Контрольная работа: Физико-химические процессы в черной металлургии

На РусМЗ проведены плавки трубной стали с десульфурацией металла в сталеразливочном ковше на выпуске смесью извести и отходов производства вторичного алюминия, содержащих 65-70%. А12О3; 2-4% SiO2; 2,8-3,2% СаО. Смеси в ковш подавали одновременно с раскислителями при заполнении его металлом на 1/8 высоты в течение 2-3 мин. Применение твердой шлакообразующей смеси значительно увеличивает степень десульфурации металла; при этом снижается угар кремния и марганца в ковше соответственно на 9,9 и 4,7%, расход алюминия в слитках уменьшается. Новая технология позволила увеличить выход труб первого сорта

В СССР над проблемой разработки эффективной технологи" обработки стали ТШС, длительное время работает донецкий институт. Разрабатывая технологию применения условий мартеновского цеха металлургического комбината им. Дзержинского установили, что условия десульфурации изменяются в зависимости от продолжительности (интенсивности) выпуска плавки. Для улучшения условий шлакообразования и физико-химических свойств рафинировочного шлака в состав обычной смеси (60-65% извести и 35-40% плавикового шпата) ввели отсевы алюминиевой стружки (отвальный продукт), содержащей 15-20% А12О3; 0,5-2,0% СаО; 10-12% SiO2; Добавка 10% отсевов алюминиевой стружки способствует снижению вязкости шлака в интервале 1550-1600 °С на 25%, а также плавкости смеси на 60 °С, что свидетельствует об улучшении тепловых условий формирования шлака.

Провели оценку продолжительности прогрева кусочков смеси до температуры металла с учетом плавления легкоплавких (Составляющих. Расчеты показали, что при гидродинамических условиях наполнения ковша до 1/3 его высоты период полного прогрева тугоплавких кусочков смеси размером до 20 мм не превышает 50 С, что составляет не более 5-10% общей продолжительности выпуска металла из 240-т мартеновской печи. В связи с высокими значениями коэффициентов турбулентного массообмена в этот период наполнения ковша существует возможность получения жидкой шлаковой фазы при наличии тугоплавких кусочков извести размером до 20 мм.

Выбор оптимальных значений гидродинамических параметров расхода металла в струе при его сливе в ковш и режима присадки смеси в рафинируемый расплав проводили по Результатам промышленных экспериментов и теоретических Расчетов. Момент ввода смеси в ковш был определен однозначно, так как из-за необходимости проведения в ковше окончательного раскисления стали подача смеси может быть начата спустя 2-2,5 мин после начала выпуска. Скорость подачи смеси на струю металла была задана из расчета обеспечения равномерного прогрева кусочков смеси до температуры расплава за период времени, ограниченный наполнением ковша от 1/4 до 1/3 его высоты. Результаты тепло-Вь1х расчетов показали, что этого времени достаточно для одного прогрева кусочков смеси размером до 20 мм.

В результате обработки массива плавок, на которых смесь присаживали рассредоточено на струю металла по разработанному режиму, определили оптимальный расход металла в струе, при котором достигаются наиболее высокие значения степени десульфурации стали в 240-т ковше

Другим вариантом обработки металла в ковше шлаковыми смесями является технология использования экзотермических самоплавких шлакообразующих смесей (СШС), которые содержат шлакообразующие (известь, А12О3, плавиковый шпат), окислитель (натриевую селитру) и "топливо" (алюминиевый порошок). Работы, показали, что во время горения и плавления экзотермической смеси ковш необходимо накрывать зонтом с отводом дыма, улавливания пыли и ядовитых оксидов азота. В настоящее время металлургический комбинат им. Ильича (МКИ) и разработали и внедрили в опытно-промышленном режиме технологию рафинирования конвертерной стали 09Г2С жидкими синтетическими шлаками, получаемыми из СШС. Установка для получения шлака малогабаритна и занимает небольшую площадь в разливочном пролете, а газоочистка вынесена на территорию цеха.

Производство экзотермической СШС организовано в специализированном отделении, характеризуется высокой степенью механизации. Условия работы соответствуют требованиям техники безопасности. При изготовлении смеси используют отходы производства (отсевы алюминиевой стружки, некондиционную известь). Для транспортировки исходных материалов и готовой смеси служит автотранспорт со специализированными саморазгружающимися контейнерами. Предусмотрена также возможность получения рафинировочного шлака непосредственно в сталеразливочном ковше, что значительно экономичнее.

