научная статья по теме ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ХЛАДОСТОЙКИХ ЧИСТЫХ СТАЛЕЙ ИЗ НИЗКОМАРГАНЦОВИСТОГО ЧУГУНА С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КРЕМНИЯ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ХЛАДОСТОЙКИХ ЧИСТЫХ СТАЛЕЙ ИЗ НИЗКОМАРГАНЦОВИСТОГО ЧУГУНА С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КРЕМНИЯ»



В Российской академии естественных наук

Ч1

о о

с;

I-ш

s

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ХЛАДОСТОЙКИХ ЧИСТЫХ СТАЛЕЙ ИЗ НИЗКОМАРГАНЦОВИСТОГО ЧУГУНА С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КРЕМНИЯ

© Акад. РАЕН П.И. Югов, Л.А. Баева

ЦНИИчермет им. И. П. Бардина

Широкое использование качественных сталей предопределяет резкое повышение требований к чистоте металла по вредным примесям и включениям. Одной из важнейших проблем в этой связи является создание эффективной и экономичной технологии десульфурации чугуна и стали. Особенно она актуальна для российской металлургии, поскольку Россия является самой крупной в мире северной страной, и поэтому требуется расширение производства хладостойких сталей, важнейшая характеристика которых - супернизкое содержание серы (0,001-0,005%).

Удаление серы из железоуглеродистого расплава протекает согласно реакции: [Б] + Ме = (МеБ). В качестве металла в ней могут принимать участие Се, Са, Мд, №, находящиеся в жидком, твердом (порошкообразном) или парообразном виде. Их десульфурирующая способность убывает от Се к Ыа в соответствии с изменением термодинамической устойчивости образованных ими оксидов и сульфидов.

На практике в качестве десульфураторов чаще всего применяются:

СаО + Б = СаБ + О;

известь сода

карбид кальция магний

силикокальций

Na2C03 + Б = Na2S + С02 + О;

СаС2 + Б = СаБ + 2С; Мд + Б = МдБ; СаБ1 + Б = СаБ + Бг Расплавы тройной системы Ре-С-Б далеки от идеальных. Известно, что коэффициент активности серы зависит от содержания углерода в расплаве (рис. 1). Это является одной из важнейших причин, обусловливающих более эффективную десульфурацию чугуна по сравнению с десульфурацией стали. Коэффициент распределения серы для чугуна в 10-15 раз выше, чем для стали. Как показывает практика, при удалении 0,01% серы из чугуна требуется около 1 кг шлакообразующей смеси типа СаС2-СаО, а для удаления 0,001% Б из стали требуется 2 кг такой

0 12 3 4

Содержание углерода в чугуне, %

Рис. 1. Зависимость коэффициента активности серы от содержания углерода в чугуне

смеси (на 1 т металла). Значительное снижение эффективности удаления серы из стали можно объяснить влиянием растворенного в стали кислорода. В раскисленном металле между содержанием серы и кислорода существует зависимость: [Б] = 4[0]. Казалось бы, при десульфурации раскисленного в ковше металла степень удаления серы должна зависеть только от типа десульфуратора. Однако на практике этого не наблюдается. Отклонение в поведении серы от ожидаемого можно объяснить более высоким, чем в объеме металла, содержанием кислорода на границе раздела металл-шлак.

Оценено влияние ряда технологических параметров на степень десульфурации в конвертере и достижение требуемой концентрации серы в стали (рис. 2). Эффективная степень десульфурации достигается при X = 0-2,5. При больших значениях X на каждую долю удаленной серы значительно возрастают расходы вводимых шлако-образующих материалов и затраты на повышение их реакционной способности.

Дискуссии о том, что является термодинамически выгодным: десульфурация чугуна или стали могут быть оправданы лишь применительно к каким-либо конкретным условиям.

Как известно, согласно константе равновесия, особенно эффективно для десульфурации уменьшение содержания закиси железа (FeO) в шлаке при низких его значениях. Это подтверждено и экспериментально. Возможность практически полного удаления серы из металла в восстановительных условиях тоже подтверждается экспериментально. Так, найдено, что в случае чугуна даже при равновесии со шлаком довольно низкой основности (35,79% СаО и 33,67% БЮ2) коэффициент распределения серы Ls = (Б)/[Б] = 550 при (FeO) = 0,40%. В других подобных опытах значения Ls также достигали 200-500. Однако это возможно не только вследствие низкой концентрации закиси железа в шлаке, но и благодаря высоким содержаниям углерода и кремния в металле. Присутствие этих элементов существенно повышает коэффициент активности серы в металле по сравнению с его уровнем в чистом железе.

Известно, что процесс перехода серы из металла в шлак при Ls < 10 лимитируется, в основном, переносом серы в шлаке. С увеличением содержания FeO в шлаке отклонение Ls от равновесного значения уменьшается, что вызвано уменьшением вязкости шлака, в то время как само значение равновесного коэффициента остается постоянным. С ростом основности шлака коэффициент распределения серы увеличивается. Этот согласуется с положениями совершенных ионных растворов.

Низкие коэффициенты распределения серы не позволяют реализовать процесс глубокой десульфурации чугуна в конвертерной плавке без использования специ-

«л 0,6

0 1,0 3,0 5,0 7,0 9,0 Значения показателя , ед.

