автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии выплавки коррозионностойких сталей на основе электрохимических измерений окисленности металла

Челябинский государственный технический университет

На правах рукописи

ДШЩШГ Шрёй Николаевич

СОВЕНГЕНСТБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ КОРРОЗШШЙЮТОЕШХ СТАЛЕЙ НА. ОСНОВЕ ЭЛШТРОШ.ЙЧЕСКИХ [ТЗ.'ШРЕШЗ ОйЕСЛЕКНССЕИ ¡МЕТАЛЛА

05.16.02 - Металлургия черных металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1991

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г.Г. Михайлов. Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Б.И. Леонович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.А. Гудим, кандидат технических наук Г.Ф. Гладашев.

Ведущая организация'- Сибирский металлургический институт.

Защита диссертации состоится а?£" и¿-¿>¿(£1_1991 г.,

в /£_ часов, на заседании специализированного совета Д 053.13.04 Челябинского государственного технического университета (454030, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 244).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета,

■'■ /О /?

Автореферат разослан ^у ". 1591 г.

'Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук - • ЪИч^

Д.А. Мирзавв

В отечественной металлургии основным способом производства коррозионностойких сталей ,является переплав легированных отходов с применением газообразного ' кислорода в качестве окислителя. Несмотря на постепенный ввод в эксплуатацию на ряде предприятий отрасли различных методов внепечного рафинирования металла,,указанный способ выплавки электростали будет еще долгое время играть значительную роль. Поэтому остается актуальной проблема совершенствования технологии выплавки коррозионностойких сталей в рамках существующего способа.

Особенности выплавки в дуговых печах сталей данного класса предопределены высоким содержанием легирующих и наличием элементов с высоким' сродством к кислороду» Это накладывает ряд требований на состав пихтовых материалов и технологические режимы электроплавки с учетом конкретных особенностей сталеплавильных агрегатов.. ■,'./. -

Улучшить технико-экономические показателя процесса вуплввк:* .слокнологированшх 'марок сталей возможно за счет оптимизации состава шихтошх материалов и научяоососнованного задания темпера- ' ' турного и дутьевого режимов окислительного периода, уровня окис-ленности металлического расплава в восстановительный период при использовании современных методов контроля за состоянием •металлической ванны (например» кислородных зондов) и наличии/информа-шш о физике-хшических процессах, протекаших при температурах сталеварения. ; •

' . ¡Шью работ является совершенствование технологии выплавки ; коррозионностойких сталей, обе спечивавдеэ даеньтенш потерь ле- ' гирувдих на основе результатов изучения закономерностей окислительных процессов посредством электрохимических измерений. Для реализации поставленной цели бйли решены следующие задачи:

- проведен термодинамический анализ систеш Ре-Сг-С-К1-0 з широком температурном и концентрационном интервале и выявлены условия стабильного существования оксидных фаз, образующихся в период окислительного рафинирования коррозйонностойкоой стали; -

- проанализировано изменение окисленности металлического расплава при помощи актинометра УКОС-1 при выплавке коррозионно-стойких сталей и выработаны рекомендации по управлении окислите-

льным периодам плавки;

- создана кинетическая модель окислительного рафинирования хромоникелевого расплава, позволяющая с учетом неизотермичкосги процесса прогнозировать состав металла по коду кислородной продувки; . '

- проанализирована взаимосвязь между технологическими параметрами плавки стали 12Х18Н10Т в печах малой вместимости и предложены технологические резкими плавки, обеспечивающие Солее полное извлечение хрома из шихты;

- разработана,реализована на персональном компьютере программа расчета шихты оптимального состава и минимальной стоимости для выплавки электростали с учетом ограничений, накладываемых технологией внплавки и-ресурсами сталеплавильного цеха.

Научная новизна.

1.Рассчитаны и построены диаграммы фазовых равновесий, позволяющие прогнозировать состав продуктов окислительного рафинирования коррозионностойких сталей. .

2.Установлено, что окисление компонентов металлического расплава при выплавке коррозиощостойкоЯ стали происходит в условиях, близких к равновесным. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность определения оптимального содеркания углерода в металле в конце продувки на основе показаний датчика оки-сленности. .' '" . • ; "••

3.Разработана кинетическая модель процесса окисления компонентов хромоникелевшс расплавов с учетом неизотермичности процесса. Получена кинетические соотновенкя, адекватно 'описывающие экспериментальные данные и позволяющие прогнозировать состав металла по ходу окислительного рафинирования.

