Проволока для внепечной обработки металлургических расплавов

Изобретение может быть использовано в черной металлургии, а именно при внепечной обработке металлургических расплавов гранулообразными реагентами. Проволока состоит из металлической оболочки и наполнителя в виде гранул или крупки металлического кальция, а соотношение между составляющими проволоки установлено следующим, мас.%: наполнитель 23-28, стальная оболочка 72-77. Изобретение позволяет повысить экономическую эффективность использования кальция при внепечной обработке металлургических расплавов за счет исключения из состава наполнителя стальной дроби. 6 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошко-гранулообразными реагентами.

Известна проволока для внепечной обработки металлургических расплавов, состоящая из стальной оболочки и наполнителя в виде смеси гранулированного кальция и железного порошка в соотношении, мас.%: кальций 25-45, железный порошок 50-75, а соотношение между составляющими частями проволоки, мас.%: порошковый наполнитель 51-70, стальная оболочка 30-49 (см. патент РФ №2242521, С21С 7/00, опубликовано 2004.12.20).

Недостатком указанного состава порошковой проволоки является то, что при стабильном и экономичном усвоении кальция расплавом металла производство проволоки является опасным, поскольку мелкодисперсные фракции порошка железа могут взрываться в состоянии аэровзвеси.

Известна проволока для внепечной обработки металлургических расплавов, выбранная за прототип и состоящая из стальной оболочки и наполнителя из механической смеси кальция и железа в соотношении, мас.%, соответственно 25-45 и 55-75, при этом железо в наполнителе присутствует в виде дроби чугунной или стальной, или стальных гранул, или сечки стальной, а соотношение между составляющими частями проволоки установлено следующим, мас.%: наполнитель 45-80, стальная оболочка 20-55 (см. пат. РФ №2283874, МПК С21С 7/00, заявлено 2005.01.24, опубликовано 2006.09.20).

При этом проволока-прототип имеет более широкий диапазон диаметра от 8 до 16 мм и при вводе ее в расплав металла усвоение кальция повышается, т.к. железная дробь, имеющая значительно меньшую по сравнению с порошком железа удельную поверхность, расплавляется медленнее, что обеспечивает более плавное и длительное протекание эффекта «температурного балласта», ведущее к повышению усвоения кальция, локально вводимого в большом количестве в расплав металла. Но, как и при внепечной обработке металлургических расплавов проволокой-аналогом, при обработке расплавов проволокой-прототипом усвоение дорогостоящего кальция расплавом металла не может превышать 20-25%. В этом случае актуальным становится вопрос снижения стоимости кальция в одной тонне порошковой проволоки без существенного снижения полноты его усвоения расплавом металла.

В качестве показателя полноты усвоения кальция могут служить две взаимозависящие величины: изменение концентрации кальция в стали после введения порошковой проволоки или коэффициент усвоения k_Ca, рассчитанный по формуле (1):

где [Са] - концентрация кальция в стали после присадки, %;

[Са]₀ - концентрация кальция в стали до присадки, %;

М₀ - масса стали в ковше, т;

m_Ca - масса введенного кальция, т.

Усвоение кальция расплавом металла, т.е. степень его использования из порошковой проволоки, зависит от интенсивности испарения кальция на различной глубине расплава при температурах сталеварения. Стальная оболочка порошковой проволоки обеспечивает доставку кальция на такую глубину стальной ванны (около 1,2 м), где ферростатическое давление примерно равно упругости его пара (около 0,15 МПа при 1600°С) (Внепечная обработка чугуна и стали. Кудрин В.А. - М.: Металлургия, 1992. - 336 с.), что снижает потери кальция на испарение. Кроме того, в проволоке, выбранной за прототип, применение в составе наполнителя стальной дроби позволяет обеспечить более плавное и длительное протекание эффекта «температурного балласта», ведущее к повышению усвоения кальция, локально вводимого в глубину стальной ванны.

