автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование поточного вакуумирования при непрерывной разливке низко- и ультранизкоуглеродистых сталей

[/ ^ 1 0 0 П' ^ л

5 .¿Л А ¿'Л

Открытое акционерное общество «Новолипецкий металлургический комбинат»

на правах рукописи

ДАГМАН Алексей Игорьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОТОЧНОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ НИЗКО- И УЛЬТРАНИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.02 - «Металлургия черных металлов»

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ

Марков Б.Л.

научный консультант: кандидат технических наук Уманец В.И.

г. Липецк 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение .....................................................................................4

1 Анализ основных положений внепечной обработки

стали связанных с вакуумированием и способов их реализации.........6

1.1 Физико-химические процессы вакуумирования.....................6

1.2 Вакуумирование объема (слоя) металла.............................. 13

1.3 Вакуумирование металла в струе....................................... 24

1.4 Равновесие процессов раскисления.....................................32

1.5 Обработка металла в промежуточном ковше УНРС..............36

2 Изучение поточного струйно-циркуляционного вакуумирования стали................................................................43

2.1 Некоторые закономерности поточного вакуумирования........47

2.2 Закономерности обезуглероживания при циркуляционном вакуумировании..............................................................51

2.3 Разработка математической модели обезуглероживания металла при поточном струйно-циркуляционном вакуумировании.............................................................53

2.3.1 Обезуглероживание в струе....................................54

2.3.2 Циркуляционное вакуумирование...........................57

2.4 Равновесие углерод-кислород........................................... 65

2.5 Удаление углерода.......................................................... 72

2.6 Удаление кислорода........................................................ 78

Выводы по главе..................................................................87

3 Раскисление и легирование стали алюминием и марганцем

при ПСЦВ................................................................................89

3.1 Влияние компонентов металлургической системы на

поведение легирующих.....................................................89

3.2 Подготовка металла к вакуумированию..............................98

3.3 Окончательное раскисление и легирование алюминием........101

Выводы по главе.................................................................102

4 Организация движения металла в промежуточном ковше............... 103

4.1 Методика моделирования гидродинамических

процессов в промежуточном ковше...................................104

4.2 Проведение лабораторных экспериментов.............'............110

Выводы по главе.................................................................142

5 Промышленные испытания процесса поточного струйно-циркуляционного вакуумирования стали.........................148

5.1 Проведение опытно-промышленных плавок....................... 148

5.2 Качество литого металла................................................ 163

5.2 Качество холоднокатаного листа..................................... 169

Выводы по главе................................................................ 173

Общие выводы...........................................................................175

Список литературы....................................................................178

Приложение А.......................................................................... 188

ВВЕДЕНИЕ

Конкуренция в металлургии заставляет производителей уделять основное внимание качеству стали. Что достигается путем снижения содержания газов, примесей цветных металлов, неметаллических включений, легирования, управления структурой и свойствами металла путем микролегирования, модифицирования, термической и термохимической обработки.

Одним из массовых видов металлопродукции являются низкоуглеродистые стали. Хорошие показатели пластичности, свариваемости, относительная простота изготовления и низкая стоимость обусловили использование этих сталей в качестве одного из основных конструкционных материалов. Широко распространены низкоуглеродистые стали в качестве автолистовых, электротехнических и коррозионно-стойких материалов.

С каждым годом в мире все в большей степени возрастает потребность в сталях, содержание углерода в которых составляет 0.01— 0.02% и менее. По прогнозам [1], в ближайшее время потребуется производить стали, содержащие несколько тысячных процента углерода.

В конвертере трудно получить сталь с концентрацией углерода менее 0.03 - 0.05 %. Это связано с увеличением окисленности металла и шлака, значительными потерями железа (которые существенно возрастают при снижении концентрации углерода), а также резким увеличением износа огнеупорной футеровки [2]. И хотя мировая практика имеет примеры получения содержания углерода до 0.015— 0.017 % [3,4] и даже до 0.009 % [5,6] в конвертерах с комбинированной продувкой, такие технологии широко не применяются из-за недостатков, о которых говорилось выше. Поэтому при производстве стали с

содержанием углерода менее 0.02 % широко применяются технологии, сочетающие приемущества конвертера с комбинированной продувкой с последующей обработкой стали на вакуумных установках .

