Некоторые особенности технологии обработки конвертерной стали в ковше твердыми шлакообразующими смесями на основе извести

Серiя: TexHÍ4HÍ науки

УДК 669.154:54.03.001.5

Бондарь В. И.1 Макуров С. Л.2 Костыря И. Н.3

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ

КОНВЕРТЕРНОЙ СТАЛИ В КОВШЕ ТВЕРДЫМИ ШЛАКООБРАЗУЮЩИМИ СМЕСЯМИ НА ОСНОВЕ ИЗВЕСТИ

Приведены результаты исследования процесса десульфурации конвертерной стали в 350 - т ковше твердыми шлакообразующими смесями на основе извести и уточнены некоторые особенности этого способа внепечного рафинирования. Ключевые слова: сталь, алюминий, ковш, известь, газонасыщенность, десульфурация.

Бондар В. I., Макуров С. Л., Костиря I. М. Деяю особливостi технологи обробки конвертерное cmaMi в ковшi твердими шлакоутворюючими сумшами на основi вапна. Наведено результати досл1дження процесу десульфурацИ' конвертерног стал1 в 350 - т ковш1 твердими шлакоутворюючими сумшами на основi вапна, та уточненi деяю особливостi цього способу позатчного рафтування. Ключовi слова: сталь, алюмтт, ювш, вапно, газонасичетсть, десульфуращя.

V.I. Bondar, S.I. Makurov, I.N. Kostyria. Some features of the technology of converter steel processing inside ladle with solid, lime based slag forming mixtures. The results of the study process of desulphurization of converter steel in the 350mt ladle solid slag-forming mixture based on lime and clarified some of the features of this method of out-of -furnace refining.

Key words: steel, aluminum, ladle, lime, gas saturation, desulphurization.

Постановка проблемы. Для получения низкосернистого металла широко применяются методы внепечной обработки. Особое место среди них занимает способ наведения активного рафинирующего шлака в ковше путём ввода твердых шлакообразующих смесей (ТШС). При этом происходит активное взаимодействие струи метала, выпускаемого из конвертера, со шлаком, образующимся из твердых материалов.

Для получения стали с необходимым содержанием серы прежде всего требуется создать оптимальный состав шлака. Оптимальность состава должна отвечать требованиям сложного комплекса условий, делающих шлак фазой, удовлетворяющей режимам наилучшего протекания реакции десульфурации с кинетических и термодинамических позиций.

Однако физико-химические особенности этого процесса изучены недостаточно. Вызывает практический интерес оценка влияния формирующегося в процессе обработки металлического расплава ТШС рафинирующего шлака на насыщение расплава водородом.

Анализ последних исследований и публикаций. Было проведено большое число исследований по переходу от обработки стали синтетическими шлаками к обработке твердой шлако-образующей смесью. Десульфурацию с применением ТШС проводили в различных условиях и на различных марках сталей. Например, в работе [1] было установлено, что необходимые кинетические условия для десульфурации создаются, когда шлак достаточно жидкоподвижен, что обеспечивает высокую скорость диффузии сульфидов внутри шлака от границы шлак-металл и от зоны реакции и повышает скорость перехода сульфидов через границу шлак-металл.

Благодаря этому, возрастает скорость десульфурации. Необходимая жидкоподвижность шлака достигается как путем подбора активных десульфурирующих веществ, так и ввода в состав шлака разжижающих материалов.

Ведущую роль в процессе удаления серы из металла играет содержание СаО в шлаке. Роль MgO в процессе десульфурации изучена недостаточно полно. Ряд авторов считают этот оксид балластом, который при определенных условиях снижает серопоглотительную способность шлаковой смеси [2].

Однако в других исследованиях отмечается положительная роль MgO на физические

1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

3 инженер, ИТЦ, ОАО «МК «Азовсталь», г. Мариуполь

Серiя: Технiчнi науки

свойства шлаков (температура плавления, вязкость) и на активность основного десульфури-рующего ингредиента - СаО. По данным авторов [3], изучавших физические свойства синтетических шлаков системы СаО-А1203^Ю2^0 [(40...60) %4 СаО, (28...44) % М2О3, (3...15) % SiO, (0...12) % MgO], установлено, что ввод в состав шлака до 12 % MgO снижает температуру ликвидуса ^лик.) на 65°С (с 1425 до 1360 °С) при основности (2,9.3,2). Соотношение Са0/А1203 находилось на уровне (1,3... 1,9). Минимальная вязкость таких шлаков при t = 1600°С наблюдалась при содержании MgO и SiO2 12 % и 15 % соответственно.

Высокая флюсующая способность MgO связана с тем, что этот ингредиент изменяет температуру начала затвердевания и ионную структуру расплава. Ввод в расплав катиона Mg2+, обладающего малыми размерами (г = 0,78 А), изменяет концентрацию тугоплавких комплексных анионов ^Ю44", АЮ33-).

