автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства трубной стали с низким содержанием водорода в кислородно-конвертерных цехах

На правах рукописи

Николаев Алексей: Олегович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБНОЙ СТАЛИ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ВОДОРОДА В КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫХ ЦЕХАХ

Специальность: 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск — 2015

Работа выполнена на кафедре металлургии черных металлов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель: Бмгеев Вахит Абдрашитович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры металлургии черных металлов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Официальные оппоненты: Шешуков Олег Юрьевич

Доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт металлургии уральского отделения РАН»,

Степанова Ангелина Александровна

Кандидат технических наук, ведущий специалист конвертерной лаборатории НТЦ ОАО «ММК».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский госу-

дарственный университет» (национальный исследовательский университет).

Защита состоится 30 июня 2015 года в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте ФГБОУ ВПО «МГТУ». .Автореферат диссертации размещен на сайте ФГБОУ ВПО «МГТУ» www.magtu.ru и на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «Л»» ¿ГЯ'^ 2015 г.

Ученый секретарь /¿/1&1Ш<г\ В Н-Селиванов

диссертационного совета, *

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 7015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В различных отраслях промышленности непрерывно возрастают требования к качеству металлопродукции. В настоящее время ввиду совершенствования технологий выплавки, ковшевой обработки и разливки стали появилась возможность освоения новых марок стали и ужесточения требований к уже производимым сталям. Вопрос качества является одним из ключевых при производстве, в том числе трубных сталей. Зачастую прокат трубных сталей эксплуатируется в сложных климатических и геологических условиях, поэтому и требования к нему особенно жесткие. При решении вопросов улучшения качества трубных сталей и освоения новых марок и классов прочности важным аспектом является вопрос снижения газонасыщенности стали. Высокое содержание водорода в стали значительно снижает ее потребительские свойства. В соответствии с этим, проблема содержания в стали водорода на необходимом в настоящее время уровне является как никогда актуальной. В результате анализа научных работ, посвященных данной тематике, установлено, что вопрос допустимого содержания водорода в стали и путей достижения такого содержания остается открытым. Кроме того, общемировые тенденции к автоматизации производства выводят на первый план вопрос моделирования получения необходимого содержания водорода и создания систем автоматизации, которые позволили бы гарантировано получать сталь с отсутствием дефектов, связанных с повышенным содержанием водорода, и минимизировать влияние человеческого фактора на нарушение технологии.

Целью данного исследования является совершенствование технологии производства трубных сталей в кислородно-конвертерных цехах, обеспечивающей низкое содержание водорода, и создание метаматематической модели изменения содержания водорода в стали и расчета параметров вакуумирования для его обеспечения.

Научная новизна:

1. Подтверждены и нашли дальнейшее развитие зависимости изменения содержания водорода в стали от расхода шлакообразующих материалов (увеличение содержания водорода на 0,5 ррш при увеличении расхода шлакообразующих на 2,5 кг/т стали), ферросплавов (увеличение на 0,3 ррш при увеличении расхода на 2,5 кг/т стали) и флюидизированной извести (увеличение содержания водорода на 0,5 ррш при увеличении расхода на 0,55 кг/т стали).

2. Установлена неравномерность содержания водорода по объему стале-разливочного ковша, которая в среднем составляет 0,25 ррш для 380-тонного стаперазливочного ковша, и может достигать до 1,5 ррш.

3. Установлено изменение содержания водорода по толщине непрерыв-нолитой заготовки. Установлено, что по окончании разливки наибольшее содержание водорода наблюдается в части сляба, соответствующей базовому радиусу МНЛЗ, меньше в центре и наименьшее по малому радиусу (разница может достигать 0,7 ррт). В дальнейшем, при выдержке слябов в стопе эта разница снижается за счет диффузии водорода.

ч

4. Впервые установлена зависимость прироста содержания водорода в стали во время нагрева слябов перед прокаткой в зависимости от содержания паров воды в атмосфере печи. Увеличение абсолютной влажности атмосферы печи (массы паров воды в единице объема) на 1000 г/м3 ведет к увеличению содержания водорода в стали на 0,25 ррш.

Практическая ценность и реализация работы:

1. Уточнено допустимое содержание водорода в стали для минимизации брака для разных марок (классов прочности) и толщин проката.

2. Проанализировано влияние технологических факторов на изменение содержания водорода в стали на всех этапах производства от шихтовых материалов до готового штрипса.

3. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии выплавки и внеагрегатной обработки конструкционных и трубных марок стали в условиях ККЦ ОАО «ММК» и внесены изменения в существующую нормативную документацию в условиях ККЦ ОАО «ММК», направленные на снижение содержания водорода в стали.

4. Создана прогнозная математическая модель изменения содержания водорода в стали и расчета необходимого времени ее вакуумирования в ковше на установке циркуляционного типа.

5. Разработаны рекомендации по изменению режима нагрева слябов на стане 5000 «ММК» и обоснована необходимость замены коксового газа на природный при нагреве слябов в печах с шагающими балками.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается опытно-промышленными плавками и теоретическим анализом основных параметров исследуемых процессов с последующей технологической интерпретацией на основе современной теории металлургических процессов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях: 69-ой (Магнитогорск, 2011), 70-ой (Магнитогорск, 2012), 71-ой (Магнитогорск, 2013), 73-ой (Магнитогорск, 2015) научно-технической конференции ФГБОУ ВПО «МГТУ им Г.И. Носова»; XIII научно-технической конференции молодых работников (международный этап) (Магнитогорск, 2013); десятой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии» (г. Старый Оскол,

2013); V Конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» ФГУП «ЦНИИЧерМет им. И.П.Бардина» (Москва,

2014); Международной конференции «Технологии и оборудование для внепеч-ной обработки и непрерывной разливки стали» (Москва, 2014); XII (г. Выкса, 2012) и XIII (г. Полевской, 2014) Международном конгрессе сталеплавильщиков.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 12 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 3 статьи в периодических

изданиях, входящих в список ВАК и три статьи в изданиях, входящих в базу цитирования «Scopus».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, библиографического списка из 142 наименования, заключения и 7 приложений. Включает 114 страниц основного текста, содержит 62 рисунка и 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе диссертации проведен анализ поведения водорода в металлургическом производстве, теоретических основ и фактического его влияния на свойства стали. Существенный вклад в развитие данного вопроса внесли работы Г. Кнюппеля, А.Н. Морозова, В.И. Явойского, П.В. Склюева, H.A. Га-лактионовой, В.К. Григоровича и многих других. Литературный обзор показал, что нет однозначного мнения о форме существования водорода в жидкой и твердой стали, так как часть исследователей считает, что водород существует только в виде протонов и молекул, некоторые ученые допускают существование атомарного водорода в стали и образование растворов внедрения. Процесс растворения водорода в стали подчиняется закону квадратного корня, впервые полученному немецким ученым Сивертсом, и в дальнейшем многократно подтвержденным другими учеными. Процесс растворения газов в железе является эндотермическим, поэтому с повышением температуры растворимость возрастает.

Установлено, что в практике металлургии повышенное содержание в стали водорода служит причиной образования таких дефектов, как флокены и пузыри-вздутия. Рассмотрен механизм образования данных дефектов. Не существует единого мнения о критическом содержании в стали водорода, которое позволило бы гарантировано исключить ухудшение качества стали. Ефимов C.B. в своих работах утверждает, что влияние водорода проявляется уже при содержании 1,0-2,0 ррт, Д. Я. Поволоцкий, А. Н. Морозов и другие установили, что образование флокенов исключается при содержании водорода в стали 1,31,7 ррт, Дерябин A.A., Горшенин И.Г. и другие называют критичным содержание водорода 3,9 ррт (только для рельсовой стали). Таким образом, показано, что не существует единого мнения о допустимом содержании водорода в стали, и этот вопрос остается открытым.

Были проанализированы основные способы снижения содержания водорода в стали. Представлен анализ работ по снижению насыщения стали водородом из твердой шлакообразующей смеси и ферросплавов. К основным способам снижения содержания водорода в стали относят продувку металла нейтральным газом и вакуумирование металла. Рассмотрена кинетика и динамика данных процессов.

Кроме того, рассмотрена практика использования гидридообразующих элементов и противофлокенной обработки стали для сокращения негативного влияния водорода на качество стали. Данные методы могут давать значительный эффект, но их технологическая сложность позволяет считать более эффективным снижение содержания водорода в жидкой стали.

Приведена краткая характеристика способов и устройств для вакуумиро-вания стали. Кроме того, проанализированы некоторые существующие модели получения заданного содержания водорода в стали и вакуумирования. Установлено, что модели, описывающие вакуумирование в ковшевом вакууматоре не применимы к циркуляционному вакуумированию. Существуют адекватные модели вакуумирования, а также модели насыщения металла водородом под воздействием технологических факторов, однако единой модели изменения и снижения содержания водорода не существует. На основании литературных данных были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Проанализировать влияние водорода на качество стали.

2. Установить допустимое содержание водорода для сталей разных классов прочности.

3. Проанализировать основные факторы, определяющие содержание водорода в жидкой стали.

4. Исследовать влияние технологических и производственных факторов, влияющие на увеличение содержания водорода, и разработать рекомендации по минимизации этого влияния.

5. Разработать математическую модель расчета содержания водорода в стали и продолжительности вакуумирования.

6. Проанализировать влияние факторов на изменение содержания водорода в твердой стали и получить целостную картину изменения содержания водорода от шихтовых материалов до готового штрипса.

Во второй главе приведена краткая характеристика объекта исследования (кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»); проведен анализ и приведена краткая характеристика методик определения содержания водорода в жидкой и твердой стали.

В результате металлографических исследований стали класса прочности К60-К65, переработанной на стане «5000» ОАО «ММК», было установлено, что в условиях ОАО «ММК» водород влияет на развитие дефектов «пузырь-вздутие» и «нарушение сплошности по результатам ультразвукового контроля». По ширине листа большинство дефектов располагаются по всей поверхности листа (93,8% случаев), а по глубине залегания дефектов несколько большее их количество расположено в верхней четверти толщины листа.

Наиболее актуален вопрос нормирования содержания водорода в стали при увеличении толщины проката. В соответствии с этим необходимо определить для каждого класса прочности и каждой толщины проката свое пороговое или предельно допустимое значение содержания водорода. Анализ зависимости

отсортировки по дефектам показал, что развитие данных дефектов примерно одинаково зависит от увеличения содержания водорода в жидкой стали.