Коэффициент распределения серы Ц Соотношение Содержание серы в металле после обработки [5]к при начальном содержании [Б]н, %

массы шлака и металла J /J шл/ мет концентраций серы в металле 1Я/1Я

0,020 0,010 0,005

0,02 0,91 0,018 0,009 0,005

0,04 0,83 0,017 0,008 0,004

5,0 0,06 0,76 0,015 0,008 0,004

0,08 0,71 0,014 0,007 0,004

0,10 0,66 0,013 0,007 0,003

0,02 0,83 0,017 0,008 0,004

0,04 0,71 0,014 0,007 0,004

10,0 0,06 0,61 0,012 0,006 0,003

0,08 0,55 0,011 0,006 0,003

0,10 0,50 0,010 0,005 0,003

0,02 0,71 0,014 0,007 0,003

0,04 0,53 0,011 0,005 0,003

20,0 0,06 0,45 0,009 0,005 0,002

0,08 0,38 0,008 0,004 0,002

0,10 0,33 0,007 0,003 0,002

с;

Рис. 2. Зависимость степени десульфурации металла от коэффициента распределения серы Ц и удельной массы шлакового расплава в системе; [Б]к/[Б]н = 1/(1+Х); X = Ц0шл/.1мет)

альных шлаковых смесей и связаны со значительными технико-экономическими потерями в сталеплавильном производстве.

Однако в процессе самой доменной плавки десульфу-рация чугуна также затруднена, так как вследствие целого комплекса сложных окислительно-восстановительных реакций термодинамические условия глубокой десульфурации (энергия Гиббса и энтальпия системы) обусловливают неизбежность повышения содержания кремния и из-за этого - повышенных расходов извести, кокса, снижения производительности. Поэтому производство низкосернистого чугуна требует тщательно отработанной сложной технологии, использования шихтовых материалов с минимальным содержанием серы, подготовленных высокоосновных шлаковых смесей, значительного увеличения количества шлака. Снижение содержания серы в чугуне в процессе его выплавки приводит к снижению производительности доменной печи и увеличению расхода кокса.

В конвертерной плавке десульфурация металла также неэффективна, поскольку система металл-шлак не достигает состояния равновесия, а коэффициент распределения серы между шлаком и металлом составляет лишь 2-7 вследствие высокой окисленности ванны. Такие низкие значения Ц не позволяют реализовать процесс глубокой десульфурации металла в конвертере и приводят к значительным технико-экономическим затратам в сталеплавильном производстве.

Снижение содержания кремния в чугуне приводит к снижению содержания кремнекислоты в конвертерном шлаке, которая является конкурентным Р205 оксидом при взаимодействии с СаО, не позволяя Р205 стабилизироваться в шлаке. Как показывают термодинамические расчеты, для успешного проведения процесса дефосфорации до менее 0,005% Р содержание кремния в чугуне не должно превышать 0,10-0,15%.

Низкое содержание кремния и марганца в чугуне, а также отсутствие необходимости десульфурации меняет условия шлакообразования, что выражается в снижении расхода извести, уменьшении количества шлака, повышении его основности (4-5) и окисленности (15-19% РеОо6щ). В этих условиях его рафинирующие функции сводятся лишь к дефосфорации чугуна. В связи с этим становится возможной реализация высокой рафинирующей способности этого шлака путем его многократного использования в самой конвертерной плавке.

На основании этого положения была разработана технология конвертерного передела низкокремнистого маломарганцовистого десульфурированного чугуна с многократным (3-5 раз) использованием конечного шлака в конвертерной плавке (циклическое шлакообразование) с частичным добавлением свежей извести. Применение такой технологии позволяет уменьшить расход извести, снизить потери железа в шлак и повысить выход годного металла (таблица).

Низкое содержание кремния и марганца в чугуне и пониженная его температура обусловливают «холодное» начало плавки, сопровождающееся повышенным окислением железа в шлак (18-25% Рео6щ), что приводит в период интенсивного обезуглероживания к выбросам металла и шлака. Поэтому были исследованы и разработаны оптимальные параметры дутьевого режима с динамическим регулированием подачи кислорода (расхода и положения фурмы) в соответствии с интенсивностью обезуглероживания.

С целью подготовки конечного переокисленного металла к внепечной обработке был отработан режим предварительного раскисления и стабилизации его в конвертере перед выпуском импульсной продувкой аргоном в течение 2-3 мин с последующей отсечкой и оставлением конечного шлака в конвертере.

Такая технология получения стандартного полупродукта значительно повышает эффективность процессов ковшевой металлургии и позволяет получать качественную сталь любого сложного состава.

Принципиально все выплавляемые из де-сульфурированногочугунасталиможноразде-лить на две группы: стали рядового сортамента (Б = 0,005-0,020%), не требующие дополнительной десульфурации, и суперчистые стали с дополнительной десульфурацией в ковше (Б = 0,001-0,002%) и последующей модифицирующей обработкой для глобуляризации остаточных оксисульфидных включений.

С целью повышения экономичности ковшовой металлургии в разработанном технологическом комплексе предлагается целенаправленное использование в рациональном объеме методов внепечной обработки для различных групп стали, в частности, для стали, предназначенной для холоднокатаного листа, автолиста, жести, кинескопной ленты предлагается глубокая деазотация, обезуглероживание с помощью \/СЮ и комбинированной продувки аргоном; для трубной, конструкционной стали - микролегирование, десульфу-рация, дефосфорация, модифицирование; для высокоуглеродистой, подши

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком