автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Влияние металлургических факторов на усвоение легирующих и ресурсосберегающая технология производства коррозионостойкой стали

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

W В ^

ЕРМОЛАЕВ- ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 669. 014.018. 52. 8: 669.187. 25

ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ" ФАКТОРОВ-НА УСВОЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КОРРОЗИОШЮСТОЙКОЙ СТАЛИ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1998

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Государственной металлургической академш министерства образования Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры "Машины и технологии ли тейного производства" Запорожского государственного технического университета Цивирко Эдуард Иванович;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель проректора Государственной металлургической академии Украины по на учно-исследовательской части Остапенко Владимир Павлович.

Ведущя организация:

Запорожская государственная инженерная академия министерства образ вания Украины, г. Запорожье.

заседании специализированного ученого совета К 08.0$4.01 при Госуда стЕенной металлургической академии Украины по адресу: 320625, г. Днепропетровск 5, ГСП, пр. Гагарина 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной металлургической академии Украины.

электрометаллургии,Государственной .металлургической академии Украины Шифрин Владимир Моисеевич

на

1997г.

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат технических

доцент

Ю. С. Паниотов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Многие отрасли промышленного комплекса Украины испытывают постоянную потребность в коррозионностойких сталях, среди которых особое место занимают хромоникелевые стали аусте-нитного класса, легированные титаном, обладающие наиболее универсальными свойствами и нашедшие широкое применение.

В настоящее время значительная часть объема производства этих сталей выплавляется в основных дуговых печах методом переплава собственных отходов с применением кислорода. Развитие внепечных методов производства коррозионностойких сталей не исключает необходимость дальнейшего совершенствования действующей традиционной технологии, которая в ближайшее десятилетие будет играть значительную роль в производстве этих марок сталей.

Основными недостатками действующей технологии являются потери легирующих материалов и высокий расход дорогостоящих ферросплавов, что во многом обусловлено нерациональным проведением окислительного и восстановительного периодов плавки. На сегодняшний день резервы оптимизации технологии выплавки коррозионностойкой стали в дуговых печах далеко еще не исчерпаны и их разработка и реализация являются актуальными.

Цель работы. Разработка, исследование и промышленное внедрение ресурсосберегающей технологии производства коррозионностойких стали, обеспечивающей снижение безвозвратных потерь легирующих, ускорение плавки за счет оптимизации хода окислительного и восстановительного периодов, усовершенствования системы управления технологическим процессом. В этой связи в работе поставлены и решены следующие задачи: -анализ состояния и перспектив дальнейшего использования действующей технологии выплавки коррозионностойкой стали;

-изучение физико-химических особенностей протекания процессов кисло-

- 'с -

родной продувки и раскисления послепродувочного шлака и металла;

- разработка, экспериментальное исследование, промышленное освоение и внедрение усовершенствованной технологии производства коррозионно-стойкой стали, составными частями которой являются: создание алгоритма управления ходом восстановительного периода плавки и повышение степени использования хрома, разработка ресурсосберегающей технологии легирования титаном, создание рациональной схемы управления температурным режимом восстановительного периода;

- усовершенствование детерминированно-статистической модели управления ходом плавки коррозионностойкой стали.

Теоретическая ценность и новизна выносимых на защиту результатов диссертации.

- Исследован температурный режим кислородной продувки высокохромистого расплава в дуговой печи, получены уравнения, количественно описывающие степень близости процесса обезуглероживания в дуговой печи к термодинамическому равновесию. Установлено, что величина степени близости к равновесию определяется организацией дутьевого режима и растворимостью оксидов хрома в окислительном шлаке;

- на основе разработанной термодинамической модели процесса раскисления кремнием послепродувочного шлака и металла, а также установленных связей технологических параметров продувки и восстановительного периода плавки создан алгоритм управления раскислением послепродувочной ванны кремнием;

- термодинамически обоснована и подтверждена экспериментально эффективность использования кускового алюминия для более полного восстановления хрома из послепродувочного шлака, предварительно раскисленного кремнием;

- на базе физико-химических расчетов и промышленных данных разработаны рациональные схемы легирования коррозионностойкой стали титаном;

- разработана математическая модель управления температурным режимом

восстановительного периода;

- дополнена и усовершенствована детерминированно-статистическая модель управления ходом электроплавки коррозионностойкой стали.

Практическая ценность. На основе результатов проведенных исследований усовершенствована технология раскисления послепродувочного расплава и шлака кремнием, а также комплексного раскисления кремнием и алюминием. Разработана технология легирования коррозионностойкой стали титановыми сплавами. Усовершенствована система управления ходом плавки, включающая управление кислородной продувкой, раскислением, легированием титаном, а также температурным режимом.

Уровень реализации и внедрения научных разработок. Внедрение усовершенствованной технологии раскисления послепродувочной ванны позволяет снизить удельный расход низкоуглеродистого феррохрома на 8-12кг/т годной стали. За счет внедрения ресурсосберегающих технологий легирования коррозионностойкой стали титаном снижен выпуск беззаказной стали марки 12XL8H9 на 72%(отн. ), угар титана уменьшился на 5-8%(абс. ).