В обычных условиях в производимой на МКИ стали 09Г2С содержится в среднем 0,027% S. После обработки СШС содержание серы в готовой стали составляет 0,023% при расходе СШС 18; 4кг/1 стали и 0,013% при расходе СШС 32,5 кг/т стали.

Обработка металла в ковше (ТШС) имеет два основных недостатка: малая (по современным требованиям к качеству металла) степень десульфурации и нестабильность получаемых при обработке результатов (в случае, если используют только один этот метод). Значительным достоинством метода является его простота и доступность, а также возможность эффективно использовать отходы различных производств. Так, институтом УНИИМ совместно с КМК разработана и внедрена технология обработки рельсовой мартеновской стали ТШС, состоящей из извести и отходов производства алюминия, содержащих до 70% глинозема и некоторое количество плавней (К2О + Na2O). После сушки и просеивания (ячейки 50x50 мм) ТШС загружают в контейнеры и присаживают в ковш сразу после введения раскислителей. В результате в ковше формируется достаточно подвижный шлак, обладающий высокой десульфурирующей способностью и адгезионной способностью по отношению к включениям. В результате среднее содержание серы в готовом металле снизилось с 0,026 до 0,021%, увеличился выход 25-м рельсов 1-го сор-та, уменьшился перевод рельсов во II сорт по неметаллическим включениям и т.д.

По мере развития таких способов внепечной обработки стали, как нагрев металла в процессе его внепечной обработки на установке ковш - печь при одновременной продувке инертными газами ситуация изменяется. Метод расплавления в отдельном агрегате синтетического шлака для последующего слива этого шлака в сталеразливочный ковш постепенно уступает место методу наведения шлака требуемого состава в агрегате внепечной обработки при одновременном перемешивании и металла и шлака (инертными газами, в вакуумной камере, электромагнитным и др.), при этих условиях метод использования ТШС получает самое широкое развитие.

Наиболее эффективный современный метод ускорения процесса выгорания углерода. Его преимущества по сравнению с присадками руды.

Методы продувки

Для продувки металла инертными газами используют в основном опускаемые сверху футерованные фурмы и пористые плавки. Обзор современного опыта опубликован в работе при выборе метода обработки учитывают, что при продувке через пористые огнеупоры обеспечивается максимальная поверхность контакта металл - инертный газ. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора. Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но их существенным недостатком является малая стойкость. В результате интенсивного движения вдоль стопора металло-газовой смеси составляющие его огнеупоры быстро размываются (при использовании высококачественных высокоглиноземистых - до десяти плавок).

Фурмы в большинстве случаев представляют собой футерованные огнеупорными катушками стальные трубы наружным диаметром 43-57мм и стенкой толщиной 10-12мм. В последние годы получили широкое распространение фурмы, в которых нижняя огнеупорная катушка опирается на кружок, приваренный к торцу трубы. Диаметр цилиндрического канала в кружке для выхода газа составляет от 8 до 32-35 мм. Каналы могут выполняться также щелевыми и коническими. В этом случае отмечена интенсификация процессов перемешивания. Используют фурмы с Г - и Т-образными соплами, а также многосопловые. С целью диспергирования газа и интенсификации продувки фурмы могут оснащаться пористыми дутьевыми блоками, хотя широкого распространения в этих дутьевых устройствах они не получили, главным образом, в связи с невозможностью подачи порошков. Пористые блоки можно рассматривать как разновидность многосопловой фурмы, в ряде случаев их применение обеспечивает повышение эффективности продувки. Перспективным является использование пористых углеродистых дутьевых блоков-фурм, характеризующихся невысокой стоимостью и простотой изготовления.

Распространен и другой способ продувки - через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные пробки или вставки; в тех случаях, когда продувка производится одновременно через несколько пробок, эффективность воздействия инертного газа на металл существенно увеличивает пористые огнеупорные пробки выдерживают несколько продувок. Пористые пробки наряду с высокой газопроницаемость10 должны иметь огнеупорность, достаточную для надежной Работы в интервале 1550-1650 °С, обладать высокой терм0' стойкостью и химической стойкостью к металлу и шлаку.