В ноябре 2004 г. в ОАО «Волжский трубный завод» были проведены 33 опытные плавки, при которых в расплав металла с определенной скоростью вводилась в качестве модификатора проволока диаметром 14 мм с компенсатором с толщиной оболочки 0,4 мм с наполнителем в виде механической смеси из гранул кальция и стальной дроби в соотношении 40 и 60 мас.% соответственно. Вес наполнителя в одном погонном метре проволоки в среднем составлял 0,218 кг, а коэффициент заполнения (отношение массы наполнителя в одном погонном метре проволоки к массе одного погонного метра проволоки) был равен 0,533. Усвоение кальция расплавом металла было высоким и составило в среднем 18,9%. При этом количество кальция в одной тонне проволоки составило 213,2 кг, т.е. соотношение между весом кальция и суммарным весом железа (стальная оболочка и дробь стальная) равно 0,213. Высокое усвоение кальция (18,9%) расплавом металла при соотношении 0,213 подтверждает, что потери кальция на испарение минимальные, т.е. ферростатическое давление примерно равно упругости паров кальция.

Технико-экономической задачей, решаемой изобретением, является повышение экономической эффективности использования кальция при внепечной обработке металлургических расплавов с обеспечением сопоставимого с прототипом коэффициента усвоения кальция.

Поставленная задача решается путем производства проволоки для внепечной обработки металлургических расплавов, состоящей из стальной оболочки и наполнителя, причем в качестве наполнителя служит металлический кальций в виде гранул или крупки, а соотношение между составляющими частями проволоки установлено следующим, мас.%:

наполнитель	23-28;
стальная оболочка	72-77.

Общим с прототипом существенным признаком является наличие в составе проволоки стальной оболочки и наполнителя.

Отличным от прототипа существенным признаком является отсутствие в наполнителе проволоки железа в любом виде при заполнении оболочки только гранулами или крупкой металлического кальция.

Соотношение между составляющими - наполнителем и стальной оболочкой - в заявляемой проволоке находится в пределах 0,299-0,389 (23/77-28/72), что сопоставимо со средним соотношением (0,271) между весом кальция и суммарным весом стальной оболочки и стальной дроби в проволоке - прототипе.

При соотношении свыше 0,389 изготовление проволоки становится экономически нецелесообразным, так как при вводе ее в расплав металла возрастают потери кальция на его испарение, т.е. понижается усвоение кальция.

При этом сопоставимые с проволокой-прототипом в заявляемой проволоке соотношения между весом кальция в ней и весом ее оболочки, т.е. соотношения, обеспечивающие практически одинаковые концентрации кальция в стали после его введения в расплав металла (в среднем 0,0024%), означают, что коэффициент усвоения кальция (k_Са, %) из заявляемой проволоки будет близок к его среднему значению (18,9%), полученному в результате проведения опытных плавок в ноябре 2004 г. в ОАО «Волжский трубный завод».

Учитывая то, что основной номенклатурой проволоки-прототипа, потребляемой металлургическими предприятиями, является порошковая проволока диаметром 14 мм с компенсатором толщиной оболочки 0,4 мм с наполнителем, состоящим из механической смеси гранул металлического кальция и железа в виде дроби стальной в соотношении, мас.%, соответственно 40 и 60, проведем сравнительный расчет экономической эффективности использования кальция при внепечной обработке расплава металла. Данные расчета сведены в таблицы.

В таблице 1 приведен расчет веса одного погонного метра оболочек проволок различных диаметров, таблице 2 - расчет соотношения между весом кальция в заявляемой проволоке и весом ее оболочки.

Таблица 1.
Диаметр проволоки, см	Толщина оболочки, см	Длина окружности оболочки, см	Ширина замкового соединения оболочки, см	Площадь оболочки длиной 1 м, см2	Объем оболочки длиной 1 м, см3	Удельный вес стальной ленты, кг/см3	Вес одного погонного метра оболочки, кг
1,4 с комп.	0,040	4,398	1,0+0,66 (15%) комп.	605,8 ((4,398+1,0+0,66)·100)	24,23	0,0079	0,191
0,8	0,030	2,512	0,5	301,2 ((2,512+0,5)·100)	9,036	0,0079	0,071
0,8	0,040	2,512	0,5	301,2	12,048	0,0079	0,095
0,9	0,040	2,826	0,6	342,6	13,704	0,0079	0,108
1,0	0,040	3,140	0,7	384,0	15,360	0,0079	0,121
1,1 с комп.	0,030	3,454	0,7+0,52	467,4 ((3,454+0,7+0,52)·100)	14,022	0,0079	0,111
1,1	0,040	3,454	0,7	415,4	16,616	0,0079	0,131
1,1 с комп.	0,040	3,454	0,7+0,52	467,4	18,696	0,0079	0,148
1,1	0,050	3,454	0,7	415,4	20,770	0,0079	0,164
1,3 с комп.	0,030	4,082	0,9+0,61	559,2 ((4,082+0,9+0,61)·100)	16,776	0,0079	0,133
1,3 с комп.	0,040	4,082	0,9+0,61	559,2	22,368	0,0079	0,177
1,3	0,050	4,082	0,9	498,2	24,910	0,0079	0,197
1,3	0,055	4,082	0,9	498,2	27,401	0,0079	0,217
1,4 с комп.	0,030	4,398	1,0+0,66	605,8	18,174	0,0079	0,144
1,4	0,050	4,398	1,0	539,8	26,990	0,0079	0,213
1,4	0,055	4,398	1,0	539,8	29,689	0,0079	0,235