Экономический эффект от внедрения разработок составил 9,6 млрд. крб. в ценах 1995г. или 185 тыс. грн. в ценах 1997г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международной конференции "Современное состояние и перспективы развития злектрометаллургического производства цветных металлов, ферросплавов и других неорганических материалов" (г. Днепропетровск,1994г. ), научно-технических семинарах кафедры электрометаллургии Государственной металлургической академии Украины "Современные проблемы электрометаллургии стали и ферросплавов" ( г. Днепропетровск, 1990-1995г.г.), научно-техническом совете Центральной заводской лаборатории завода "Днепроспецсталь" (г. Запорожье, 1996г. ).

Публикации. Основное содержание диссертёции опубликовано в семи печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 108 наименований, включает 8 таблиц,"33 рисунка.

Личный вклад диссертанта заключается в исследовании температурного режима продувки и физико-химическом анализе полученных результатов, а таюке в создании алгоритмов управления технологическими параметрами и разработке ресурсосберегающей технологии электроплавки кор-розионностойкой стали.

Характеристика методологии, методов исследований.

Экспериментальные исследования проводили в условиях действующего производства коррозионностойких сталей в дуговых печах сталеплавильного цеха N 2 завода "Днепроспецсталь". По ходу плавок производились замеры температуры металла платина-платинородиевой термопарой погружения, отбирались пробы металла и шлака на химсостав, спектральный и химический анализ производился на приборах "Spectrolab" и "Leco", взвешивание ферросплавов и шлакообразующих, присаживаемых в печь, осуществлялось на механических весах, вес заваливаемой шихты и слитого из печи металла и шлака определялся на крановых весах системы "Metripond".

Статистический анализ влияния технологических факторов на характеристики различных периодов плавки производили на ПЭВМ посредством обсчета фактических данных по программе, основанной на методе наименьших квадратов.

При создании термодинамической модели восстановления послепро-дувочного шлака кремнием использовали методику, основанную на сочетании материального баланса и термодинамического расчета. Решение

уравнения полинома высокой степени, которое является составной частью модели, осуществлялось с помощью ЕЭВМ методом половинного деления.

Расчет активностей элементов в металле и шлаке производили, соответственно, по методам К. Вагнера и А. Г. Пономаренко.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, научная новизна и основные положения, которые выносятся на защиту.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ХРОМОНИКЕЛЕЕОЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЖ

На заводе "Днепроспецсталь" выплавка коррозионностойких сталей (КСС) типа 08-12X18Н1ОТ осуществляется в дуговых печах вместимостью 30-50т методом переплава собственных отходов с применением кислорода. Основными моментами действующей технологии являются: шихтовка плавки по хрому на 12-18%; продувка расплава кислородом через сводовую фурму под током по ступенчатому режиму; раскисление послепродувочного шлака и металла кремнистыми раскислителями; скачивание окислительного шлака и наведение нового известково-флюоритного; легирование сплавами титана в печи или в ковше, которое предусматривает, как правило, дополнительное скачивание рафинировочного шлака

Анализ действующей технологии позволяет сделать следующие выводы:

- кислородная продувка высокохромистого расплава сопровождается значительным окислением хрома (удельный угар хрома за плавление и продувку - 30-40 кг/т металла после продувки) и перегревом расплава до 1950-2000"С, что указывает на значительное отклонение процесса обезуглероживания от термодинамического равновесия и требует более детального изучения факторов, определяющих степень этого отклонения;

- отсутствует управление режимом раскисления кремнием послепродувочного шлака и металла. Расход его определяется технологическим персо-

налом "на глаз" и в большинстве случаев является необоснованно заниженным (7-10 кг/т), что приводит к значительным потерям хрома с отвальными шлаками (19-26 кг/т). Четко не определены эффективность применения кремния как восстановителя и границы его максимального использования;

- не изучено влияние различных технологических факторов на межфазное распределение кремния по ходу восстановительного периода, что приводит к отклонениям от требуемого содержания кремния в готовой стали;

- не обеспечивается стабильное усвоение титана, особенно при легировании низкопроцентными марками ФГиЗО, возникает необходимость дополнительного скачивания шлака, что затягивает плавку на 20-30 мин, но не всегда обеспечивает высокое усвоение титана;

- не изучен температурный режим окислительного периода Это не дает возможность организовать рациональное управление температурой во время восстановительного периода, что увеличивает длительность плавки;

- решение указанных выше проблем позволит усовершенствовать систему управления плавкой, определяющую рациональные режимы продувки, раскисления, легирования титаном и температуры восстановительного периода.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И КИНЕТИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ КСС. Исследование процесса обезуглероживания С целью определения вида связи содержаний хрома и углерода в металле с температурой в ходе 29 плавок был изучен температурный режим окислительного периода плавки стали типа Х18Н10Т в 50-тонной дуговой печи. Интенсивность подачи кислорода За, составляла 0,75 -1,15м5/(т-мин) при включенном печном трансформаторе (0,27-0,3 МВг/т). Среднее содержание хрома и никеля в металле в ходе продувки составило соответственно 12,15£ и 10,46%. Температура металла в начале процесса обезуглероживания замерялась непосредственно термопарой погру-

