффузии компонента; 8 - толщина пограничного слоя.

Для определения лимитирующего звена проце-сса в рассматриваемом случае можно использовать уравнение

11

Давенпорта:

У = Урц- ^ Рш [Ме] У[5]тах V °и ' и /1.7/

где [Мд] и [в] - концентрации соответствующих элементов в чугуне в рассматриваемый период десульфурации.

В связи с отсутствием точных данных о коэффициенте диффузии магния в чугуне для определения соотношения °[Мд]/0гЗ] воспользовались приближенным уравнением Стокса-Эйнштейна

/1-8/

где:

г- радиус частиц растворенного вещества;

ц- вязкость жидкости.

По литературным данным гМд= 1,6 Д; г5=1,04а. При содержаниях серы в чугуне 0,02-0,06% концентрация магния составляет обычно 0,004 - 0,007%.Подставляя эти данные в уравнение /1.7/,находим У~0,1-0,З.Таким образом, в области рассматриваемых повышенных содержаний серы процесс десульфурации тормозится массопереносом магния.

В практике по мере снижения концентрации серы в чугуне должна происходить смена лимитирующего процесс звена.Однако нужно учитывать, что магний.вводимый в металл,расходуется не только на удаление серы,но и на накопление его в металле.Причем при уменьшении [в] доля накапливаемого магния,в соответствии с термодинамикой реакции /1.2/, прогрессивно растет,что уменьшает общий массопоток магния и серы в зону реакции /1.2/. Это увеличивает область лимитирования рассматриваемого процесса диффузией магния.

1.2 УСВОЕНИЕ МАГНИЯ

Очень важен вопрос о степени полезного усвоения магния /°^[Мд] / в Расчетах этой величины при известное расходе гранулированного магния учитывали содержание чистого

12

магния в нем,а также взаимодействие магния с серой чугуна (количество удаленной серы) и содержание магния в чугуне ДМд]кон/. Установили,что в условиях исследований величина усвоения магния чугуном при обработке чугуна в чугуновозных ковшах емкостью 140 т и использовании в качестве газа-носителя природного газа ( СН 4),изменялась в пределах 50-90%. Это говорит о том.что магний далеко не всегда усваивается достаточно полно и что повышению степени его усвоения,особенно полезного (т.е. на удаление серы) , следует уделять значительное внимание.

Для установления закономерностей рассматриваемого процесса важен вопрос о том, что мешает усвоению паров магния металлом,каковы лимитирующие звенья процесса.В общем случае такими звеньями могут быть: диффузия частиц магния в газовой фазе пузырей к поверхности последних и массоперенос растворившегося магния в металле через поверхностный пограничный слой пузырей.

При продувке чугуна та часть магния которая не успела испариться и вносится в металл в виде капель или твердых частиц, превращается в пузыри паров магния.В этом случае диффузия в газовой фазе не должна влиять на динамику его растворения в чугуне.Пузыри при этом будут просто уменьшаться в объеме.Испарившийся магний поступает в металл в виде пузырей,содержащих помимо магния и газ-носитель.При обычном расходе природного газа на 1 кг магния - 0,083 - 0,1 м3 пузыри второго вида'имеют весовую концентрацию паров магния около 93-94%.Здесь возможно развитие диффузии внутри пузыря.

Расчеты с применением уравнения /1.6/ и использованием данных по скорости диффузии в газах, скорости диффузии магния в пограничном слое пузыря при температуре чугуна 1300-1400 "С,растворимости магния в чугуне (рис.1.3), его вероятном коэффициенте диффузии и толщине пограничного слоя пузырей около 10"3 см,показали ,что основным лимитирующим звеном процесса растворения магния является массоперенос его в металле.Главной причиной этого является то,что коэффициент массопереноса в газах в тысячу раз больше,чем в жидкостях.

Из рис. 1.2 видно,что с повышением температуры чугуна произведение [%в]*[%Мд] увеличивается,т.е. с ростом

1,0 0,8 0,8 0,7 0.1 0.5 0,4 0,3 0.2 0,1

1

V—

Р-0,241 МЛа Р-0,17МЛа РЧШШа

(473 <573 1673

ТЕМПЕРАТаРА.'К

1773

рис. 1.3. зввкстгость растворимости кагния от теш1ерйт9рн чиганп.

температуры десульфурация ухудшается , что увеличивает расход магния. Зависимость , приведенная на рис. 1.2, несомненно связана с термодинамикой реакции /1.2/, ее экзотермичностью,обуславливающей уменьшение константы равновесия К и сдвиг реакции /1.2/ влево с ростом температуры.

Рис. 1.4 иллюстрирует влияние температуры чугуна в условиях исследований на степень полезного усвоения магния при использовании в качестве газа-носителя природного газа. Данная зависимость объясняется тем, что, во-первых, пропорционально повышению температуры

10

70

2 60

50

40

1

»00

1320

1340

ТЕМПЕРАТУРА

1350

чугуна/С

1383

иао

рис. 1.4.

зйвисииость степени полезного усвоения »йгниа ^¿мг! от текперйтнрн чыгана.

чугуна происходит увеличение объема пузырей и "соответственно скорость их всплывания. Снижается растворимость магния в металле (рис. 1.3) , что уменьшает Д[Мд] и его усвоение.

Кроме того , в рассматриваемом случае растет упругость пара магния, что способствует образованию крупных пузырей на более низких горизонтах металла.В комплексе со снижением вязкости металла это приводит к ускорению его циркуляции,всплыванию пузырей, более раннему их выходу на поверхность чугуна.Последнее также снижает усвоение магния.

« 0.75

€

fl.SH.,

ШС. 1.5. ЗАВИСИМОСТЬ ЧГВПЕНИЗ МАГНИЯ (В

ЕДИНйЦйХ1 ОТ ТИПА ГЛЭб-НОСМТЕЛЯ (В -ВОЗДУХ, я- ЛЗСТ , ЛГ - ЛРИРОДНЫИ ГЙЗ).

Сравнение показывает.что влияние первого и второго факторов примерно равноценно. Вышеизложенное указывает на желательность снижения температуры в зоне усвоения магния. При использовании в качестве газа-носителя природного газа происходит диссоциация метана, снижающая температуру зоны усвоения магния до 1200 'С , создается защитная восстановительная атмосфера над поверхностью расплава в ковше , что блокирует поступление кислорода из атмосферы в металл.

Анализ рис.1.2 и 1.4 свидетельствует о том, что влияние температуры чугуна на расход магния по линии термоди-

намики ре.акции /1.2/ больше, чем по линии условий /кинетики/ усвоения магния.

Подтверждено, что тип газа - носителя влияет на степень усвоения магния ( рис.1.5 ).Выше отмечались положительные стороны применения природного газа. При замене природного газа азотом или воздухом величина /(Длд / уменьшается.Это связано с рядом причин:увеличением расхода магния на взаимодействие с кислородом и частично азотом газа-носителя; повышением температуры пузырей по этой причине и соответственно упругости пара магния;тормозящим влиянием окисных пленок на пузырях.Степень усвоения магния в случаях использования в качестве газа - носителя азота и воздуха примерно одинакова.При объяснении этого факта следует учитывать.что при инжектировании магния азотом доля реагента.расходуемого на взаимодействие с азотом, больше по сравнению с инжектированием воздухом.Однако в дальнейшем нитриды магния частично реагируют в металле с серой,что также влияет на о4/1д •

В расчетах приняли,что весь кислород газа-носителя взаимодействует с магнием , а природный газ диссоциирует.При рассмотрении возможности взаимодействия азота с магнием в пузырях учитывали термодинамику реакции:

3{Мд} + {М 2} = Мд3 Ы2 /1.9/

Расчеты показали,что на глубине расположения пузырей в металле 1 - 2м (140-тонные чугуновозные ковши) и парциальном давлении магния в пределах 1,7-2,4 атм (0,17-0,24Мпа) реакция /1.9/ может протекать лишь при температуре ниже 1370-1400 'С. При обычной средней температуре чугуна около 1350 'С начало реакции /1.9/ термодинамически возможно. Однако в результате повышения температуры газов в пузырях (в связи с взаимодействием магния с кислородом и азотом) и всплывания пузырей ( изменение парциального давления магния) реакция /1.9/ затухает и протекает в дальнейшем с интенсивностью, зависящей от внешнего теплоотвода.

В связи с этим предположил и, что степень расходования

3.5

рис. влияние глицина тахш "ннпшя в металл ла ^трпгнк его асввЕ4Шйв^*в.

азота на взаимодействие с магнием в случае использования воздуха существенно меньше, чем при использовании азота.Необходимо отметить.что внешний теплоотвод значительно снижает (в случае использования природного газа - повышает) температуру газов в пузыре,особенно на его периферии.Анализ показал,что температурный фактор наиболее сильно влияет на <4/|д.

Рис. 1.6 иллюстрирует влияние глубины ввода магния в металл на степень усвоения магния.Оно весьма существенно и связано с увеличением пути движения пузырей магния в металле,парциального давления пара магния в них и соответственно растворимости его в металле.С увеличением глубины ввода паров магния в расплав условия для более

полного насыщения чугуна магнием улучшаются (закон Генри).Таким образом, обработка расплава при более низкой температуре, дополнительное снижение температуры в локальной зоне ввода магния,а также ввод паров магния на максимально возможную глубину являются факторами,в значительной степени определяющими показатели усвоения магния расплавом [4].