4.Разработана .программа .расчета цихты оптимального состава и минимальной стоимости-для 'выплавки электростали, с учетом ограничений, накладываемых технологией выплавки и ресурсами сталеплавильного цеха.у ,'

Прахтчееная, зтчилотъ работ и ее реализация. Разработаны технологические реиаш плавки стали 12Х18НЮТ в . печах малой вместимости. Выработаны, рекомендации по использованию кислородного. зонда УКОС для. определения оптимального содержания углерода в конца продувки. Выплавка стали по предложенным пара-'

метрам позволяет повысить сквозное извлечение хрома из' шихты. Разработана и внедрена на ЗШ программа расчета шюсти оптимального состава и минимальной стоимости для выплавки электростали. Экономив ский эффект от реализаЦй предложэюмх мероприятия составляет 3S тыс.руб. в год.

лщ?°б(2УУя_^аш..Результа,т работы докладывались и обсуждались на: 40-42-ой научно-технических конференциях. ЧШ (Челябинск , 1987-1990 гг.); кастой и седьмой Всесоюзных научных конференциях "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1987, 1991 гг.); всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение опята работи молодах ученик, инженеров и рабочих отрасли по экономии материальных и энергетических ресурсов" (Донецк, 1989 г.); третьей республиканской научно-технической конференции "Техническое перевооружение и внедрение новых' ресурсосберегающих технологий в электросталеплавильном производстве" (Днепропетровск, 1989 г.); седьмой Всесоазной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Челябинск, 1990 г.); вторсм Всесоюзном совещании "Вазы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий" (Курган, 1950 г.).

0бьел_и_сй^таурд_2дб2ш.Дйссертащюнная работа изложена на 1Б0 страницах, состоят из четырех глав, общих еыводов, списка литературы из 10? названий, 2-х приложений, содервит 10 таблиц, ■36 рисунков. •

.Ü^u^uu. Основное содержание работы изложено в 10 статьях и тезисах докладов. • -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАСОГЬ'

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 0С06ЕН0СТИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ 12X18Н1ОТ В 10-Т ДУГОШХ ПЕЧАХ В УСЛОВИЯХ БМЗ

Одной из главных технологических особенностей внплав}си стали 12X16H1CI в дуговых печах малой вместимости нй Златоустовском металлургическом заводе является нестабильность технологического рекима по химическому составу металла в период рзепдашлекия, те-шературе к длительности окислительного периода злечтроплавки,

что во многом предопределено отсутствием методик оптимизации наиболее рациональных пгахтовок из имеющегося набора пихтовых материалов.

Нестабильность состава иихты сказывается в первую очередь на ходе кислородной продувки жидкой стали, в течении которой состояние металлической ванны контролируется по косвенным признакам - Еысоте пламени СО, интенсивности кипения ванны, жидкопод-вижности шлака. Это не дает достаточных и надежных сведений, необходимых для управления процессом рафинирования, что приводит к повышенным (до 4%) угарам хрома, составляя в среднем 2.55«.

До половины раскисленного послвпродувочного шлака скачивается и наводится новый, при этом восстанавливается в среднем 505» окислившегося хрома.

Переход на одношлаковый процесс выплавки коррозионностойкой стали в условиях ЗМЗ сдержвается осложнениями в' организации удаления серы и невозможностью быстрого снижения температуры металличэскай ванны после ее продувки из-за большого количества послвпродувочного шлака, аккумулирующего тепло.

Оптимизация технологических параметров электроплавки позволит усовершенствовать -технологию выплавки, коррозионностойких сталей в рамках существующего способа выплавки. Это возможно за счет рационального выбора состава шихтовых материалов, управления' процессом окислительного рафинирования на основе объективно получаемой информации, эффективного раскисления металла в восстановительный период. В целом это будет способствовать снижению себестоимости готового металла.

ТЕРШДШМИЧЕШШИ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ Ре-Сг-Ю® 1-0-0

Установление оптимального режима хода окислительного периода плавки коррозионностойкой стали облегчается при определили условий стабильного существования оксидных фаз, образующихся в жидком металлическом расплаве при температурах сталеварения. С этой целью был проведен термодинамический анализ системы Ре-Сг-ЮШ-С-О, которая моделирует состав коррозионностойкой стали в конце окислительного рафинирования расплава. При этом исходили из возможности реализации следующих химических равновесий:

{СО} = ГС] + [0], - 1188/Т - 2.07;

?еСггОдгв= [Ге] + ¿[Сг] + 4[0], -5Г150/Т + 22.9 ; .

Сгг0зта=2[Сг]+3[0], 1^= -40014/Т+17.37 ;. (1)

Сг304тв=3[Сг]+4[0), 1§К4= -53352/Т+23.51 .