Установлено, что с ростом толщины проката отсортировка увеличивается. Также можно заключить, что отсортировка стали К60 выше, чем отсортировка стали класса прочности Х80. Для уточнения допустимого содержания в стали водорода была проанализирована зависимость суммарной отсортировки по дефектам «нарушения класса сплошности» и «неметаллические включения» от толщины проката при различном содержании водорода для класса прочности Х80 и стали К60.

В соответствии с полученными данными об анализе зависимости отсортировки от содержания водорода в стали, а также анализа отсортировки по всем толщинам и классам прочности (маркам) установлено, что необходимо нормировать содержание водорода в стали К60 для толщин более 19 мм - 1,7 ррт, для стали К52 на толщине 22 мм и К56 при толщине более 22 мм, для всех толщин Х65 и Х80 - 1,9 ррт, для остальных толщин и классов прочности трубных сталей - 2,2 ррт.

В третьей главе были проанализированы основные факторы, определяющие изменение содержания водорода в жидкой стали. Для этого было определено содержание водорода на каждом этапе производства от выплавки стали в кислородном конвертере до выдержки слябов по окончании разливки в стопе на основании 20 плавок для каждой группы. На рисунке 1 представлено изменение среднего содержания водорода для различных групп марок стали (углеродистых, низкоуглеродистых автокузовных и трубных сталей) на всех этапах получения слябов в ККЦ ОАО «ММК».

киши ыакуумироьашсм ыисуумирииаши МН.1'4 сгоцс

-«-Автоьузовиыс стали ¿Трубные сташ -♦-Углсродистыс стали

Рисунок 1- Изменение среднего содержания водорода, [Н] на всех этапах производства в ККЦ ОАО «ММК» для различных групп марок стали Значительное различие в содержании водорода между группами сталей обуславливается, в первую очередь, различным количеством используемых во время выпуска стали из конвертера и ковшевой обработки материалов и другими технологическими факторами. Естественно возникает необходимость в

исследовании влияния технологических факторов на содержание водорода в металле в соответствующие моменты.

Согласно имеющимся данным, содержание водорода в металле по ходу и в конце выплавки зависит от состава газовой фазы, его содержания в материалах плавки, интенсивности окисления углерода и др. Степень влияния этих факторов в разных агрегатах не всегда одинакова. Основным процессом, происходящим во время продувки металла кислородом, является процесс интенсивного окисления углерода. В течение этого процесса происходит интенсивное перемешивание ванны, и фактически могут реапизовываться все известные механизмы удаления водорода из стали. Вероятнее всего, большая часть водорода, поступающего в металл из шихтовых материалов, добавочных материалов и атмосферы, будет удаляться во время продувки.

Для проверки данного предположения были отобраны пробы металла из конвертера и определено содержание водорода в них. Для анализа использовались пробы, взятые из конвертера (во время повалки и с помощью машины замера параметров плавки). В результате было установлено, что минимальное содержание водорода по окончании продувки составляет 0,49 ррш, максимальное - 1,49 ррт, среднее - 0,96 ррш. Эти данные говорят о том, что по окончании продувки содержание водорода невысоко и составляет в среднем 1 ррт.

Отбор проб в момент окончания продувки стали и после присадки ТШС и ферросплавов во время выпуска стали показал прирост содержания водорода на уровне от 0,5 до 2 ррш из-за присадки указанных материалов во время выпуска стали из конвертера.

Значительное влияние на содержание водорода в стали оказывает влага, вносимая с ферросплавами и ТШС. Получены зависимости содержания водорода от массы ферросплавов (рисунок 2) и массы твердой шлакообразующей смеси - рисунок 3, присаживаемых в конвертер и на агрегате «печь-ковш» до проведения вакуумирования:

[Н] = 0,0003*Мрех+ 1,7052; (Я = 0,94) (1)

[Н] = 0,0005 *Мтшс+ 2,4961; (Я = 0,84), (2)

где, [Н] - содержание водорода в стали после отдачи ферросплавов или ТШС, Мрех - масса введённых ферросплавов, Мтшс- масса отданной ТШС.

В соответствии с принятым уровнем значимости (0,01) коэффициенты корреляции зависимостей (1) и (2) для объема выборки в 40 плавок для ферросплавов и 30 плавок для ТШС говорят о значимости данных зависимостей.

Для определения влияния технологических факторов и используемых материалов на изменение содержания водорода была проведена серия экспериментов с измерениями содержания водорода системой «НусМв» по ходу внепечной обработки и разливки на МНЛЗ.

0,0

0 2000 4000 6000 8000 10000

Расход ферросплавов, кг

Рисунок 2 - Зависимость содержания водорода в стали от суммарного расхода ферросплавов до начала вакуумирования

§

39 а> S I

в

|

а.

Л,0 4,5 4.0

е"

а. 3,0 2,5 2,0 1.5

*

♦ ♦

у - 0.0005* + 2,4061

--

U О 1000 2000 3000 4000 5000 (>000

Расход ТШС, кг

Рисунок 3 - Зависимость содержания водорода в стали от суммарного расхода ТШС до начала вакуумирования Получено, что после присадки ТШС и кусковых ферросплавов происходит значительный прирост содержания водорода (около 0,7 ррт). В особенности влияет обработка металла флюидизированной известью (прирост до 5 ррт водорода).