Таблица 2. Расчет соотношения между весом кальция в заявляемой проволоке и весом ее оболочки.
Диаметр проволоки, см	Толщина оболочки, см	Вес составных частей одного погонного метра проволоки, кг	Коэффициент заполнения	Вес кальция в одной тонне проволоки, кг	Вес оболочки в одной тонне проволоки, кг	Отношение веса кальция к весу оболочки проволоки
Общий вес одного п.м. проволоки, кг	Вес гранул кальция, кг	Вес оболочки проволоки, кг
8	0,30	0,1013	0,0303	0,071	0,299	299	701	0,427
8	0,40	0,1237	0,0287	0,095	0,232	232	768	0,302
9	0,40	0,1452	0,0372	0,108	0,256	256	744	0,344
10	0,40	0,1678	0,0468	0,121	0,280	280	720	0,389
11 с комп.	0,30	0,1710	0,0600	0,111	0,351	351	649	0,541
11 с комп.	0,40	0,2055	0,0575	0,148	0,280	280	720	0,389
11	0,40	0,1885	0,0575	0,131	0,275	275	725	0,379
11	0,50	0,2193	0,0553	0,164	0,252	252	748	0,337
13 с комп.	0,30	0,2180	0,0850	0,133	0,390	390	610	0,639
13 с комп.	0,40	0,2590	0,0820	0,177	0,317	317	683	0,464
13	0,50	0,2770	0,0800	0,197	0,289	289	711	0,407
13	0,55	0,2950	0,0780	0,210	0,264	264	736	0,359
14 с комп.	0,30	0,2430	0,0990	0,144	0,407	407	593	0,686
14	0,50	0,3060	0,0930	0,213	0,304	304	696	0,437
14	0,55	0,3270	0,0920	0,235	0,281	281	719	0,391

Наиболее близкие, т.е. сопоставимые с прототипом, соотношения между весом кальция и весом оболочки в заявляемой проволоке имеют следующие ее номенклатуры:

Таблица 3. Номенклатуры заявляемой проволоки, имеющие сопоставимые с проволокой-прототипом соотношения между весом кальция в проволоке и весом ее оболочки
Диаметр проволоки, мм	Толщина оболочки, мм	Вес кальция, кг	Соотношение между весом кальция и весом оболочки
8	0,40	232	0,302
11	0,50	252	0,337
9	0,40	256	0,344
13	0,55	264	0,359
11	0,40	275	0,379
10	0,40	280	0,389
11 с комп.	0,40	280	0,389
14	0,55	281	0,391

Сопоставимые с проволокой-прототипом в заявляемой проволоке соотношения между весом кальция в ней и весом ее оболочки, т.е. соотношения, обеспечивающие практически одинаковые концентрации кальция в стали после его введения в расплав металла (в среднем 0,0024%), означают, что коэффициент усвоения кальция (k_Ca, %) из заявляемой проволоки будет близок к его среднему значению (18,9%), полученному в результате проведения опытных плавок в ноябре 2004 г. в ОАО «Волжский трубный завод».

Проведем расчет сравнительных затрат при использовании заявляемой проволоки для внепечной обработки металлургических расплавов на примере проволоки диаметром 11 мм при толщине ее оболочки 0,4 мм.

В одной тонне проволоки диаметром 11 мм при ее цене, равной 59015 руб./т, находится 275 кг кальция по сравнению с 213 кг кальция в одной тонне проволоки-прототипа при ее цене 54000 руб./т.

Для ввода в расплав металла 275 кг кальция необходимо использовать

проволоки-прототипа, стоимость которой составит 54000·1,291=69714 руб., что на 10699 руб. (69714-59015=10699) или на 18,1% (10699:59015·100%) превышает затраты по сравнению с затратами при использовании одной тонны заявляемой проволоки при сопоставимом усвоении кальция расплавом металла.