Многие авторы отмечают положительную роль MgO в повышении коэффициента активности СаО (аСаО) и увеличение коэффициента распределения серы Максимальные значения аСао достигаются при концентрации в шлаках MgO и СаF2, близких к 10 % каждого. По поводу влияния А1203 на свойства шлаков для десульфурации стали мнение всех авторов сводится к тому, что наличие А1203 благоприятно сказывается на физических свойствах шлаков при соотношении Са0/А1203 - 1,2^1,6 и СаО^Ю2 - 2,8^3,3.

Развиваемые положения послужили основанием для выбора направления исследований по обработке стали в ковше с помощью ТШС, содержащий MgO, с целью увеличения степени десульфурации стали во время выпуска плавки из конвертера в ковш.

Цель статьи - Установление количественной связи между основными параметрами процесса обработки металлического расплава ТШС, содержащей 10^12 % МgO и оценка влияния состава, формирующегося в процессе рафинирования шлака на возможность перехода водорода в металл.

Изложение основного материала. В предлагаемой работе приводятся результаты исследований, выполненных в условиях конвертерного цеха ОАО "МК "Азовсталь" и связанных с изучением особенностей десульфурации металлического расплава в ковше при использовании твердых шлакообразующих смесей на основе извести.

По существующей технологии малоуглеродистая низколегированная конструкционная сталь выплавляется в 350-т кислородном конвертере и обрабатывается на выпуске в ковш ТШС, состоящей из свежеобожженной извести и плавикового шпата. Из присаживаемой ТШС, небольшого количества конвертерного шлака и футеровки ковша формируется рафинировочный шлак.

В настоящее время в ККЦ ОАО «МК «Азовсталь» для снижения содержания серы в металле на выпуске из конвертера используется твердая шлакообразующая двухкомпонентная смесь (ТШС-2), состоящая из извести свежеобожженной и плавикового шпата (ГОСТ 29220-91) в соотношении (3.. ,4):1.

Была опробована новая твердая шлакообразующая четырехкомпонентная смесь (ТШС-4), которая отличается от используемой ТШС-2 наличием в своем составе двух дополнительных компонентов: магнезитового порошка и отхода алюминия и алюминиевых сплавов класса Г (ГОСТ 1639-93) - по 10 % каждого. Остальное составляет известь (60 %) и плавиковый шпат (20 %). Средний химический состав шлакообразующих смесей в приведен в таблице 1.

Таблица 1

Средний химический состав применяемой и рекомендуемой ТШС

Материал Содержание компонентов, %

СаО MgO SiO2 Fe2Oз А1203 CaF2 С1 к № А1 Si Fe Мп 2п Си Mg

ТШС-2 (ТИ 232150-94) 75,8 0,7 4,7 - - 18,4

ТШС-4 (РТП 23293-96) 55,5 12,3 5,0 0,8 0,7 16,8 0,03 0,01 0,03 7,4 0,73 0,07 0,02 0,03 0,15 0,02

В результате анализа технологии приготовления применяемой ТШС-2 и возможностей

4 Здесь и дальше по тексту проценты массовые

Серiя: Технiчнi науки

оборудования по ее приготовлению и подаче установлено, что приготовить малое (на 2^3 плавки) количество ТШС-4 и подать его через тракт подачи сыпучих в ковш на выпуске плавки невозможно. Поэтому был принят следующий вариант ввода ТШС-4: дискретный (раздельный) по компонентам и синхронизированный по времени. Он реализовывался следующим образом.

Известь (60 %) и плавиковый шпат (20 %) вводились в ковш в виде применяемой ТШС-2 при выпуске плавки по тракту подачи сыпучих в сталеразливочный ковш при наполнении его на 1/5 высоты. Алюмошлак (10 %) и магнезит (10 %), предварительно загруженные в саморазгружающийся бункер, подавались одновременно с известью и плавиковым шпатом с рабочей площадки. Время схода алюмошлака и магнезита не превышало (30...40) с. Сигналом для начала их подачи являлся шум, производимый ТШС-2 при движении из верхних расходных бункеров по тракту подачи сыпучих в сталеразливочный ковш. Состав шлаков, сформированных в ковше ТШС - 4 приведен в таблице 2 (усреднённые данные 40 плавок).

Таблица 2

Средний химический состав шлака, сформированного путём ввода в ковш ТШС - 4

Марка стали Химический состав шлака после расплавления ТШС -4, %

SlO2 СаО MgO МпО А12О3 Р2О5 S F FeO

К52-1 9.75 48.41 7.6 1.07 25.58 0.05 0.70 1.51 1.2

Х-70 11.28 47.17 9.51 0.92 23.56 0.03 0.49 2.22 1.32

Я^ТР-2А 15.27 39.50 15.04 1.61 24.08 0.10 0.38 1.01 1.25

Наличие в шлаке оксидов железа и марганца свидетельствует о попадании в ковш при сливе расплава некоторого количества конвертерного шлака.