жения, а в конце продувки, ввиду неприспособленности термопар, рассчитывалась с помощью специальной методики по формуле

Ткл = Тскш, +дТо*л +VocrtotT - Vi-Ti. , К (1)

где Тскач - температура металла после скачивания послепродувочного шлака, замеряемая непосредственно термопарой; д Тахл -охлаждающий эффект присадок, отданных в печь после продувки; Vl , ti - скорость и продолжительность нагрева ванны перед скачиванием шлака при работе на i-й ступени трансформатора;\/осг ,тГост- скорость и длительность остывания ванны при выключенной печи.

В результате обработки данных получено уравнение

lg(CCr]/CC])- (-1464б/Т)+8,77 , г—0,979±0,0055. (2) Обычно для описания равновесного взаимодействия углерода и хрома используют уравнения

Сг* Ол +4[ С] - ЗССг] + 4СО , (3)

Щ »Л

lgK = ie( awfto/a«) - -(11520/т) + 7,64 , (4)

с^03т ЗСС] = 2ССг] + ЗСО , (5)

V3 Ф

lgK - lg( амРсо/й[с]) - -(14009/Т) + 8,82. (6)

В выражениях (4) и (6) принято, что й^о^йогС^ 1. Рсо ** 1атм. Статистическая обработка данных опытно-промышленных плавок позволила получить зависимости

т

lg([Cr] /СС]) - -(14766/Т) + 8,47 , г—0,979±0,0059 , (7) 3/4

lg([Cr] /[С]) = -(14743/Т) + 8,55 , г—0,975±0,0058 . (8) Степень близости процесса обезуглероживания к равновесию оценивали путем введения величин cli н : 7Е.7

,/ Щ 2/3 2/5 • -Щ-0,Ъ5

J, = (ССгЗ /ЕС])ф/ ([Сг] /СС])Р Kfco-1 /fpl) Ю Д. , (9) /, ъ/ь ЩЦ щ -Щ£*0,91

= ([Сг] /ССЗ)<р/ ([Cr] /[С])р =(ГССг1 /fra) 10 ' . (10)

где индексы "ф" и "р" - фактические (по (7) и (8)) и расчетные (по (4) и (б)) значения.

Данные расчетов по уравнениям (9) и (10) приведены на рис.1 (линии 1 и 2).Видно, что прсцссс обезуглероживания протекает со зна-

\

чительными отклонениями от равновесия, причем ход реакции (3) приближается к равновесию в 1,8 раза быстрее, чем реакция (5), что, вероятно указывает на большее соответствие реального процесса обезуглероживания реакции (3).

Расчеты мощности перемешивания ванны пузырями СО - Ес0 и кислородной струей - Естр , сопоставление динамики изменения величин , оС", , Eco и Ес_Тр по ходу продувки в 50-т дуговой печи, приведенные на рис. 2, показывают, что такой важный кинетический фактор, как Eco не оказывает существенного влияния на изменение значений d^ Ио(| : несмотря на снижение Еса по ходу продувки в условиях стабильности Естр значения oí.< и olí возрастают.

По-видимому, полноту и скорость протекания обезуглероживания определяет организация дутьевого режима Кислородные струи, поступающие в ванну из фурмы, являются единственным источником циркуляции металла. Отсюда следует, что оптимизация дутьевого режима за счет конструктивных и технологических мероприятий будет способствовать большей полноте протекания селективного процесса обезуглероживания, а, следовательно, и приближению его к равновесию.

Это положение подтверждается данными о температурном режиме, полученными при исследовании 13 плавок стали типа 08-12Х18Н10Т в реакторе газокислородного рафинирования (ГКР) завода "Днепроспецсталь". В первом периоде плавки металл продувался чистым кислородом в рубашке природного газа через три донные фурмы =0,8-1,0 м3/(т-мин)). Температура металла замерялась термопарами погружения. Получена зависимость

lg([Сг]/[С]) = (-15054/Т) + 9,41 , г=-0,931±0,0367. (11)

Расчеты величин J-г и J-z для ГКР процесса позволили получить

уравнения

, г/3 -Щ+аИ

= (f 1сД /fw)'10 т . (12)

т. К

Рис. 1. Зависимость степени близости процесса обезуглероживания к равновесию от температуры:" в дуговой печи - 1 по уравнению (9), 2 - (10); в агрегате ГКР в первом периоде: 3 - (12), 4 - (13).