Установлено, что введение порошковой проволоки с кальцийсодержа-щими материалами приводит к увеличению содержания водорода на 0,3-0,4 ррт. Введение порошковой проволоки с другими материалами, а также алюминиевой катанки не ведет к существенному повышению содержания водорода.

Результаты опытных плавок показывают, что для получения низкого содержания водорода без значительного увеличения времени вакуумирования необходимо снижать количество материалов, присаживаемых в ковш во время ковшевой обработки стали до вакуумирования и исключать присадки или минимизировать их объем после проведения вакуумирования.

Как следует из сказанного, качество используемых материалов существенно влияет на содержание водорода в стали. Это обстоятельство влечет за собой необходимость изучения технологии подготовки этих материалов.

Для определения влияния режима прокаливания ферросплавов в печах, установленных на конвертерах ККЦ ОАО «ММК», было проведено моделирование прокаливания ферросплавов. Для этого подготовленные для проведения исследования пробы последовательно нагревали до 105 °С, 200 °С, 300 °С, 400 °С и 600 °С и определяли в них содержание влаги по стандартной методике. Установлено, что необходимой температурой прокаливания ферросплавов является температура 300 °С. При прокаливании выше данной температуры происходит окисление ферросплавов.

Для определения возможного времени хранения извести был проведен эксперимент по определению гидратной влаги в извести с обжиговых агрегатов при хранении проб извести в контакте с атмосферой.

Установлено, что время хранения всегда оказывает значительное влияние на содержание влаги в извести. Однако насыщение влагой в большой степени зависит от типа обжигового агрегата, в котором произведена известь. Так, при хранении извести, произведенной в обжиговых печах МЕРЦ, спустя 10 суток хранения содержание влаги не превышает 4%, для вращающихся печей данный показатель достигается на восьмой день, а для шахтных печей - на второй день. Термогравиметрический анализ на базе ФГБОУ ВПО «МГТУ» показал, что для снижения прироста водорода при обработке ТШС на конвертере и на УПК рекомендуется использовать известь с печей «МЕРЦ» со сроком хранения не более трех суток. Необходимо максимально использовать операцию десуль-фурации чугуна для снижения содержания серы в стали и, как следствие, снижения количества материалов, присаживаемых для десульфурации стали.

Значимым фактором, влияющим на повышение содержания водорода, является продувка стали на агрегате «печь-ковш» флюидизированной известью. Было проанализировано влияние расхода флюидизированной извести на содержание водорода в стали на 146 плавках класса прочности К60. Получено, что увеличение расхода флюидизированной извести на 200 кг ведет к повышению содержания водорода примерно на 0,5 ррт. Термоаналитические исследования флюидизированной извести показали, что при хранении без контакта с атмосферой флюидизированная известь не насыщается влагой в течение двух месяцев (содержание влаги 1,25-1,35%). Однако при контакте с атмосферой происходит значительное насыщение влагой флюидизированной извести (прирост порядка 4% влаги в сутки). Исходя из полученного содержания влаги в извести и расчетов насыщения стали водородом по реакции диссоциации влаги установлено,

что при содержании влаги 1-1,5% и расходе 100 кг в сталь переходит порядка 0,25 ррш водорода. Из этого факта и определения фактического насыщения металла водородом из флюидизированной извести следует, что до 100% влаги, содержащейся ней, диссоциирует, а водород растворяется в стали.

Вакуумная обработка стали является одной из основных операций в технологии производства качественных и высококачественных сталей. Она является основным способом удаления водорода из жидкого металла. Основными параметрами, характеризующими этот процесс, являются конечное разрежение в вакуум-камере, расход транспортирующего газа, продолжительность вакуу-мирования. В ходе изучения закономерностей удаления водорода из жидкой стали установлено преимущественное влияние именно продолжительности ва-куумирования, зависимость описывается следующим уравнением с коэффициентом корреляции 0,717 (рисунок 4):

Д[Н] = 0,2879*т-4,6088, (3)

где А[Н] - удаление водорода во время вакуумирования, ррт; т - длительность вакуумирования, мин.

Длительность вакуумирования, мин

Рисунок 4 - Зависимость удаления водорода от длительности вакуумирования для стали класса прочности К60 При объеме выборки в 50 плавок и принятом уровне значимости (0,01), полученный коэффициент корреляции выше критического.

В дальнейшем была определена и длительность эффективного вакуумирования: обработка стали в течение 20-30 мин позволяет снижать содержание водорода в ней в среднем на 0,5 ррт за каждые 5 мин. При вакуумировании более 30 мин значительного удаления водорода не наблюдается. Для оценки эффективного времени вакуумирования была проанализирована динамика набора разрежения для нескольких плавок. Установлено, что в условиях ККЦ ОАО «ММК» время достижения глубокого вакуума в среднем составляет 10 мин.