Активности компонентов, растворенных в жидком железе, определяли по методу Вагнера с учетом параметров взаимодействия первого порядка. Активность кислорода расплава расчитывали по соотношению

1ва[0] = 2.685 - (Ю.08ТЕ 4 5661 )/Т , , (2)

где Е - величина э.д.с., мВ, определяемая датчиком окисленности УКОС при погружении его в металлический расплав.

Совместное решение система уравнений (1) с учетом соотношения (2) позволило рассчитать и построить политермическую поверхность растворимости компонентов в металлическом расплаве (ПРИ) системы Ре-Сг-10%К1-С-0, моделирующей состав коррозионностойкой стали в конце окислительного рафинирования. Рассчитанная в интервале температур 1873-2173 К ПРКМ представлена на рис.1. На поверхности аЬсФтро заданы области составов металла, равновесных с одной из указанных неметаллических фаз и газовой фазой, состоящей главным образом из СО. Так, на поверхности Ъспр заданы составы металла, равновесного с газовой .фазой и Сгг0зтв- На линии сп заданы составы металла, находящегося в равновесии . с газовой фазой, Сгг03тв и Сг30г1те. Выпе поверхности аЪсйтпро находится область составов такого металла, равновесного с газовой фазой. Части пространства, ограниченные сверху поверхностями аЬро, Ьспр и сбш, отвечают равновесию между металлическим расплавом и твердыми оксидами ?еСг20д, Сг?03, С^О^, соответственно. Тонкими линиями на диаграмму нанесены-значения изо-э.д.с., которые характеризуют окисленность расплава.

Из анализа рис.1 следует, что с ростом температуры расплава происходит расширение области существования газовой фазы, равновесной с металлическим расплавом. Это свидетельствует, о положительной рола повышения температуры юЗрроаионностойкой стали в период ее обезуглероживания с цель® сохранения в металле леги-руивих.

Изотермические и изохромные сечения построенной ЯРКИ (рис.1) позволяют определить условия существования фазовых рав-

- а -

•Политермическая поверхность растворимости компонентов в' металлическом расплаве системы Fe-Cr-1 ОШ-С-О

.Cr,'/.

гт

Рис. 1

йзохрошое (14%) сечение ПИЩ системы Fe-Cr-1 ОШ-С-О

4S

о,г

ш

m

ш (СО* СС£

* ,SJ ■ V.tbV

- ' Щп m С

.то гcoo гюо

РИС.2

2200 г, к

новесий в системе Fe-сг-тош-с-о при различных температурах и исходных составах металла. На рис.2 представлено изохромноэ (14%) сечение ПР1Ш датой систему, на этой диаграмме приняты такие ке обозначения, что и на рис.1. На рис.2 выше линии п'с' находится область стабильного существования газовой фазы, находящейся в равновесии с металлическим расплавом, ниже - область стабильности твердого оксида Сг30д, равновесного с жидким металлом. На линии п'с' реализуется равновесие всех указанных фаз. На диаграмме тонкими линиями нанесены расчетные значения э.д.с.

Применительно к анализу периода окислительного рафинирования плавки стали 08-12X18Н1ОТ с использованием данной диаграммы млкно сказать, что вше линии п'с' происходит обезугле-роживлние металла, а при смещении равновесия в сторону образования твердого оксида Сг,0. (ниже линии п'с*) тлеет место интенсивное окисление хрома. Например» при Т=2023 К и Е=320мВ (точка А, рис.2) жидкий металл находится в равновесии с газовой фазой, т.е. галеет место процесс обезуглероживания стали, содержание углерода составляет 0.18% и будет постепенно снижаться. Точке В (рис.2) отвечают значения Т=2123 К и E=26G.3, в этом случае равновесие сметается в область образования твердого оксида Сг30д, т.е. идет процесс окисления хрома.

Проведенный анализ показывает, что по величине э.д.с. можно косвенно определять содержание углерода в металле, а также оценивать степень завершенности окислительных процессов.

Предлагаемый метод анализа термодинамических равновесий в многокомпонентных системах с использованием ПКШ является более универсальным по сравнению, с традиционным, основанным на анализе изотерм раскислительной способности отдельных компонентов расплава.

Очевидно, что практическое использование подобных диаграмм целесообразно лишь в случае достоверности получаемых методом э.д.с. данных о степени окисленности жидкой стали и при условии,-что химические реакции, протекающие в металлическом расплаве, приближаются к состоянию равновесия. Для проверки выполнимости указанных требований необходимо проанализировать изменение состава, температуры и окисленности металла на различных стадиях электроплавки с использованием кислородного зонда УКОС.

