автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

Быков Станислав Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОДУКТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТИСТОЙ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ

Специальность 05 16 02 -Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2008

□□3445649

003445649

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Научный руководитель - доктор технических наук,

доцент

Столяров Александр Михайлович

Официальные оппоненты

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор

Семин Александр Евгеньевич,

кандидат технических наук, профессор

Миляев Александр Федорович

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (г. Челябинск)

Защита состоится 30 сентября 2008 г в 772- на заседании диссертационного совета Д 212 111 01 при ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова" по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им Г.И Носова"

Автореферат разослан «¿V » августа 2008 г

Ученый секретарь /Л /3 У /7

диссертационного совета А/ A/Jb&AsjJ/' В Н Селиванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Азотистая коррозионностойкая сталь специального назначения, в частности для изготовления клапанов автомобильных двигателей, производится в сравнительно небольшом, но растущем объеме Производство такой стали осуществляется, как правило, в давно эксплуатирующихся электросталеплавильных цехах дуплекс - процессом в дуговых электропечах с последующим плазменным дуговым переплавом В таких условиях переход на современные высокопроизводительные способы производства коррозионностойкой азотистой стали невозможен и экономически нецелесообразен В ОАО "Ижсталь" азотистая коррозионностойкая сталь марки 55Х20Г9АН4 с содержанием 0,30 0,60 % азота производится по следующей схеме Сначала в дуговой сталеплавильной печи выплавляется полупродукт с частичным введением азота до 0,17 .0,20 %, а окончательное азотирование металла производится при плазменном дуговом переплаве расходуемых электродов, отлитых из полупродукта Полупродукт выплавляется в печах небольшой вместимости методом переплава высоколегированных азотсодержащих отходов и ферросплавов с продувкой или без продувки металла кислородом В восстановительный период плавки в печь вводится азотированный феррохром, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Недостатками такой технологии являются низкий уровень усвоения азота из вводимого азотированного феррохрома, высокий расход дорогостоящего азотированного феррохрома, трудности с получением ограниченного содержания кремния в полупродукте из-за наличия этого элемента в используемом феррохроме

При модернизации оборудования в старых электросталеплавильных цехах широко вводятся в эксплуатацию новые агрегаты «печь-ковш» для ковшевой обработки металла Это предоставляет возможность для включения такого агрегата в технологическую цепочку производства азотистой коррозионностойкой стали Использование экономичного способа ковшевого газового азотирования металла на агрегате «печь-ковш» в процессе продолжительной обработки расплава позволит ввести часть азота в полупродукт при его ковшевой обработке с соответствующим уменьшением количества вводимого азота в процессе выплавки Это будет способствовать снижению расхода дорогостоящего азотированного феррохрома в дуговую печь и уменьшению себестоимости полупродукта Поэтому совершенствование технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали с дополнительным ковшевым газовым азотированием металла, несомненно, является актуальной задачей для электросталеплавильного производства ОАО «Ижсталь»

Цель работы - разработка ресурсосберегающей технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 в условиях ОАО «Ижсталь»

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи

- разработать технологию ковшевого газового азотирования на агрегате «печь-ковш» полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4,

- произвести количественную оценку поступления азота в металл из дутья и воздушной атмосферы с изучением характера изменения содержания других химических элементов в процессе ковшевой обработки,

- скорректировать технологию выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи,

- оценить экономическую эффективность внедрения усовершенствованной технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 в условиях ОАО «Ижсталь»

Научная новизна работы заключается в следующем

- экспериментально определена величина повышения содержания азота в металле при ковшевом газовом азотировании полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4, выявлены эмпирические зависимости конечного содержания азота в металле и величины азотирования металла от удельного расхода вдуваемого азота, продолжительности продувки, начального содержания азота и конечного содержания серы в металле,

- установлена эмпирическая зависимость скорости азотирования металла от удельной интенсивности продувки азотом в ковше и определена рациональная величина удельной интенсивности дутья для достижения максимальной скорости азотирования металла,

- выявлены зависимости усвоения азота металлом из дутья от удельной интенсивности продувки расплава азотом, массы азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, от продолжительности продувки азотом и конечного содержания серы в металле, произведена количественная оценка доли азота, поступающего в металл при ковшевом газовом азотировании полупродукта из дутья и воздушной атмосферы

Практическая значимость работы состоит в том, что в результате усовершенствования технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 существенно - в 2,9 раза снизился расход азотированных ферросплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в 1,7 раза уменьшилась продолжительность восстановительного периода плавки полупродук-

та в дуговой печи, увеличилось сквозное усвоение в печи азота и марганца соответственно на 32,7 % (абс ) и 13,4 % (абс )

Годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованной ресурсосберегающей технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «Ижсталь» составил 1,323 млн руб

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2007 г), ТП Конгрессе металлургов Урала «Металлургия стали Проблемы и решения» (Челябинск, 2008 г) и на ежегодных конференциях МГТУ по итогам научно-исследовательских работ в 2006. 2008 годах

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей в журналах и сборниках, в том числе 2 статьи в центральных рецензируемых изданиях

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения Она изложена на 116 страницах машинописного текста, включая 11 таблиц, 32 рисунка и 129 источника

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы диссертационной работы, ее цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрены вопросы растворимости азота в железе и стали, влияния различных химических элементов, температуры расплава и давления в газовой атмосфере на растворимость азота, влияния азота на свойства стали, классификации легированных азотом сталей

Азот достаточно широко используется в качестве легирующего элемента при производстве стали Введение его в аустенитную коррозионностой-кую сталь для частичной замены дорогостоящего никеля позволяет повысить прочностные свойства металла, увеличить сопротивление разрыву при обычных и повышенных температурах, повысить коррозионную стойкость и немагнитные свойства, стабилизировать у - фазу в результате расширения области аустенига. В нержавеющей хромоникельмарганцовистой стали, характерным представителем которой является сталь марки 55Х20Г9АН4, наличие высокого содержания таких примесей, как хром и марганец, способствует увеличению растворимости азота Углерод, никель, фосфор и сера, наоборот, снижают растворимость азота. Такая сталь относится к группе азотистых сталей с содержанием азота

0,30 0,60 % В старых цехах при малых объемах производства азотистая нержавеющая сталь часто производится дуплекс-процессом - в дуговых электропечах с последующим плазменным дуговым переплавом При этом в таких цехах для перехода на современные способы производства азотистой корро-зионностойкой стали нет возможности и экономической целесообразности В последнее время в результате осуществления активного процесса модернизации оборудования, выражающегося, в частности, во введении в эксплуатацию агрегатов «печь-ковш», появилась возможность опробования ковшевого газового легирования стали азотом

На основании изучения литературных источников можно констатировать, что ковшевое легирование жидкой стали газообразным азотом позволяет получать в металле содержание азота на уровне, который соответствует или незначительно превышает содержание азота в микролегированной стали (0,02 0,04 %) При этом сложилось мнение, что основным источником азота в процессе ковшевого газового легирования металла является вдуваемый газообразный азот, а поглощение азота через открытую поверхность металла в ковше при атмосферном давлении незначительно и им можно пренебречь Вдувание в потоке азота азотсодержащих материалов, например цианамида кальция, не решает проблему кардинального увеличения содержания азота. Анализируемые данные получены при продувке металла с достаточно низким содержанием элементов, способствующих растворению азота, в течение относительно небольшого промежутка времени и в ковше без возможности поддержания температуры обрабатываемого металла

Поэтому значительный интерес представляет исследование возможностей газового азотирования на агрегате «печь-ковш» в процессе продолжительной обработки металла с высоким содержанием элементов, как повышающих (хром и марганец), так и понижающих (углерод и никель) растворимость азота с целью получения полупродукта при производстве азотистой коррозионностойкой стали

Во второй главе приведены характеристика азотистой коррозионно-стойкой стали марки 55Х20Г9АН4, требования стандарта к химическому составу стали и полупродукта для ее производства Рассмотрена методика проведения первого этапа исследования, главной задачей которого являлось выявление возможностей ковшевого газового азотирования по увеличению содержания азота в полупродукте

Полупродукт выплавлялся в дуговой сталеплавильной печи вместимостью 30 т, оборудованной трансформатором мощностью 12 MB А Использовался метод переплава высоколегированных азотсодержащих отходов и ферросплавов двумя способами с применением продувки расплава кислородом или без продувки Плавка проводилась по классической схеме с наличием восстановительного периода На опытных плавках осуществлялось достаточ-

но осторожное снижение расхода азотированных материалов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) Расход азотсодержащих материалов определялся из расчета получения в полупродукте в среднем не менее 0,15 % азота Рекомендовалось иметь температуру полупродукта перед выпуском из дуговой печи 1500 1520 °С

Ковшевая обработка полупродукта производилась на агрегате «печь-ковш» (АПК) с трансформатором мощностью 8 МВА Для введения газообразного азота в расплав использовался способ донной продувки через газопроницаемую пробку в днище 30-т ковша Продувка металла азотом с расходом дутья до 19 20 м3/ч производилась в течение всего цикла ковшевой обработки полупродукта В процессе ковшевой обработки полупродукта рекомендовалось иметь содержание серы в металле не более 0,013 %. Наведение шлака на агрегате «печь-ковш» производилось с учетом количества печного шлака в сталеразливочном ковше Для раскисления шлака использовались порошок кокса и алюминиевая сечка с возможным использованием молотого ферросилиция в зависимости от содержания кремния в металле.