Z,MUH

Рис.2. Изменение температуры Т, содержания углерода [с], мощности перемешивания пузырями СО Есо и кислородной струей Есгр , величин oL( и ot'í во времени по ходу кислородной продувки в 50-7 дутогсй печи. •

,11 з/4 22+/Л.5

= (%rl /ftcl ) ío т . (13)

Результаты расчетов по формулам (12) и (13), приведенные на рис.1 (линии 3 и 4), показали, что при донной продувке с характерной для дуговой печи интенсивностью Зог в агрегате ГКР в первой стадии процесс обезуглероживания протекает в условиях близких к термодинамическому равновесию. Учитывая, что в реакторе ГКР практически отсутствуют кинетические факторы, тормозящие процесс обезуглероживания, можно предположить, что наблюдаемое отклонение от равновесия вызвано растворимостью оксидов хрома в шлаке и их участием в физико-химических взаимодействиях, т. е. Cl^* 1.

Для плавок, проведенных методом ГКР, получили: 2/3

lg(CCrJ /1С1) = -(14961/Т) + 8,94 , г=-0,926+0,040. (14)

Используя уравнение (6), после преобразований получаем

2 з - ЩМ-+0,5б а^о з=(Гм/ГИ)Ю т (15)

Для проверки уравнения (15) по методике расчета активностей компонентов шлака А. Г, Пономаренко на основе производственных данных были рассчитаны значения йсгго3 во время продувки в дуговой печи. На рис.3 приведены полученные результаты. Видно, что величины й.сгго3 в окислительных шлаках ГКР и дуговой печи, рассчитанные различными методами, близки между собой, что позволяет учитывать влияние растворимости оксидов хрома в шлаках на окислительно-восстановительные взаимодействия и рассчитывать величину &q.0j по относительно простой методике.

Термодинамический анализ процесса восстановления хрома кремнием из послепродувочного шлака (ППШ).

Расчеты, проведенные по разработанной термодинамической модели раскисления кремнием ППШ и металла, позволили сделать следующие выводы, подтвержденные экспериментальными данными: - в раскисленном ППШ большая часть хрома (93-96%) находится в двухвалентном состоянии;

075

015

0,50

О

1975 2175

Т,К

Рис. 3. Зависимость активности оксида хрома йсг20з от температуры во время продувки: 1 - в дуговой печи по производственным данным, 2 - в агрегате ГКР по уравнению (15).

- удельный расход кремния после продувки с;^ не должен превышать 20-25кг/т. Его дальнейший рост ведет к незначительному приросту восстановления хрома из ГШШ и к увеличению содержания кремния в металле выше допустимого предела;

- распределение кремния между металлом и шлаком определяется остаточной окисленностью металла и шлака в конце окислительного периода

РАЗРАБОТКА, ОСВОЕНИЕ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ КСС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ СНИЖЕНИЕ БЕЗВОЗВРАТНЫХ ПОТЕРЬ ЛЕГИРУЮЩИХ. Основные положения управления ходом восстановительного периода В ходе исследований действующей технологии в пределах изменения = 6,5-20 кг/т получили статистически достоверную зависимость удельного количества восстановленного хрома аСг,кг/т от :

ЧСг = 1, 273ц*5,- 0,094 , г=0,680±0,079.

(16)

Как показал термодинамический анализ, максимально возможное значение , и, следовательно, ограничивается максимально допустимой степенью усвоения кремния металлом^;, которая, в свою очередь, определяется окисленностью системы шлак-металл в конце продувки.

Была получена зависимость содержания оксидов хрома в ППШ в пересчете на Сг, О.? от содержания углерода в конце продувки [СЗКГ :

(СгА) = -384,6б[СЗи, + 62,12,%, г=0,775±0,0б1. (17)

С другой стороны, В. М. Шифриным установлена зависимость содержания кислорода в металле СО] от ССЗ.Оог :

гч -/о,245гОД7^ ог) СО] = (0,0361 - 0,0126 л,) С С] ,%. (18)

Таким образом, можно использовать величину ССЗцп как универсальный показатель, характеризующий окислительный потенциал системы шлак-металл.

В ходе исследований установили зависимость содержания кремния в металле в ходе рафинировки С БхЗршр от чу для фиксированных значений С СЗ :

СБ1]раф = й + ; (19)

где й,Ь - эмпирические коэффициенты.

Использование уравнений типа (19) дало возможность прогноза содержания кремния в металле [ Б^Зраф при заданных значениях ССЗ^п и а^; с точностью ±0,05% в 80% случаев.

Термодинамические расчеты и производственные данные показывают, что дальнейший рост содержания кремния в металле имеет место во время легирования металла титаном. Величина прироста содержания кремния определяется видом титанового сплава и шлаковым режимом выпуска плавки. Для различных типичных ситуаций, характерных для рассматриваемого периода, получены уравнения связи содержания кремния в ковше и на рафинировке:

СЗзЗкоёо, = а + ¿ЗЛраф Д, (20)

I I

где 0., Ь - эмпирические коэффициенты.

Вероятность прогноза СБИ^ с погрешностью ±0,05% составляет 80%.

Разработанная система управления позволяет рассчитывать с достаточной степенью достоверности количество хрома, восстановленного из ПШ1, и требуемое количество кремнистых раскислителей в зависимости от величины [С]кп и схемы легирования титаном по уравнениям:

полученным путем совместного решения уравнений (19), (20) для (21) и (16), (21) для (22).