В отечественной практике технологический процесс десульфурации чугуна магнием наиболее широко применяется на комбинате "Азовсталь"[4,5,6]. В отделении десульфурации чугун обрабатывают в открытых чугуновозных ковшах гранулированным магнием, транспортируемым природным газом через фурмы с испарительными камерами.Магний вводится на глубину 200мм от дна ковша (около 2 м) с массовой скоростью 6-10 кг/мин при расходе природного газа 30-50 м3 /ч.Характеризуемая технология обеспечивает степень усвоения магния чугуном 75-90%.Остаточное содержание серы в зависимости от ее исходного содержания в чугуне и расхода магния составляет 0,002- 0,015%.

Эффективность процесса может быть значительно повышена при проведении десульфурации чугуна не в доменных,а в заливочных ковшах сталеплавильных цехов.В этом случае обработке будет подвергаться чугун .имеющий минимально возможную температуру,а это повысит степень усвоения магния.Становится возможным увеличить массу обрабатываемого чугуна в 3-4 раза при значительно большей глубине жидкой ванны и меньшей удельной поверхности контакта чугуна с ковшевым шлаком.Достижение более полной ассимиляции паров магния чугуном дает возможность дополнительно повысить технологичность ввода магния и увеличить налив ковшей до уровня, близкого к номинальному.Наличие в заливочных ковшах меньшего количества шлака по сравнению с доменными ковшами улучшит шлвковый режим и упростит решение вопросов корректировки состава ковшовых шлаков для повышения их сульфидной емкости до требуемого уровня.Преимуществом обработки чугуна в заливочных ковшах является также устранение дополнительных переливов обессеренного чугуна,при которых возможны его частичная ресульфурация

и снижение содержания остаточного магния, являющегося барьером для ресульфурации.

Экспериментальную проверку изложенных положений провели на опытной установке конвертерного цеха комбината "Азовсталь" [5].Десульфурацию чугуна проводили в 350-тонных заливочных ковшах путем вдувания гранулированного магния в струе аргона с использованием фурмы с колоколом , погружаемой на глубину до. 3,5 м.Вес чугуна перед обработкой составлял около 280 т,толщина шлака 40мм, уровень расплава до среза ковша 400 мм, температура чугуна колебалась в пределах 1315-1320 "С.Для экспериментов использовали чугун из миксера конвертерного цеха.При общем расходе магния 0,143 кг/т чугуна(0,13 кг/т активного магния) содержание серы снизилось с 0,012 до 0,002%.Степень десульфурации составила 83,3 %, а расход активного магния на единицу удаленной серы составил 1,3 кг/кг. Проведенное опробование технологии десульфурации чугуна в заливочных ковшах подтвердило предположения о более высокой ее эффективности по сравнению с обработкой в чугуновозных ковшах.Степень усвоения магния увеличивается примерно в 1,4 раза,удельный расход реагента и потери тепла снижаются в 1,2-1,5 раза.Отработанные ранее параметры продувки позволили вести процесс спокойно.без выбросов. При этом значительно снизилось дымовыделение.

Изложенные организационные и технологические преимущества десульфурации чугуна в заливочных ковшах сталеплавильных цехов дают основание рекомендовать при проектировании новых и реконструкции действующих конвертерных цехов оснащать их установками внепечной десульфурации гранулированным магнием в заливочных ковшах.

2.РАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДУВКИ ЧУГУНА В КОНВЕРТЕРАХ.

В процессе конвертерной плавки определяющей является реакция окисления углерода,ход которой влияет на гидродинамику ванны,массоперенос и шлакообразование,а также технико-экономические показатели производства.

В крупнотоннажных конвертерах Новолипецкого металлургического комбината изучали динамику окисления углерода во втором периоде продувки с целью предотвращения значительных колебаний Ус .стабилизации массопереноса и улучшения шлакообразования [7]. Исследование динамических характеристик обезуглероживания проводили методом наложения периодических испытательных воздействий типа "прямоугольная волна" с помощью автоматического программного регулятора [7,8,9 ].Ход плавок представлен на рис. 2.1.

______________Т, мин

икс. 2.1. изменение расхода кислорода vife и скорости окислен из углеродй vc по ходу продувки.

Видна четкая зависимость между изменениями расхода кислорода и колебаниями скорости окисления углерода /Vc/.

21

Изменение расхода кислорода (15-20% от первоначального) соответствует средней амплитуде изменений Мс при постоянном расходе кислорода. Применение данного режима продувки обусловило улучшение шлакообразования, спокойный ход плавки , некоторое снижение окисленности металла и шлака,повышение выхода годного на 0,2-0,3% и стойкости футеровки на 7-9%.Новая технология внедрена на

О.ОБ 0.115

в.оз

ОД12 О.О!

£3} 1 пи*.- 1.2« 0 rui.-e.eea ГШ. - 0 ,571 1 -151* «-о.! 1 МЮ! 1 Г-а.543 10401 Г-0*603

а

. - ...---------

о.ш о.ог а, аз о.а4

МАССОВАЯ ДОЛЯ А НиГННЕт %

РИС. 2.2.

зависимость содержания серы в металле после продувки v цинии'и.УЕ иг содержпшы серы в чигинЕ:

И - ЦОКМПИОЯ ЯП*.

« — овороти» яам. • - низкосдрнвгтоа осрезь.

нлмк.

При выплавке ответственных низкосернистых марок стали очень важен состав металлошихты.На комбинате "Азовсталь" используют покупной лом с содержанием серы до 0,07%, оборотную прокатную обрезь с содержанием до 0,03% серы и низкосернистую обрезь с содержанием серы менее 0,006%.В цехе организовано раздельное складирование лома, что обеспечивает его наиболее эффективное использование.На рис.2.2.представлены зависимости изменения содержания серы в металле после продувки от ее

концентрации в чугуне и вида применяемого лома [1].Для выплавки ответственных марок стали покупной лом, как правило, не применяется.Исследования показали, что степень десульфурации металла в 350-тонных конвертерах зависит от суммарного поступления серы из всех источников и в среднем не превышает 15-25%.Поэтому основная десульфурация обеспечивается ковшевой обработкой.

В 350-т конвертерах комбината "Азовсталь" разработана и внедрена комплексная технология выплавки высококачественных низкосернистых сталей ответственного назначения ( 09Г2БТ, 10Г2БТ, 08Г2ФБТ и др.) класса прочности К-56 - К-65 повышенной хладостойкости. Особенностями технологии являются: использование чугуна с содержанием серы 0,010-0,015%, низкосернистой оборотной обрези, применение кислорода с содержанием азота не более 0,1%, концентрация углерода в металле перед выпуском из конвертера не менее 0,05%, эффективная отсечка конвертерного шлака и другие обязательные элементы [1,2,10,].

Разработана комплексная технология получения в 350-т конвертерах особо чистой первородной стали с содержаниями в продутом металле фосфора 0,003-0,005%, азота 0,002-0,003%, серы до 0,003%, практически без примесей цветных металлов,без использования методов ковшевой десульфурации,что позволяет экономить остро дефицитный и дорогой жидкий синтетический шлак [6,11 ].Особенностями технологии являются: глубокая десульфурация чугуна (до 0,002% серы),использование в качестве охладителя металлизованных окатышей (содержание железа около 90%) Оскольского электрометаллургического комбината,специальный режим положения фурмы и присадок извести (20-40% до начала продувки),двухшлаковый процесс.что обеспечило улучшение шлакообразования,устранение сворачивания шлака и выноса.снижение содержания фосфора в продутом металле.

Изучили поведение фосфора при выплавке рядовых и качественных сталей в 350-т конвертерах.Установили , что для снижения содержания [Р] в готовом металле необходимо обеспечивать:интенсификацию шлакообразования и дефосфорации в начале продувки с последующим сливом

первичного шлака на 4-5 минуте от начала продувки,а также для предотвращения рефосфорации - слив большей части конечного шлака при ожидании анализа, загущение оставшейся его части в конвертере и в ковше перед окончанием слива известью или известняком,надежную отсечку конвертерного шлака в процессе выпуска плавки [11]. Такую технологию применяют при выплавке стали особо ответственного назначения.

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ.

3.1.ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ ПРИ ВЫПУСКЕ ПЛАВКИ ИЗ КОНВЕРТЕРА И ПУТИ ЕЕ УЛУЧШЕНИЯ.

Для получения низкосернистого металла в настоящее время широко применяются различные методы внепечной металлургии, основанные на перераспределении серы между металлом и чистым по сере рафинировочным шлаком.Особое место среди них занимают способы, которыми предусмотрено наведение в ковше во время выпуска плавки активного покровного шлака путем ввода в ковш жидкого синтетического шлака (СШ) и твердых шлакообразующих смесей (ТШС).

Процессом рафинирования расплава за счет активных шлаковых смесей можно управлять, а следовательно,и прогнозировать результат обработки .только при наличии модели, учитывающей влияние основных технологических факторов на результат процесса.Наиболее удобным для описания процесса является коэффициент распределения серы между металлом и шлаком,широко используемый на практике.Так как процесс является по существу одношлаковым,несмотря на то, что рафинирование в ковше идет как во время выпуска металла из агрегата, так и при обработке плавки на УДМ ( установка доводки металла в ковше ),для него справедливо соотношение:

[8]к,[3]о - конечное и начальное содержание серы в металле;

и - фактический коэффициент распределения серы, достигаемый в результате рафинирования расплава;

у- отношение массы шлака к массе металла.