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ВНЕПЕЧНОЙ

ОБРАБОТКИ СТАЛИ СВЯЗАННЫХ С ВАКУУМИРОВАНИЕМ И СПОСОБОВ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

1.1 Физико-химические процессы вакуумирования

Понижение давления в системе существенно влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода. Окисление углерода в вакууме происходит вследствие взаимодействия его с растворенным кислородом, которое обычно записывают:

[С]+[0]= {СО}; Ксо = Рсо/(АсАо)=Рсо/([С][0]). ( 1 )

При постоянном давлении и температуре произведение ш=[С][0] является константой, в условиях атмосферного давления и температуры 1600 °С ш=0,0022-0,0025 [7,8]. Согласно Маршаллу и Чипману константа равновесия Ксо для расплавов, содержащих углерод менее 0,2 % расчитывается следующим образом:

Ксо = 2065/Т + 1.643 ( 2 )

Приняв, что активности углерода и кислорода равны их содержаниям, С.И.Филиппов [8] предложил следующее выражение для расчета константы равновесия:

Ксо = - 1070/Т+3,0745 ( 3 )

Равновесная концентрация кислорода, расчитанная по выражению ( 3 ). оказывается ниже рассчитанных Вачером и Гамильтоном [7]. С.И.Филиппов объяснял это наличием максимума поверхностного натяжения сплавов Fe-C и минимума общей адсорбции. Однако позже [9] было доказано, что поверхностное натяжение сплавов Fe-C не зависит от содержания углерода.

С целью приближения результатов расчетов к практическим авторы [9,10] предложили учитывать наряду с СО СО: в газовой фазе. Однако, они производили учет путем уменьшения парциального давления СО на величину парциального давления СО: и, таким образом, получали более низкие значения концентрации кислорода, чем в реальных условиях, рисунок 1. Эти расхождения объясняются тем. что реакция (1) не достигает равновесия в фактических условиях, а активности углерода и кислорода не равны их концентрациям. Кроме того ссылаются на низкую надежность опытных данных, трудности экспериментирования при высоких температурах и ряд других причин [8,11]. Для определения равновесного содержания кислорода рекомендуют выражения с использованием параметров взаимодействия

[В]:

Ксо = Рсо /([С] [О]) + 0,19[С] + 0,52[0] . ( 4 )

Однако ошибки в определении параметров взаимодействия и сложность расчета вынуждают часто пользоваться различного вида эмпирическими соотношениями, к примеру [8]:

[О] = 0,0193/[С] (V [С] - 0,09). ( 5 )

Для концентраций углерода ниже 0,02 % расхождения расчетов с

ааа

!

^ О, Об

\

\ \

I

УЛ

ш \<Л

шв Л \\ \ / ' ^ЭТТту^

¿-Л \/Ж// мж

-1—.

0,2 0,4 0,6

Родермонне углерода, %

1- по Вачеру и Гамильтону [7]; 2 - по Кнюппелю [7]; 3- по Меджибожскому [д]; 4 - по Гасику [8]; 5-фактическое [7].

Рисунок 1 - Зависимость концентрации кислорода в железе при 1873 К

от содержания углерода.

практическими результатами очень существенны, согласно рисуноку 1. В этих условиях образование СО и СО2 по независимым реакциям принятое в расчете авторов [8] более предпочтительно (рисунок 1. линия 5). В этом случае равновесие в системе [С]-[0]-С0-С02 описывается следующим образом:

[С] + (2-Х) [О] = Х{СО} + (1-Х) { С02 }, ( 6 )

где X=2-dn0/dnc;

dn0/dnc- отношение мольных долей кислорода и углерода.