На агрегате «печь-ковш» не производилось введение в расплав азотированных материалов и раскислителей В процессе обработки осуществлялся периодический отбор проб металла для контроля содержания в нем азота После достижения содержания азота 0,17 0,20 % и при условии получения требуемого содержания других элементов ковшевая обработка полупродукта заканчивалась Рекомендуемая температура полупродукта в ковше после окончания газового азотирования составляла 1480 1500 °С

В третьей главе представлены результаты ковшевого газового азотирования полупродукта на агрегате «печь-ковш» 23 опытных плавок

Средние значения содержания примесей в полупродукте (% по массе) и его температуры (t, °С) до и после ковшевой обработки были следующими С Si Mn S Р Cr Ni N t До обработки 0,50 0,23 7,8 0,015 0,030 20,0 3,8 0,16 1520 После обработки 0,54 0,27 8,4 0,013 0,033 20,4 3,8 0,21 1490 Корреляционно-регрессионным анализом установлено статистически значимое влияние на конечное содержание азота в металле четырех факторов удельного расхода газообразного азота, продолжительности продувки азотом, начального содержания азота и конечного содержания серы в металле

Уравнения регрессии парных линейных зависимостей выглядят следующим образом

[Н]к= 0,174 +0,065 v„ г = 0,6028, r0os = 0,4143, (1) [yVJ, = 0,1655 +0,038 х„ут, г = 0,5498, (2)

= 0,0787 + 0,7936 [Ы]„, г = 0,5863, (3)

0,2677-4,49 [Я. г = -0,4577, (4)

где [N]„, [N], - начальное и конечное содержание азота в металле в процессе ковшевой обработки, %; v,, - удельный расход газообразного азота, м3/т; Tfjvm - продолжительность продувки азотом, ч, [S]K - конечное содержание серы в металле, %, г, г0 (¡5 - коэффициент парной корреляции и его критическая величина

При увеличении значений первых трех факторов конечное содержание азота в металле ожидаемо возрастает При этом наиболее сильное влияние на конечное содержание азота в металле оказывает удельный расход вдуваемого газообразного азота Четвертый фактор - конечное содержание серы в металле оказывает понижающее воздействие на содержание азота в металле Это объясняется блокадным влиянием поверхностно-активной серы на процесс перехода азота в металл из атмосферного воздуха Установление факта понижающего воздействия содержания серы на конечное содержание азота в металле при продолжительном вдувании газообразного азота в полупродукт на АПК свидетельствует о заметном влиянии на азотирование расплава наряду с основным процессом - продувкой металла азотом и процесса перехода азота в металл из атмосферного воздуха

В результате множественного регрессионного анализа влияния четырех факторов на конечное содержание азота в металле выявлена следующая зависимость

[Л], = 0,055+ 0,816 [TV ]„ +0,019гдуи + 0,037уг -1,823[5], (5)

Коэффициент множественной корреляции R равен 0,8906 и превышает его критическое значение (0,8644)

Сравнительная оценка опытных и рассчитанных по зависимости (5) значений конечного содержания азота в металле показала, что между ними существует линейная зависимость

=0,9953[Nllpm) +0,004, г = 0,896, г0001 =0,641. (6) Результаты сравнения двух выборок (F=1,249, FOOJ=2,048, /=0,089, 'о05=2,015) подтверждают высокую вероятность существования найденной зависимости

Результаты расчетов содержания азота в металле после окончания ковшевой обработки на АПК с использованием зависимости (5) представлены на рисунке 1 На нем показано также поле эмпирических значений конечного содержания азота в металле

Важным параметром ковшевой обработки полупродукта является величина азотирования металла, определяемая как разность между конечным и начальным содержанием азота в металле При ковшевом газовом азотировании металла массой около 30 т в течение 72 мин величина азотирования металла в среднем составляет 0,050 % (абс )

0,27"

£ 0,25"

0 8

ё 0,23-х

03

1 0,21-

О

8 0,19-х

У о

§ 0,17-

0,15-|-,-,-,-,-,-,-,

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Удельный расход газообразного азота, м3/т

Рисунок 1 - Расчетная зависимость конечного содержания азота в

полупродукте на агрегате «печь-ковш» от удельного расхода вдуваемого газа и начального содержания азота ([А],,) при средних значениях продолжительности продувки 1,2 ч и конечного содержания серы в металле 0,013 %

С использованием формулы (5) получено уравнение для расчета прогнозируемой величины азотирования (%) при отсутствии информации о конечном содержании азота в металле

Д[Щ = 0,055 -0,184[Л^]„ + 0,019г^, + 0,0637^ -1,1823[5]4 (7) Величина азотирования расплава в процессе ковшевой обработки на АПК возрастает при увеличении продолжительности продувки металла газообразным азотом и удельного расхода дутья, а также при снижении начального содержания азота и конечного содержания серы в металле Изменение прогнозируемой величины азотирования металла при одном из вариантов значений факторов показано на рисунке 2

В рассмотренном диапазоне значений четырех факторов самое сильное влияние на изменение величины азотирования металла оказывает удельный расход вдуваемого азота При изменении величины удельного расхода дутья от 0,2 до 1,2 м3/т величина азотирования металла возрастает на 0,037 % (абс ) Изменение продолжительности продувки азотом расплава от 0,7 до 1,9 ч вызывает увеличение величины азотирования металла на 0,023 % (абс ) Величина азотирования металла уменьшается при повышении начального содержания азота и конечного содержания серы в металле на 0,013 и 0,018% (абс) соот-

0,09

со 0,08 с;

¡Ё 0,07

4)

| 0,06

I 0,05-1

I 0,04-|

I 0,03

I 0,02"

£Г

§ о,он

(О ' «

тл>„=1,9 ч

Тй™=1,3 Ч

Тоут=0,7 Ч

0,2 ~0А 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Удельный расход газообразного азота, м3/т

Рисунок 2 - Расчетная зависимость величины азотирования металла в ковше на агрегате «печь-ковш» от удельного расхода вдуваемого газа и продолжительности продувки {т„ут) при средних значениях начального содержания азота 0,167 % и конечного содержания серы 0,013 % в металле (точками показаны эмпирические значения величины азотирования)

ветственно Прогнозируемая величина азотирования по расчету в среднем равняется 0,050 % (абс) Таким образом, для обеспечения минимального уровня содержания азота в расходуемых электродах, составляющего 0,17 %, для успешного проведения плазменного дугового переплава при производстве стали марки 55Х20Г9АН4 содержание азота в полупродукте по приходу на агрегат «печь-ковш» должно составлять не менее 0,12 % (абс)

Степень азотирования металла, определяемая как отношение величины азотирования к начальному содержанию азота и выраженная в процентах, на опытных плавках изменялась в интервале от 12 до 53 % и в среднем составляла 28 % В тех случаях, когда конечное содержание азота в металле неизвестно, можно спрогнозировать величину степени азотирования металла (%), рассчитав ее по формуле

0,055 - 0,184 + 0,019тЛт + 0,037 V, - 1,823

—I—

0,6

"оУ

-1— 1,2

N прог

100 (8)

Прогноз скорости азотирования металла (ррш/мин) за период времени продолжительностью г(|>„,(мин) может быть осуществлен по формуле

_ (0,055-0,184[N1 +0,019гаш + 0,038У -1,823[£]„) 10000 (9)

