автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии внепечного рафинирования конвертерной стали на основе исследования и моделирования технологических стадий обработки

/

Сибирский государственный индустриальный университет

На правах рукописи

Шакиров Максим Кимович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕПЕЧНОГО РАФИНИРОВАНИЯ КОНВЕРТЕРНОЙ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СТАДИЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

лауреат Государственных премий

в области науки и техники,

действительный член международной

инженерной академии,

доктор технических наук, профессор

Айзатулов P.C.

Новокузнецк - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ............................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................................6

1.1 Применение инертного газа для продувки стали в ковше........................6

1.2 Использование шлаков при обработке стали в ковше...............................9

1.2Л Структура жидких шлаков.................................................................9

1.2.2 Некоторые свойства шлаков...........................................................13

1.3 Использование синтетических шлаков и шлакообразующих смесей

при внепечной обработке стали..............................................................19

1.4 Выводы и постановка задач исследования..............................................33

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ КОВШЕВОГО

ШЛАКА ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ....................................36

2.1 Источники шлакообразования и физическая модель формирования

шлака в ковше...........................................................................................36

2.2 Исследование возможности прогнозирования и управления

количеством и химическим составом ковшевого шлака на основе математической модели его формирования..........................................42

2.3 Выводы к главе 2........................................................................................58

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНЕПЕЧНОЙ

ОБРАБОТКИ СТАЛИ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ.........59

3.1 Оценка роли капель металла в массообменных процессах между

металлом и шлаком...................................................................................59

3.1.1 Особенности методики низкотемпературного физического моделирования воздействия струи газа на площадь контакта металла со шлаком и результаты экспериментов.......61

3.1.2 Анализ результатов физического моделирования и их

математическое описание..............................................................68

3.2 Удаление серы.............................................................................................82

3.3 Поведение фосфора.................................................................................. 103

3.4 Изменение содержания азота по ходу внепечной обработки стали ... 116

3.5 Поведение водорода при внепечной обработке стали.........................124

3.6 Выводы к главе 3...................................................................................... 140

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ,

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЕ ИХ В ПРОИЗВОДСТВО...........................................................................................143

4.1 Оценка величины дополнительной поверхности металл-шлак,

образующейся при внепечной обработке стали..................................148

4.2 Коэффициенты использования материалов - раскислителей и

легирующих............................................................................................. 153

4.3 Износ футеровки сталеразливочного ковша..........................................162

4.4 Внедрение результатов исследований в производство........................169

4.5 Выводы к главе 4......................................................................................171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................174

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................186

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.................................................................................................... 188

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству стали. При этом важны не только высокие значения служебных характеристик металла, но и их высокая стабильность.

Одним из важных факторов устойчивого повышения качества металла, получивших развитие в последние время, является внепечная обработка жидкой стали.

На долю сталеплавильного агрегата (печи или конвертера) отводится только обезуглероживание и предварительная доводка металла. Задача внепеч-ной обработки состоит в выполнении таких операций как раскисление, легирование, десульфурация и ряд других - в зависимости от назначения обрабатываемого металла.

Возрастающие требования к качеству металла и введение в производственную практику непрерывного литья стали дополнительно стимулировали поиски средств его внеагрегатной обработки и совершенствования технических средств ее проведения. В настоящее время вопрос о необходимости внеагрегатной обработки стали решен и ни у кого не вызывает сомнений, задача сводится к широкому использованию уже известных средств и методов ковшевой обработки, к поискам средств и методов ее совершенствования, а также к разрешению новых проблем, нахождению технических путей их решения. Среди наиболее распространенных способов внеагрегатной обработки можно назвать: вакуумные с целью удаления из металла растворенных в нем газов и раскисления металла за счет реакций содержащихся в нем углерода и кислорода, а также удаления неметаллических включений; обработка синтетическими шлаками (или шлаковыми смесями) для экстракционного извлечения из металла кислорода и серы, а также удаления взвешенных в металле неметаллических включений; обработка нейтральными газами для усреднения объема металла по температуре и химическому составу, интенсификации массообменных про-

цессов в системе металл-шлак-газовая фаза, раскисления, десульфурации, легирования металла, а также модифицирование неметаллических включений за счет ввода кусковых, расплавленных или порошкообразных лигатур, ферросплавов или чистых металлов.

Термодинамический анализ, а также обширные практические данные по применению различных технологических схем внеагрегатной обработки стали указывают на возможность глубокого очищения металла от нежелательных примесей. Однако при выборе конкретной технологии внеагрегатной обработки необходимо учитывать ряд обстоятельств: какие примеси и до каких пределов надо удалять, как данная схема обработки может быть вписана в режим работы цеха и, наконец, каковы температурные возможности сталеплавильных агрегатов, так как внеагрегатная обработка стали связана с определенными энергетическими затратами, которые должны компенсироваться.