Получают распространение и другие способы. Чаще всего используют способ продувки через несколько (обычно 3-4) пористых пробок, расположенных примерно на серединах радиусов днища ковша, что обеспечивает удовлетворительное перемешивание объема металла в ковше.

Основной характеристикой дутьевого устройства (пористой пробки) является газопроницаемость огнеупорного металла. С одной стороны, она должна обеспечивать высокую интенсивность подачи газа, с другой, даже при отсутствии давления его, исключить проникновение стали или шлака в поры вставки. Опыт эксплуатации пористых пробок показал, что оба условия реализуются одновременно при диаметре пор от 0,6 до 1 мм. Эти значения определяются ферростатическим давлением столба металла в ковше, температурой металла и углом смачивания между металлом и огнеупором.

Установка для продувки монтируется в днище ковша, и включает два основных элемента: продувочную пористую вставку и гнездовой кирпич. Вставка имеет листовую металлическую оболочку. Подвод инертного газа осуществляют по патрубку. Гнездовой кирпич и вставка выступают над уровнем днища ковша, что предотвращает образование настылей на поверхности вставки после разливки. Все устройство крепится к наружной части днища ковша. В днище могут устанавливаться одна или несколько продувочных систем. Операции по замене огнеупорных и других деталей осуществляют снаружи ковша при помощи специального гидравлического механизма, позволяющего извлечь из ковша все дутьевое устройство. Как правило, пробка имеет конусообразную форму, которая в значительной степени обусловлена лучшим ее закреплением в гнездовом кирпиче. Пробки преимущественно размещают в зоне, отстоящей от стенки ковша на 1/3-1/2 его радиуса со смещением на 90° относительно канала для выпуска стали. Известны примеры размещения пористой вставки в стенке ковша на уровне третьего от днища ряда кирпичей. Соседние с вставкой кирпичи без стальной оболочки в этом случае изготавливают из того же материала, что и вставку. При этом отмечается уменьшение износа огнеупорной кладки в зоне вставки.

Как правило, продувочные вставки изготавливают из качественных высокоглиноземистых и основных огнеупоров. Из каждого в отдельности либо в различных сочетаниях, в частности, известно применение вставок, в которых зона контакта с металлом состояла из магнезита, а нижняя часть - из глинозема. Кроме состава огнеупорного материала, большое значение для эксплуатационных характеристик вставки имеет вид ее пористости. Технология Изготовления вставок позволяет производить кирпичи с неориентированной и ориентированной (направленной) пористостью, причем направленная пористость может создаваться особым способом литья с вибрацией. Для технологии изготовления кирпичей с неориентированной пористостью характерны применение крупнозернистого материала, сравнительно низкое давление прессования, добавление породообразующих материалов.

Помимо названных конструкций широкое распространение получает способ ввода газа в жидкий металл через разливочный канал шиберного затвора. Способ имеет ряд достоинств: отсутствие необходимости сооружения специальных установок и внесения изменений в конструкцию кожуха и футеровку ковша, устранение расхода огнеупорных катушек (при исключении погружной фурмы). Способ получил распространение на многих заводах СССР. Сотрудники Руставского металлургического завода и Института металлургии

Т.В. Кашакашвили, М.Д. Ланчава, А.Г. Габисиани предложили название ШОС-процесса (шиберная обработка стали). В СССР применяют в основном два варианта конструкции. Особенностью затвора конструкции ДПИ (3.7, а) является наличие кристаллизатора, выполненного в виде дву- концентрически расположенных и установленных с зазором металлических элементов. Это позволяет предотвратить возникновение аварийных ситуаций при резком снижении давления в газопроводе и обеспечить продувку с малым расходом газа. После окончания обработки металла и закрытия затвора кристаллизатор извлекается из разливочного ковша для повторного использования. Основным недостатком затвора является необходимость перекрытия канала перед окончанием продувки. Достоинством затвора, эксплуатируемого на Руставском металлургическом заводе (РМЗ), является простота изготовления и обслуживания. Однако в его конструкции не предусмотрена защита от прохода жидко-4 го металла по каналу кислородной трубки, используемой в качестве инжекционной фурмы, при внезапном прекращении подачи газа. Для устранения указанного недостатка на ММК

С.П. Еронько с соавторами было предложено в канале фурмы разместить стальной сердечник, однако это привело к снижению газопропускной способности фурмы до 60м3/ч.

