УДК 669.187.2-982
ОПЫТ СТАБИЛИЗАЦИИ ОСТАТОЧНОГО СОДЕРЖАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАЛИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЕТАЛЛОШИХТЕ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
© Логунова Оксана Сергеевна, д-р техн. наук
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». Россия, г. Магнитогорск. E-mail: logunova66@mail.ru Павлов Владимир Викторович
ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Россия, г. Магнитогорск Статья поступила 06.02.2014 г.
Изложены результаты использования альтернативных шихтовых материалов при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи переменного тока. Авторами выполнены постановка и решение задачи оптимизации по минимизации себестоимости используемых ресурсов с ограничением по содержанию таких остаточных элементов, как хром, никель и медь. Приведены результаты исследования для стали марки 08Ю по ГОСТ 9045, корда, катанки и стали по ГОСТ 380.
Ключевые слова: дуговая сталеплавильная печь; альтернативные материалы; остаточные элементы; шихта; задача оптимизации.
Выплавка стали в дуговых электросталеплавильных печах (ДСП) переменного тока в настоящее время нашла широкое применение на российских и зарубежных предприятиях. По открытым данным WoldSteel Association за 2013 г. мировое производство стали, произведенной в электродуговых печах, в 2012 г. составило 45 0512 тыс. т, из них в России - 19 000 тыс. т. Увеличение объемов производства требует разработки новых научно обоснованных технологий, в которых используется металлургическое сырье различных типов.
Постоянное повышение объемов производства стали приводит к истощению ресурсов, находящихся в территориальной близости к крупным промышленным предприятиям. В связи с этим предприятия вынуждены в металлошихте использовать альтернативные материалы, к которым следует отнести скрап, горячебрикетирован-ное железо и чушковый чугун. Мировой опыт получения стали показывает, что в настоящее время в качестве сырья допускается использование железа прямого восстановления, например на предприятиях Tianjin Pipe Group Co, Ltd [1], Hylsa SA de CV [2], или металлизованных материалов [3]. Например, шихта для ДСП, функционирующих на предприятиях Tianjin Pipe Group Co, Ltd, имеет следующий состав: металлический лом 46,2%; чушковый чугун 9,1%; жидкий передельный чугун 26,4% и железо прямого восстановления 18,3% [1]. При использовании в составе шихты 18,3% железа прямого восстановления добиваются сниже-
ния содержания в готовой стали таких элементов, как хром, никель и медь, вносимых в шихту с металлическим ломом.
В условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») для выплавки стали большинства марок в ДСП используются два вида сырья - металлический лом и жидкий передельный чугун, причем металлический лом закупается у внешних поставщиков. Динамика цен на металлический лом приведена в работе [4]. Средняя цена на это сырье в 2013 г. составляла порядка 300-350 долл. США за тонну. Скрап является сопутствующим продуктом сталеплавильного производства и продуктом переработки сталеплавильных шлаков.
Оценка доверительных интервалов содержания остаточных элементов в металлошихте. Формирование химического состава получаемого полупродукта определяется составом шихтовых материалов. Экспериментальные исследования состава шихтовых материалов позволили определить доверительные интервалы содержания таких химических элементов, как хром, никель и медь, в сырье: металлическом ломе; скрапе; жидком чугуне, чушковом чугуне и горячебрикетированном железе - ГБЖ (табл. 1). Определены также допустимые интервалы колебания содержания каждого элемента. Наличие интервала колебаний химического состава компонентов шихты потребовало разработки методики определения его верхней и нижней границ, в которые может попадать содер-
Таблица 1. Доверительные интервалы содержания химических элементов, вносимых составляющими шихты
Вид материала Содержание, мас. %
[&] [N4
Металлический лом (МЛ):
полосовой и сортовой лом 0,10±15 0,15±15 0,15±15
металлические конструкции 0,15±15 0,20±15 0,20±15
тонкие трубы 0,30±15 0,15±15 0,25±15
рельсы, накладки 0,15±15 0,20±15 0,25±15
лом автомобильный 0,10±15 0,15±15 0,15±15
Скрап 0,080±20 0,07±20 0,11±20
Чугун:
передельный жидкий (ЖЧ) 0,045±10 0,009±10 0,000+10
чушковый (ТЧ) 0,045±10 0,009±10 0,000+10
Горячебрикетированное железо 0,015±5 0,017±5 0,005±5
0,400,350,30-
си 0,25-
н
я
% 0,20-
0,15
0,100,05 0,00
1
Т
I
Т
[Сг] [N1] [Си] Химический элемент
0,40 0,350,30-
£ °,251 а:
% 0,20-1
0,100,050,00
±
I
ии
[Сг] [N1] [Си] Химический элемент
Рис. 1. Доверительные интервалы содержания химических элементов, вносимых в сталь: а - металлическим ломом; б - остальными компонентами шихты
жание элементов [5]. Границы интервала определяли из предположения максимального допуска от максимального и минимального содержания элемента в каждом из компонентов шихты.
Таким образом, верхняя граница содержания каждого элемента, вносимого шихтой, определяется по соотношению
НЕ = тах {[£.]}+шах {[Д£.]}
1=1, и
и нижняя граница
1=1,и
по соотношению
°ЕГ<
0 при тт{[£.]}+ тах{[Л£.]}< 0,
1=1,и ' 1=1,п '
тщ{[£.]}+ тах{[Л£.]} в противном случае,
1=1,И 1 1=1,и '
где Н , ^ - значения верхней и нижней границы
Ei Ei
для интервала содержания элемента Е,, вносимого шихтовыми материалами; г - номер элемента; п - число составляющих шихты.
Истинное содержание каждого элемента находится в довольно широком интервале
На рис. 1 отображены значения доверительных интервалов для каждого химического элемента, вносимого в ДСП металлическим ломом, для условий ОАО «ММК».
Оценка доверительного интервала содержания химических элементов в шихте, вносимых металлическим ломом, показала, что даже 15%-ное колебание содержания каждого элемента в компоненте шихты приводит к увеличению интервала практически в два раза по сравнению со средним значением предполагаемого содержания. В связи с этим возникла необходимость разработки методики стабилизации химического состава шихтовых материалов и остаточного содержания хрома, никеля и меди, существенно влияющих на свойства готовой стали.
Промышленно-экспериментальные исследования. В июне 2013 г. было принято решение о проведении исследований в промышленных условиях для оценки возможности использования ГБЖ и чушкового чугуна в металлозавалке для ДСП. Одним из поставщиков ГБЖ (рис. 2) для ОАО «ММК» является Лебединский горно-обогатительный комбинат со средней ценой 300-350 долл/т. Одним из достоинств ГБЖ является его определенный химический состав, обеспечивающий возможность прогнозирования состава выплавляемой стали, в частности содержания хрома, никеля и меди.
Всего было проведено 243 плавки с использованием в завалке ГБЖ, чушкового чугуна, металлического лома и жидкого передельного чугуна. Было израсходовано около 3000 т ГБЖ в количестве 1025 т на плавку при массе металлозавалки 210-215 т. Структура шихты, использованной в завалке ДСП в ходе исследований, приведена на рис. 3.
В ходе исследований было выявлено, что при использовании ГБЖ в составе металлошихты увеличиваются:
- насыпная плотность шихты в металлозавал-ке ДСП;
- продолжительность работы печи под током в среднем на 10% по сравнению с технологией без использования ГБЖ в металлошихте;
Рис. 2. Вид сбоку (а) и фронтальный вид (б) куска горячебрикетированного железа
б
а
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
МЛ+ГБЖ+ЖЧМЛ+ГБЖМЛ+ГБЖ+ТЧ МЛ+ТЧ МЛ+ЖЧ+ТЧ МЛ+ЖЧ
_ ПМЛ ПГБЖПЖЧИТЧ
Структура шихты
Рис. 3. Структура шихтовых материалов, использованных в завалке ДСП в ходе промышленно-экспериментальных исследований (обозначения - см. табл. 1)
- расход энергоносителей: электроэнергии (на 3-5%), природного газа (на 15-25%), кислорода (на 8-10%);
- окисленность металла на 25%.
Полученные результаты позволяют сделать
вывод о том, что применение ГБЖ при выплавке стали в ДСП возможно и экономически целесообразно в случае отсутствия металлолома.
Структура экспериментальной информации. В ходе экспериментальных исследований фиксировали 29 параметров плавки. Все параметры разделены на группы (табл. 2).
Для построения сквозного паспорта плавки в качестве ключевого поля используется ее номер на всех этапах металлургического производства вплоть до конечной продукции.
По результатам корреляционного анализа была построена диаграмма Исикавы, на основе которой выявлены параметры, оказывающие наиболее существенное влияние на остаточное содержание элементов в готовой стали. Оценка значимости корреляционной взаимосвязи позволила предположить, что в прогностической модели для оценки остаточного содержания в стали хрома, никеля и меди достаточно использовать массовые показатели составляющих компонентов шихтовых материалов, подаваемых в ДСП. Учитывая результаты корреляционных оценок многофакторных зависимостей, авторы работы ограничились рассмотрением линейных форм эмпирических уравнений. Коэффициенты множественной корреляции для зависимостей, характеризующих соотношение между содержанием остаточных элементов в готовой стали и массой компонентов шихты, являются значимыми - на уровне 5% при объеме выборки в 243 наблюдения.
Результаты исследования остаточного содержания элементов в стали. Для выплавляемой стали выдвигаются требования по остаточному содержанию в стали хрома, никеля и меди в зависимости от марки стали. Пример рекомендуемых значений остаточно-
Таблица 2. Группы параметров, фиксированных в ходе экспериментальных плавок
Группа
Измеряемые параметры
Вычисляемые параметры
Параметры метал-лозавалки
Технологические параметры выплавки
Содержание химических элементов в готовой стали, %
Параметры шлакового режима
Параметры энергетического режима
Масса, т:
металлического лома горячебрикетированного железа твердого чугуна жидкого чугуна плавки на МНЛЗ Продолжительность цикла, мин Время дуги под током, мин Температура стали перед
выпуском, °С Содержание: хрома, никеля, меди, азота, серы, фосфора Коэффициент вспенивания Окисленность шлака, ррт Основность шлака Содержание БеО, % Расход:
известняка, т углерода на вдувание, кг извест
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.