Чып /XI ~

Фактические значения скорости азотирования металла изменяются в интервале от 3,6 до 9,4 ррт/мин при средней величине 6,3 ррт/мин

Скорость азотирования металла опытных плавок статистически значимо зависит от удельной интенсивности дутья азотом (рисунок 3) согласно зависимости

Ям = -52,13 +56,551 -8,25,// = 0,558,//ооо1 =0,527, (10) где /Л,ч - удельная интенсивность дутья азотом, м3/(т ч)

0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70

Удельная интенсивность дутья, м3/(т ч) Рисунок 3 - Зависимость скорости азотирования металла при ковшевой обработке полупродукта на агрегате «печь-ковш» от удельной интенсивности дутья газообразным азотом

Наибольшая скорость азотирования 7,1 ррт/мин наблюдается при удельной интенсивности дутья газообразным азотом через пробку в днище сталеразливочного ковша, имеющей величину 0,54 м3/(тч) Это позволяет рассчитать рациональный расход газообразного азота при ковшевой обработке полупродукта на АПК При средних значениях массы металла в сталераз-ливочном ковше 31,2 т и продолжительности продувки металла азотом 1,2 ч рациональный расход газообразного азота составляет 20,2 м3 Наличие оптимума на графике зависимости скорости азотирования металла в ковше от удельной интенсивности продувки азотом, очевидно, объясняется тем, что с увеличением интенсивности дутья происходит переход от пузырькового режима движения вдуваемого азота в расплаве к струйному режиму

Для оценки степени насыщения металла азотом в конце ковшевой обработки полупродукта был произведен расчет равновесного содержания азота в металле с использованием формулы

1^-0 025^ЛМ+|у!+0 045|(Г|-^"+0 00б||Мл |+0 007451+0 045| Л+

/

[ЛП =10

043^01+^^-0 00012^ [М |

(

1)

Растворимость азота в полупродукте для рассмотренного диапазона химического состава и температуры металла при условии равновесия системы изменяется в интервале от 0,55 до 0,67 % при средней величине 0,58 % Это более, чем на порядок превышает максимальную растворимость азота в жидком железе (0,044 %) при температуре 1600 °С и атмосферном давлении 0,1 МПа Растворение азота в полупродукте увеличивается вследствие высокого содержания в расплаве железа таких элементов, как хром (около 20 %) и марганец (около 8,5 %) даже при значительно меньшей температуре металла (около 1490 °С)

С использованием формулы (11) были проведены расчёты равновесного содержания азота в металле при изменении каждого из приведенных факторов в диапазоне, характерном для полупродукта в конце ковшевой обработки на АПК Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что наибольшее влияние из всех рассмотренных факторов на равновесное содержание азота оказывает содержание хрома в металле согласно выявленной линейной зависимости

[ЛГ], = 0,0747[0] - 0,947. (12)

Остальные факторы в соответствии со степенью влияния на равновесное содержание азота и относительно влияния содержания хрома условно разбиты на три группы В первую группу входят два фактора - содержание в металле марганца и кремния Они, примерно, в 5 9 раз слабее влияют на равновесное содержание азота в сравнении с влиянием содержания хрома Ко второй группе относятся три фактора температура металла, содержание в металле углерода и никеля, воздействие которых в 15 22 раза слабее Третью группу составляют последние два фактора - содержание в металле фосфора и серы, влияние которых на два-три порядка меньше

Степень насыщения азотом металла характеризует отношение фактического содержания азота в металле к его равновесному содержанию и является безразмерной величиной После окончания ковшевой обработки на АПК этот параметр изменяется в интервале от 0,27 до 0,47 при среднем значении 0,37

Корреляционный анализ массива опытных данных показал наличие тесной взаимосвязи между степенью насыщения металла азотом после ковшевой обработки и такими факторами, как удельный расход газообразного азота на тонну металла и продолжительность продувки металла азотом в ковше

Выявленные зависимости представлены на рисунках 5 и 6, имея следующий вид

т/„(> ,=0,2607+0,0876^, (13)

г = 0,6901, г005 = 0,4143, ^ = 2,102, = 2,048, / = 0,003, /005 = 2,015,

^,=0,2851+0,1414^, (14)

г = 0,7134, г0 05 = 0,4143, ^ = 1,9653, ^ 05 = 2,048, / = 0,003, г0 05 = 2,015, где ?7л>) _ степень насыщения азотом металла после завершения ковшевой обработки Наиболее сильное влияние на степень насыщения азотом металла после окончания ковшевой обработки оказывает удельный расход вдуваемого азота (рисунок 4)

Рисунок 4 - Зависимость степени насыщения азотом металла после окончания ковшевой обработки полупродукта на АПК от удельного расхода вдуваемого азота

С увеличением удельного расхода азота на каждые 0,4 м3/т степень насыщения металла азотом повышается на величину, равную 0,06

При экспериментальном исследовании ковшевого газового азотирования оказалось невозможной количественная оценка вклада в суммарный процесс азотирования металла двух источников дутья и воздушной атмосферы С целью решения этой задачи и для изучения поведения других элементов в металле было проведено математическое моделирование процесса ковшевой обработки полупродукта

В четвертой главе приведены описание математической модели, ее настройки и анализ результатов моделирования

Математическая модель процесса ковшевой обработки полупродукта для получения коррозионностойкой азотистой стали разработана на основе материального баланса химических элементов, находящихся в металле

В общем виде уравнение материального баланса для любого элемента в полупродукте может быть записано следующим образом

тГ" = тР

+ (15)

где т^'сч - расчетная масса химического "элемента Е в металле после ковшевой обработки полупродукта, кг, — масса химического элемента Е в металле перед ковшевой обработкой, кг,

- суммарное поступление элемента Е в металл из других '=1 и источников, кг

По уравнению (15) рассчитывается масса углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, хрома, никеля и железа в конце ковшевой обработки полупродукта При расчете принимается полное усвоение элементов После этого определяется фактическая масса элементов в металле после ковшевой обработки по информации о конечной массе металла и его химическом составе

Величина отклонения фактической массы элемента в металле после завершения обработки от её расчетной величины находится из выражения

=трю"-тГ , (16)

л * '-ко* ^КОН „

где - величина отклонения массы элемента Е, кг,

тр"*"'- фактическая масса элемента Е в металле после ковшевой "" обработки полупродукта, кг.

Положительный знак величины отклонения массы элемента свидетельствует о его дополнительном поступлении в металл, а отрицательная - о дополнительном удалении из металла

По информации о величине отклонения массы шлакообразующих элементов определяется изменение массы соответствующих оксидов, оказывающей влияние на количество шлака, и масса кислорода, требуемая для окисления элементов

В первой части расчета исходными данными является информация о массе металла перед обработкой в ковше и после обработки, массе введенных в металл добавочных материалов, содержании углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, хрома, никеля и железа в металле на разных стадиях ковшевой обработки и во вводимых материалах Результатами расчетов являются данные о массе каждого элемента, дополнительно поступившего в металл или дополнительно из него удалившегося, изменении количества шлака в резуль-

1=1

Е<

тате изменения содержания элементов в металле и массе кислорода, требующегося на окисление примесей металла

Вторая часть расчета выполняется для количественной оценки поступления азота в металл при ковшевой обработке из дутья и воздушной атмосферы В качестве исходных данных для расчета является информация о массе металла перед обработкой и после обработки, начальном и конечном содержании азота в металле, объеме дутья, содержании в дутье азота и его плотности, продолжительности продувки и ее удельной интенсивности, конечном содержании серы в металле Данная часть расчета имеет следующие особенности

В формуле (15) учитывается поступление азота из двух основных источников дутья и воздушной атмосферы

Масса азота, поступающего в металл из дутья, определяется по формуле

_ ^Лут {^2}дут Пу)

Д/ --, ^ '

м~ 10000 где Уг1ут - объем вдуваемого газа, м3, {^2 )дут ~~ с°ДеРжание азота в дутье, %, Рыг - плотность азота, кг/м3, и„ - усвоение азота металлом из дутья, %

При расчетах содержание азота в дутье принималось равным 99,99 %, а плотность азота - 1,25 кг/м3

В формуле (17) величина усвоения азота металлом из дутья рассчитывается по уравнению линейной зависимости от удельной интенсивности продувки расплава азотом, в котором в качестве коэффициентов регрессии используются настроечные коэффициенты А/ и к2