Предложенный алгоритм управления режимом раскисления при использовании его с помощью ЭВМ или номограмм в рамках действующей технологии дает возможность повысить восстановление хрома из ППШ и снизить удельный расход низкоуглеродистого феррохрома на 8 кг/т годной стали.

Повышение степени использования хрома при выплавке

Даже при соблюдении всех разработанных рекомендаций по раскислению ППШ кремнием безвозвратные потери хрома весьма велики (9-22 кг/т). Для более полного восстановления хрома термодинамически оправдано использование алюминия. Однако на практике оно оказалось малоэффективным: кусковой алюминий присаживался в печь сразу после продувки на нераскисленный гетерогенный шлак и быстро сгорал в атмосфере печи, не успеЕая провзаимодействовать со шлаком.

Было предложено изменить время присадки алюминия и отдавать его в печь в количестве 3-4 кг/т после раскислителей, извести и 2-3 тонн добавок (обрези на остуживаяие и феррохрома). При этом температура ванны снижалась до 1800-1850°С, жидкоподвижный шлак сформировался и отданные в печь чушки алюминия "плавали" по ванне в течение 5-7 минут, взаимодействуя со шлаком.

За счет уменьшения потерь хрома с отвальными шлаками удельный

= а + Ь [Б!]^ Ясг = О-'' + ьГсБИкобщ ,%,

(21) (22)

КОС с применением кускового алюминия.

расход низкоуглеродистого феррохрома снизился на 4 кг/т годной стали. Были получены статистически достоверные уравнения типа (16), (19) -(22) для плавок с применением кускового алюминия, которые были включены, как один из вариантов, в систему управления режимом раскисления ШЖ

Использование кускового алюминия по разработанной технологии экономически целесообразно при условии максимально возможного расхода кремния после продувки, т. е. алюминий необходимо применять не как заменитель кремния, а как дополнительный раскислитель, обеспечивающий повышение степени использования хрома

Разработка ресурсосберегающей технологии легирования стали титаном.

Проведенный анализ схем легирования титаном КОС типа 08-12X18Н10Т показал, что экономически и технологически более выгодно и производительно применять губчатый титан ТГ-ТВ или, что несколько хуже, 70%-й ферротлтан ФГи70 с присадкой их в ковш.

В настоящее время, когда на Украине сокращено производство титановой губки, и стало невозможным осуществлять выплавку сталей 08-12Х18Ш.0Т с использованием только высокопроцентных марок титановых сплавов, встал вопрос о рациональном применении 30%-ферротитана ФГиЗО.

На рис. 4 приведены частотные гистограммы распределения плавок 08-12X18Н1ОТ по усвоению титана. На рис. 4а - плавки, проведенные со скачиванием рафинировочного шлака перед присадкой в печь ФГиЗО, т. е. по трехшлаковой технологии, на рис. 46 - без скачивания шлака перед присадкоп ферротигана. В первом случае усвоение титана более высокое и стабильное. Тем не менее, на 15,8% всех плавок усвоение титана составило менее 40% и требование пятикратного избытка титана относительно содержания углерода в готовой стали здесь не было удовлетворено.

г«-2' в*

25.0/.

55,7/.

15.8/

21.07.

Ш

Ш

30 40 50 60 30 40 50 60 30 40 50 60^

Рис. 4. Частотные гистограммы распределения плавок 08-12Х18Н10Т по усвоению титана У,%, проведенных по различным технологическим схемам легирования 30%-ферротитаном, - средневзвешенная степень усвоения титана, %.

Нами была разработана технология легирования коррозионностой-кой стали титаном, заключающаяся в комбинированном использовании ТГ-ТВ (или ФТи70) и ФГиЗО без скачивания рафинировочного шлака.

30%-ферротитан присаживается в печь вместе с окончательной корректировкой плавки, за 10-15 минут до выпуска в количестве 20-30кг/т, т. е. 40-60% всего вводимого титана. Остальная масса титана в виде ТГ-ТВ или ФГи70 вводится в ковш по расчету. На сливе шлак отсекается резким наклоном печи, а после выпуска 1/3-1/2 массы металла - сливается.

Присадка 30%-ферротитана перед сливом в печь на шлак обеспечивает низкое (25-35%), но стабильное усвоение титана из ФГиЗО, большая часть которого идет на раскисление металла и шлака. Это раскис-

ление оказывается достаточно эффективным, т. к. усвоение титана из ТГ-ТВ, присаженного в ковш, составляет 60-85% против 40-60% при легировании металла одним губчатым титаном в ковше. Суммарное усвоение титана по разработанной технологии, как видно из рис. 4в, более высокое и стабильное по сравнению с другими схемами легирования, что позволило применять эту технологию при выплавке стали с повышенным содержанием титана - 08Х18Т1, производство которой ранее осуществлялось с использованием только высокопроцентных марок титана.

При использовании комбинированного легирования уменьшается прирост содержания кремния в готовой стали в результате снижения расхода ФГиЗО.

Таким образом,за счет разработанной и внедренной в производство технологии комбинированного легирования титаном удалось стабилизировать усвоение титана на уровне 50% при выплавке стали двухшлаковым процессом с использованием ФГиЗО. Повысился расход кремния после продувки на 2,5-4,5кг/т, снизились потери хрома с отвальными шлаками на 3-5,8кг/т по сравнению с технологией легирования стали одним 30% фер-ротитаном. За счет стабилизации усвоения титана выпуск беззаказной стали марки 12Х18Н9 снизился на 72%(отн.).

При исследовании процесса легирования КОС высокопроцентными марками ФГи70 и ТГ-ТВ пришли к выводу о низкой эффективности использования алюминия, отдаваемого в печь перед сливом плавки в количестве 1-2кг/т. Значительная часть алюминия окисляется в атмосфере печи, что не обеспечивает эффективного раскисления металла и шлака перед сливом плавки, о чем свидетельствует повышенный угар титана, особенно на плавках, слитых в ковш без отсечки печного шлака.

Было предложено основную массу алюминия (1,5-2 кг/т) в виде чушек отдавать в ковш, перед сливом раскислять ванну алюминием (куском или порошком) в количестве 1,0-0,5 кг/т. За счет изменения места при-садга алюминия повысилась эффективность его использования как раскис-

лителя: угар титана снизился на 5-8%(абс). Усвоение алюминия металлом составило 10-30%, что соответствует значению его рекомендуемого содержания в готовой стали.

Разработка рациональной схемы управления температурным режимом восстановительного периода.

С целью оптимизации температурного режима восстановительного периода была предложена, разработана и опробована в производственных условиях математическая модель управления тепловым режимом. Алгоритм расчета разбит на две части.

Первая часть - предварительная корректировка температурного режима. Она состоит из следующих этапов:

1. Определение температуры металла в конце продувки Ькп по уравнению (2).

2. Расчет температуры начала подогрева ванны (:нп,°С после дачи всех добавок М^ после продувки перед скачиванием ППШ:

Ьнп = ^ ~ Що^-А^-Тпр- Част , (23)

где Мкп - масса металла в конце продувки,т, йЦ - охлаждающий эффект 1-й добавки/С, Тлр - длительность простоя печи без тока, мин, Уост - скорость остывания металла, °С/мин.

3. Расчет температуры металла после скачивания ППШ иКач ,'С

юр

с учетом последующих добавок на корректировку М^.т:

Ьиш- + 'Спр-Уост , (24)

где Мкп + ¿1Маоо1 .т,

Ьгж- температура годного жидкого металла перед выпуском,' С.

4. Определение дефицита (избытка) температуры .металладЬ,0С: д Ь ~ Ьип - Ьскач • (25)

Если дЪ>0, то необходимо подстуживание металла перед скачиванием ППШ, а в случае д Ь<0 - нагрев.

Длительность нагреваТн .мин. :

Тц = Мм'ЛЪ/Уи , (26)

где Уп- массовая скорость нагрева металла на определенной ступени напряжения печного трансформатора, "С'Т/мин. Длительность подстуживания т^к , мин.:

Тпоос - ^/Уост . (27)

Таким образом, технолог получает рекомендации по длительности нагрева металла на определенной ступени трансформатора или длительности подстуживания перед скачиванием ППШ с тем, чтобы далее выйти на оптимальную температуру ЪСкст, при которой с учетом корректировочных добавок получается минимальная по продолжительности рафинировка и неперегретый шлак перед выпуском плавки.

Вторая часть алгоритма - окончательная корректировка температурного режима по фактическому замеру ^кад • После ввода фактического значения ^кач рассчитывается дефицит (избыток) температуры метал-

41-1« - -^¿М^-дЧ- Тпр'Уосг ,*С, • (28)

где МПк - масса металла перед сливом плавки, т.

Если дь>0 - необходим нагрев (см. уравнение (26)), еслидЬ<0 - под-стуживание (уравнение (27)).

В итоге технолог получает информацию о длительности нагрева или подстуживания для достижения требуемой температуры выпуска плавки.

Алгоритм расчета был реализован на ПЭВМ и опробован в промышленных условиях. Вероятность прогноза температуры металла перед выпуском с погрешностью ±10°С составила 80% против 50-60% в обычных условиях. Это позволило стабилизировать температурный режим восстановительного периода плавки.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ХОДОМ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ КСС.

В перЕскачальньа вариант дстермипировацно-статистичссксй мздел::

управления ходом электроплавки КСС, разработанной Е М. Шифриным, вошли блоки расчета шихты, добавок и управления ходом кислородной продувки. Проведенные нами исследования позволили дополнить эту модель алгоритмами управления раскислением послепродувочной ванны, легированием титаном, а такле температурным режимом восстановительного периода.

Разработанная система управления выполняет функции контроля и управления технологическими параметрами плавки в режиме "советчик мастера". На основании алгоритма была разработана программа для ПЭВМ, установленной в цехе.