Естественно предположить, что скорость изменения I. во время обработки расплава на УДМ будет описываться соотношением:

- ^ = К • (Ьт - Ь ) /3.2/

где к - коэффициент, зависящий от технологии обработки плавки на УДМ;

!_т - теоретический (равновесный) коэффициент распределения серы,достигаемый в данных условиях, т.е.при данном составе металла,шлака и температуре;

I- время обработки. Допуская С постоянным,т.е. постулируя постоянство состава,получаем:

Ь«=ЬТ- (1 - е~й) + Ьо • е-* /з.з/

Предполагая,что во время выпуска металла из конвертера изменение I. описывается аналогичным уравнением скорости,окончательно получаем

Ц= Ьт • (1 - е"тт"|с1) /3.4/

где

т - коэффициент , зависящий от технологии обработки плавки в ковше во время выпуска;

т- время выпуска.

Величину ьТ рассчитывали через величину сульфидной емкости шлака Сэ, т.е. параметр,зависящий только от температуры и состава шлака и не зависящий от окисленности металла.Связь между Сэ и 1.Т описывается выражением

1ЕЬТ= 1ёС5 + - 1ёа0 - + 1277 /з.5/

коэффициент активности серы в расплаве; а0- активность кислорода в расплаве; Т - температура, К.

Активность кислорода можно либо измерить непосредственно, либо определить расчетным путем. Предполагая, что она контролируется реакцией окисления алюминия,можно записать

——- - 5,6 +1ёС5 - /312аА,20з+

/3.6/

где

а А|- активность алюминия в металлическом расплаве;

аА|„0 - активность А12 О3 в шлаковом расплаве.

2 3

Величину а А| рассчитывали по методу Вагнера,а аА) 0з по методу А.Г.Пономаренко.Для определения Се опробовали различные методики: 1- определение по уже полученным и обобщенным в виде таблиц и графиков экспериментальным данным ; 2 - определение по имеющимся эмпирическим зависимостям; 3 - по методу А.В.Куклева; 4 - через оптическую основность по методике И.Д.Сомервиля. ( Остановились на последней, как наиболее обеспеченной расчетными параметрами и прошедшей серьезную проверку в лабораторных и промышленных условиях.

Эксперименты проводили в кислородно-конвертерном цехе комбината "Азовсталь" при выплавке металла с пониженным содержанием серы [13,1//,15].Сталь выплавляли в 350-тонных конвертерах по действующим технологическим инструкциям.Во время выпуска металла в ковш вводили все ферросплавы, наводили активный шлак присадками СШ в количестве 14 - 34 кг/т или ТШС, состоящий из свежеобожженной извести и плавикового шпата в количестве 2,8-8,6 кг/т и 0,5-1,0 кг/т соответственно.На отдельных плавках шлак формировали комбинированным способом за счет применения СШ в количестве 11-14 кг/т и ТШС в прежнем количесТве.Температура металла перед выпуском

40

«в

40

so

рис. 3.1.

зависимость каэкоициентя распределения серы..

ДОСТНГЙЕМОМОГО В ПРОЦЕССЕ ВЫПУСКА ОТ СОДЕРЖАНИЯ <СаО> В ШЛАКЕ.

т - тес

А - CI

а. - св+твс.

из конвертера колебалась от 1650 до 1710 *С, продолжительность выпуска от 4,3 до 11 мин. На УДМ металл продували аргоном через погружаемую фурму с внутренним диаметром 34-38мм.Интенсивность продувки изменялась в пределах 30-100 нм3 /час,продолжительность от 4 до 20 мин.Перед началом и после окончания продувки измеряли толщину слоя шлака в ковше.Во время продувки через каждую минуту отбирали пробы металла и шлака, измеряли температуру металла, которая колебалась от 1550 до 1605 *С. Контролировали параметры продувки: интенсивность подачи газа, глубину погружения и расположение фурмы.

о ■У! о

• я •

О « ш га Ж о то о

« л 4*1 7. и я— — —

/

■■ ' * "

ЯГ

15

20

25

за

5«. '¿Ш*

рис. 3.2. сравнение. >вктическогд А ялсчетноп) СШРЯШШ ш>Л щель обработки шш 1ш УДК: О- ТШС О - £Е» А-€Ш:

Предварительно изучили скорость перемешивания металла и шлака и в обработку включали только результаты анализа проб, отобранных из полностью усредненных фаз,т.е.характеризующих состав всего металла и шлака.

Для определения влияния каждого этапа обработки (десульфурация в процессе выпуска из конвертера и на УДМ) на суммарный результат реакции десульфурации рассчитали

5

величину фактического коэффициента распределения в системе шлак-металл, достигаемого в результате выпуска

1_|ып, предполагая , что металл по содержанию серы сразу

после окончания выпуска однороден, и пренебрегая выделением серы в газовую фазу.На рис 3.1 показана

зависимость ЬзЫП от содержания СаО в ковшевом шлаке

перед началом обработки наУДМ. Видно, что эффективность процесса десульфурации возрастает по мере увеличения содержания СаО, причем данные для всех плавок, в т.ч. и для плавок без использования шлакообразующих смесей,

подчиняются одной закономерности. Особенно сильно Ь^17

возрастает при содержании СаО выше 45%.

На рис.3.2.показана связь между фактическим содержанием серы в металле в конце обработки на УДМ и рассчитанным по уравнению /3.4/.Коэффициент корреляции составил 0,82 , что позволяет сделать вывод о надежности прогноза по разработанной модели.Следует отметить,что наименьшее расхождение получено в случае применения модели для анализа плавок.обработанных СШ,а наибольшее - при описании плавок с обработкой ТШС. Это связано,по-видимому,с нестабильностью процессов плавления ТШС и формирования жидкоподвижного шлакового расплава в ковше при выпуске.

Известно, что эффективность десульфурации в значительной степени определяется уровнем окислительного потенциала системы шлак-металл в процессе обработки. На практике минимальный уровень окисленности может быть обеспечен за счет исключения передува металла в конвертере, тщательной отсечки конвертерного шлака, оптимального режима раскисления стали алюминием и основной футеровки сталеразливочных ковшей. В связи с тем,что в настоящее время отсутствуют методы механизированной отсечки шлака, полностью исключить попадание конвертерного шлака в ковш не удается. Это приводит к снижению эффективности десульфурации. Согласно [1] повышение (РеО) в шлаке после окончания продувки в конвертере с 15 до 25% приводит к снижению степени десульфурации при обработке в ковше на 20-25%,а

29

замена муллито - корундовой футеровки сталеразливочных

80

е-« 80

4-

а- Г-0,681

5 - ^--2,8(ГеО)+120,8; Г-0,7 3В

40

15 20 25 30

МАССОВАЯ ДОЛЯ ЗАККСК ЖЕЛЕЗА В ШЛАКЕ,

рнс.з.з. зависимость степени десульмраши стали в

ковае при применении с«, тас. и 51с« от окис-

леиности конвертерного шлака и типа •9тер0в-ки стадераэливочного к081а.

а - наллито-корундовяя «ытеровка

б - смолодолоиитовая «ытеровкй

ковшей на периклазо-известковую ( смолодоломитовую) повышает степень десульфурации на 8-12% (рис.3.3). Отношение фактического коэффициента распределения

серы Ь® к расчетному в зависимости от продолжительности

продувки расплава газом показало,что продолжительность продувки на УДМ не оказывает заметного влияния на степень приближения системы металл-шлак к равновесию.Степень

н

«о

40

2»

• Д

о

н

д л

О ПЛАВКИ ВСЗ ШЛАКОВ

тше д сш

4 Ш ♦ТШС

• о

о

о

СзЧтшл

РИС. 3.4. ИЛХЗНИГ ТОТГНЗБПГДИШГ тСгз»Тк ИЙ СНШКЙРЙЗИ СТЕПЕНЬ ДЕСНЛМНРПЦИИ

о

использования рафинирующей способности , т.е.степень приближения Ь® к Ц в целом невелика и составляет для

плавок с СШ10-12 %,а для плавок с ТШС-6,5% [14,15]. Причем на плавках,обработанных ТШС, как отмечалось ранее,дисперсия заметно выше.

На рис.3.4 показана зависимость суммарной степени десульфурации в ковше от произведения С5*И ,где Се -

Таблица 3.1.

Динамика изменения содержания серы при выплавке трубных сталей на разных стадиях производства.

Жарка стала; 1в-«»*- ва» : ЮГ. ; •\ - Растя хкик-ПРП90ЛГ71 Квссовм яиа еда д ■шгга»м.Х*М ДЬвЮЧ! \\\Л

.«Г тес ИЦ пи: сти» * &

» (2 53 я

«Г«* МГЯВ ЮГ28Т «7ГМ» «в я"1-: И.6 31.3 4в.З и 1,1 я.* 1.И 1.4* 1.М мл 14Д I5.fi lZ.fi 1М ш ил 12.7 8.3 4Д *Д и : 4.3 7Д 5.7 и м «.4 3.5 ад 53.3 *М 33.3 яд МД м.1 Н.1 83.4 «Д ИД 72.4

<■ д И в штадда ш^эд -иидвюя татав-агрт«ра, тартд фдояпшга ти ДОлвет -удядамвш ш 'Ш.юмэ «ом-чэд&дедо* шим «дра^в д-отвчт гмш Хм ними -вуоб«* »пиами; т: $9 -Я и-» --«Ш.^З, ^-*-«1» 5» и $9

сульфидная емкость ковшевого шлака, И - толщина слоя шлака в ковше перед началом обработки на УДМ.Величина Се является интенсивным свойством шлакового расплава, зависящим только от параметров системы - температуры и состава, в то время как Сэ^И является экстенсивным свойством и характеризует возможность шлака поглощать серу из металла.Видно, что при существующей схеме обработки степень десульфурации не превышает 80%,

32

причем особенно быстро она возрастает при Сз*И > 1 ,а при значениях больше 1,5 стабилизируется на уровне около 75%.Регулировать величину можно как за счет

изменения массы шлака, так и его сульфидной емкости.