Одним из факторов, влияющих на конечное содержание водорода в стали, является прирост содержания водорода во время разливки. Анализ содержания водорода в промежуточном ковше MHJ13 показал, что на первых двух плавках после запуска MHJ13 или замены промежуточного ковша наблюдается повышенное его значение. Прирост содержания водорода для первых плавок в серию составляет в среднем 0,5 ррш, для плавок, отлитых в середине серии -порядка 0,3 ррш. Причиной данного явления может являться влага, содержащаяся в футеровке промежуточного ковша, влага, содержащаяся в шлакообразую-щей смеси, присаживаемой во время разливки, и контакт с атмосферой. Отбраковка на первых плавках на промежуточный ковш выше, чем на отлитых в серию на 25-30%. Для получения на таких плавках в промежуточном ковше содержания водорода, равного содержанию водорода на серийных плавках, необходимо на них снизить содержание водорода по окончании внепечной обработки на 0,2-0,4 ррш. Определенный интерес представляет изменение содержания водорода по ходу разливки стали из одного сталеразливочного ковша. Измерения проводили в промежуточном ковше, при остатке металла в сталеразли-вочном ковше в количестве 300-310 т (№1), 180-190 т (№2) и 50-60 т (№3). Снижение между первым и третьим измерениями в среднем составляет 0,25 ррш. Это явление объясняется неравномерным распределением содержания водорода по объему сталеразливочного ковша.

В четвертой главе в соответствии с проведенными исследованиями было выполнено несколько серий опытных плавок с изменением технологии (проведение обязательной десульфурации чугуна, снижение объема ТШС и ферросплавов, присаживаемых в ковш; изменение технологии вакуумирования; присадка после вакуумирования только проволоки с силикокапьцием; обязательная усреднительная продувка аргоном без оголения поверхности металла перед отдачей на разливку). Эти изменения позволили обеспечить содержание водорода в промежуточном ковше МНЛЗ на первых плавках в серию порядка 1,7-1,9 ррш, а на последующих - 1,6 ррш и менее.

По результатам проведенных исследований и опытных плавок были подготовлены изменения в нормативную документацию. В соответствии с этими имениями была выплавлена установочная серия из десяти опытных плавок стали К56, которые были переработаны на стане «5000» ОАО «ММК». Установлено, что использование предложенных технологических мероприятий позволяет получать содержание водорода на МНЛЗ в среднем 1,9 ррш. Такое содержания водорода позволяет значительно снизить отсортировку стали по дефектам «нарушение класса сплошности» и «неметаллические включения». В результате отбраковка снизилась на 44%. Ожидаемый экономический эффект внедрения разработанных рекомендаций составляет 7,5 млн. руб/год.

Для расчета времени вакуумирования и сравнения статистических зависимостей с теоретическим случаем удаления водорода из стали в среде Visual Basic for application для Microsoft Excel 2010 была создана динамическая модель получения нормированного содержания водорода в стали. Модель состоит из

двух блоков: блока настройки модели и блока расчета содержания водорода и времени вакуумирования, реализованного для четырех случаев, подразумевающих разные производственные циклы (Конвертер-УПК-УВС-УПК-Разливка, Конвертер-УПК-УВС-Разливка, Конвертер-УВС-УПК-Разливка и Конвертер-УПК-Разливка).

Блок настройки модели основывается на анализе скорости циркуляции, исходя из реального удаления водорода при известном времени вакуумирования по формулам, предложенным Г. Кнюппелем. Удаление водорода за время I с учетом правила смешения:

([Н]2- Ь„)/([Н]1- Ь„)=е-1", (4)

где [Н]] и [Н]г - концентрация газа в металле, втекающем в вакуумную камеру в момент времени 1=0 и I соответственно, ррш; Ьп — равновесная концентрация газа в стали, находящейся в вакуумной камере, ррш; I — длительность вакуумирования, с.

Коэффициент, определяющий влияние факторов на удаление металла |3: Р= [(У/У 1- 1) (У1/У2 + У1/к*Р)1-', (5)

где к— коэффициент массопереноса, м/с; V - объем металла в ковше, м3; V) - объем металла в вакуумной камере и патрубках, м3; Уг- объем металла, протекающего в единицу времени через вакуумную камеру, м3/с; Б - площадь поверхности металла в вакуумной камере, м2.

Объем металла, протекающего в единицу времени через вакуумную камеру, может быть рассчитан следующим образом:

У2= к * Ро, (6)

где Ро - площадь патрубков вакуум-камеры, м2.

Данная скорость циркуляции (т/мин) сравнивается с рассчитанной по формуле массовой скорости циркуляции, предложенной Т. Кувабарой:

о = 11,4Сг,/3 |1пт 4/3(1п(Р1/Р2))"3, (7)

где р! - атмосферное давление, Па; рг - разрежение в вакуумной камере, Па; Ог - расход транспортирующего газа, л/мин; <1пт - диаметр погружных патрубков, м.

Выражение поправочного коэффициента (8) и выведенный из формул (4), (5) и (6) коэффициент массопереноса (9) могут быть рассчитаны следующим образом:

„ _ _йхГрхрхбО_

Л~ хмхс^/з хапт^Опач/Рг))1'3' ^

где р - плотность жидкой стали, т/м3.

. _ (Г+Г0)х(Г-У1)х1пВ

К - РХГХРо ' КУ}

где В = ([Н]2- Ь„)/([Н],- Ь„).

Данный коэффициент многократно рассчитывается, усредняется и записывается в модель для дальнейших расчетов. Он характеризует увеличение пло-

щади поверхности метала за счет брызгообразования и дополнительное удаление водорода за счет неучтенных механизмов. Кроме того, блок служит для задания параметров существующей вакуумной камеры для дальнейших расчетов.