В связи с этим, наиболее жизнеспособными являются относительно простые способы, не нарушающие технологический ритм производства и не требующие большого перегрева стали. Любое усложнение схемы внепечной обработки должно быть оправдано необходимостью повышения ее эффективности. Вместе с тем, современная практика указывает на необходимость комплексного подхода к решению задач внеагрегатной обработки стали и подготовки ее к разливке. Только такой подход позволяет достичь высокие технико-экономические показатели обработки и, соответственно, повысить эффективность работы сталеплавильных цехов.

• Целью работы является усовершенствование технологии внепечной обработки конвертерной стали, в том числе для непрерывной разливки, в 350-тонных сталеразливочных ковшах путем исследования и разработки математической модели процесса шлакообразования, его влияния на показатели эффективности обработки.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Применение инертного газа для продувки стали в ковше

Одной из основных технологических функций внепечной обработки является возможно более полное очищение стали от вредных или избыточных примесей, таких как сера, кислород, азот и др. , путем их перевода из металла в рафинирующую фазу.

Суть процесса внепечного рафинирования - достижение термодинамического равновесия между элементом, растворенным в стали и находящимся в рафинирующей фазе. Таким образом, необходимым условием для обеспечения термодинамической возможности удаления элемента из металла является наличие контактирующей с металлом рафинирующей фазы, имеющей низкое значение химического потенциала данного элемента.

Система металл - инертный газ является частным случаем, соответствующим этому принципу. Теоретические основы обработки стали нейтральными газами были сформулированы еще в 50-х годах в работах Скайра, Г.Н. Ойк-са, Хан-Хен-Ги и др. [1].

В промышленных условиях продувка стали аргоном была осуществлена в 1964 - 1965 гг. [2]. Дальнейшими исследованиями и широким применением на практике была подтверждена эффективность такого способа обработки стали.

На практике продувка аргоном или азотом используется для выравнивания химического состава и температуры стали [3-11], раскисления и удаления в шлаковую фазу неметаллических включений [4, 7, 9, 12-17], интенсификации массообменных процессов в системах металл - шлак [6, 14, 18], с целью десульфурации. Кроме того, одной из важных задач, решаемых продувкой нейтральным газом, является корректировка температуры стали в ковше [14, 19].

В [6] приведены результаты обработки низколегированной стали продувкой азотом совместно с твердой шлакообразующей смесью при выпуске стали из 300-тонной мартеновской печи на Коммунарском металлургическом комбинате. Разработанная технология позволила снизить химическую неоднородность, увеличить степень десульфурации с 25-40% до 35-45%. Механические свойства стали, обработанной нейтральным газом и ТШС, более стабильны и выше средних значений на 10-30%.

Аналогичные результаты [9] получены при продувке стали аргоном через погружную фурму. Достигнуто снижение неоднородности химического состава и количества неметаллических включений, увеличение ударной вязкости, что привело к уменьшению брака заготовки колес. Оптимальная продолжительность продувки составила 5 мин.

В [20] приведены результаты расчетов распределения потоков и концентраций примесей в ковше с жидкой сталью, продуваемой инертным газом с целью перемешивания. Математическая модель процесса представляет собой комбинацию дифференциальных уравнений сохранения массы, момента и энергии при взаимодействии потоков жидкости и газа, совместное решение которых на ЭВМ выполнено на основе метода Эйлера. Установлено, что максимальная эффективность перемешивания достигается при отношении высоты ковша к его диаметру ~1,5.

Исследования, проведенные в работе [21] указывают на формирование дополнительной поверхности раздела металл - шлак при продувке стали в 250-тонном сталеразливочном ковше аргоном через футерованную фурму, погру-

о

женную на 3,0-3,3 м с расходом 40-60 нм /ч в течение 3-10 мин. Предположение о формировании дополнительной поверхности корольками металла, вносимыми в шлак газовыми пузырями, сделано на основании сопоставления фактического и расчетного коэффициентов массопереноса кремния в системе металл-шлак. Принято, что процесс окисления кремния, растворенного в металле, в ходе внепечной обработки стали продувкой аргоном в ковше происходит в

основном за счет взаимодействия корольков металла со шлаком.

В [16] исследовано влияние модифицирования РЗМ, продувки аргоном и комплексной обработки аргоном с РЗМ на структуру и свойства инструментальной стали. Результаты исследования показали, что комплексная обработка стали РЗМ и продувкой аргоном обеспечивает меньшее количество неметаллических включений, лучшую структуру, наиболее высокие свойства.

Авторы [13] также отмечают значительное (до 70%) снижение количества оксидных включений после продувки стали в ковше азотом.

В работе[22] отмечается рост содержания азота в полностью раскисленной качественной малоуглеродистой стали для холоднокатанного автолиста при продувке ее аргоном. В то же время в конвертерной стали, как раскисленной только марганцем, так и нераскисленной, при продувке аргоном содержание азота не увеличивается.