С учетом выводов,сформулированных выше,в конвертерном цехе комбината " Азовсталь " отработана и внедрена экономичная комбинированная технология глубокой десульфурации стали в ковше жидким СШ в количестве 25-32 кг/т и ТШС - 5-6 кг/т. Покровные ковшевые шлаки, сформированные таким способом, имеют содержание СаО после выпуска плавки из конвертера на уровне 47-52%, а средняя степень десульфурации составляет около 70 %.В табл.3.1 приведены обобщенные данные о динамике изменения содержания серы в металле ( средние значения по объему выборки ) при реализации этой технологии в ковшах с муллито - корундовой футеровкой [1].

3.2.ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ МЕТАЛЛА НА УДМ.

Данные табл.3.1 подтверждают, что непосредственно в процессе обработки стали на УДМ , в том числе при обработке стали силикокальцием, дополнительная десульфурация происходит незначительно.Это связано с недостаточной интенсивностью перемешивания металла и шлака. При выдержке металла в ковше после обработки и в процессе разливки наблюдается некоторое дополнительное снижение серы в металле, что очевидно связано с всплыванием сульфидных включений.

Проведенные нами исследования показали , что заметная дополнительная десульфурация металла непосредственно при обработке порошкообразным силикокальцием в количестве 1,5-2,0 кг/т,вдуваемым в струе аргона через - погружную футерованную фурму, обеспечивается только при условии получения перед обработкой содержания закиси железа в ковшевом шлаке не более 0,8% и алюминия в металле не менее 0,035-0,040%.В этом случае дополнительное снижение содержания серы может достигать 0,001-0,003% , а общая степень десульфурации 70-80%.Эффективность применения силикокальция как

десульфуратора и модификатора возрастает при применении ковшей с основной футеровкой [1,23].

Важным преимуществом технологии модифицирования порошкообразным силикокальцием является улучшение разливаемости алюминийсодержащих сталей на МНЛЗ, проявляющееся в снижении затягивания разливочных стаканов основного и промежуточного ковшей.Исследования показали, что склонность к затягиванию стаканов в значительной степени определяется соотношением жидких и твердых включений в расплаве.Установлено, что для хорошей разливаемости содержание кальция и алюминия должно удовлетворять зависимости [Са]>0,1 [А1], обеспечивающей образование алюминатов кальция эвтектического состава. Поэтому при производстве низкосернистых сталей, модифицированных кальцием, особенно важно производить тщательную защиту струи металла от вторичного окисления на всех этапах разливки.

Одно из наиболее эффективных и перспективных направлений внепечной десульфурации стали связано с использованием порошкообразных смесей на основе извести и плавикового шпата.

Ниже приведены результаты наших исследований (проведены совместно с доцентом Черевко В.П.) [16,1(7,18,10] и отработки технологии десульфурации стали в ковшах на УДМ конвертерного цеха комбината "Азовсталь" порошкообразной кристаллической известью и смесью ее с плавиковым шпатом (в соотношении 4:1),инжектируемыми в металл после обычной усреднительной продувки аргоном.Расходы порошкообразной извести или смеси на ее основе составили 0,38-3,57 кг/т металла,минутный расход 60 - 100 кг,транспортирующего газа 0,7-1,3 м3 /мин (40- 80 м3 /час). Содержание серы после усреднительной продувки металла аргоном-0,016- 0,022%. Металл раскислен алюминием с остаточным содержанием [А1] около 0,030%. Обрабатывали углеродистую сталь Зсп,низколегированную 10ХСНД, 17Г1 СУ;" Состав покровного шлака в ковше после усреднительной продувки в зависимости от источников его формирования характеризовался следующими концентрациями: СаО-40-49, МдО=3-Ю, А1 2°3= 8-32, 8Ю2 =7-12, Мп0=0^-3, РеО= 1,2-5%.

рис. з.з, зтиткость степени допоянытельнои десзльфурации

ОТ РАСХОДА ПОРОШКООБРАЗНЫХ ДЕСИЛЬ»9РАТОРаВ.

1 - при вдувании в мктплл порошкооЕРлзнаа известив и - при имектмровянии в истаял. гшиажкаоБЕдзноа

СМЕСИ СаО-гСвК«-

Порошкообразная активная известь,использованная как десульфуратор или компонент шлакообразующей смеси, получена по специальной технологии,разработанной Государственной металлургической Академией Украины.Ее отличительными особенностями являются высокая дисперсность частиц, мелкозернистая структура, устойчивость к гидратации. Состав извести следующий: СаО+МдО >90-92%,8Ю2<2-4%,п.п.п<2-4%, Показатели десульфурации металла при вдувании в ковш порошкообразной извести и ее смеси с молотым плавиковым шпатом (содержание СаР2 в смеси 18-20%) приведены на рис.3.5.

Как видно, результаты продувки металла порошкообразной известью или смесями на ее основе

весьма эффективны , что объясняется высокой реакционной способностью извести,частицы которой служат переносчиками серы от металла к шлаку , и ее воздействием на состав покровного шлака,степень использования его рафинировочных свойств.

Ранее показано, что перемешивание металла аргоном на УДМ в большегрузных ковшах не дает заметного дополнительного эффекта десульфурации стали, поэтому результаты обессеривания на УДМ получены возможно за счет непосредственного участия порошкообразной извести или смесей на ее основе в процессе обработки металла.

Для определения теоретического равновесного коэффициента распределения серы в системе покровный шлак - металл использовали ионную теорию и современную методику расчета 1Л* через сульфидную емкость шлака Сэ (уравнения 3.5 и 3.6.).Определение сульфидной емкости шлака Сэ выполнено по хорошо зарекомендовавшей себя методике И.Д. Сомервиля. с использованием понятия и величин оптической основностиХшлакового расплава.По данным Сомервиля

22690 - 54640А, иос, осо

1§С5=---+ 43,6Х, - 252 /3.7/

Фактический коэффициент распределения 1_Ф определяли из баланса серы

[Б] н + Д01М шл,(3) н=[8] к . (1+0,ОцФ * М шл)

/3.8/

где [Э]н ,[8]К ,(8)н - соответственно начальное и конечное содержание серы в металле и начальное содержание серы в шлаке,%;

М - масса покровного шлака,% от массы металла.

Сначала определили равновесные коэффициенты распределения серы по ионной теории и методике сульфидной емкости,соответствующие среднему составу покровного шлака (РеО=1,2 - 1,5%).Расчеты показали, что в

этом случае фактические Ь® соизмеримы, либо

преимущественно выше расчетных равновесных,что говорит о неправомерности расчетов по среднему составу шлака, как не отражающих динамику и движущие силы десульфурации металла покровным шлаком.Реакции обессеривания металла покровным шлаком протекают на границе металл - шлак,где окисленность прилегающих слоев шлака и металла значительно меньше.чем в серединных объемах фаз, особенно шлака и определяется концентрацией в металле наиболее сильного раскислителя(алюминия).Разность же между равновесным коэффициентом распределения серы на

границе металл -шлак и фактическим является движущей

-- — ■ -,——__ —«

рис. з.б. соотношение расчетного и фактического коэф-

ФИЦИЕНТОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕРЫ ПРИ ВДЫВАНИИ МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ИЗВЕСТИ Са> и снеси ИЗВЕСТИ И ПЛАВИКОВОГО «IIДТП СО).

силой перехода серы из металла в шлак.

Известно,что содержание остаточного алюминия в стали .регулирующего активность кислорода в металле, определяет Ls и результаты десульфурации.Поэтому в

дальнейших расчетах определяли uj на границе раздела фаз с использованием методики Сомервиля.

Активность кислорода в металле рассчитывали по равновесию с алюминием. Активность глинозема в пограничном слое шлака определяли с учетом протекания реакций на границе металл-шлак. При этом содержание AI2 О3 в приграничном слое шлака несколько выше, чем в серединных объемах, но ниже,чем в равновесии с продуктами реакций окисления алюминия.

Расчеты показали, что в приграничном слое шлака активность AI2O3 значительно ниже 1 и составляет около 0,1 .при этом активность кислорода в металле в зоне фронта реакции десульфурации снижается до очень низких значений,увеличивая серопоглотительную способность шлака, контактирующего с металлом.Покровный же шлак обладает достаточно высокой сульфидной емкостью и поэтому принимает поток серы,поступающей из металла.

На рис.3.6. приведены соотношения величин фактического и теоретического коэффициентов распределения серы

L®/ Ц для системы покровный шлак-металл. При обработке

стали порошкообразной шлакообразующей смесью CaO-CaF2 система несколько ближе к равновесию, чем при продувке только порошкообразной известью, и в среднем степень приближения соответственно составила

Ь®=0,24Ц , г=0,58 (рис.3.65) и Ь®=0,21Ц, г=0,88 (рис.З.бф.

При этом в целом степень приближения к равновесию по сере системы покровный шлак-металл при обработке стали на УДМ оказалась ниже,чем при обработке металла в процессе выпуска плавки с одновременной продувкой порошкообразной известью,что объясняется,во втором случае,более высокой удельной интенсивностью перемешивания металла и шлака. Установили, что с повышением концентрации алюминия в стали с 0,02 до 0,05% степень десульфурации возрастает в 1,5 раза [1?].