- ю-

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОШОНЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА ОТ ВЫПЛАВКЕ КОРРОЗЙОННОСТОШШХ СТАЛЕЙ В Ш-ТОННЫХ ЛУГОВЫХ ПЕЧАХ

Опытные плавки проводили по действующей' на предприятии технологии, методом переплава легированных отходов с применением кислорода в качестве окислителя. Продувку металла начинали при температуре расплава 1520-1560вС, давление кислорода составляло 8-9 атм, интенсивность подачи кислорода была 0.9-1.25 м3/(т»мин). Пробы металла для анализа изменения его хим.состава в окислительный период отбирали при расплавлении металла, при появлении факела горящей окиси углерода и через каждое 3-4 минуты. Параллельно отбору проб определяли температуру металлической- ваши термопарой погружения типа ВР5/20 и степень окнс-лэнности расплава кислородным зондом УКОС-1. При погружении датчика окисленности в расплав подачу кислорода прекращали.

С целью проверки достоверности данных, получаемых электрохимическим способом, одновременно' с замерами э.д.с. отбирались пробы металла для их анализа на содержание кислорода методом вакуум-плавления на .установке 1ЕСО. Сравнение значений концентраций кислорода, определенного-указанными способами, показало их удовлетворительное соответствие как при низких, так и, что особенно вакко, при Шсскйх температурах металла. Коэффициенты корреляции били соответственна равны 0.813 и 0.843. Следовательно, при помощи датчика окислешоста УКОС ыокно с достаточной точность» оценивать окислешость металлического расплава.

Для коррозианностойкой стали связь менду окисленностьи расплава и его составом мошо варазйгь аналитически, исходя из возможности существования фазовых равновесий "Ме-оксидная фаза"н "Ме-газовая фаза" а системе ?е-Сг-К1-С-0-31. Очевидно, что в случав достикэния в системе "Ке-Еуз^" термодинамического равновесия будет выполняться соотношение

1ва|:5]=-(т/п).1£аЕ1;3+(1/п).18айв0п+{1/Г1).(А/Т-»3) , (3) где И - элемент расплава, А и В - постоянные в температурной зависимости константы равновесия химической реакции.

Если допустить,.что металлический расплав является нред&ль-

но разбавленным и пренебречь влиянием активности кислорода на активность элемента Я, то соотнесение (3) можно записать в видоизмененном виде :

1ваГО]=-(п/п)'1еШ]+(1/п).1еяНп1Пг54- А'/Т+В* . !4)

где А'и Б' определяются опытным путем. Значение активности в соотношении (4) можно рассчи-

тать по теории регулярных растЕоров с учетом данных о фактическом составе шлака.

При анализе данных промышленных плавок било подтверждено, что процесс оОезуглзроясяваяия коррозионяостойкой стали можно условно разбить на три этапа. Было установлено, что на каждом из них окислвкность металла определяется температурой расплава и содержанием гтрешущзственно окисляющегося элемента.

По экспериментальным данным опытных плавок установлено, что на первом этапе -окислительного 'рафинирования' стали 12Х18Н10Т окисленность металла зависит главным образом о? концентрации кремния. В этом случае

15а103 = - 0,5.181511 - 463Т/Т + 0.456 . (5)

На данном этапе продувки окисляется до половины всего кремния, температура расплава возрастает при этом до 1б90-1720°С.

На второй стадии продувки, окисленность расплава определяется углеродом:

1®з£03 = - 1£1 С1 + 2655/Т - 3.704 . (6)

Концентрация углерода уманьпается до значений порядка 0.150.20л, температура металла при этом возрастает до 1820-1860°С.

На заключительной стадии обе зуглерокивания происходит совместное окисление углерода и хрома, однако по,мере уменьшения содержания в металле углерода поступающий в ванну кислород расходуется преимущественно на окисления хрома, и уровень окис-ленности ванны определяется содержанием хрома:

1еа[о:! = - 0.75«^[Сг] - 11706/1* 4 4.88 * (7)

Эмпирические соотношения (5-7) были сопоставлены с. равновесными термодинамическими данными. В Таблице 1 приведены результаты расчета констант равновесия реакций образования оксидных фаз по указанным соотношениям и по литературным данным.Сопоставимость опытных данных с аналогичными расчетными величинами свидетельствует, что в металлическом расплаве кремний, углерод и

хром окисляются в указанных ствхиомегрических соотношениях в условиях, Слизких к равновесны:.!.-'

таблица 1

Опытные и расчетные значения констант равновесия 1|*Кр образования оксидных фаз

оксид т = 1873 К Т = 2173 К

1вК (1) 1& (П) 1ек (I) 18К (II)

510.5°- -2.5 -2.28 -1.7 -1.1

со -2.3 -2.7 -2.63 -2.6

СГ0.75° -1.4 -1.24 -0.5 -0.26

Примечание. I - опытные данные, II - расчет по данным литературы

Данный вывод подтверждается и-следующими фактами.