Масса азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, находится по формуле

=у*„ %./60> (18) где улг,„„н~ скорость поступления азота в металл из воздушной атмосферы, кг/ч,

Тдут ~ продолжительность продувки, мин

В формуле (18) величина скорости поступления азота в металл из воздуха рассчитывается по уравнению линейной зависимости от содержания серы в металле в конце ковшевой обработки с использованием в качестве коэффициентов регрессии настроечных коэффициентов к3 и к4

Для успешного проведения расчета необходимо осуществление процедуры настройки модели Настройка модели заключается в подборе значений настроечных коэффициентов к, таким образом, чтобы обеспечивалось наименьшее расхождение результатов расчёта прогнозируемой массы азота в металле после завершения его ковшевой обработки с его фактической массой С этой целью для каждой опытной плавки по вышеприведенному алгоритму производится расчет прогнозируемой массы азота в металле при произвольно

заданных начальных значениях настроечных коэффициентов При этом определяется квадрат разности между прогнозируемым и фактическим значением массы азота в металле

Подбор значений настроечных коэффициентов к, производится при помощи сервисной функции поиска решений в электронных таблицах Ехсе1-2000 При этом в целевой ячейке электронных таблиц должно находиться минимальное значение суммы квадратов отклонений массы азота по всем опытным плавкам

О качестве настройки модели можно судить по результатам сравнения прогнозируемого содержания азота в полупродукте после ковшевого газового азотирования, рассчитанного на модели, с его фактическим содержанием, определенным экспериментально. Между сравниваемыми параметрами существует значимая связь

=0,017 + 0,921 [ЛПГ , г = 0,935, г0001= 0,6652 (19) Это свидетельствует о том, что разработанная математическая модель адекватно описывает процесс ковшевой обработки полупродукта на агрегате «печь-ковш»

В результате моделирования были получены данные об изменении массы различных элементов в металле в ходе ковшевой обработки полупродукта Анализ этих данных показывает, что в процессе ковшевой обработки полупродукта два химических элемента - кремний и сера принимают участие только в процессе удаления из металла Остальные пять рассмотренных элементов углерод, марганец, фосфор, хром и железо участвуют как в процессе поступления элементов в металл, так и в процессе удаления из него Средние значения величин изменения массы этих элементов показывают, что для углерода, марганца и хрома преобладающим является процесс их удаления из металла, а для фосфора и железа - процесс поступления в металл

Выявлены линейные зависимости величины изменения массы железа от величин изменения масс марганца и хрома, уравнения которых имеют следующий вид

Ат„ =4,18-1,07 Атш , г - 0,567, г0 01 = 0,549 , (20) Ьти =20,4 -0,67 Ати , г = 0,449, г005 = 0,433 (21)

В результате анализа расчетных значений массы кислорода, требуемой для окисления примесей металла, установлено, что основная масса кислорода поступает в металл из воздушной атмосферы Это происходит в результате вторичного окисления металла в ковше, поверхность которого освобождается от защитного покрова шлака при продувке расплава газообразным азотом Подтверждением этого является факт установления зависимости массы окислившегося марганца от удельной интенсивности продувки металла в ковше азотом Эта зависимость приведена на рисунке 5 и имеет следующий вид

Атш = 93,2 - 252,4 , , г = 0,422, г0, = 0,369 (22)

150-г

и

сз 100-ЕГ

I

1-100-

-150-1-1-1-1--—г———I-1-1-

0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70

Удельная интенсивность продувки, м3/(т-ч) Рисунок 5 - Зависимость изменения массы марганца в металле при ковшевой обработке полупродукта от удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом

С ростом удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом увеличивается площадь освобождающейся от шлака поверхности жидкого металла в ковше в месте выхода газа в атмосферу. Это вызывает усиление процесса вторичного окисления металла кислородом воздушной атмосферы и увеличение массы окисляющихся примесей металла, в частности - марганца (на рисунке 5 отрицательные значения изменения массы марганца характеризуют его окисление и удаление из металла).

По модели также была рассчитана масса оксидных включений, поступающих в шлак при окислении примесей и удаляющихся из шлака при восстановлении элементов в металл из соответствующих оксидов. Средние значения изменения массы шлака для одной плавки оказались следующими: масса оксидов и серы, поступающих в шлак - 181,1 кг; масса оксидов, уходящих из шлака - 131,4 кг. Таким образом, в процессе ковшевой обработки металла одной плавки масса шлака увеличивается в среднем на 50 кг вследствие изменения содержания элементов в металле.

В процессе настройки разработанной математической модели установлена зависимость усвоения азота металлом из дутья от удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом. Эта зависимость выражается в виде следующего уравнения:

и„ = 96,32-85,08-/, (23)

где I/ - усвоение азота металлом из дутья, %.

С увеличением интенсивности дутья от 0,32 до 0,61 м /(т ч), то есть в 1,9 раза, усвоение азота в металл из дутья снижается с 69,1 до 44,4 % (в 1,6 раза) и в среднем составляет около 57 % Такая тенденция объясняется недостатком времени для успешного протекания процесса растворения в металле вдуваемого газа при сокращении продолжительности вдувания постоянного объема газа или увеличении объема дутья при постоянной его продолжительности

При настройке модели также получена зависимость массы азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, от продолжительности продувки (мин) расплава газообразным азотом и содержания серы в металле после завершения обработки

т,.

= (3,48-31,44[5]мя)

г*./60,

(24)

где ты - масса азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, кг

ГТосле преобразования формулы (24) получена зависимость относительной массы азота, поступающего из атмосферы в металл (рисунок 6)

тк

= (0,011-0,1[5и) г,

где

дут

(25)

т,

- относительная масса азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, % от массы металла; ТдуШ продолжительность продувки, ч

0,020

8 Р 0,015-

о н га £ 2 2

X о

О О4

а н О

0,010-

0,005-

№0,010

0,5

"оУ

0,9 1,1 ТУ 1,5 Продолжительность продувки, ч

Рисунок 6 - Зависимость относительной массы азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, от продолжительности продувки полупродукта в ковше газообразным азотом и содержания серы в металле

(точками показаны расчетные данные опытных плавок)

1,7

1,9

При увеличении продолжительности дутья с 0,6 до 1,8 ч (в три раза) поступление азота в металл возрастает примерно в 2,6 раза При увеличении содержания серы в металле после обработки с 0,010 до 0,020 % (в два раза) поступление азота из воздуха снижается в 1,1 раза из-за усиления блокадного эффекта поверхности жидкого металла серой

Моделирование процесса ковшевого газового азотирования на разработанной модели позволило сделать количественную оценку поступления азота в металл из двух источников дутья и воздушной атмосферы Доля азота, поступающего в металл из дутья, составляет от 70 до 78 % (отн) при средней величине 74 %, а из воздушной атмосферы - от 22 до 30 % (отн ) или в среднем 26 %

В пятой главе представлены данные об опытно-промышленном опробовании усовершенствованной технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 В результате корректировки технологии выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи, направленной на получение в металле перед ковшевым газовым азотированием на агрегате «печь-ковш» содержания азота не менее 0,12 %, получены следующие результаты

- расход азотированных ферросплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, снижен в 2,9 раза или на 24,9 кг/т металла (абс ),

- продолжительность восстановительного периода плавки полупродукта в дуговой печи уменьшена в 1,7 раза или на 55 мин (абс ) вследствие существенного снижения расхода азотированных ферросплавов, вводимых в печь в данный период плавки,

- сквозное усвоение элементов в печи возросло азота - на 32,7 % (абс), марганца - на 13,4 % (абс) вследствие отказа от продувки расплава кислородом

Усовершенствованная технология производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 внедрена в производство в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «Ижсталь» с годовым экономическим эффектом 1323 тыс руб

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Содержание азота в металле перед началом ковшевого газового азотирования полупродукта на агрегате «печь-ковш» должно быть не менее 0,12 % (абс ) В процессе ковшевого газового азотирования полупродукта массой 30 т на агрегате «печь-ковш» при средней продолжительности обработки 72 мин повышение содержание азота в металле - величина азотирования составляет в среднем 0,050 % (абс )