Расчет времени вакуумирования для предварительно настроенной модели с заданными параметрами вакуумной камеры осуществляется исходя из необходимого удаления водорода:

3/2

г -

( \

ГхГ0хХх11,4хАг5х

(10)

где Аг - расход аргона на вакуумирование, л.

В основе расчета начального содержания водорода в стали лежит прирост содержания водорода из материалов, присаживаемых во время выпуска металла из конвертера и во время обработки на установке «печь-ковш», в основе же расчета увеличения содержания водорода во время разливки плавки и требуемого содержания водорода лежат эмпирические зависимости, полученные в данной диссертации.

Для случая с отсутствием вакуумирования программа рассчитывает содержание водорода в промежуточном ковше и требуемое содержание водорода для минимизации образования дефектов. Ключевые технологические данные (номер плавки, начальное содержание водорода до обработки, содержание водорода перед вакуумированием или после обработки на УПК, абсолютная влажность воздуха, требуемое содержание водорода, расход аргона, разрежение в вакуум-камере и рассчитанное время вакуумирования) вместе с указанием режима обработки фиксируются на листе «Результаты расчета» и пригодны для последующей обработки. В соответствии с параметрами 25 плавок класса прочности К56 была проведена апробация и настройка полученной модели. Исходя из апробации модели, она признана адекватной. Отклонение между расчетными и производственными данными составляет 5% для расчета времени вакуумирования и 6,2% для расчета содержания водорода в стали.

В пятой главе проанализировано изменение содержания водорода в твердой стали. Предварительные исследования зависимости отсортировки металла по дефектам, связанным с повышенным содержанием водорода, от содержания водорода в промежуточном ковше МНЛЗ не позволяют однозначно заключить, что снижение содержания водорода в жидкой стали всегда гарантирует улучшение ее качества.

В связи с этим возникла необходимость проведения исследований изменения содержания водорода в твердой стали и анализа возможных технологических мероприятий по снижению содержания водорода, с целью получения обобщенных представлений об изменении содержания водорода на всем цикле

производства (шихтовые материалы - конвертер - ковшевая обработка - разливка стали - выдержка слябов в стопе - нагрев перед прокаткой - прокатка -охлаждение после прокатки - готовый лист).

Анализ зависимости изменения содержания водорода в твердой стали в пробах от листа от содержания водорода в промежуточном ковше МНЛЗ (рисунок 5) показал, что конечное содержание водорода, которое и определяет наличие отсортировки металла, зависит от содержания водорода в промежуточном ковше МНЛЗ, однако значительно влияние факторов на содержание водорода в твердой стали.

1.80 -----—---

|

Г 1.60

у - 1.0125Х -0.4109

I Е 1.40--------К.2, г- 0,9557

= а

Р *

| £ '¿о

II

8 I: 1,оо

I

Г

I

5 0,80 ь

и 0,60 —Г— —г— —I—

I 1.2 1.4 1,6 1.8 1 2,2

Сааершшие водорода на МНЛЗ, ррт

Рисунок 5 - Зависимость изменения содержания водорода в готовом листе от содержания водорода в промежуточном ковше МНЛЗ По объему слитка содержание водорода неравномерно (таблица 1). Оно меньше со стороны верхней части слитка (малого радиуса МНЛЗ) и увеличивается к стороне, соответствующей базовому радиусу слитка. Таблица 1 - Распределение содержания водорода по объему непрерывнолитой заготовки

Место отбора проб Содержание водорода в стали, ррт

По окончании разливки После выдержки в стопе 70 часов

30 мм от широкой грани малого радиуса 1,13 0,24

Центр 1,17 0,39

30 мм от широкой грани базового радиуса 1,71 0,41

Наибольшее содержание водорода наблюдается в нижней части из-за различия в структуре (из-за неравномерности тепловых потоков при разливке). Однако во время выдержки на УПиОЗГС водород диффундирует к верхней части слитка и содержание водорода фактически выравнивается. Это хорошо согласуется с распределением дефектов по объему листа, описанным в главе 2.

В настоящее время при нагреве слябов в нагревательной печи перед прокаткой на стане «5000» в качестве основного топлива для нагрева применяется коксовый газ, в качестве резервного возможно использование природного газа. Для предотвращения осаживания нафталина вместе с коксовым газом подают пар.

Соответственно нагрев в печи происходит при высокой концентрации паров воды. Кроме того, пары воды являются продуктом горения водорода, одного из основных компонентов коксового газа. Исходя из этого, было сделано предположение, что может происходить насыщение твердого металла водородом из атмосферы печи при высоких температурах. Для определения возможности насыщения твердого металла водородом при нагревании в присутствии паров воды было решено провести физическое моделирование такого насыщения на установке С1ееЫе-3500 УНЦ ФГБОУ ВПО «МГТУ».

Была смоделирована с учетом масштабного фактора технология (темпе-ратурно-временные условия) нагрева слябов в печи с шагающими балками (ПШБ) с варьированием влажности в печном пространстве. Результаты моделирования (рисунок 6) однозначно подтверждают прямую зависимость насыщения металла водородом от увеличения влажности внутрипечной атмосферы.