Пр опытным данным промышленных плавок было проанализировано изменение содержания кислорода и углерода в окислительный период, в результате обработки экспериментальных. данных была получена зависимость вида

СО] = О.00566/(С! + 0.0472 . (8)

которая сопоставила с.равновесной кривой расккслительной способности углерода, в хршакикелевом расплаве.

Сравнение данных по изменению состава металла в период кислородной продувки с результате?.::! термодинамического анализа системы Ре-Сг-Ю2Н1-С-0 такзэ сзидзтольствцет, что при высоких температурах металла ( порядка 1800-1950 С) додано реализовывагься равновесие между храшшшэлавцм расплавом и газовой фазой, т.е. осуществляться процесс ооезуглероишашя стали с сохранением в металле хрома.

Однако в дэйствительности происходит окисление'-определенной части хрома, прячем скорость его окисления возрастает с 0.14 Ж/мин на первых двух этапах продувка до 0.3? %/ыт на заключительной стадии продувки..Вероятно, окисление хрома происходит главным образом в зонах локального переокисления металла - т.е. в месте внедрения в расплав кислородной струи.

Возможность установления равновесия в-металлическом распла-

Ев свидетельствует о существовании устойчивых связей между . технологическими параметрами электроплавки. По экспериментальным данным была установлена связь мезду содержанием хрома в шихте и его концентрацией в металле в конце продувка:

. ICD™ = 0.9[CrJa - 2.14 , Г = 0.933 . (9)

Была рассмотрена связь между активностью растворенного в металле кислорода, определяемая датчиком окисленности УКОС, и составом расплава, при этом осооое внимание уделялось характеру поведения углерода. В соответствии с экспериментальным данными, на первом этапе кислородной продувки стали 12Х18Н10Т концентрация углерода и активность кислорода связаны следующим соотношением:

lg[C3 = -0.11-lga - 0.58 , r=-0.503 . (10) Низкое значение коэффициента корреляции в соотношении (Ю) объясняется зешггннм действием кремния на данном этапе продувки. В период интенсивного окисления улереаа и на заключительной стали обезуглероживания справедливо, согласно экспериментальным данным, следующее соотношение:

Ig{C] = -f.098«lga 0 - 2.558 . г=-0.934 . (11) Указанные визе соотношения, учитываете сеязь между технологическими параметрами электроллавки, могут бить использованы при создании АСУ ТП при.наличии кинетических уравнений, определяющих изменение состава металла во время окислительного рафинирования .

Для аналитического описания кинетических закономерностей окислительного рафинирования использовала уравнение химической кинетики вида

dCi, 1/dT = -k •il[l)ni:'exp(-E/RT) . (12)

j о it

где kQ - константа скорости реакции окисления компонента, С5)1~п>млн~1; 1 - содержание компонента, %; г^-порядск реакции; Е - энергия активации процесса, Да/моль: Н - газовая постоянная. Да/(К-моль) ; Г - температура металла. Kit- время процесса, юта; 1= 1,2,3,...,® - число компонентов расплава.

При- этом была предпринята попытка учесть ибизотермичность процесса окислительного рафинирования металлического расплава, поскольку изменение температуры существенно влияет на кинетические закономерности взаимодействия компонентов жидкой стали. Тем-

пературу металла в первой приближении считали линейно зависящей от длительности кислородной продувкн:

? = 3?0+ Ьт , . (13)

где То - температура шталла в начальной момент продувшей, К; Ь - постоянная, К п.ж-Г1.

Для опытных плавок величины'Т IVимеют значения 1832 К и

1 /О

17.82 К «мин , соответственно, а коеффицнет корреляшш г=0.903.

Если подвод какого-либо компонента расплава к мосту его взаимодействия с ■ другим элементом не .л&яшфует протекание химического акта» то данная .-реакция имеет пб этому компоненту нулевой порядок.. Поскольку в период окислительного рафинирования металлического расплава всегда веется -избыток поступающего в ванну кислорода, то, -ыокно считать, .любая реакция окисления шэет нулевой по кислороду порядок. Для остальных компонентов расплава-реакции--их окисления будут иыеть -либо нулевой, либо первый порядок, что следует из стадийности процесса окислительного рафинирования хрошникелавого расплава.