Проверка адекватности модели реальному процессу дала удовлетворительные результаты. Вероятность прогноза температуры металла с погрешностью ±10С, остаточной концентрации углерода с погрешностью ±0,01% и концентраций кремния [St]K0?ui и С Si Зраф (±0,05%) составляет 80%. За счет оптимизации технологического процесса снизился удельный расход низкоуглеродистого феррохрома на 8-12 кг/т годной стали, усвоение титана стабилизировалось и повысилось на 5-8% (абс.), отпала необходимость дополнительного скачивания рафинировочного шлака, что сократило длительность плавки и уменьшило расход электроэнергии.

ВЫВОДЫ

1. Изучены физико-химические закономерности, описывающие ход процесса обезуглероживания высокохромистого расплава в дуговой печи. Разработана методика косвенного определения температуры металла в конце продувки. Получены уравнения, количественно описывающие степень близости реакции окисления углерода к равновесию. Установлено, что эта величина в значительной мере определяется организацией дутьевого режима, что указывает на необходимость дальнейшего совершенствования аппаратурного и режимного оформления процесса.

2. На основе сравнительного анализа процессов обезуглероживания

в дуговой печи и в агрегате ГКР подтверждено участие оксидов хрома в физикохимических взаимодействиях в ходе окислительного периода и их влияние на отклонение процесса от равновесия. Выведена формула определения активности оксидов хрома в окислительном шлаке.

3. Разработана термодинамическая модель процесса раскисления кремнием послепродувочного шлака и металла На ее основе определены границы максимально возможного расхода кремния и главный фактор, определяющий межфазное распределение кремния на рафинировке - остаточная окисленность металла и шлака в конце продувки.

4. Разработан алгоритм управления режимом раскисления кремнием послепродувочного шлака и металла, который позволяет рассчитывать с достаточной степенью достоверности количество хрома, восстановленного из ППШ, и требуемое количество кремнистых раскислителей в зависимости от содержания углерода в конце продувки и схемы легирования титаном. Предложенный алгоритм при использования его с помощью ЭВМ или номограмм дает возможность снизить удельный расход низкоуглеродистого феррохрома на 8 кг/т. Вероятность прогноза содержания кремния в металле на рафинировке и в ковше с погрешностью ±0,05% составляет 80%.

5. Повышена степень использования хрома за счет разработанной технологии комплексного раскисления ППШ кремнистыми раскислителями и алюминием. Кусковой вторичный алюминий присаживается на раскисленный кремнием ППШ в количестве 3-4кг/т после дачи шлакообразующих и 2-3 т добавок. За счет этого повышена эффективность использования алюминия, снижен удельный расход низкоутлеродистого феррохрома на 4 кг/т по сравнению с плавками, проведенными с использованием только кремнистых раскислителей.

6. Разработана технология комбинированного легирования КОС 30%-ферротитаном и высопроцентными марками ФГи70 или ТГ-ТВ. За счет стабилизации усвоения титана выпуск беззаказной марки 12Х18Н9 снизился

на 72% (отн.), уменьшились безвозвратные потери хрома на 3 - 5,8кг/т по сравнению с технологией легирования стали ФГиЗО.

На 5-8% (абс. ) повышено усвоение титана при легировании стали ТГ-ТВ и ФГи70 в ковше за счет переноса присадки основной массы алюминия в виде куска из печи в ковш (1,5-2кг/т).

7. Создана рациональная схема управления температурным режимом восстановительного периода. Алгоритм расчета реализован на ПЭВМ. Вероятность прогноза температуры металла с погрешностью ±10°С составила 80% против 50-60% в обычных условиях.

8. Дополнена и усовершенствована детерминированно-статистичес-кая модель управления ходом электроплавки КОС. В нее вошли блоки: расчета шихты и добавок, управления кислородной продувкой, раскислением послепродувочного шлака и металла, легированием титаном и температурным режимом восстановительного периода. На основании алгоритма разработана программа для ПЭВМ, установленной в цехе.

Внедрение разработанных технологий и системы управления ходом плавки в электросталеплавильном цехе завода "Днепроспецсталь" обеспечило годовой экономический эффект в размере 9,6 млрд. крб. в ценах 1995г. или 185 тыс.грн. в ценах 1997г.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ермолаев Д. В. , Шифрин В. М. , Переверзев А. Д. Управление ходом восстановительного периода плавки коррозионностойких сталей // Сталь, 1992.-N9.-с. 30-32.

2. Ермолаев Д. В. ; Шифрин В. М. , Грунин В. С., Переверзев А. Д. , Сергиенко С. М. Разработка и опробование математической модели управления температурным режимом плавки // Проблемы металлургического производства. Сборник научных трудов. Вып. 109, Киев, Техшка, 1993.-с. 30-31.

3. Шифрин В. М., Ермолаев Д. В. , Переверзев А. Д. , Сергиенко С. Л. ,

Вербицкий К. П. Физико-химический анализ процесса обезуглероживания при плавке коррозионностойких сталей // Изв. вузов. Черная металлургия, 1996. -N1. -с. 17-19.