2 Содержание азота в полупродукте после окончания ковшевой обработки возрастает при увеличении удельного расхода вдуваемого азота, продолжительности продувки и начального содержания азота в металле, а также при снижении конечного содержания серы в металле Величина азотирования металла в процессе ковшевой обработки полупродукта повышается при возрастании удельного расхода дутья и продолжительности продувки, а также при уменьшении начального содержания азота и конечного содержания серы в металле

3 Для достижения максимальной скорости азотирования металла в ковше необходимо осуществлять продувку полупродукта азотом с рациональной величиной удельной интенсивности дутья - 0,54 м3/(т ч) Изменение характера влияния удельной интенсивности продувки азотом на величину скорости азотирования с возрастающего на убывающий, очевидно, объясняется переходом пузырькового режима перемещения вдуваемого азота в расплаве на струйный режим

4 Растворимость азота в полупродукте для условия равновесия системы возрастает при увеличении содержания хрома в металле и изменяется в интервале от 0,55 до 0,67 % при средней величине 0,58 % Степень насыщения металла азотом, характеризующая относительную долю фактического содержания азота от его равновесного содержания, увеличивается при повышении удельного расхода дутья и продолжительности продувки, изменяясь в интервале от 0,27 до 0,47 при средней величине 0,37

5 В процессе ковшевой обработки полупродукта происходит удаление из металла части серы и кремния - в среднем 24 и 21 % (отн.) соответственно Углерод, марганец и хром преимущественно удаляются из металла, а фосфор и железо - в основном поступают в металл Масса восстанавливающегося железа увеличивается при снижении массы марганца и хрома, поступающих в металл

6 Основная масса кислорода, расходуемого на окисление примесей металла, поступает в металл из воздушной атмосферы в результате вторичного окисления металла, поверхность которого освобождается от защитного покрова шлака при продувке расплава газообразным азотом Масса окислившегося марганца увеличивается с повышением удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом.

7 Усвоение азота в металл из дутья снижается в 1,6 раза при увеличении удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом в 1,9 раза и в среднем составляет около 57 %, что объясняется недостатком времени для успешного протекания процесса растворения в металле вдуваемого газа

8 Относительная масса азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, возрастает в 2,6 раза при увеличении продолжительности дутья в три раза или в 1,1 раза при снижении конечного содержания серы в металле в два

раза из-за ослабления блокадного эффекта поверхности жидкого металла серой Доля азота, поступающего в металл из дутья в процессе ковшевого газового азотирования полупродукта, составляет от 70 до 78 % при средней величине 74 %, а из воздушной атмосферы - от 22 до 30 % (в среднем около 26 %)

9 Усовершенствование технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 позволило существенно - в 2,9 раза снизить расход азотированных ферросплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в 1,7 раза уменьшить продолжительность восстановительного периода плавки полупродукта в дуговой печи, увеличить сквозное усвоение в печи азота и марганца соответственно на 32,7 % (абс ) (с 42,6 до 75,3 %) и 13,4 % (абс ) (с 53,1 до 66,5 %)

10 Усовершенствованная технология производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 внедрена в производство в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «Ижсталь» с годовым экономическим эффектом 1323 тыс руб

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1 Быков С С , Столяров А М Изучение степени насыщения азотом полупродукта для получения нержавеющей азотистой стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им Г.И Носова - Магнитогорск ГОУВПО«МГТУ» -2007 -№3(19) -С 40-43

2 Совершенствование технологии производства полупродукта для получения нержавеющей азотистой стали / С С Быков, А М Столяров, В В Роженцев, Г И Морозов // Электрометаллургия - 2008 - № 1 - С 5-8

3. Быков С С К вопросу о современном производстве легированных азотом сталей // Теория и технология металлургического производства Межрегион сб науч тр / Под ред В М Колокольцева - Вып 6 - Магнитогорск ГОУ ВПО«МГТУ» -2006 -С 71-75

4 Совершенствование технологии производства полупродукта для отливки расходуемых электродов с целью получения аустенитной азотистой стали / С С Быков, А М Столяров, В В Роженцев, Г И Морозов // Современные проблемы электрометаллургии стали Материалы XIII Международной конференции / Под ред В Е Рощина - Челябинск Изд-во ЮУрГУ, 2007 -4 2 -С 87-89

5 Азотирование на агрегате «печь-ковш» полупродукта для отливки расходуемых электродов с целью получения аустенитной азотистой стали / С С Быков, А М Столяров, В В Роженцев, Г И. Морозов // Современные проблемы электрометаллургии стали Материалы XIII Международной кон-

ференции / Под ред В Е Рощина - Челябинск Изд-во ЮУрГУ, 2007 -4 2 -С 108-110

6 Быков С С , Столяров А М Ковшевое азотирование полупродукта для получения нержавеющей азотистой стали // Теория и технология металлургического производства Межрегион сб науч тр / Под ред В М Колокольцева -Вып 7 - Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ» - 2007 - С 45-50

7 Быков С С, Столяров А М Усвоение азота при ковшевом азотирования полупродукта для получения нержавеющей стали // Теория и технология металлургического производства Межрегион сб. науч тр / Под ред В М Колокольцева - Вып 7 - Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ» - 2007 - С. 62 -65

8 Быков С С , Столяров AMO скорости процесса ковшевого азотирования полупродукта для получения нержавеющей стали // Теория и технология металлургического производства Межрегион сб науч тр / Под ред В М Колокольцева - Вып 7 - Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ» - 2007 - С 73 -75

9 Быков С С , Столяров А М Расчет равновесного содержания азота в полупродукте для получения нержавеющей стали // Литейные процессы Межрегион сб науч тр / Под ред В М Колокольцева - Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ» -2008 -Вып 7 - С 45-49

10 Быков СС, Столяров АМ Оценка влияния параметров на равновесное содержание азота в полупродукте для получения нержавеющей стали // Литейные процессы Межрегион сб науч тр / Под ред В М Колокольцева -Магнитогорск-ГОУ ВПО «МГТУ» -2008 -Вып 7 -С 50-54

11 Быков С С , Столяров А М Равновесное содержание азота в полупродукте для получения коррозионностойкой азотистой стали // Металлургия стали Проблемы и решения Материалы III Конгресса металлургов Урала - Челябинск ООО «Изд Рекпол». - 2008 - С 85-88

Подписано в печать 3 07 2008 Формат 60x84 1/16 Бумага тип № 1

Плоская печать Услпечл 1,00 Тираж! 00 экз Заказ 462

455000, Магнитогорск, пр Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «М1 ТУ»

Введение.

ГЛАВА I Состояние производства азотистых сталей.

1.1 Азот в железе и стали.

1.2 Влияние азота на свойства стали.

1.3 Классификация легированных азотом сталей.

1.4 Технология производства азотистых сталей.

1.5 Особенности технологии производства азотистых коррозионностойких сталей.

1.6 Ковшевое газовое азотирование стали.

Выводы по главе.

ГЛАВА II Технология производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали в условиях ОАО «Ижсталь».

2.1 Характеристика стали марки 55Х20Г9АН4 и полупродукта для её получения.

2.2 Технология выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи.

2.2.1 Технология выплавки полупродукта с применением продувки расплава кислородом.

2.2.2 Технология выплавки полупродукта без применения продувки расплава кислородом.

2.3 Технология ковшевой обработки полупродукта.

Выводы по главе.

ГЛАВА III Экспериментальное исследование ковшевого газового азотирования полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали.

3.1 Исследование возможности азотирования металла в процессе ковшевой обработки.

3.2 Степень азотирования полупродукта в процессе ковшевой обработки.

3.3 Изучение скорости азотирования металла в процессе ковшевой обработки полупродукта.

3.4 Изучение степени насыщения азотом полупродукта.

3.4.1 Расчёт равновесного содержания азота в полупродукте.

3.4.2 Оценка влияния параметров на равновесное содержание азота в полупродукте.

3.4.3 Оценка степени насыщения азотом полупродукта.

Выводы по главе.

ГЛАВА IV Математическое моделирование процесса ковшевого газового азотирования полупродукта с использованием эмпирических данных.

4.1 Описание модели.

4.2 Настройка модели.

4.3 Анализ результатов моделирования.

Выводы по главе.

ГЛАВА V Опытно-промышленное опробование усовершенствованной технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали.

5.1 Корректировка технологии выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи.

5.2 Результаты опробования усовершенствованной технологии производства полупродукта.

Выводы по главе.