Для оценки вероятной доли влияния поглощения серы частицами извести в суммарном эффекте десульфурации провели расчеты с использованием методики М.Я.Меджибожского,который предполагает протекание реакции

<СаОтв> + [Э] = (СаЭ) + [О] /3.9/

на поверхности тонкодисперсных частиц СаО. В процессе десульфурации металла порошкообразной известью <СаОтв> текущая концентрация серы [8]*определяется ее начальным уровнем [в]", степенью завершенности диффузионных процессов / 1-0 /, коэффициентом

распределения серы на границе частица -металл Щ, расходом извести - ти , содержанием серы в извести -Эй.

И'*- ехрК ф1 (1-0).^- + ^

/3.10/

Вероятный коэффициент распределения серы 1_з определен с учетом растворимости и активности СаЭ в СаОтв.активности кислорода в металле,регламентируемой содержанием алюминия в стали.При этом допущено,что

аАЬ03 Равна 1 • '

степень завершенности диффузионных процессов с

участием порошкообразной извести с учетом размеров частиц и вероятного времени их пребывания в объеме металла оценили величиной порядка 0,6,а в случае обработки металла порошкообразной смесью СаО-СаР2 порядка 0,8.Согласно расчетам,доля серы удаленной порошком извести и частицами смеси составила примерно 37 и 61%.

Видно.что значительная часть серы,удаленной в процессе продувки металла порошкообразной известью или ее смесью с плавиковым шпатом,приходится на покровный шлак.Это обусловлено воздействием вдуваемых частиц на интенсификацию перемешивания металла и покровного шлака,улучшением состава и состоянием последнего.

Оценены возможные результаты десульфурации на УДМ при вводе смеси до 5-6 кг/т стали.Степень десульфурации

металла в этом случае составит не менее 70%.Таким образом можно полностью отказаться от применения синтетического шлака при выплавке низкосернистых сталей.

4.ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И РЕШЕНИЯ.

Исследована возможность дожигания окиси углерода в 350-т конвертерах за счет применения фурм с центральным соплом и с завихрителями в соплах.Применение таких фурм сопровождалось дополнительным поступлением тепла за счет дожигания СО без отрицательного воздействия на футеровку конвертера.Внедрение новых фурм позволило на 30% сократить количество плавок с переокисленным конечным шлаком и на 10 кг/т стали снизить удельный расход метаплошихты [20].

Разработана и внедрена технология раскисления стали гранулированным и фракционированным алюминием в ковше.Установлено.что переход на использование гранул и мелких кусков размером 5-15мм вместо стандартных и обычно применяемых чушек массой 12-16 кг обеспечивает повышение усвоения алюминия металлом в 1,5-2,0 раза,механизацию ввода раскислителя в ковш без повышения газонасыщенности [2Щ.

Разработана технология выплавки низколегированных сталей массового назначения марок 09Г2С , 13Г1СУ и 17Г1СУ в 350-т конвертерах с использованием жидких лигатур и внепечного рафинирования.По сравнению с технологией применения твердых ферросплавов она позволила снизить температуру металла перед выпуском на 30 *С и снизить угар марганца и кремния соответственно на 3,5 и 7,0% абс., снизить содержание серы в готовой стали на 0,002-0,005%.При этом значительно улучшилась экология процесса раскисления [22].

Разработана и внедрена технология дифференцированной футеровки 350-т сталеразливочных ковшей термообработанными периклазоизвестковыми (основными) огнеупорами на смоляной (пековой) связке [23]. Использование таких огнеупоров взамен дорогостоящих муллито-корундовых набивных фугеровок позволило в 2,040

2,5 раза повысить стойкость футеровки сталеразливочных ковшей, снизить удельные затраты на огнеупоры. Применение сталеразливочных ковшей с основной футеровкой повысило эффективность рафинирования стали в ковше,особенно по сере, обеспечило экономию марганецсодержащих сплавов и алюминия [29].

Для повышения стойкости сталеразливочных ковшей с основной и высокоглиноземистой футеровкой разработана и внедрена технологическая схема высокотемпературной (не менее 800 "С) их эксплуатации.Внедрение съемной теплоизолирующей футерованной крышки при разливке стали улучшило ее разливаемость и уменьшило количество непрерывнолитых слябов с поверхностными дефектами [2Щ.

Разработана и внедрена технология корректировки химического состава на УДМ при производстве углеродистой и низколегированной стали, что обеспечило получение металла с узкими пределами содержания основных элементов (близких к верхним марочным пределам) и повышенными на 20-50 МПа прочностными свойствами готового проката £25"].

Методом "холодного" моделирования установили [26], что высокоскоростная продувка жидкости сверхзвуковой /Мах>1/ фигурной ( щелевой ) струей позволяет значительно увеличить глубину проникновения струи в жидкость,уменьшить размеры пузырей в ней.снизить высоту всплесков в 1,3-1,7 раза,повысить степень рассредоточения пузырей в жидкости.Результаты исследований использованы при создании промышленных фурм и технологии высокоскоростной продувки стали в 350-т ковшах на УДМ конвертерного цеха комбината " Азовсталь ".Это обеспечило увеличение расхода газа на продувку с 50-60 до 120-140 м3/час при снижении высоты выплесков металла в ковше, сократило на 25% длительность усреднительной продувки при высокой степени однородности расплава по химическому составу и температуре [2Т.].

Проведены исследования и установлена степень влияния химического состава и газонасыщенности стали перед разливкой на МНЛЗ для газопроводных труб большого диаметра,получаемых из штрипса производства комбината "Азовсталь" (стали 09-10Г2ФБ,10Г2БТ и др).Показано

отрицательное влияние серы, фосфора, углерода и содержаний водорода на вероятность образования и протяженность микротрещин типа флокенов в осевой зоне

Ш

Проведен комплекс работ по выбору рациональных технологических схем модифицирования и микролегирования сталей ответственного назначения. Показано , что вдувание на УДМ порошкообразных смесей силикокальция, РЗМ и силикомагния способствует дополнительному удалению серы и более полной глобуляризации сульфидных включений, обеспечивающих повышение низкотемпературной ударной вязкости [29]. Аналогичный эффект при производстве титансодержащих трубных сталей наблюдается при использовании в качестве модификатора смесей силикокальция и ферросиликоциркония [¡О]. При этом,за счет связывания азота в прочные нитриды циркония.обеспечивается более эффективное использование упрочняющего эффекта карбидов титана. Применение технологии модифицирования и микролегирования стали кальцием [3£],титаном и бором [36],позволяет не только модифицировать неметаллические включения,но и снизить уровень химической и структурной неоднородности в осевой зоне непрерывнолитых слябов.Исследована возможность и разработаны рекомендации по повышению качества осевой зоны толстолистового проката и экономии энергоресурсов при горячем посаде непрерывнолитых слябов низкосернистых сталей в нагревательные печи стана 3600 [33].

Отметим,что разработанные и рассмотренные в разделах 1-4 технологии обеспечивают полную подготовку жидкого металла к разливке на МНЛЗ.

5.ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТЕПЕНИ РАФИНИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И

СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА.ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛА ОСОБО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА.

Использование высокопрочных сталей во всех отраслях

народного хозяйства является наиболее эффективным направлением,обеспечивающим повышение надежности изделий при одновременном снижении металлоемкости.

Глубокая десульфурация и рафинирование стали от неметаллических включений являются одними из наиболее эффективных технологических мероприятий,оказывающих положительное влияние практически на весь комплекс свойств толстолистового проката.Особенно сильно оно проявляется в повышении низкотемпературной вязкости и хладостойкости, снижении анизотропии свойств в направлении толщины листа,повышении свариваемости, коррозионной стойкости и усталостной прочности.

Большинство сталей массового назначения производится в горячекатаном состоянии.Из-за высокой температуры окончания деформации при горячей прокатке для них характерно достаточно крупное зерно феррита, размер которого в конечном итоге является лимитирующим структурным фактором, определяющим комплекс механических свойств готового проката при данной степени легирования. Поэтому вторым эффективным направлением повышения качества тол стол и сто в о го проката является применение термической или термодеформационной обработки, приводящей к измельчению зерна феррита, изменению соотношения и размеров структурных составляющих.

Исследования [ЗЩ по оценке степени влияния внепечной обработки на загрязненность стали неметаллическими включениями проводили на сравнительных ( 0,02-0,03% Б ) и опытных (0,001-0,008% Б) плавках низколегированных сталей различного назначения.Исследования показали,что способ десульфурации в ковше (СШ,ТШС или их комбинация) не оказывает заметного влияния на загрязненность стали неметаллическими включениями. Основными типами неметаллических включений в промышленных плавках текущего производства (содержание серы 0,020-0,030%) являются хрупкоразрушенные силикаты,строчечные включения глинозема и пластичные сульфиды типа (Мп,Ре)8, ориентированные в направлении прокатки.Размер включений колеблется от 15 до 120мкм. Максимальное скопление

включений,как правило,наблюдается со стороны малого радиуса на глубине 3-5мм.Индекс загрязнения металла включениями колеблется от 2,5*10"3 до 7,5*10~3.Для металла низкосернистых плавок, обработанных силикокальцием, характерны неметаллические включения глобулярной и неправильной формы: оксисульфиды (однофазные, двухфазные, многофазные), алюминаты кальция глобулярной формы с сульфидной оболочкой и без нее, нитриды(карбонитриды)титана. Большая часть алюминатов кальция имеет размер 3-8мкм и лишь отдельные включения достигают 15-20мкм. Алюминаты кальция и недеформируемые сульфиды имеют равномерное распределение.При содержании серы в металле более 0,005% в осевой зоне наблюдаются нитевидные включения пластичных сульфидов типа (Мп,Ре)3,что свидетельствует о недостаточно полном завершении процесса модифицирования.Общий индекс загрязнения включениями низкосернистых модифицированных сталей не превышает 1,3-10-3 [1,37,3$.