0.90

О 2000 4000 6000

Содержание влаги в печном пространстве, г/мЗ

Рисунок 6 - Зависимость изменения содержания водорода в стали от абсолютной влажности атмосферы печи Абсолютная влажность характеризует содержание паров воды в единице объема. Предельное насыщение влагой атмосферы зависит от температуры, и для температуры печного пространства (1200 °С) предельное содержание паров воды согласно расчетам составляет 63,7 кг/м3. Для снижения наводороживания слябов в ПШБ была проведена опытная работа по изменению вида топлива -вместо коксового газа использовать природный. В ходе производственных опытов по прекращению подачи пара в коксовый газ отсортировка снизилась на 45% на опытном металле. В ходе опыта с переводом одной из печей на природный газ было получено снижения содержания водорода в слябах по сравнению

с обычной технологией и значительное сокращение отсортировки. Экономические расчеты показывают, что данное снижение отсортировки полностью покрывает затраты на переход на природный газ и дает экономический эффект (0,8 млн. руб. в год).

В результате лабораторного эксперимента с моделированием противо-флокенной обработки (ПФО) было установлено, что в процессе охлаждения металла без противофлокенной обработки содержание водорода снижается на 2,53,0 ррш в зависимости от его содержания в жидкой стали. Противофлокенная обработка позволяет снижать содержание водорода в твердой стали дополнительно на 0,05-0,32 ррш. Результаты данного эксперимента показали, что желательно получать в промежуточном ковше МНЛЗ содержание водорода не более 1,8 ррт, а при превышении данного содержания рекомендуется проводить про-тивофлокенную обработку.

Для выявления влияния факторов на изменение содержания водорода в твердом металле было определено содержание водорода в твердой стали по окончании разливки, после выдержки на УПиОЗГС, нагрева слябов в печи с шагающими балками (ПШБ), прокатки слябов на толстолистовом стане «5000», выдержки раскатов на участке замедленного охлаждения металла и в готовом металле на основании 20 испытаний (рисунок 7).

мнлч 11ШЬ

-♦—минимум -"-максимум срслисс

Рисунок 6 - Изменение содержания водорода в твердом металле на всех

этапах производства в условиях «ОАО» ММК Как видно на данном рисунке, за исключением нагрева слябов в ПШБ, в твердой стали происходит снижение содержания водорода. Однако, как показывают результаты исследования зависимости отсортировки от содержания водорода в жидкой стали, данного снижения оказывается недостаточно для минимизации отсортировки штрипса по дефектам, связанным с повышенным содержанием водорода в стали.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в условиях ОАО «ММК» водород влияет на развитие дефектов «пузырь-вздутие» и «нарушение класса сплошности». Определены требования по содержанию водорода в стали в промежуточном ковше МНЛЗ для минимизации брака штрипса: в стали класса прочности К60 для толщин более 19 мм - 1,7 ррт, для К52 на толщине 22 мм и К56 при толщине более 22 мм, для всех толщин Х65 и Х80 - 1,9 ррт, для остальных толщин и классов прочности упрочненной и трубной стали - 2,2 ррт.

2. Получены статистические зависимости изменения содержания водорода от расхода ТШС и ферросплавов во время выпуска металла в ковш из конвертера и во время обработки на УПК, расхода флюидизированной извести и параметров вакуумирования.

3. Были проанализированы, в том числе с помощью термогравиметрического анализа, свойства извести в зависимости от типа обжигового агрегата и сроков ее хранения. Установлено, что максимальное время хранения извести до значительного ухудшения ее качества составляет для извести, произведенной в шахтных печах, - трое суток, во вращающихся печах, - четверо суток, произведенной в печах «МЕРЦ», - шесть суток.

4. Лабораторные опыты по прокаливанию ферросплавов показывают, что необходимой температурой прокаливания ферросплавов перед подачей в стале-разливочный ковш является 300 °С. При прокаливании выше данной температуры происходит окисление ферросплавов.

5. В результате анализа влияния флюидизированной извести на качество стали было установлено, что увеличение расхода флюидизированной извести на 100 кг ведет в условиях ККЦ ОАО «ММК» к увеличению содержания водорода в ковше на 0,25 ррт.

6. В результате анализа изменения содержания водорода по объему ста-леразливочного ковша в ходе экспериментов с несколькими замерами по ходу разливки было установлено неодинаковое содержание водорода. Разница в среднем составляет 0,25 ррт.

7. Прирост содержания водорода после внепечной обработки и в промежуточном ковше на первых плавках на промковш составляет 0,5 ррт, на остальных плавках - 0,3 ррт. Отбраковка на первых плавках на промежуточный ковш выше, чем на отлитых в середине серии на 25-30%.

8. По результатам исследований, в том числе расчетов по разработанной модели, были выплавлены опытные плавки и внесены изменения в существующую технологию, включающие в себя обязательное использование десульфура-ции чугуна и промежуточного скачивания шлака, сокращение объема шлакооб-разующих материалов и ферросплавов, изменение технологии вакуумирования стали, введение по окончании вакуумирования только кальцийсодержащих материалов, а так же обязательную усреднительную продувку металла аргоном перед передачей металла на разливку. Кроме того, были даны рекомендации по

изменению технологии подготовки шлакообразующих материалов, ферросплавов и флюидизированной извести для сокращения их влажности. Установочная серия плавок показала, что использование предложенных технологических мероприятий позволяет получать содержание водорода на МНЛЗ в среднем 1,9 ррт. Такое содержание водорода позволяет значительно (на 44%) снизить отбраковку стали по дефектам «нарушение класса сплошности» и «неметаллические включения».