Азотистая коррозионностойкая сталь специального назначения, в частности для изготовления клапанов автомобильных двигателей, производится в сравнительно небольшом, но растущем объёме. Производство такой стали осуществляется, как правило, в давно эксплуатирующихся электросталеплавильных цехах дуплекс - процессом: в дуговых электропечах с последующим плазменным дуговым переплавом. В таких условиях переход на современные высокопроизводительные способы производства азотистой коррозионностойкой стали невозможен и экономически нецелесообразен.

В ОАО "Ижсталь" азотистая коррозионностойкая сталь марки 55Х20Г9АН4 с содержанием 0,30.0,60 % азота производится по следующей схеме. Сначала в дуговой сталеплавильной печи выплавляется полупродукт с частичным введением азота до 0,17.0,20 %, а окончательное азотирование металла производится при плазменном дуговом переплаве расходуемых электродов, отлитых из полупродукта. Полупродукт выплавляется в печах небольшой вместимости методом переплава высоколегированных азотсодержащих отходов и ферросплавов с продувкой или без продувки металла кислородом. В восстановительный период плавки в печь вводится азотированный феррохром, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Недостатками такой технологии являются низкий уровень усвоения азота из вводимого азотированного феррохрома, высокий расход дорогостоящего азотированного феррохрома, трудности с получением ограниченного содержания кремния в полупродукте из-за наличия этого элемента в используемом феррохроме.

При модернизации оборудования в старых электросталеплавильных цехах широко вводятся в эксплуатацию новые агрегаты «печь-ковш» для ковшевой обработки металла. Это предоставляет возможность для включения такого агрегата в технологическую цепочку производства азотистой коррозионностойкой стали. Использование экономичного способа ковшевого газового азотирования металла на агрегате «печь-ковш» в процессе продолжительной обработки расплава позволит ввести часть азота в полупродукт при его ковшевой обработке с соответствующим уменьшением количества вводимого азота в процессе выплавки. Это будет способствовать снижению расхода дорогостоящего азотированного феррохрома в дуговую печь и уменьшению себестоимости полупродукта. Поэтому совершенствование технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали с дополнительным ковшевым газовым азотированием металла, несомненно, является актуальной задачей для электросталеплавильного производства ОАО «Ижсталь».

Целью диссертационной работы является разработка ресурсосберегающей технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 в условиях ОАО «Ижсталь».

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи: разработать технологию ковшевого газового азотирования на агрегате «печь-ковш» полупродукта для получения азотистой коррозионно-стойкой стали марки 55Х20Г9АН4;

- произвести количественную оценку поступления азота в металл из дутья и воздушной атмосферы с изучением характера изменения содержания других химических элементов в процессе ковшевой обработки; скорректировать технологию выплавки полупродукта в дуговой сталеплавильной печи;

- оценить экономическую эффективность внедрения усовершенствованной технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 в условиях ОАО «Ижсталь».

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально определена величина повышения содержания азота в металле при ковшевом газовом азотировании полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4; выявлены эмпирические зависимости конечного содержания азота в металле и величины азотирования металла от удельного расхода вдуваемого азота, продолжительности продувки, начального содержания азота и конечного содержания серы в металле;

- установлена эмпирическая зависимость скорости азотирования металла от удельной интенсивности продувки азотом в ковше и определена рациональная величина удельной интенсивности дутья для достижения максимальной скорости азотирования металла;

- методом математического моделирования выявлены зависимости усвоения азота металлом из дутья от удельной интенсивности продувки расплава азотом; массы азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, от продолжительности продувки азотом и конечного содержания серы в металле; произведена количественная оценка доли азота, поступающего в металл при ковшевом газовом азотировании полупродукта из дутья и воздушной атмосферы.

Практическая значимость работы состоит в том, что в результате усовершенствования технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 существенно - в 2,9 раза снизился расход азотированных ферросплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза; в 1,7 раза уменьшилась продолжительность восстановительного периода плавки полупродукта в дуговой печи; на 32,7 % (абс.) и 13,4 % (абс.) увеличилось сквозное усвоение в печи азота и марганца.

Годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованной ресурсосберегающей технологии производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «Ижсталь» составил 1,323 млн. руб.

Экспериментальная часть работы выполнена в ОАО "Ижсталь".

Автор выражает глубокую признательность работникам электросталеплавильного цеха, исследовательской лаборатории, лаборатории контроля ОАО "Ижсталь", сотрудникам кафедры металлургии чёрных металлов Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, принимавшим участие в совместном проведении исследований, обработке и анализе полученной информации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Содержание азота в металле перед началом ковшевого газового азотирования полупродукта на агрегате «печь-ковш» должно быть не менее 0,12 % (абс.). В процессе ковшевого газового азотирования полупродукта массой 30 т на агрегате «печь-ковш» при средней продолжительности обработки 72 мин повышение содержание азота в металле — величина азотирования составляет в среднем 0,050 % (абс.).

2. Содержание азота в полупродукте после окончания ковшевой обработки возрастает при увеличении удельного расхода вдуваемого азота, продолжительности продувки и начального содержания азота в металле, а также при снижении конечного содержания серы в металле. Величина азотирования металла в процессе ковшевой обработки полупродукта повышается при возрастании удельного расхода дутья и продолжительности продувки, а также при уменьшении начального содержания азота и конечного содержания серы в металле.

3. Для достижения максимальной скорости азотирования металла в ковше необходимо осуществлять продувку полупродукта азотом с рациональной велио чиной удельной интенсивности дутья - 0,54 м /(т-ч). Изменение характера влияния удельной интенсивности продувки азотом на величину скорости азотирования с возрастающего на убывающий, очевидно, объясняется переходом пузырькового режима перемещения вдуваемого азота в расплаве на струйный режим.

4. Растворимость азота в полупродукте для условия равновесия системы возрастает при увеличении содержания хрома в металле и изменяется в интервале от 0,55 до 0,67 % при средней величине 0,58 %. Степень насыщения металла азотом, характеризующая относительную долю фактического содержания азота от его равновесного содержания, увеличивается при повышении удельного расхода дутья и продолжительности продувки, изменяясь в интервале от 0,27 до 0,47 при средней величине 0,37.

5. В процессе ковшевой обработки полупродукта происходит удаление из металла части серы и кремния - в среднем 24 и 21 % (отн.) соответственно. Углерод, марганец и хром преимущественно удаляются из металла, а фосфор и железо — в основном поступают в металл. Масса восстанавливающегося железа увеличивается при снижении массы марганца и хрома, поступающих в металл.

6. Основная масса кислорода, расходуемого на окисление примесей металла, поступает в металл из воздушной атмосферы в результате вторичного окисления поверхности металла в ковше, оголяющейся от защитного покрова шлака при продувке расплава газообразным азотом. Масса окисляющегося марганца увеличивается с повышением удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом.

7. Усвоение азота в металл из дутья снижается в 1,6 раза при увеличении удельной интенсивности продувки расплава газообразным азотом в 1,9 раза и в среднем составляет около 57 %, что объясняется недостатком времени для успешного протекания процесса растворения в металле вдуваемого газа.

8. Относительная масса азота, поступающего в металл из воздушной атмосферы, возрастает в 2,6 раза при увеличении продолжительности дутья в три раза или в 1,1 раза при снижении конечного содержания серы в металле в два раза из-за ослабления блокадного эффекта поверхности жидкого металла серой. Доля азота, поступающего в металл из дутья в процессе ковшевого газового азотирования полупродукта, составляет от 70 до 78 % при средней величине 74 %, а из воздушной атмосферы - от 22 до 30 % (в среднем около 26 %).

9. Усовершенствование технологии производства полупродукта для получения коррозионностойкой азотистой стали марки 55Х20Г9АН4 позволило существенно — в 2,9 раза снизить расход азотированных ферросплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза; в 1,7 раза уменьшить продолжительность восстановительного периода плавки полупродукта в дуговой печи; увеличить сквозное усвоение в печи азота и марганца соответственно на 32,7 % (абс.) (с 42,6 до 75,3 %) и 13,4 % (абс.) (с 53,1 до 66,5 %).

10. Усовершенствованная технология производства полупродукта для получения азотистой коррозионностойкой стали марки 55Х20Г9АН4 внедрена в производство в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «Ижсталь» с годовым экономическим эффектом 1323099 руб.

1. JackK.H. Proc. Roy. Soc. A. 1951.-v. 208.-p. 200.

2. Fast J., Verrijp M. // J. Iron and Steel Inst. 1955. - v. 180. - pt. 4. - p. 337.

3. Хансен M., Андерко К. Структура двойных сплавов. Т. 1. М.: Металлург-издат, 1962.-608 с.