Как показал анализ экспериментальных-данных, на первом этапе продувки в основном окисляется кремний, при этом концентрации углерода и хрома -изменяются незначительно. На данном этапе продувки порядок рэекшш окисления. кошонентов по кремнии равен единице» а по углероду.н.хрому> нулю. На-втором этапе продувки ■имеет шето штеншвное окисление „углерода, реакция имеет первый порядок, но xpoi.ii $э порядок реакции: преасний. • На заключительной стадии обезуглэрошзандя происходит совместное окисление хрома и углерода, одвж» взаимодействует с кислородом более .интенсивно. Ыоано гфвмолошть, что на данном этапе продувки реакция окисления хроыа твзт пёрвкй порядок.

Для проверки данних положений уравнение (12) было решено и сопоставлено с.'шещаиася. опытными-даншаш. Прямое интегрирование уравнения (12) дает дашэние,-представленное бесконечным рядом и которое использовать на практике в таком вида затруднительно. Кроме того, возникает задача оценки по экспериментальным данным параметров и а=Е/Н. Их нахо&цениэ из общего решения уравнения (12) в.силу того, что эти параметры входят в него нелинейно, приводит к большому объему вычислительной работы и для практических; целей не оправдано. В такой ситуации было найдено

приближенное, решение данного уравнения при п*0 и п=1, при этом функции ехр(-а/(То+ох)) раскладывали в ряд около точки t* на отрезке времени от т=0 до х=х1 - т.е. от начала окислительной продувки расплава до момента смены порядка реакции окисления данного компонента, ограничиваясь двумя членами разложения. Для нулевого порядка реакции окисления кошотктов расплава решение имеет вид

Ш = Ш -к • ((P-Qt®)t+0.5t2) (14)

о о

с начальными условиями Ш*Шо при t=0, для первого порядка реакции решение имеет вид

Cil = tlî, -ezpiko. [ (P-px*î*i'C1-t)-»-0.5QC(t1 )2-ta)l> , (15) где ш1 - концентрация компонента расплава, определяемая по соотношению (14) при tat,; - точка разложения экспоненты в интервале Сх1

В соотноя0ниях- (14) я (15) яршвто, что

ехр(-а/(Т +Ьт*)) « Р. РаВ/(Г +bt*)a - Q . (16)

4 О О

Полученные ■ уразкснйя (14) и (15) сши использована для оценки изменения состава металла в окислмэяышй шзриод, пря этом значение энергии кетязедшг S процесса задавала по язвэсташ литературным данным, константу скорости 1с опрэделяда пз экспериментальных данння, обрабатквая :tz f..»годом аапмэньшх квадратов.

По. результатам обработки экстрянэнталшзх даншх' было получено кинетическое уравнение первого порядка,. прпбДЕЛзгао описывающее измонопиэ кошштрашш крэмзия со ходу окислительного рафпшроБанпя гадкой стаял-: • ' .

[Si] » tSll^exp (-0.1055t- бИО"3»*2) . (17)

В соответствии с опытники даншает,. па пзрвой стадии продувки кинетическое уравнение-реакши окаслэют углерода шэет вид (С] - Г03о - 1.б3.10"гт - 7.4»10"V . (18)

На втором этапе продувка,, начиная с ^<=5 мин, и на заключительной стадии продувка при окнслэней-углзрода шэет место реакция 1-го порядка, кинетическое уравнение имеет вид.

(О) =» tG31 •езф(0.8775-0.17т-10"3та) . , (19)

где CCI, определяется из соотношения (18) при t^t, - времени окончания 1-го этапа кислородной продувка.

Кинетическое уравнение реакции окисления хрома на первых двух стадиях продувка имеет вид

(Сг1 = [Сг] - 9.93.1СГЧ - \0'йхг . (20)

о

Для заключительной стадии обезуглероживания (примерно с (11-12)-лй гашнуты от качала продувки) кинетическое уравнение запишется в виде

[Сг) = Юг!,-ехр(0.239-2.33-10^-1 - 6.4.Ю"5тг) . (21)

где (Сг) определяется из (20) при 1=%г - времени окончания второго этапа продувки жидкой стали.