Для перехода молекул СО, образующихся rio реакции (1), в пузырёк, находящийся в объёме металла на расстоянии h от его поверхности, необходимо, чтобы давление выделения СО было бы больше давления в полости пузырька, т.е. Р > Рпуз

Рпуз=Ра + рмЬм + 2а/г, (7)

где Ра —давление газовой фазы над металлом;

РмЬм -статическое давление столба металла над пузырьком;

а/г —капилярное давление в пузырьке радиуса г.

Исходя из этого, давление в полости пузырька на глубине больше 0,2 — 0,3 м определяется в основном статическим давлением жидкой стали и величиной внешнего давления, т.е. глубина вакуума теряет значение. Кроме того на процесс влияет радиус зародыша, который должен быть больше критического.

В основном, зарождение пузырьков происходит на поверхности твёрдой фазы, слабо смачиваемой металлом. При вакуумировании объёма жидкой стали роль такой фазы играет, в основном, поверхность огнеупоров.

В нераскисленной стали содержание кислорода близко к равновесному с углеродом при атмосферном давлении, т.е. Рсо-1 атм. Следовательно, при обработке такой стали зона зарождения пузырьков не может опускаться более, чем на 1,4 м.

Интенсивность процесса вакуумного раскисления, пропорциональная величине реакционной поверхности, должна быть наиболее высокой в самом верхнем слое ванны (толщина слоя 5-10 см) [12]. Это обусловливает быстрое истощение верхнего слоя, если не обеспечивается подвод свежего металла из глубинных горизонтов. Скорость такого подвода зависит как от глубины ванны, так и от её гидродинамики при вакуумировании.

В процессе обработки вакуумом включения могут удаляться из металла механическим путем, а также распадаться и растворяться в металле в результате изменения термодинамических параметров, вызванного понижением давления. Диссоциация оксидных включений может идти по реакции

ЯтОп = т[Я] + п/2 {02|; К = [Я]™ Ро2"/2. ( 8 )

Как следует из уравнения (8), понижение давления в системе вызывает сдвиг равновесия в сторону более полного разложения оксидных включений. Однако диссоциация этих влючений возможна лишь в том случае, когда упругость диссоциации оксида (Р02 ) больше парциального давления кислорода в системе. Упругость диссоциации на несколько порядков меньше давления, достигаемого на практике, поэтому термическая диссоциация оксидных включений при вакуумировании не происходит.

Взаимодействие оксидных включений с растворенным в жидкой

стали углеродом может быть описано реакцией

RmOn + n[C] = m[R] + п[СО]; К = [R]m Peo" / [C]n. ( 9 )

Из уравнения (9) видно, что чем ниже Рсо , тем меньше остается в металле оксидных включений. Менее прочные включения такие, например, как МпО или CnCh, восстанавливаются (углеродом) в вакууме почти полностью; для восстановления более прочных включений, таких, например, как АЬОз или TiOiтребуется очень глубокий вакуум.

Механическое удаление неметаллических включений происходит в результате перехода их в шлак, в образуемую на поверхности жидкой стали шлаковую пленку или на твердую поверхность. Протекает оно в три стадии: 1 - перенос к межфазной поверхности; 2 - зацепление за межфазную поверхность; 3 - ассимиляция жидкой неметаллической фазой (шлаком) или спекание с твердой фазой. Лимитирующим звеном процесса является первая стадия [10]. В связи с этим, интенсивное перемешивание металла пузырями выделяющихся при вакуумировании газов, в свою очередь способствует удалению неметаллических включений, «прилипших» к пузырям газа и уносимых вверх в шлак. Адгезия неметаллических включений к поднимающимся пузырям газа происходит в тех случаях, когда смачиваемость газового пузыря неметаллическим включением лучше (т.е. малая величина ан.п.-,а^ ). чем смачиваемость этим же неметаллическим включением металла (т.е. большое значение величины стн.в.- ме). В большинстве случаев имеет место именно такое соотношение: аНв-т <анв-ме и газовые пузыри при этом способствуют рафинированию металла от неметаллических включений.