4. Шифрин В. М., Ермолаев Д. В,, Переверзев А. Д., Сергиенко С. Л. , Вербицкий К. П. Повышение степени использования хрома при выплавке коррсгнонноетойкой стали // Сталь, 1996.-N3.-с.24-26.

5. Шифрин В. , Ермолаев Д. В.-, Переверзев А. Д., Вербицкий К. П. Стабилизация конечного содержания титана в коррозионностойкой стали //Сталь, 1996.-N7.-с. 24-26.

6. Ермолаев Д. В. , Вербицкий К. П., Шифрин В. М. , Переверзев А. Д. Оптимизация расхода хромистых ферросплавов // тезисы докладов международной научно-практической конференции "Современное состояние и перспективы развития электротермического производства цветных металлов, ферросплавов и других неорганических материалов". - Днепропетровск: ДМетАУ, 1994. -с. 17.

7. Шифрин В. , Переверзев А. Д., Шифрин Э. В. , Ермолаев Д. В., Росс Ю. Е , Зимин Д. В. Использование стружечных титаносодержащих брикетов для легирования электростали // Там же. -с.79-80.

С рмолаев Д. В. Вплив металурпйних факторгв на засвоення легую-чих та ресурсозберегаюча технолопя виробництва короз^ностШко! сталь - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техн1чних наук за спешальшстю 05.16.02 - металурпя чорних метал1в. - Державна металурпйна академ1я Укра1ни, Днхпропетровськ, 1998.

Захшцаеться 7 наукових роб1т, якг м1стять ф1зико-х1мичн1 до-сл!дження окислювального 1 виновлювального першд1в плавки короз1й-ност1йко1 стал1 в дуговШ печь На.основ1 проведение дослгджень вста-новлено стушнь наближення процесу зневуглецювання до р1вноваги, яки!1 визначаеться орган1зац1ею дут'евого режиму 1 розчиненням оксщцв хро-

му в окислювальному шлащ. СтЕорена ошнка ефективностх викориетання кремнио як вхдновлювача, уточнена галузь його застосування. Розробле-на рееурсозберегаюча технолопя плавки короз1йност1йко1 сталь Вдо-сконалена детермшовано-статистична модель управляя плавкою, яка доловнена блоками: управляя режимом розкислення, легування титаном 1 температурним режимом в1дновлювального перюду. За рахунок оптим1-защ! технолог 1чного процесу знизилась штома витрата низьковуглеце-вого ферохрому на 8-12кг/т, зменшився вигар титану на 5-8%(абс.).

Ключов1 слова: виновлення, управлшня електроплавкою, темпера-турний режим, хром, кремшй, титан.

Ермолаев Д. В. Влияние металлургических факторов на усвоение легирующих и ресурсосберегающая технология производства коррозионно-стойкой стали. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных металлов. - Государственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1998.

Защищается ? научных работ, которые содержат физико-химические исследования окислительного и восстановительного периодов плавки кор-розионностойкой стали в дуговой печи. На основе выполненных исследований установлена степень близости процесса обезуглероживания к равновесию, определяемая организацией дутьевого режима и растворимостью оксидов хрома в окислительном шлаке. Произведена оценка эффективности использования кремния как восстановителя, уточнена область его применения. Разработана ресурсосберегающая технология плавки корро-зионностойкой стали. Усовершенствована детерминированно-статистичес-кая модель управления плавкой, которая дополнена блоками: управления режимом раскисления, легированием титаном и температурным режимом восстановительного периода. За счет оптимизации технологического процесса снизился удельный расход низкоуглеродистого феррохрома на 8 -

12 кг/т, уменьшился угар титана на 5-8%(абс).

Ключевые слова: восстановление, управление электроплавкой, температурный режим, хром, кремний, титан.

Ermolaev D.V. Metallurgical factors effect on alloys yield and resource-saving stainless steelmaking technology.

Thesis for a Candidate degree (Engineering) on speciality 05. 16.02 - metallurgy of ferrous metals. - State Metalurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1998.

7 scientific works are going to be defenced to present the author's certificate, which contain physical-chemical resourches of oxidizing and reducing periods of stainless steelmaking in arc furnace.

Proximity rate to therirodynamical equilibrium of decarburiza-tion process has been fixed and it has been proved to be determined by oxygen blowing regime operation and chrome oxides solubility in oxidizing slag. Efficiency of silicon as a reducer has been valued and range of its application as well. Resource-saving stainless steelmaking technology has been worked out. The deterministic and statistical model of stainless steelmaking control has been improved and supplemented by such blocks as reduction process control, Ti alloyin and temperature control.

For the optimization of steelmaking process low-carbon ferro-chrome consumption is reduced by 8-12 kg per ton of steel, Ti yield rate is increased by 5-8%.

Key words: reduction, arc furnace steelmaking control, temperature regime, chrome, silicon, titanium.