Начальное содержание серы в металлическом расплаве на выпуске составляло в среднем величину 0,020....0,025%. Концентрация алюминия в готовой стали была равной 0.003 -0.005% в зависимости от марки производимой стали.

Присадка в ковш кусковой ТШС, содержащей металлический алюминий в количестве 510%, обеспечивала степень десульфурации в ковше с основной футеровкой на уровне 40....60%. Расход ТШС составлял от 4....9 кг /т стали.

Для оценки степени использования рафинирующей способности шлака, который формируется как результат присадки ТШС, определяли значения равновесного (ьт! ) и фактического

(¿ф) коэффициентов распределения серы между металлическим и оксидным расплавами. Ве-тф

личина ь, оценивалась как отношение содержания серы в шлаке к ее содержанию в металле. Значение И,, рассчитывалось с привлечением сведений о сульфидной емкости шлака С,, зави-

сящей от состава шлака и температуры.

Величину сульфидной емкости шлака рассчитывали, исходя из представления об оптической основности шлака (Л) [7]. Окисленность металлического расплава оценивали по остаточному содержанию алюминия в стали с учетом активности А1203 в системе "металлический расплав - оксидная фаза". Активность глинозема в оксидном расплаве рассчитывали по методу Пономаренко А.Г., исходя из представлений о том, что оксидный расплав - фаза, имеющая коллективную электронную систему:

аЛ1203 = С

где С(А1о) - мольная доля А1203 в оксидном расплаве; у/(А1^0 ) - мольный коэффициент активности А1203

Коэффициент активности серы в металлическом расплаве рассчитывали с использованием параметров взаимодействия первого порядка:

^

где е, — параметр взаимодействия серы; [%/] - концентрация 7-го компонента металлического расплава, %.

Величины (ьф ) и (ьт! ) для обработки стали ТШС в ковше оказались линейно зависимыми с высоким значением коэффициента парной корреляции (рис. 1).

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2010 р. Серiя: Технiчнi науки Вип. №21

180

м

К е

<и т

Л -& а) й и

0 3

а

'В 3

Н И « щ

а

1 к4

в I © л

150

120

90

60

30

о

о •1

У = 0.45" Р2 = с + 2,94 7 & 0 оо о

(О И г? °

© и о з я о

о О д О, Ш и о сю

> (© <у Э оо г

о

50 100 150 200 250 300 Равновесный теоретический коэффициент распредел ештя с еры, Ь йт Рис. 1 - Соотношение между фактическим и равновесным коэффициентами распределения серы между металлом и шлаком

350

Сопоставление значений (ьф) и (ь1^ ) показывает, что величина фактического коэффициента распределения примерно в 1,5-2 раза меньше, чем равновесного, полученного расчетом. Это является свидетельством того, что обсуждаемая двухфазная система неравновесная, поэтому и полнота процесса десульфурации не достигается.

При повышении содержания СаО в шлаке и удельного расхода шлакообразующей смеси, увеличивается сульфидная емкость шлака С^), величина т& возрастает,

поэтому и десульфурирующая способность ТШС повышается (рис. 2).

Увеличение содержания кремнезёма ^Ю2) снижает коэффициент распределения серы и следовательно, уменьшается эффективность процесса десульфурации (рис. 3). Аналогичным образом влияет содержание А1203. Практический интерес представляет оценка влияния формирующегося в процессе обработки расплава в ковше ТШС на поведение водорода. Источником водорода является ат-60 мосфера рафинирования и шихтовые материалы, используемые для создания рафинирующего шлака. Водород в металлический расплав поступает из оксидного расплава. Способность последнего к наводороживанию металлического расплава оценивается, как известно, величиной водной емкости оксидного расплава. Ввод компонентов ТШС и изменение в этой связи состава оксидного расплава нарушает состояние временного равновесия между металлической и оксидной фазами и может повлиять на перераспределение водорода между ними.

Для оценки величины водной емкости оксидного расплава использовалось соотношение работы [8]: ЬяС = 12,04 - 32,63-Л +

ПН- ' '

(Ч А

а

1> И

п

1> &

о сс А н

К

а> и Н н-]

Он

350

300

250

200

150

100

50

О

У = 2 Е-Обх4,7425 б а! э _г

К3 = 0,7599 о б с

С № 1 о цо

-л Фс о) о а/с р&>0 К О Л

о Л иг £

0 ? рег^ Э

30

35 40 45 50

Содержание СаО в шпаке, %

55

Рис. 2 - Зависимость равновесного коэффициента распределения серы от содержания оксида кальция в шлаке

Содержание :

Рис. 3 - Зависимость равновесного коэффициента распределения серы от содержания оксида кремния в шлаке

+32,71-Л2 -6,62-Л3.