Механические свойства толстолистового проката

Таблица 5.1

Механические свойства рафинированной стали 09Г2С

Овсмщте* чуя*««» Воем С^ЯЩ-, тт , Окпииущ* Мййв ДОЯШ Леем шПушщрз» В^езго ошкз»;

I/*' «Г Ы * г и Ма* г ы /вт ; Уя? * г >. «в; ы £т М* *

51» 350 зм т 30 31 310 т' гм 31 52» ад »9 т 28 32 ш 543 41» 421 **

исследовали в лабораторных и промышленных условиях на низколегированной стали марки 09Г2С [3?] различного назначения с содержанием серы на 2-х уровнях: первом-соответствующем содержанию серы в металле массового производства^,020-0,030%) и втором - соответствующем уровню, обеспечиваемому разработанной комплексной технологией десульфурации (0,001-0,008%).

Механические свойства изучали на поперечных образцах;на растяжение испытывали круглые пятикратные образцы по ГОСТ 1497-84.Ударную вязкость определяли на образцах с острым и круглым надрезом по ГОСТ 9454-78.

Слябы сечением 300x1850 мм прокатывались на листы толщиной 14 и 18мм по обычным режимам горячей прокатки

-ВО -60 -40 -20 О 20 ТЕМПЕРАТУРА МСПЫТАНЦЯ^С

рип. 3-1- ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЦДЯРНОН ВЯЗКОСТИ НА ОБРАЗЦАХ С ОСТРИМ НАДРЕЗОМ {КСV I 11 ДОЛИ ВЯЗКОЙ СОСТАВЛЯВШЕЙ (В1 ОТ РЕМИМОВ ТЕРМОДЕ— ФОРМАЦИОННОЯ ОБРАБОТКИ.

с последующей нормализацией в потоке;по режимам контролируемой прокатки;по режимам контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением.

Температура нагрева под прокатку во всех случаях составляла 1160- 1180 'С.Прокатку в черновой клети завершали при 960-980 "С. Прокатку по контролируемым режимам в чистовой клети проводили при температуре окончания деформации 800 - 820 'С.При контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением температура окончания деформации составляла 820-840 "С, температура окончания ускоренного охлаждения колебалась от 620 до 670 "С.

Контролируемая прокатка и контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением по сравнению с горячекатаным и нормализованным состоянием повышают прочностные характеристики стали 09Г2С (табл.5.1) : временное сопротивление на 20-30 Н/мм2,а предел текучести на 30-40 Н/мм2.В состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением наблюдается некоторое снижение относительного удлинения.

Ударная вязкость при отрицательных температурах низкосернистой стали на образцах с острым надрезом, кроме горячекатаного состояния,находится на очень высоком уровне (рис.5.1):при -60 *С KCV изменяется от 180 ,£Ьк/см2 ( для нормализованного состояния') до 280 Дж/см2 (для состояния контролируемой прокатки).Однако только в состоянии контролируемой прокатки и контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением сталь обладает хладостойкостью-сохраняется полностью вязкий излом до температуры -70 'С (доля вязкой составляющей в изломе более 85%).В нормализованном состоянии, несмотря на высокие значения ударной вязкости, критическая температура хрупкости Т50 составляет -30 'С, в горячекатаном состоянии - 0 'С. Это хорошо коррелирует со значениями вязкости разрушения К1, с определенными при -196 "С для горячекатаного, нормализованного и состояния контролируемой прокатки-140; 170 и 220 МПа, соответственно.

Исследование микроструктуры низкосернистых плавок показало,что в горячекатаном и нормализованном состоянии структура металла феррито-перлитная с размером

ферритного зерна 7-8 по ГОСТ 5639-82. В состоянии после контролируемой прокатки структура представляет собой феррито-перлитную смесь с ярко выраженной полосчатостью и размером зерна феррита 8-9.Перлитная составляющая представляет собой грубопластинчатый перлит. Зерно полигонального феррита имеет низкую плотность дислокаций, без признаков субструктуры из-за высокой температуры конца прокатки.Ускоренное охлаждение после контролируемой прокатки приводит к устранению перлитной полосчатости и значительному изменению структурных составляющих(зерно 10-11 балла).Исследование тонкой структуры показало, что ферритные зерна имеют более высокую плотность дислокаций,перлит характеризуется уменьшением межпластинчатого расстояния и размера перлитных колоний.

Именно благодаря образованию таких дисперсных структур при контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением рафинированных сталей обеспечивается получение уникального комплекса свойствгповышение предела текучести и резкое повышение низкотемпературной вязкости при одновременном снижении критической температуры хрупкости.

Свариваемость.

Отрицательное влияние повышенных содержаний серы на растрескивание листовой стали при повторных нагревах, в околошовной зоне при сварке в значительной степени объясняется присутствием сульфидов марганца,которые при температурах 1150-1300 "С растворяются в аустените и при последующем охлаждении выпадают по границам зерен, ослабляя межкристаллические связи, что облегчает образование кристаллизационных и холодных трещин.При содержании серы (0,003-0,006%) выделение сульфидов из аустенита не наблюдается.

Исследование влияния термических циклов сварки на твердость и склонность к хрупкому разрушению металла околошовной зоны низкосернистой стали марки 09Г2С оценивали методом валиковой пробы по ГОСТ 13585-66.

47

Прочность сварных соединений определяли испытаниями на растяжение полнотолщинных плоских образцов сварных соединений типа 2 по ГОСТ 6996 - 89, вырезанных из соединений поперек сварных швов. Оценку сопротивляемости образованию холодных трещин определяли с использованием пробы "Теккен".

Проведенные комплексные исследования подтвердили положительное влияние глубокого рафинирования на свариваемость толстолистового проката всех назначений [32].

Коррозионная стойкость.

Все опытные и промышленные плавки прошли коррозионные испытания [37].Испытания образцов на общую коррозию в морской воде в течение 24 мес.(ГОСТ 17732271) показали снижение скорости коррозии низкосернистой стали 09Г2С по сравнению с обычными на 10%.Экспресс-метод испытания в 53% водном растворе серной кислоты , неоднократно повторенный, показал для низкосернистого металла примерно в 2 раза меньшие коррозионные потери.

В реальных условиях эксплуатации сталь под напряжением силовых нагрузок более активно взаимодействует с агрессивной средой.что ускоряет процессы коррозии.Поэтому более представительными являются показатели коррозионно-механической прочности. Испытания проводили в условиях деформации образцов при заданной скорости нагружения Е=1,4*10"^ с"1 в различных агрессивных средах.Анализ этих испытаний, наиболее полно отражающий эффект Ребиндера,показал,что коэффициент влияния среды (а ср) существенно зависит от содержания серы и природы включений в стали. В опытных плавках с низким содержанием серы (менее 0,005%) и глобулярными недеформируемыми включениями алюминатов кальция и сульфидов коэффициент влияния среды в 2-8 раз был ниже,чем у промышленных плавок с ориентированными включениями сульфидов и строчек глинозема.

Сероводородная стойкость.

Исследования проводили на низкосернистой (менее 0,004%) низколегированной стали марки 14ГБ. Водородное охрупчивание изучали методом электролитического наводораживания в 0,1 нормальном растворе серной кислоты с тиомочевиной (1,5 г/л). Плотность катодного тока была равна 50 ма/см

Определяли время до разрушения непрерывно наводораживаемых образцов и пороговые напряжения, при которых исследуемые образцы не разрушались.За базу испытаний приняли 720 час.

По методике NACE оценивали стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением, составляющим 0,6-0,8 от предела текучести, и склонность к индуцируемому водородному растрескиванию (HJC). Наряду с длительными проводили ускоренные испытания по Паркинсу. Они заключались в определении времени до разрушения образцов, непрерывно растягиваемых в растворе NACE с малой скоростью деформирования <E=10"S с*1).

Исследования показали,что сопротивление водородному и сульфидному растрескиванию под напряжением сильно зависит от чистоты стали. Это связано с резким уменьшением способности стали поглощать водород при повышении чистоты стали по неметаллическим включениям. Дополнительное модифицирование стали SiCa за счет измельчения оксисульфидов привело к росту стойкости (время до разрушения) в 3-4 раза.Пороговые напряжения при электролитическом наводораживании также возросли с 0,7- 0,75 до 0,9 предела текучести.Максимальные значения порогового напряжения были достигнуты для образцов с оптимальной микроструктурой (контролируемая прокатка с последующим ускоренным охлаждением ).Время до разрушения всех образцов стали модифицированной SiCa превышало 720 час , при пороговом напряжении - более 0,8 предела текучести.

На всех исследованных образцах коэффициенты длины (CRL) и толщины трещин (CTR) соответствовали требуемому уровню - 0%.

Таким образом, глубоко десульфурированная сталь, модифицированная силикокальцием, может эффективно использоваться при производстве труб и оборудования, работающего в сероводородных средах.