9. На основании данных, полученных в ходе исследований, и теоретических основ вакуумирования была создана динамическая модель расчета времени вакуумирования в программной среде Visual Basic for application для Microsoft Excel 2010. Модель является адекватной и рекомендована к внедрению в производственных условиях для расчета необходимой длительности вакуумирования и содержания в стали водорода для минимизации брака стали.

10. Проведено физическое моделирование насыщения водородом металла при нагреве слябов в печи с шагающими балкам стана «5000» на опытном комплексе «Gleeble 3500» - высокоскоростном пластометре. Результаты моделирования позволяют установить прямую зависимость насыщения металла водородом от увеличения влажности внутрипечной атмосферы. Для снижения наводороживания слябов в ПШБ была проведена опытная работа по изменению вида топлива - вместо коксового газа использовать природный. В результате в ходе производственных опытов по прекращению подачи пара в печь отбраковка снизилась на 45% на опытном металле.

11. Рассчитан экономический эффект, полученный за счёт сокращения отбраковки стали, которое достигается благодаря изменению технологии в кислородно-конвертерном цехе и замене коксового газа на природный при нагреве в печи с шагающими балками. Расчетный экономический эффект от изменения технологии на сталеплавильном переделе составляет 7,5 млн. руб. в год; от замены коксового газа на природный при нагреве в печах с шагающими балками - 0,8 млн. руб. в год.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Бигеев, В.А. Особенности вакуумирования трубных марок стали в условиях ККЦ ОАО «ММК» / В.А. Бигеев, А.О. Николаев, О.А. Николаев, Д.Н. Чигасов // Электрометаллургия. - 2013. -№ 4. - С.19-24.

2. Николаев, А.О. Влияние производственных факторов на насыщение стали водородом / А.О. Николаев, В.А. Бигеев, А.Б. Сычков // Электрометаллургия. -2014,- № 1. - С.15-21.

3. Николаев, А.О. Особенности производства низкосернистой стали с ограниченным содержанием водорода / А.О. Николаев, В.А. Бигеев, А.В. Брус-никова // Сталь. - 2014. - №5. - С.18-20.

20

Другие публикации

4. Николаев, О.А. Разработка технологии производства трубных марок стали с пониженным содержанием углерода на основе вакуум-углеродного раскисления / О.А Николаев, А.О. Николаев, JI.B. Алексеев, В.В. Фролов, Б.Ф. Зинько // Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: сб. науч. тр. / Центральная лаборатория ОАО «ММК». - Магнитогорск: ООО «Полиграфия». -2011.-Вып. 16.-С. 82-86.

5. Бигеев, В.А. Факторы, влияющие на содержание водорода в кислородно-конвертерной стали/ В.А. Бигеев, А.О. Николаев // Теория и технология металлургического производства: межрегион, сб. науч. тр. под ред. Колоколь-цева. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. - 2012. - Вып. 12.

- С.75-78.

6. Бигеев, В.А. Особенности вакуумирования трубных марок стали в условиях ККЦ ОАО «ММК» / В.А. Бигеев, А.О. Николаев, О.А. Николаев, Д.Н. Чигасов // XII Международный конгресс сталеплавильщиков (Выкса, 22-26 окт. 2012 г.): сб. тр. - М.: Металлургиздат. - 2013. - С.172-175.

7. Бигеев, В.А. Особенности вакуумирования трубных марок стали в условиях ККЦ ОАО «ММК» (статья)/ В.А. Бигеев, А.О. Николаев, О.А. Николаев, Д.Н. Чигасов // Бюллетень научно-технической и экономической информации «Черная Металлургия». - 2013,- №10. - С. 62-66.

8. Bigeev,V.A. Degassing of pipe steels under the conditions of KKTs ОАО ММК/ V.A. Bigeev, O.A. Nikolaev, D.K. Chigasov, A.O. Nikolaev // Russian Metallurgy (Metally). - 2013. - Volume 2013, Issue 12. - pp 901-905.

9. Nikolaev, A.O. Effect of the production factors on the hydrogen saturation of steel/ A.O. Nikolaev, V.A. Bigeev, A.B. Sychkov // Russian Metallurgy (Metally).

- 2014. - Volume 2014, Issue 6. - pp 454-459.

10. Nikolaev, A.O. Production of low-sulfur steel with limited hydrogen content / A.O. Nikolaev, V.A. Bigeev, A.V. Brusnikova // Steel in Translation. - 2014. - Volume 44, Issue 4. - pp 272-275.

11. Бигеев, В.А. Влияние технологических факторов на изменение содержания водорода в промежуточном ковше MHJI3 во время разливки / В.А. Бигеев, А.О. Николаев // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии: Материалы Десятой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ» - 2013. - С. 48-53.

12. Бигеев, В.А. Особенности производства особонизкоуглеродистых автокузовных сталей на установке циркуляционного вакуумирования в ККЦ ОАО «ММК» / В.А. Бигеев, А.О. Николаев // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 70-й межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та.

- 2012. - Т.1. - С. 130-135.

Подписано в печать 28.04.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 330.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

2012478082

2012478082