4. Эллиот Р.П. Структура двойных сплавов. Т. I. II. М.: Металлургия, 1970. - 907 с.

5. Нарита К. Кристаллическая структура и свойства неметаллических включений в стали. Перевод с японского. — М.: Металлургия, 1969. 191 с.

6. Goldschmidt / Metallurgia. 1949. - № 40. - p. 103.

7. Narita К. Tekkochuno hikinzoku Shogaibutsu. Koobe Seikosho chuei Kenkyn-sho. 1961.

8. Азот в металлах / B.B. Аверин, A.B. Ревякин, В.И. Федорченко, Л.Н. Козина М.: Металлургия, 1976. - 224 с.

9. Металлургия стали / В.И. Явойский, С.Л. Левин, В.И. Баптизманский и др. -М.: Металлургия, 1973. 816 с.

10. Кудрин В.А. Металлургия стали: Учебник для вузов. — 2-е изд. М.: Металлургия, 1989. - 560 с.

11. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003. 528 с.

12. Бигеев A.M., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.

13. Siverts A.Z.//Phys. Chem. 1931. - А. 155.- p. 299.

14. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Ч. И. Перевод с нем. М.: Металлургия, 1984. - 414 с.

15. Линчевский Б. В. Вакуумная металлургия стали и сплавов. М.: Металлургия, 1970.-258 с.

16. Pehlke R.D., Elliott J.F. // Trans. AIME. 1960. - v. 218. - p. 1076.

17. Schenk H., Frohberg M., Graf H. // Archiv Eisenhütt. 1959. - №9. - S. 533; Stahl und Eisen. - 1963. - Bd. 83. - S. 93.

18. Свяжин А.Г., Капуткина JI.M. Стали, легированные азотом // Известия вузов. Чёрная металлургия. — 2005. — №10. — С. 36 — 46.

19. Gomersall D.W., McLean А., Ward R.G. // Trans. AIME. 1968. - v. 242. -№7. - p. 1309.

20. Свяжин А.Г., Вишкарёв А.Ф., Явойский В.И. Применение плавки во взвешенном состоянии для физико-химических исследований // Известия вузов. Чёрная металлургия. — 1966. №8. — С. 47 - 51.

21. Федорченко В.И. Кинетика и термодинамика взаимодействия азота с расплавами на основе железа и никеля. Автореферат канд. диссертации. — М.: 1969.I

22. Торхов В.А., Григоренко Г.Ф., Лакомский В.И. и др. // Методы определения газов в металлах и сплавах. М.: Наука, 1971. - С. 65 - 71.

23. Pehlke R.D., Elliott J.F. // Trans. AIME. 1963. - v. 227. - №4. - p. 844.

24. Fischer W., Hoffmann A. // Archiv Eisenhütt. 1960. - Bd. 31. - №4. -S. 215; - 1962. -Bd. 33. -№9. - S. 583.

25. Schenck H., Frohberg M.G., Heinemann H. // Archiv Eisenhütt. 1962. -Bd. 33. -№9. - S. 593.

26. Федорченко В.И., Аверин B.B. // Взаимодействие металлов и газов в современных процессах производства стали и методы её дегазации. М.: Металлургия, 1973. - С. 87 - 89.

27. Королёв М.Л. Азот как легирующий элемент стали. М.: Металлургиз-дат, 1961.-164 с.

28. Королёв М. Л. Механические и физические свойства хромистой нержавеющей стали, легированной азотом. Сб. ВЗПИ, 14, 1956.

29. Menzel J., Stein G.-ln: High Nitrogen Steels. Proceed. 3rd Intern. Conf. Kiev: Inst. Metall Physics, 1993. - Part II. - P. 572 - 579.

30. Corney N. S., Turkdogan E .T. // J. Iron and Steel Inst. 1955. - v. 180.

31. Humbert J.C, Elliott J.F.// Trans. AIME.- i960.- v. 218.-p. 1072- 1088.

32. Langenberg F. С. // J. Metals. 1966. - v. 8. - p. 1099.

33. Даркен Л.С., Гурри P. 3. Физическая химия металлов. М.: Металлург-издат, I960. - 583 с.

34. Kasamatti J., Malobu S. // Techn Rent Tohoku Univ. 1957. - v. 23. - № I. - p. 109.

35. Балевский А., Димов И. Патент (НРБ), №187. 1961.

36. Рашев Ц. В., Иванов Р. И., Саръиванов Л. А. др. // Металлургия. 1976. -№6.- С. 8- 10.

37. Rachev Ts., Ivanov R. // Arch. Eisenhüttenwesen. 1979. - Bd. 50. - № 9. -S. 369- 371.

38. Рашев Ц.В. Производство легированной стали / Пер. с болг. М.: Металлургия, 1981.- 248 с.

39. Дьяконов А. И., Самарин А. М. Анализ процесса абсорбции газов металлами. Сообщение 1. Характеристика системы газ металл. Изв. АН СССР. ОТН.-№9,- 1945.

40. Морозов А.Н. Водород и азот в стали. М.: Металлургия, 1968. - 283 с.

41. Явойский В. И. Газы в ваннах сталеплавильных печей. — М.: Металлург-издат, 1952. — 246 с.

42. Трубин К. Г., Ойкс Г. Н. Металлургия стали. — М.: Металлургия, 1970. -616 с.

43. Борнацкий И.И., Михневич В.Ф., Яргин С.А. Производство стали. М.: Металлургия, 1991. - 400 с.

44. Сосненко М.Н. Мартеновское производство стали. М.: Металлургия, 1969.-248 с.

45. Металлургия стали / Под ред. В.И. Явойского, Ю.В. Кряковского. М.: Металлургия, 1983. - 584 с.

46. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Под ред. C.B. Колпакова. М.: Машиностроение, 1991. — 464 с.

47. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Мальков Н.В. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургия, 1995. - 592 с.

48. Сталь на рубеже столетий: Учебное пособие / Под ред. Ю.С. Карабасова.- М.: МИСиС, 2001. 664 с.

49. Морозов А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. М.: Металлургия, 1983. - 184 с.

50. Якушев A.M. Справочник конвертерщика. — Челябинск: Металлургия, 1990.-448 с.

51. Лузгин В.П., Явойский В.И. Газы в стали и качество металла. — М.: Металлургия, 1983. 232 с.

52. Геллер В., Шхольта Э. Влияние старения на свойства стали // Чёрные металлы. 1970. - №17. - С. 21 - 29.

53. Cotrell А.Н., Bilby A. Dislocation theory of alloying and strain aging ofiron. The proceedings of the Physical Society. 1949. - №62. - p. 49.

54. Болховитинов Н.Ф. Свойства и применение листовой стали для холодной штамповки. — М.: Машгиз. 1962. - 84 с.

55. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.В. Деформационное старение стали.- М.: Металлургия, 1972. 320 с.

56. Гудремон Э. Специальные стали. Т. 2. М.: Металлургия, 1966. - 734 -1274 с.

57. Даркен JL, Гурри Р. Физическая химия металлов: Пер. с англ. Под ред. Сироты H.H. М.: Металлургиздат, 1960. - 182 с.

58. Дефек В. Полосовая сталь для глубокой вытяжки: Пер. с чешек. Под ред. С.П. Ефименко. М.: Металлургия, 1970. - 298 с.

59. Голиков И.Н., Гладштейн М.Н., Мурзин И.Н. Ванадий в стали. М.: Металлургия, 1968.-291 с.

60. Поволоцкий Д.Я. Алюминий в конструкционной стали. М.: Металлургия, 1971.-245 с.

61. Каде С., Ван Горн К. Алюминий в чугунах и стали: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1959. - 154 с.

62. Derge D.A. // Trans. Amer. Soc. Metals. 1938. - №26. - p. 133.

63. Born К., Kosh W. // Stahl und Eisen. 1962. - Bd. 72. - №21. - S. 68.

64. Geil G.V. // Stahl und Eisen. 1963. - Bd. 78. - №22. - S. 48.

65. Erasmus L.A. // J. Iron and Steel Inst. 1964. - v. 202. - p. 32.

66. Бош Г., Паули Ю., Лохау К. // Чёрные металлы. -1981.- №2. С. 22 - 27.