Для проверки адекватности кинетической модели была проведена статистическая обработка опытных данных, проверка адекватнос-сти модели по критерию Филера при уровне значимости 0.05 позволяет заключить, что приведенные соотношения могут быть использо-зованы для прогнозирования состава металла в период- окислительного рафинирования.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ КОРРОЗИОШОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ

Возможность реализации равновесных условий протекания химических реакций при выплавке электростали, существование устойчивых связей между технологическими параметрами электроплавки, возможность прогнозирования состава металла пц ходу продувки позволяют утверждать о принципиальной возможности стабилизации процесса выплавки электростали, что и было предпринято при выплавке стали 12X18Н1ОТ в 10-т дуговых печах в условиях ЗМЗ с целью снижения угара легирующих.

В настоящей работе совершенствование технологии выплавки электростали было основано на стабилизации технологического процесса. Стабилизация включала в себя оптимизацию таких технологических параметров электроилавки, как химсостав металла по расплавлению, температурный и дутьевой режимы в окислительный период, уровень окислевдости металла по ходу плавки.

Стабилизировать технологические параметры (прежде всего состав металла по расплавлению) целесообразно еше на стадии подготовки материалов на плавку. Решение задачи по рациональному выбору состава шихтовых материалов существенно обличается при использовании современных методов обработки информации - например, при помощи ЭВМ.

С этой цель» была разработана программа расчета шихты опта-

мального состава и минимальной стоимости для выплавки электростали' с учетом ограничений, накладываемых ресурсами сталеплавильного цеха, и выбором определенных групп шихтовых, материалов. Данная программа, составленная на. основе симплекс-метода и реализованная на персональном когагьюгерэ, внедрена на SM3. Использование подобных программных средств позволяет на только оптимизировать химсостав и стога,юсть материалов для выплавки электростали, но и стабилизиоват-ь состав и температуру металла по расплавлению.

На опытных плаЕках, основываясь на результатах проведенных исследований, был принят следующий состав шихты,С 0.55-0.60, Сг - 15.5-16.0, S1 - 1.1-1.2, N1 - 10.6-10.9.■ Расход электроэнергии на на расплавление мэталлощихты составлял 430-45Q квтч/т. Продувку металла начинали при температуре 1540-1560°С при интенсивности подачи кислорода в ванну 0.9-1.25 м3/(т>ют1).

Стабилизация состава металла по расплавлению позволила значительно сузить предела его изменения как в окислительный, так и в восстановительный периода плавки, при этом изменение состава металла в окислительный период хорошо согласуется и с расчетнн-ма кинетически!® зависимостями вида (17-21).

Особенно вакннм является тот факт, что стабильный состав металла по расплавлении и возможность прогнозирования его изменения позволяй с использованием построенной ПРКМ и датчика окисленности определять оптимальное содержание углерода в металле.

На рис.3 представлена номограмма, с использованием которой оценивали содеркание углерода в хромониквлевом расплаве на различных стадиях кислородной продувки по температуре металла и величине э.д.с. На номограмму нанесены экспериментальные и расчетные значения содержания углерода в металле, вертикальные отрезки характеризуют степень отклонения расчетных данных от' фактических, определяемых кулонометрическим методом.

Сравнение фактических и расчетных'концентраций углерода в жидкой стали в конце периода продувки пока зало, что при помоши активометра УКОС можно определять концентрацию углерода с точностью »0.01S. •

Определение оптимального содержания углерода в расплаве по-

Номограмма для определения содержания углерода в конце продувки при выплавке коррозионностойкой стали

©- экспериментальные данные, — - расчет по э.д.с.

Рис.З

V

зволило сократить на опытных плавках длительность окислительного периода с 20-25 мин до 18 мин, угар хрома был снижен с 2.55% до 2.15%, при этом скорость его окисления уменьшилась с 0.14 до 0.12 %/ит на первых двух стадиях продувки и с 0.37 %/шш до 0.27 %/мин на заключительной стадии рафинирования: Значительно уменьшилось и количество корректирующих добавок в восстановительный период, расход рафинированного феррохрома был сокращен со 130 кг/т до 102 кг/т годного металла, а общее извлечение хрома из шихты возросло с 83.6% до 92.5%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 .Проведен термодинамический анализ системы Ре-Сг-10ОТ1--С-0, моделирующей состав коррозионностойкой стали в период ее окислительного рафинирования. Выявлены условия разновесного сосуществования оксидных фаз, образующихся при рзфишрованш ' хро-моникелевых расплавов. Построена"номограмма, с помощью которой можно определять оптимальное содержание углерода з металле з конце окислительного рафинирования коррозионностойкой стали по степени ее окисленноости. на- основании показаний кислородного зонда., з также оценивать степень завершенности окислительных процессов.

2.Установлено, что окисление компонентов металлического расплава при выплавке коррозионностойкой стали происходит в условиях, близких к равновесным.'