Как было отмечено выше, при продувке инертным газом выравнивается состав и регулируется температура металла, ускоряются процессы растворения в металле установленную в боковой стенке ковша; через канал затвора; и донная продувка в сочетании с другими способами внепечной обработки стали введенных в ковш ферросплавов, облегчается процесс всплывания неметаллических включений, происходит дегазация стали. Продувка с расходом газа до 0,5 м7т стали уже достаточна для усреднения химического состава и температуры металла; продувка с интенсивностью до 1,0м3/т влияет на рафинирование металла от неметаллических включений; Для достижения оптимальных результатов в дегазации необходим расход инертного газа не менее 2-3 М3/т металла.

Обычно продувке инертным газом подвергается хорошо раскисленный металл. Продувка инертным газом, уменьшу парциальное давление монооксида углерода, сдвигает вправо равновесие реакций [С] + [О] = СОГ. В случае продувки не полностью раскисленного металла кроме перечисленных процессов, происходит окисление углерода, дополнительное перемешивание и газовыделение результате образования СО. Продувка и вызываемое этим перемешивание металла улучшают условия зарождения и выделение пузырей СО. Вследствие этого при продувке снижается численность металла, уменьшается содержание оксидных неметаллических включений. В качестве примера приведем результаты, полученные А.Ф. Сарычевым с соавторами на ММК. Исследовали влияние продувки металла аргоном через затвор на технологические факторы при производстве низкоуглеродистой кипящей стали для тонкого холодно - и горячекатаного листа. Опытные и сравнительные плавки проводили в двухванной печи с выпуском в ковш нераскисленного металла (0,02-0,19% С). Температура стали перед выпуском составляла 1585-1610 °С. Во время выпуска на обычных и опытных плавках по наполнении ковша от 1/5 до l/З его высоты присаживали ферромарганец из расчета получения заданного содержания марганца в готовой стали. На опытных плавках подачу аргона в ковш начинали в момент появления металла на желобе и заканчивали при появлении окисленного печного шлака на сталевыпускном желобе. Содержание кислорода в металле в начале выпуска на опытных и обычных плавках было примерно одинаковым. В ковше после выпуска плавки, а также на разливке концентрация его в случае продувки стали, аргоном уменьшалась. При этом металл получался также более однородным по содержанию марганца в начале и в конце разливки.

Таким образом, избираемые методы продувки должны учитывать весь комплекс технологических проблем, начиная 01 марки стали и кончая вместимостью КОЕШЭ.

Аргонокислородная продувка

Влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления монооксида углерода, образующегося при окислении углерода, использовано при разработке такого процесса, как аргонокислородное обезуглероживание или аргонокислородное рафинирование (АКР). При продувке металла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2 О2(г) = СОг определяется парциальным давлением кислорода и образующегося монооксида углерода. При продувке металла смесью кислорода с аргоном происходит "разбавление" пузырей СО аргоном и соответствующий сдвиг вправо равновесия реакции. Окислительный потенциал газовой фазы при этом достаточен для проведения реакций окисления примесей ванны. Метод аргонокислородной продувки широко используется при производстве коррозионно-стойких и других хромсодержаших сталей. Равновесие реакции (Сг2О3) + 3 [С] = 2 [Сг] + 3 СОг при уменьшении парциального давления монооксида углерода Рсо сдвигается вправо, в результате обеспечивается хорошее усвоение кислорода. В процессе продувки состав смеси изменяют, уменьшая расход кислорода и увеличивая расход аргона. Таким образом, обеспечивают получение сплавов с очень низким содержанием углерода и без заметных потерь хрома. Метод аргонокислородной продувки реже используют для получения таких особо низких концентраций углерода, как при способе вакуум-кислородного обезуглероживания, степень использования хрома при аргонокислородной продувке несколько ниже. Однако способ аргоно-кислородной продувки позволяет на более простых агрегатах получав более высокую производительность.