Внепечная дегазация продувкой нейтральными газами, как показывает анализ литературных данных, представляется малоперспективной из-за невозможности достичь низких концентраций водорода или азота при расходах нейтрального газа, реальных для продувки в ковше [23]. Отсутствие простых технических средств, позволяющих вести продувку стали с достаточной интен-

л

сивностью (более 1 м /т) в пузырьковом режиме, не позволяет получить высокую степень ее рафинирования в ковшах большой емкости.

В связи с вышеизложенным, представляет интерес так называемая струйно-кавитационная обработка стали. Струйно-кавитационный способ обработки стали нейтральными газами был предложен сотрудниками Московского института стали и сплавов и Западно-Сибирского металлургического комбината [24]. В основу способа легла гипотеза, согласно которой при продувке расплава высокоскоростной струей нейтрального газа у поверхности раздела газовая каверна - расплав, вследствие развития волновых процессов, возникают растягивающие напряжения, достаточные для кавитационного зарождения газовой фазы.

Реализация в промышленных условиях продувки стали нейтральным газом через щелевые фурмы в 350-тонных сталеразливочных ковшах [25] позволило существенно снизить содержание растворенного водорода. В зависимости от исходного уровня содержания водорода и продолжительности продувки степень его удаления из спокойных сталей составляла 17-41%, а снижение содержания кислорода - 40-60%.

Использование данного способа привело к повышению и стабилизации уровня механических свойств готового проката.

В целом, внепечная обработка стали нейтральными газами, как показывают многочисленные литературные данные, - широкоиспользуемый прием повышения качества стали. Незначительные капитальные затраты, высокая эффективность и низкие эксплуатационные расходы делают этот прием приемлемым для многих марок стали.

1.2 Использование шлаков при обработке стали в ковше

1.2.1 Структура жидких шлаков

Шлак является неотъемлемой материальной частью, участвующей в технологическом процессе производства стали. Металлургические шлаки представляют собой расплавы оксидов и др. соединений. В зависимости от целей металлургических процессов диапазон составов и свойств шлаков очень велик. В процессах внепечного рафинирования, как правило, используются основные безжелезестые (низкожелезестые) шлаки с целью удаления из жидкой стали растворенных серы и кислорода, а также взвешенной неметаллической фазы. Успех рафинирования определяется как термодинамическими факторами, связанными с химическим составом контактирующих фаз, так и условиями смешивания их, физическим состоянием шлака, и др., т.е. гидродинамическими особенностями обработки и кинетикой процессов.

Химический анализ дает общую информацию о составе шлака. Но для объяснения его физических свойств и особенностей поведения этого недостаточно. В отличие от металлических расплавов, для жидких шлаков характерно большее изменение свойств в зависимости от состава и температуры. Объяснением этому может служить разнообразие в структуре шлаков.

Попытки увязать свойства шлаков с их строением привели к созданию ряда теорий.

Использование стехиометрических формальных представлений привело к появлению молекулярной теории строения шлаков, которая получила развитие в работах В.Е. Грум - Гржимайло, М.М. Карнаухова, Г. Шенка, Дж. Чипме-на и др. [26] . Согласно этой теории шлак состоит из электронейтральных молекул свободных оксидов, сульфидов и фторидов, например FeO, СаО, МпО, Si02, Р2О5, FeS, MnS, CaF2. Эти молекулы образуют соединения, напри-

мер 2Ca0-Si02, 2FeO-Siö2, 2Ca0Fe203 [27], которые находятся в диссоциативном равновесии с составляющими компонентами.

Из результатов петрографического анализа твердых шлаков видно, что в них имеется большое количество весьма сложных соединений, содержащих три и более оксида. Однако для простоты расчетов молекулярная теория учитывает наличие в жидких шлаках лишь перечисленных выше наиболее простых и прочных бинарных соединений и свободных оксидов [26]. На основе этого положения проводится расчет концентраций свободных оксидов и активностей компонентов шлака.

Впервые предложение об ионном строении металлургических шлаков высказал В.А. Ванюков (1912 г.), позднее - Г. Тамман (1931 г.) и П. Герасименко (1938 г.). Ионная теория шлаков была глубоко разработана лишь с 1946 г. в трудах O.A. Есина, П.В. Гельда, М.И. Темкина, A.M. Самарина, JI.A. Шварцмана и др. советских ученых [26]. O.A. Есин и П.В. Гельд в своей монографии [28] приводят обширный экспериментальный материал по электропроводности, электролитическим эффектам в жидких шлаках, определениям чисел переноса,

убедительно доказывающий, что жидкие шлаки представляют собой ионный расплав.

Физические свойства шлаков, а также химические связи между отдельными ионами определ