3.Разработана кинетическая модель окисления компонентов хромоникелевого расплава с учетом неизотермичности процесса. Получены кинетические соотношения для процессов окисления кремния, углерода и хрома при выплавке коррозионностойкой стали. Уравнения адекватно описывают экспериментальные данные и могут быть использованы для прогнозирования состава металла а период окислительного рафинирования и при разработка АСУ ТП.

4.Показана принцип7"-льная возможность стабилизации процесса выплавки электростали, цредложены технологические резкими для выплавки стали 12Х18Н10Т а 10-т дуговнх печах в условиях ЗМЗ, выплавка стали по предложенным параметрам с использованием кислоро-

дного зонда для контроля за состоянием ванны позволяет сократить угар хрома за продувку на 0.4%, снизить расход рафинированного феррохрома со 130 кг/т до 102 кг/т годного металла, повысить степень извлечения.хрома из шихты с 89.6 % по 92.5 %. Экономический эффект при этом составляет 36 тыс.руб. в год,

5.Разработано и внедрено на SM3 программное обеспечение АСУ подготовкой шихта, оптимизирующее химсостав и стоимость материалов для выплавки электростали с учетом ресурсов сталеплавильного цеха и ыаддом ограничений на имеющиеся -группы шихтовых материалов, что способствует стабилизации состава и температуры металла по расплавлению.

Основное содержанке диссертации изложено в следующих работах:

.1.Изучение окмслэяностк металла при выплавке неряавеющих сталей / Дйльдин А.Н., Леонович Б.И., f/ихайлов Г.Г. и др. // Шестая всесоюзная научная конференция по современным проблемам электрометаллургии стали: Тез. докл.- Челябинск: -ЧШ, 1987.-

С. 54.

2. Дильдаш А.Н.а Мшжша С.й. Анализ технологических пара-метров выплавки стали 12X1 äff 10Т в условиях £МЗ.- В сб.:Совершенствование машиностроителыш материалов, конструкций машш и методов обработки деталей.- Челябинск: ЧПИ, 1983.- С.22-24.

3. Дильдин'А.Н., Михайлов Г.Г., Леонович Б.И. Электрохимический контроль окислэнности металла при выплавке стали в дуговой печи.- В кн.: Обобщение ошта мололи* ученых, кнаенеров и рабочих, отрасли по ©Коноша материальных и энергетических ресурсов: Тез. докл. бсесаюз. научно-технической конференции.- Донецк, 1S8S.- С. 39-40.

4. йильдян А.Н., Я&онович Б.И. Исследобание технологии выплавки коррозиояностойкой стали с применением УКОСа.- В сб.: Фи-зико-яимические основы металлургических процессов.- Челябинск: ЧШ, 133$.- С. 37-42.5. Применение датчиков окмеленности для контроля окислительного периода плавки коррози&яносгойких сталей / Дильдан i.п., Леонович Б.И., Михайлов Г.Г. и яр. // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1989.- Н 9.- С. 35-43.

б. Анализ окислительных процесса при выплавке коррозионно-

стойкой стали датчиком УКОС-1 / Михайлов Г.Г., Дильдин А.Н., Ле-онович Б.И. // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1989.- Б 11.- С. 149-150.

7. Дильдин А.Н., Леонович Б.И., {Михайлов Г.Г. Совершенствование технологии выплавки коррозионносгойких сталей.- В сб.: Техническое перевооружение и внедрение новых ресурсосберегающих технологий в электросталеплавильном производстве: Тез. докл. респуб. научно-технической конференции.- Днепропетровск, 1989.-С. 21-22.

8. Леонович Б.И., Дильдин А.Н., Михайлов Г.Г. Разработка алгоритма управления окислительннм периодом процесса выплавки стали в открытых дуговых печах.- В кн.: Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий: Тез. докл. Второго Всесоюз, совещания.- Курган, 1990.- С.

9. Взаимосвязь технологических параметров при выплавке кор-розионностойких марок сталей / Леонович Б.И., Дильдин А.Н., Михайлов Г.Г. // Седьмая Всесоюзная научная конференция по современные проблемы электрометаллургии стала. Тез. докл.- Челябинск: ЧПИ, 1990.- С. 66-07.

10. Дильдин А.Н., Белозеров Б.П., Леонович Б.И. Непзотерми-ческая кинетика окисления углерода при шшшвка коррозпонностой-ких сталей.- В кн.: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: Тез. докл. седьмой Всесоюз, конф.- Челябинск: ЧПИ, 1990.- Т. 3.- часть 2.'- С. 248-250. .. '>

192