Водная емкость (С - ) и емкость сульфидная (С), как известно,

Серiя: Техшчш науки

зависят от температуры и состава оксидного расплава в соответствии с уравнениями закона действующих масс:

C = K2 • ,

OH _ OH _ э \ /э S S ?v/

OH OH у

' HO" 1 S

где K _, KS - константы равновесия реакций разряда ионов водорода и восстановления ионов серы на границе раздела «металлический - оксидный расплавы»; « - активность ионов кислорода в оксидном расплаве; у _ и у 2_ - коэффициенты активностей гидроксил - ионов и ионов серы в оксидном расплаве.

Из приведенных уравнений видно, что значения СОН и CS одинаково зависимы относительно величины активности ионов кислорода в оксидном расплаве а 2_. Следовательно, повышение основности оксидного расплава вследствие повышения в нём содержания CaO, как и стремление к повышению удельного расхода ТШС, обеспечит более высокую степень десульфурации, но и одновременно повысит вероятность наводороживания металлического расплава. Полученные выводы были подтверждены экспериментально на серии опытных плавок.

В связи с этим необходимо предусмотреть дополнительные мероприятия по уменьшению содержания водорода в металлическом расплаве путём вакуумирования, например, на установках «ковш - печь», что требует проведения дальнейших исследований.

Выводы

1. На основе представлений о сульфидной емкости оксидного расплава и с учётом его кислородного потенциала рассчитаны значения равновесного коэффициента распределения серы в широкой области составов рафинировочного шлака при обработке низколегированной конверторной стали ТШС в ковше и установлена взаимосвязь между фактическим и равновесным коэффициентом распределения серы, что позволяет оптимизировать процесс десульфурации.

2. Установлена функциональная связь между сульфидной и водной емкостями рафинирующего шлака, которая подтверждена экспериментально. Повышение основности оксидного расплава с целью достижения высокой его сульфидной емкости значительно увеличивает и его водную емкость. Это требует дополнительных мероприятий по удалению водорода из металлического расплава, особенно при выплавке сталей ответственного назначения.

Список использованных источников:

1. Баптизманский В.И. Внепечная десульфурация мелкокристаллической известью и смесями на ее основе / В.И. Баптизманский, В.П. Черевко, А.М. Лонский и др. // Сталь. - 1992. - № 11. - С.11.

2. Демичев Е.Ф. Разработка и освоение технологии выплавки легированной стали с отсечкой шлака и обработкой ее в ковше твердой шлакообразующей смесью / Е.Ф. Демичев, В.И. Вершинин, А.П. Колесник, А.И. Катунин // Бюллетень НТИ. Чер. мет. - 1991.- вып. 3(1103).- С.54 -55.

3. Кашакашвили Г.В. Комплексная технология внепечной обработки стали для бесшовных труб / Г.В. Кашакашвили, Н.Ю. Гвамберия, М.В. Мумладзе, А.Г. Габисиани // Сталь. - 1994. -№ 12. - С.23 - 25.

4. Вихлевщук В.А. Рафинирование спокойной стали эффективной кусковой твердой шлакооб-разующей смесью / В.А. Вихлевщук, В.А. Поляков, В.А. Кондрашин // Бюллетень НТИ. Чер. мет. - 2002. - № 3. - С.60 - 61.

5. Чичкарев Е.А. Кинетика процессов десульфурации стали в ковше при выпуске из конвертера / Е.А. Чичкарев, А.И. Троцан, Т.П. Пославская и др. // Процессы литья. - 2003. - № 3. - С.70 - 74.

6. Степанов А.А. Выбор состава рафинировочных шлаков на основе термодинамического анализа / А.А.Степанов, С.Д. Зинченко, А.М. Ламухин и др. // Бюллетень НТИ. Чер. мет.- 2005. - № 4. - С.31 - 33.

7. Соммервиль И.Д. Измерение, прогноз и применение емкостей металлургических шлаков / И.Д. Сом-мервиль // Сб. науч. трудов "Инжекционная металлургия ' 86". - М.: Металлургия, 1990. - С. 107 - 120.

8. Мельник С.Г. Водная емкость шлаков, как характеристика рафинирующей способности синтетических рафинировочных шлаков сталеплавильного производства / С.Г. Мельник // Fourth International Conference "HTM - 2004": Proceeding. - Donetsk: DonNTU, 2004. - P.469 - 471.

Рецензент: А.И. Троцан

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 16.12.2010