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Как известно, содержание водорода в стали

подчиняется закону Сивертса и определяется, при прочих равных условиях, давлением водорода в газовой фазе

[ И | = Км л'Рт (10)

При снижении давления над расплавом равновесие реакции

2 [ Н ] = { Н2 } (11)

сдвигается вправо. Водород в жидкой стали обладает большой подвижностью, коэффициент диффузии водорода достаточно велик (Он=(1.2-1.5)*Ю"3 см/с) и в результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из расплава [7].

Азот подчиняется тем же законам, что и водород, однако азот в металле менее подвижен, коэффициент диффузии его в жидком железе на порядок меньше (0н=(1-4)*10_4 см/с), поэтому интенсивность рафинирования расплава от азота под вакуумом значительно ниже, чем от водорода. Чтобы достигнуть заметной степени рафинирования металла от азота, требуются более глубокий вакуум и более продолжительная выдержка. Процесс рафинирования металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделений пузырей окиси углерода. Эти пузыри интенсивно перемешивают металл, а также способствуют удалению газов, так как в пузыре, состоящем только из СО, парциальные давления водорода и азота равны нулю [7,12].

При обработке металла вакуумом уменьшается содержание растворенных в металле кислорода, водорода и азота, а так же оксидных

неметаллических включений. В результате выделения большого количества газовых пузырей металл перемешивается, становится однородным, выравниваются его состав и температура. Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит повышенные концентрации примесей цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется. Примеси цветных металлов в некоторых случаях, особенно при производстве высокопрочных сплавов, заметно ухудшают свойства металла и обработка вакуумом является по существу единственным способом уменьшить это вредное влияние.

1.2 Вакуумирование объёма (слоя) металла.

Одной из основных разновидностей способов вакуумирования стали является вакуумирования объема (слоя) металла.

При вакуумировании стали в ковше сталеразливочный ковш с расплавленным металлом помещают в камеру, в которой создают вакуум или накрывают крышкой и выдерживают при пониженном давлении, рисунок 2. За счёт принудительного перемешивания, например, за счёт продувки аргоном или при создании переменного электромагнитного поля, удаётся внутренние объёмы металла доставить на поверхность, где происходит массообмен расплава с разреженной атмосферой [13,14], образовавшейся при снижении давления над металлической ванной.

В начальный момент времени протекание процесса вакуумирования лимитируется условиями зарождения пузырьков (скорость снижения давления, наличие реакционной поверхности). Во второй период процесса лимитирующим звеном является подвод реагентов в активный слой.

При вакуумировании нераскисленной стали интенсивное

ю

а) способ с использованием вакуумной камеры; б) способ с использованием вакуумного сталеразливочного ковша; 1- вакуумная камера; 2 - к вакуумному насосу; 3- крышка; 4 - бункер для присадки легирующих материалов; 5 -экран; б - сталеразливочный ковш; 7 - подача аргона.

Рисунок 2 - Схемы вакуумной обработки стали в сталеразливочном

ковше.

газовыделение приводит к возникновению восходящих газометаллических потоков, которые продвигаются от периферии к центру, вызывая тем самым перемешивание ванны, что не наблюдается при обработке раскисленной стали.

Большим достоинством методов ковшевого вакуумирования является^простота оборудования и технологии, относительно малые теплопотери и хорошая «вписываемость» в технологический ритм цеха. В то же время недостатком этого метода является невысокая эффективность при обработке больших масс металла (более 150 т), невысокая степень дегазации легированного металла и невозможность введения большого количества раскислителей и легирующих из-за недостаточного перемешиванияарасплава. Необходимым условием является организация принудительного перемешивания и наличие высоких бортов ковша над расплавом.

При вакуумировании порций металла обработке подвергается не весьаметалл сразу, а только часть, которая поступает в специальную вакуумкамеру. После обработки порция металла возвращается обратно. Отборапорций металла продолжается до тех пор, пока вся плавка не будет дегазирована с необходимой степенью.

Вакуумирование порций металла более эффективно, чем вакуумирование в ковше, особенно если речь идет об объемах стали более 200 т, так как обработке подвергается не весь объем, а лишь его часть и, тем самым, реализуются более благоприятные условия зарождения и выделения пузырьков. При этих методах увеличивается отношение площади поверхности к объему