Комплексная оценка влияния степени рафинирования и термической обработки на показатели механических и служебных свойств толстолистового проката позволила оценить потенциальные возможности повышения качества металлопродукции, уточнить и оптимизировать технологию ее производства.определить дополнительные области применения стали повышенного качества.С использованием результатов исследований разработаны технические условия на толстолистовой прокат из рафинированной низколегированной стали для изготовления оборудования, работающего в сероводородных средах.Низколегированные хладостойкие стали повышенного качества рекомендованы к использованию в сварных металлоконструкциях и оборудовании особо ответственного назначения,работающих в условиях севера:сталь 09Г2СУ (ТУ 14-1-3435),сталь 10ХСНД (ТУ 14-1-4842).Технологические результаты исследований эффективно используются при разработке состава и технологии производства высокопрочных трубных сталей для магистральных газопроводов северного исполнения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1 .Разработаны теоретические основы и комплекс технологий выплавки металла в большегрузных 350-т конверторах, обработки его в ковшах, обеспечившие значительное ресурсосбережение и массовое производство высококачественного толстолистового проката для изделий ответственного назначения.

2. Установлены основные термодинамические и кинетические закономерности десульфурации чугуна магнием и его усвоения металлом. На основе этого разработана и внедрена рациональная технология обработки чугуна магнием,обеспечивающая конечное содержание серы в металле до 0,002% и высокую степень усвоения магния 7590%.

3.Сформулированы научные основы и разработана

технология выплавки в большегрузных конвертерах высококачественного металла для толстого листа (с очень низкими содержаниями серы,фосфора, азота и кислорода), применяемого в изделиях ответственного назначения. Впервые в Украине в конвертерах емкостью 350 т освоена рациональная комплексная технология получения первородной особо чистой стали на основе использования в шихте окатышей с высокой степенью металлизации и специальных приемов улучшения шлакообразования.

4.Установлены основные термодинамические и кинетические особенности десульфурации стали при выпуске ее в большегрузные сталеразливочные ковши в комплексе с обработкой жидким известково - глиноземистым синтетическим шлаком и кусковыми ТШС на основе извести и плавикового шпата, а также на УДМ при применении порошкообразного силикокальция. Показано, что термодинамические возможности десульфурации стали покровным шлаком при выпуске металла в ковш используются недостаточно ( на 7-12%). Вместе с тем при использовании разработанной технологии достигается степень десульфурации до 70-75% (при использовании ковшей с основной футеровкой 75-85%) и конечное содержание серы до 0,004%.

В случае обработки стали на УДМ порошкообразной известью и смесями на ее основе,инжектируемых током аргона,степень приближения системы шлак-металл к равновесию достигает 21 - 24%, что позволяет при широком освоении данной технологии отказаться от применения дорогого синтетического шлака.

5.Разработаны теоретические основы и внедрена комплексная технология получения низколегированных сталей особо высокого качества.На примере низколегированной стали массового назначения типа 09Г2С, широко используемой в качестве конструкционного материала, показано, что для достижения уникально высоких показателей ударной вязкости (до 280 Дж/см^ при температуре испытания 60 *С ниже нуля на образцах с острым надрезом) при повышенной статической прочности необходимо сочетание высокой чистоты стали, особенно по сере и неметаллическим включениям, с оптимальной

термодеформационной обработкой проката, обеспечивающей мелкое зерно размером 9-10 мкм. Оптимальным режимом для стали 09Г2С и многих других низколегированных сталей является контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением.При выполнении этих условий обеспечивается резкое повышение практически всех эксплуатационных характеристик толстолистового проката: изотропности,усталостной прочности,коррозионной и сероводородной стойкости, свариваемости и др.

6.Разработан и внедрен комплекс технологий, обеспечивающий: повышение выхода годного и снижение угара железа в шлак путем применения фурм новой конструкции; снижение расхода алюминия в 1,5-2,0 раза при раскислении стали гранулированным или фракционированным алюминием на выпуске плавки из конвертера; снижение угара марганца и кремния при раскислении и легировании и содержания серы на 0,002 -0,005% при внепечной десульфурации стали в ковше за счет применения жидких лигатур вместо твердых ферросплавов;снижение содержания серы в стали, расхода ковшевых огнеупоров,марганецсодержащих сплавов и алюминия за счет перехода на основную футеровку сталеразливочных ковшей ¡снижение содержания водорода в стали и его влияния на дефекты осевой зоны непрерывнолитых заготовок;улучшение макроструктуры осевой зоны слябов за счет оптимальной схемы модифицирования и микролегирования различных марок стали при обработке порошкообразными реагентами (силикокальций,РЗМ,силикомагний,силикоцирконий,ферробор), инжектируемыми в токе аргона при обработке на УДМ.

7.В результате внедрения в конвертерных цехах с большегрузными агрегатами комплекса новых технологий и технических решений экономический эффект от снижения себестоимости металлопродукции составил более 17,865 млн руб в год (в ценах 1990г.) при долевом эффекте автора 1,7 млн руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Поживанов М.А. Опыт производства низкосернистых трубных сталей. // Металлург, и горнорудная пром-сть-1992.- N 3.-С.12-16.

2.0.V.Nosocenko,S.G.Melnik,M.A.Pozivanov. Priprava kon-vertorove oceli к plynulemu odlevani.//X Mezinarodni Hutnika konference.Trinec, Rigen. -1989. -S. 135-141.

3.М.А.Поживанов.В.И.Баптизманский.О.В.Носоченко и др. Закономерности и опыт десульфурации чугуна гранулированным магнием.// Сталь.- 1993.- N 8 - С.25-28.

4.Поживанов М.А.,Шевченко А.Ф.,Двоскин Б.В. Анализ эффективности внепечной обработки чугуна гранулированным магнием. // Металлург, и горнорудная пром-сть - 1993.- N 10.-С.13-18 .

б.Гулыга Д.В.,Поживанов М.А.,Семенченко П.М.и др. Технологические преимущества десульфурации чугуна гранулированным магнием в заливочных ковшах сталеплавильных цехов.//Металлург. и горнорудная пром-сть - 1991.- N 3,- С.18-19.

6.Шевченко А.Ф.,Гулыга Д.В.,Поживанов М.А. и др. Опытно-промышленное опробование производства чугуна с супернизким содержанием серы для выплавки в конвертерах чистой по сере стали.// Металлург, и горнорудная пром-сть.- 1991-N 3.-С.7-9.

7.Поживанов М.А..Окороков Б.Н.и др. Продувка конвертерной ванны кислородом с циклическим изменением расхода кислорода.// Сталь.-1984.- N 7.- С.19-20.

8.Поживанов М.А.,Окороков Б.Н. и др. Динамические характеристики процесса окисления углерода в конвертерной ванне.//Изв.ВУЗов Черная металлургия.-1984.-N 5.-С.19-20.

Э.Поживанов М.А., Зимин Ю.В., Окороков Б.Н. Переходная функция скорости окисления углерода в конвертере. //Изв.ВУЗов Черная металлургия.-1982.- N 11.- С.149.

Ю.Маринин А.В.,Михневич Ю.Ф.,Поживанов М.А. и др. Технологические особенности и проблемы выплавки в конвертерах безванадиевой стали для магистральных газопроводов.//Качество толстолистового проката (штрипса) из новых низколегированных сталей и труб для магистральных газопроводов. :Тез. докл. Всесоюз. совещание. - .1989.-С.1-2.

11.Поживанов М.А.,Носоченко О.В.,Ганошенко В.И. и др. Выплавка в конвертерах чистого по примесям металла. // Бюл. НТИ Черная металлургия.-1991.-ЫЗ.- С.58-59.

12.Конопля В.Г., Плохих П.А.,Поживанов М.А. и др. К вопросу о дефосфорации при выплавке рядовых и качественных сталей в 350-400-т конвертерах.//Тр. 5-й Всесоюз.конф. "Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов".-Мариуполь.-1991.-ч.2.- С.34-35.

13.Пошинов O.A.,Казаков С.В.,Свяжин А.Г.,Поживанов М.А.Модель рафинирования металла в ковше от серы активными шлаковыми смесями.// Тр.5-й Всесоюз. конф. "Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов"-Мариуполь.-,1991, ч.2.-С.36-38.

14.Поживанов М.А., Семенченко П.М. и др. Десульфурация стали в ковше активными шлаковыми смесями .//Металлург, и горнорудная промышленность.-1991.- N 4.-С.35-38.

15.Пошинов O.A.,Казаков С.В.,Поживанов М.А. и др. Степень использования рафинирующих свойств шлаков при внепечной обработке стали.// Тр. 10-й Всесоюз.конф. по физико-химическим основам металлургических процессов. -Москва.-1991.-С.27.

16.Баптизманский В.И.,Черевко В.П.,Вихлевщук В.А.,Поживанов М.А. и др. Десульфурация стали в ковше с использованием порошкообразной извести.// Тр.1-го конгресса сталеплавильщиков.-Москва.-1992.-С.207-209.

17.Черевко В.П., Лонский A.M., Поживанов М.А. и др. Исследование десульфурирующей способности порошкообразных шлакообразующих смесей на основе мелкокристаллической извести при-внепечной обработке стали. // Тр.5-й Всесоюз. конф. "Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов". -Мариуполь.-ч.2.-1991.- С.32-33.

18.Баптизманский В.И.,Черевко В.П..Поживанов М.А.и др. Десульфурация стали в ковше с использованием порошкообразной извести. //Сталь.- 1992.- N 11.- С.28-31.