67. П. Ниллес, Ж. Дефе, О. Куре, Х.Суринкс // Чёрные металлы. 1977. -№18.-С. 28-29.

68. Плюшкель В. // Чёрные металлы. 1976. - №14. - С.14 - 19.

69. Форверк X., Гердом X., Линдберг Г. // Чёрные металлы. 1976. - №13. -С. 16-22.

70. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. М.: Металлургия, 1980. — 176 с.

71. Ерохин А. А. Плазменно-дуговая плавка металлов и сплавов. — М.: Наука, 1975.- 188 с.

72. Рашева И., Рашев Ц., Ковачев Е. и др. // Металлургия. 1975. - № 4. -С. 1-6.

73. Передел высокомарганцовистого чугуна в 100-т кислородных конвертерах / Ц.В. Рашев, М.М. Шумов, С.П. Бонев и др. // Сталь. 1969. - № 10. - С. 889-893.

74. Микролегирование стали 10Х18Н9БЛ азотом / Л.А. Шапоренко, В.И. Ре-шетнева, Э.Г. Якименко, H.A. Киселёв // Литейное производство. 1990. -№ 9. - С. 8 - 9.

75. Самарин А. М. Замена никеля азотом в жароупорной стали // Изв. АН СССР, ОТН, № 1 2. - 1944.

76. Упрочнение конструкционных сталей нитридами / М.И. Гольдштейн, A.B. Грань, Э.Э. Блюм, Л.М. Панфилова. М.: Металлургия, 1970. - 222 с.

77. Самсонов Г.З. Получение и методы анализа нитридов. К.: Техника, 1978.

78. Гаврилюк В.Г., Ефименко С.П. // Высокоазотистые стали. Тр. I Всесоюзной конф. Киев: Изд/ Ин- та металлофизики АН УССР, 1990. - С. 5 - 26.

79. Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. София: Изд. Болгарской АН, 1995. - 270 с.

80. Gavriljuk V.G., Berns H. // High Nitrogen Steels Berlin: Springer Verlag. -1999.-378 p.

81. Банов P.M., Златева Г. 3. // Изв. АН СССР. Металлы. 1997. - №2. -С. 166- 176.

82. Меркер Э.Э., Стадничук В. И., Тимофеев П.В. Исследование механических свойств экономнолегированной стали // Литейное производство. 2005. -№3.-С. 7— 8.

83. Гаврилюк В.Г., Надутой В.М., Гладун О.В. Распределение азота в аусте-ните Fe N // Физика металлов и металловедение. - 1990. - №3. - С. 128 -134.

84. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А. Производство нержавеющей стали. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. - 236 с.

85. Pant P., Dahlman Р., Schlump W., Stein G. // Steel Research. 1987. - №1. -P. 18-25.

86. Svyazhin A.G. // Hutnik-Wiadomosci Hutnicze. 1996. - №8. - S. 264 - 268.

87. Свяжин А.Г. Высокоазотистые стали // Труды восьмого конгресса сталеплавильщиков / АО "Черметинформация". Ассоциация сталеплавильщиков. -М.: 2005.-С. 319-323.

88. Соколов В.М., Ковальчук Л.А., Теслер Г.С. Расчёт повышенных значений растворимости азота в расплавах // Расплавы. 1987. - Том 1. - №5. -С. 3-6.

89. Свяжин А.Г., Ефименко С.П., Капуткина Л.М. Анализ перспективных технологий производства азотсодержащих сталей // Сталь. 1997. - №9. -С. 14-18.

90. Костина М.В., Банных O.A., Блинов В.М. Особенности сталей, легированных азотом // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2000. -№12.-С. 3-6.

91. Шпайдель М.О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. -№11. - С. 9 — 16.

92. Производство стали 08Х12Г11АН6 с высоким содержанием азота / О.И. Григорьев, А.Б. Шалькевич, А.С. Мурадян и др. // Сталь. 1990. - № 12. - С. 35 -36.

93. Банных О.А., Блинов В.М. Новые конструкционные высокопрочные рационально-легированные стали // Сталь. 1998. — №10. - С. 50 - 54.

94. Бережко Б.И., Игнатенко А.Г. Качество аустенитной стали в зависимости от способа выплавки и легирования её азотом // Высокоазотистые стали: Тр. 1-й Всес. конф. Киев: Ин-т металлофизики АН УССР, 1990. - С. 15 -16.

95. Быков С.С. К вопросу о современном производстве легированных азотом сталей // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. Вып. 6. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». - 2006. - С. 71 - 75.

96. Death F.S. // 32-rd Electric Furnace Conf. Pittsburg Meet. 1974. - Proc., 1975. — V. 32/ - P. 117-119.

97. Бабаков А.А., Приданцев M.B. Коррозионностойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971. - 319 с.

98. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь. М.: Металлургия, 1973.-319 с.

99. Emoto К., Koshikawa Т., Bada Н. et. al. // 5-th International Iron and Steel Congr.: Proc. 6-th Process Technology Conf. V. April 6-9, 1986. Warrendal (Pa), 1986.-P. 127-135.

100. Fritz E., Stein J. // Steel Technology Intern. 1996/97. - P. 47 - 48.

101. Pauls H.-R. // Steel Times. 1984. - V. 212. - №10. - P. 456 - 466.

102. Debras M., Gard M. // Revue de Metallurgie. 1975. - №6. - P. 507 - 510.

103. Maas H., Hahn F.-J. // Revue de Metallurgie. 1977. - №4. - P. 271 - 279.

104. Haida O. // Trans. Iron Steel Inst. Japan. 1985. - №7. - P. 679 - 684.

105. Masumitsu N., Tanaba R., Inoue T. et. al. // Trans. Iron Steel Inst. Japan. -1986.-№6.-P. 519-527.

106. Takeuchi Sh., Nishikoori M., Tada Ch., Nischikawa H. // Steel Technology Intern. 1995/96.-P. 145-151.

107. Лакомский В.И. Плазменно-дуговой переплав. Киев: Техника, 1976. -335 с.

108. Ерохин A.A. Закономерности плазменно-дугового легирования и рафинирования металлов. М.: Наука, 1984. - 185 с.

109. Шалимов А.Г., Готин В.Н., Тулин H.A. Интенсификация процессов специальной металлургии. М.: Металлургия, 1988. - 334 с.

110. Свяжин А.Г. Кинетика поглощения азота расплавами железа из воздуха // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1984. - №7. - С. 146 - 147.

111. Ритакаллио П. Десульфурация и азотирование // Инжекционная металлургия: Тр. конф. М.: Металлургия, 1981. - С. 129- 149.

112. Тимофеев П.В., Сёмин А.Е. Способ азотирования жидкой стали в ковше // Материалы регион, науч. техн. конф. СТИ МИСиС. Старый Оскол, 2005.

113. Тимофеев П.В., Сёмин А.Е., Меркер Э.Э. Интенсификация процесса газового азотирования жидкой стали в ковше // Известия вузов. Чёрная металлургия. 2006. - №11.

114. Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами. М.: Металлургия, 1986. - 222 с.

115. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. - 504 с.

116. Мчедлишвили В.А. Термодинамика и кинетика раскисления стали. М.: Металлургия, 1978.-288 с.

117. Быков С.С., Столяров A.M. О скорости процесса ковшевого азотирования полупродукта для получения нержавеющей стали // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. / Под ред. В.М.

118. Колокольцева. Вып. 7. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». - 2007. - С. 73 -75.

119. Быков С.С., Столяров A.M. Расчёт равновесного содержания азота в полупродукте для получения нержавеющей стали // Литейные процессы: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». - 2008. - Вып. 7. - С. 45 - 49.

120. Попель С.И., Сотников А.И., Боронёнков В.Н. Теория металлургических процессов М.: Металлургия, 1986. — 463 с.

121. Физико-химические расчёты электросталеплавильных процессов / В.А. Григорян, А.Я. Стомахин, А.Г. Пономаренко и др. — М.: Металлургия, 1989.-288 с.

122. Тимофеев П.В. Совершенствование технологии производства высоколегированной азотсодержащей стали с целью ресурсосбережения / Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. М.: 2006. — 27с.

123. Совершенствование технологии производства полупродукта для получения нержавеющей азотистой стали / С.С. Быков, A.M. Столяров, В.В. Ро-женцев, Г.И. Морозов // Электрометаллургия. 2008. - № 1. - С. 5 - 8.