Соотношение расходов кислорода и аргона изменяют по ходу продувки, добиваясь максимального окисления углерода и минимального окисления хрома. Обычно соотношение расходов кислорода и аргона по ходу продувки изменяют от 3: 1 до 1: 3. Для снижения стоимости передела в начальной стадии продувки вместо аргона можно вдувать азот. На заключительной стадии ванну продувают чистым аргоном для возможно большего снижения концентрации кислорода и серы (в результате перемешивания металла под высокоосновным шлаком), а также для возможно большего восстановления окисленного в процессе продувки кислородом хрома. Существует ряд разновидностей процесса, одна из последних, процесс KCB-S (Krupp Combined Blowing - Stainless), - разработана фирмой Krupp. В этом процессе продувка расплава в конвертере смесью кислорода и аргона производится сверху и одновременно через четыре фурмы, установленные в нижней части стенки. По достижении ~ 0,15% [С] продувка сверху прекращается, продолжается только нижняя продувка. Высокие температуры и понижение давлений Рсо позволяют получать высокие значения [Сг] / [С] и очень низкие содержания углерода. Сравнительная простота организации аргонокислородной продувки, высокая производительность агрегатов и возможность изменять в широких пределах окислительный потенциал газовой фазы (отношения Ог: Аг) приводят к непрерывному расширению сферы распространения этого метода. Этот метод используют для производства не только коррозионностойких, но также и электротехнических, конструкционных и других сталей. Для производства низкоуглеродистой хромоникелевой коррозионностойкой стали, высоколегированных сплавов и обычной углеродистой стали в 1985 г. использовалось более 100 конвертеров аргонокислородного рафинирования вместимостью от 1 до 175 т [10]. К началу 1990 г. способом AOD производилось около 75% мирового производства коррозионностойких сталей.

Продувка жидкого металла в заключительной стадии процесса чистым аргоном позволяет снизить газонасыщенность металла (контролировать содержание азота) и стабильно получать содержание серы на уровне 50% при выплавке низколегированных и углеродистых сталей. Метод позволяет получать в конвертере высокохромистые стали непосредственно из чугуна с использованием в качестве шихтового материала хромистой руды. Жидкий чугун подвергают вне-доменной обработке (обескремнивание, дефосфорация), после чего заливают в конвертер. В процессе продувки в конвертере осуществляют обезуглероживание, десульфурацию и легирование хромом. Часть хрома вводя в металл с феррохромом, а часть - с хромистой рудой, оксиды которой восстанавливаются углеродом чугуна. С использованием AOD-процесса на одном из заводов Японии (компании Ратсо) организовали производство коррозионностойкой стали из расплава никелевых и хромистых руд. Никелевая руда с высоким содержанием железа подвергается дроблению, обогащению и предварительному нагреву в смеси с углеродистым восстановителем и в нагретом (~ 1000 °С) состоянии загружается в рудовосстановительную печь, где получают Расплав с 13-15% Ni. Хромистую руду также подвергают предварительной обработке и в нагретом (~ 500 °С) состоянии загружают в рудовосстановшельную печь, где получают расплав с 40-43% Сг. Расплавы смешивают в ковше и заливают в AOD-конвертер, где подвергают аргонокислородной продувке для получения специальных высокохромистых никельсодержащих коррозионностойких сталей. По сравнению с известным способом получения таких сталей из скрапа по схеме дуговая электропечь - конвертер аргонокислородной продувки затраты энергии в новом процессе ниже, содержание неметаллических включений и азота меньше, поскольку используется первородная шихта и отсутствует образование атомарного азота в зоне электрических дуг.

Возможности, которые появляются при использовании метода, аргонокислородного рафинирования велики и в мировой практике создаются новые варианты процесса. В частности, разрабатываются варианты использования метода расплавления хромо - и никельсодержащего металлолома при вдувании в конвертер каменноугольной пыли с, последующей аргонокислородной продувкой расплава и получением коррозионностойкой стали.

Влияние продувки металла на физические свойства расплава

Внепечная обработка стали повышает свойства стали, улучшаются показатели пластичности, уменьшается анизотропия физико-механических характеристик слитка и проката, поскольку при (такой обработке в стали снижается содержание нежелательных примесей, газов, неметаллических включений. Однако отмечено достаточно большое число случаев, когда после внепечной обработки наблюдается улучшение свойств твердого металла без заметного изменения его состава, содержания в нем газов и неметаллических включений что явилось основанием для ряда проведенных в последние годы исследований.