1 Э.Баптизманский В.И. , Черевко В.П. , Лонский А.М.,Красюков С.П..Поживанов М.А.,Иванов Е.А. Внепечная десульфурация стали мелкокристаллической известью и смесями на ее основе. // Металлург, и горнорудная пром-ctb.-1993.-N 1.- С.11-13.

20.Поживанов A.M..Поживанов М.А..Иванов Е.А. и др.Повышение полноты дожигания окиси углерода в

350-т конвертерах.//Металлург. и горнорудная пром-сть.-1990.- N 4.-С.18-20.

21.Вяткин Ю.Ф., Вихлевщук В.А., Поляков В.Ф., Поживанов М.А. и др. Ресурсосберегающая технология раскисления стали алюминием в ковше.// Черная металлургия. Бюллетень.-1990.-Вып.6. -С.53-55.

22.Поживанов М.А., Носоченко О.В..Мельник С.Г. и др.Освоение выплавки легированной стали в 350-т конвертерах с использованием жидких лигатур и внепечной рафинирующей обработки.//Металлург.и горнорудная пром-CTb.-1991.-N 4.-C.33-35.

23.Нагорный А.П.,Сахно В.А.,Поживанов М.А., Кравченко А.И., Повышение стойкости сталеразливочных ковшей, футерованных периклазоизвестковыми термообработанными огнеупорами.// Сталь. -1991.-N 8.-С.31-33.

24.Стороженко А.С..Поляков В.Ф.,Сахно В.А.,Поживанов М.А. и др.Эффективность использования сталеразливочных ковшей с основной футеровкой. //Сталь.-1991.- N 8.- С.27-30.

25.Вихлевщук В.А.,Сахно В.А.,Черногрицкий В.М., Поживанов М.А. и др. Производство стали с узкими пределами химического состава для проката повышенной прочности.//"Черметинформация", Бюллетень, 1992, вып.2, с.29-30.

26.Рыбалов Г.В., Жигач С.И., Поживанов М.А. и др. Высокоскоростная продувка металла аргоном при внепечной обработке стали.// Сталь.-1991.- N 9.- С.24-26.

27.Поживанов М.А. , Казаков C.B., Свяжин А.Г., Пошинов O.A., Мельник С.Г. Определение оптимальной продолжительности продувки расплава инертным газом. // Сталь.-1991.- N 9.- С.21-23.

28.Сахно В.А., Поживанов М.А., Тихонюк Л.С. и др. Влияние химического состава и газонасыщенности непрерывнолитых слябов на качество осевой зоны штрипса для газопроводных труб большого диаметра.// Металлург, и горнорудная пром-сть.-,1991. - N 3.- С.15-17.

29.Куклев В.Г.,Оберемченко Н.С..Носоченко О.В..Поживанов М.А.Разработка и промышленное опробование технологии внепечной обработки трубной

стали магнием. // Внепечная обработка металлов: Тез. докл. Всесоюз. конф.-Киев.-1991.-С.4-5.

30.Поживанов М.А., Татарников В.П., Левин Д.Ю., Бузун И.Л. Опробование технологии микролегирования титансодержащих трубных сталей цирконием.//Внепечная обработка металлов: Тез. докл. Всесоюз.конф.-Киев.-1991.-С.11-12.

31.Троцан А.И., Николаев Г.А., Ленский В.Г., Поживанов М.А., Юшко И.Г.Способ рафинирования и микролегирования трубной стали при непрерывной разливке.//Внепечная обработка металлов: Тез. докл. Всесоюз. конф.-Киев.-1991.-С.9-10.

32.Носоченко О.В., Николаев Г.А., Ленский В.Г., Поживанов М.А., Юшко И.Г. Совершенствование технологии непрерывной разливки стали в крупногабаритные слябы для дальнейшей прокатки на толстый лист и плиту.//Х Mezinar-odni Hutnika konference,Tri-nec,Rigen.-1989.-S.360-366.

33.Коновалов Ю.В., Булянда A.A., Поживанов М.А. и др. Исследование качества металла при горячем посаде непрерывнолитых слябов в нагревательные печи стана "3600".// Сталь.- 1991.-N 5.- С.55-56.

34.Новик В.И., Носоченко О.В., Емельянов В.В. и др. Получение толстых листов с повышенной сплошностью. // Сталь.-1991.-N 5. - С.63-66.

35.Харчевников В.П. , Шемякин A.B. , Носоченко О.В., Поживанов М.А. и др. Особенности производства толстых листов с повышенной сплошностью и пластичностью на МК "Азовсталь".//Тр. 11-й Всесоюз.конф. по проблемам слитка.-Волгоград.- 1990.-С.70-72.

36.Емельянов В.В., Носоченко О.В., Поживанов М.А. и др. Влияние микролегирования бором и титаном на сплошность и механические свойства стали 09Г2С.//Внепечная обработка металлов: Тез. докл. Всесоюз. конф.-Киев.-1991.-С. 70-72

37.Морозов Ю.Д., Поживанов М.А., Невская О.Н., Носоченко О.В. Комплексная технология повышения хладостойкости низколегированной стали массового назначения.//Сталь.-1994.- N 11.-С.24-27.

38.Поживанов М.А., Носоченко О.В., Шульте А.Ю., Левин Д.Ю. Исследование влияния степени рафинирования стали

на механические и служебные свойства толстолистового проката./Др. 1-го конгресса сталеплавильщиков.-Москва.-1993.-С.250-254.

По теме диссертации получены: Патент Российской Федерации N2010884, авторские свидетельства: NN 1101452, 1157074, 1175969, 1280023, 1439129, 1548215, 1592345, 1611562, 1643617, 1657540, 1660839, 1675343, 18112736, 1823274 и положительные решения по заявкам 4292850 / 25-05 (127704) , 4440491 / 31 - 02/093140, 4452049/27-02/101618,4480985/02/117404,4650555/ 02(004725), 4650556/43-02/004727, 4651500/27-02 (025303),4667067 / 27-02 (042020), 4686433/31-02/063126), 4737801 / 27-02(0965547), 466067/27-02(042020), 4842993/ 02(070142), 4906527/02/009936, 4906660/02/010291.

АННОТАЦИЯ

Поживанов М.А. Разработка теоретических основ и комплексной технологии получения особо чистой высококачественной конвертерной стали для толстого листа.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада по специальности 05.16.02 - Металлургия черных металлов,Государственная металлургическая Академия,Днепропетровск, 1994г.

Защищается 32 научных работ и 29 авторских свидетельств, которые содержат теоретические исследования процессов глубокой десульфурации чугуна и стали,а также результаты экспериментальных и промышленных исследований по разработке комплексной технологии производства особо чистых конвертерных сталей для толстого листа.

Установлены основные термодинамические и кинетические закономерности десульфурации чугуна гранулированным магнием. Определены на основе современной теории массообмена лимитирующие звенья процессов усвоения магния чугуном и его взаимодействия с серой.

Исследованы термодинамические и кинетические особенности десульфурации стали жидкими синтетическими шлаками и кусковыми твердыми шлакообразующими смесями (ТШС) в большегрузных 350-т сталеразливочных ковшах.

Разработана и внедрена комплексная технология десульфурации чугуна и стали, обеспечившая организацию массового производства сталей с содержанием серы не более 0,004%.

Отработаны оптимальные режимы термодеформационной обработки низколегированных сталей,которые в сочетании с высокой степенью рафинирования обеспечивают уникальный комплекс механических и служебных свойств толстолистового проката.

Внедрение разработанных технологий в конвертерном и толстолистовом цехах комбината "Азовсталь" обеспечило экономию материалов и металла с общим экономическим эффектом в сумме 17,865 млн руб.(в ценах 1990 г.).

58

ANNOTATION

Pozhivanov M.A. Working Out of Teoreticai Fundamentals and Complex Technology of Obtaining Particularly Pure High-quality Converter Steel for Thick-gage Plate.

The thesis for the degree of a doctor of technical science in the form of a scientific report.Speciality 05.16.02 Metallurgy of Ferrous Metals. State Metallurgical Academy Dnepropetrovsk, 1994.

3% scientific papers and 29 author's certificates devoted to the teoreticai research of the processes of deep cast-iron and steel desulfurization are defended .These papers contain the results of experimental and industrial researsh on working out of complex technology of production of particularly pure converter steels for thick-gage plate.

The basic thermodinamic and kinetic characteristics of the process of cast-iron desulfurization by granulated magnezium are determined.The limiting elements of the processes of magnezium assimilation by cast iron and its interaction with sulphur are defined on the basic of the modem theory of mass exchange.

The principal thermodynamic and kinetic peculiarities of steel desulfurization by free-running synthetic slags and solid slag-generating mixtures (SSM) when pouring it into heavy steel pouring ladle 350 tons.

The optimum conditions of thermodeformational proces-sing of low alloyed steel were defined.lt provides for the unique complex of mechanical and functional properties of thick-gage plate rolled metall.

The technical solution suggested on the basic of tfie theoretical and experimental investigations ensured the conditions for working out and application in industry the new grade of steel for special purposes,for expanding the spere of application of steels of mass purposes with new complex of mechanical and functional properties.The methode mentioned above helped to increase the high quality steel production.

As a result of industrial intrudaction of the investigation result the economic effect at the expense of catting of production costs of 17,865 mln roubles (in the pricis of 1990).

Kni040Bi слова:десульфурашя чавуну та стал!,магжй,шлак, мод1ф1кування,товстий лист.