В таблице 4 приведены данные по расчету сравнительного экономического эффекта применения выбранных номенклатур заявляемой проволоки на основе рассчитанной стоимости ее одной тонны.

Таблица 4. Расчет сравнительного экономического эффекта на основе рассчитанной стоимости одной тонны заявляемой проволоки
Диаметр проволоки, мм	Толщина оболочки, мм	Вес кальция, кг	Соотношение веса кальция к весу оболочки	Стоимость 1 т проволоки, руб.	Экономический эффект
руб.	%
8	0,40	232	0,302	54947	3859	7,0
11	0,50	252	0,337	56840	7042	12,4
9	0,40	256	0,344	57218	7690	13,4
13	0,55	264	0,359	57975	8931	15,4
11	0,40	275	0,379	59015	10699	18,1
10	0,40	280	0,389	59490	11520	19,4
11 с комп.	0,40	280	0,389	59490	11520	19,4
14	0,55	281	0,391	52983	18243	34,4

Для оценки экономической эффективности использования кальция при внепечной обработке металлургических расплавов с обеспечением сопоставимого его усвоения, проведем сравнительный расчет стоимости кальция в проволоке.

Стоимость 213 кг кальция в одной тонне проволоки - прототипа при ее стоимости 54000 руб./т будет равна: 54000:0,213=253521 руб.

Стоимость 232 кг кальция в одной тонне заявляемой проволоки диаметром 8 мм при ее стоимости 54947 руб./т будет равна: 54947:0,232=236841 руб., т.е. на 16680 руб. (253521-236841=16680) меньше, что составляет 6,6% (16680:253521·100%=6,6).

В таблице 5 приведены данные по расчету стоимости кальция в заявляемой проволоке по сравнению со стоимостью кальция в проволоке-прототипе (253521 руб.) и получаемый при этом экономический эффект.

Таблица 5. Сравнительный расчет стоимости кальция в заявляемой проволоке
Диаметр проволоки, мм	Толщина оболочки, мм	Стоимость одной тонны проволоки, руб.	Стоимость кальция в проволоке, руб.	Экономический эффект
руб.	%
8	0,40	54947	236841	16680	6,6
11	0,50	56840	225556	27965	11,0
9	0,40	57218	223508	30013	11,8
13	0,55	57975	219602	33919	13,4
11	0,40	59015	214600	38921	15,4
10	0,40	59490	212464	41057	16,2
11 с комп.	0,40	59490	212464	41057	16,2
14	0,55	52983	188552	64969	25,6

Из данных, приведенных в таблице 5, видно, что стоимость кальция в одной тонне заявляемой проволоки меньше стоимости кальция в одной тонне проволоки-прототипа (253521 руб.) при сопоставимых коэффициентах его усвоения расплавом металла.

Определение экономической эффективности использования заявляемой проволоки проведем по суммарному экономическому эффекту на основе данных таблиц 4, 5. Данные сведены в таблицу 6.

Таблица 6.
Экономический эффект применения порошковой проволоки с наполнителем из гранул кальция
Диаметр проволоки, мм	Толщина оболочки, мм	Экономический эффект от уменьшения расхода проволоки, руб.	Экономический эффект от уменьшения стоимости кальция в проволоке, руб.	Общий экономический эффект	Отношение веса кальция к весу оболочки проволоки
руб.	в % к стоимости одной тонны проволоки-прототипа
14 с комп.	0,40	-	-	-	-	0,271
8	0,40	3859	16680	20539	38,0	0,302
11	0,50	7042	27965	35007	64,8	0,337
9	0,40	7690	30013	37703	69,8	0,359
13	0,55	8931	33919	42860	79,4	0,359
11	0,40	10669	38921	49620	91,9	0,379
10	0,40	11520	41057	52577	97,4	0,280
11 с комп.	0,40	11520	41057	52577	97,4	0,389
14	0,55	18243	64969	83212	154,1	0,391

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая проволока для внепечной обработки металлургических расплавов существенно повышает экономическую эффективность использования кальция.

За счет сопоставимого соотношения между весом кальция и суммарным весом стальной дроби и стальной оболочки в проволоке-прототипе с соотношением между весом кальция и весом стальной оболочки в заявляемой проволоке коэффициент усвоения кальция (k_Са) расплавом металла в заявляемой проволоке сопоставим с таким же коэффициентом проволоки-прототипа.

Наиболее востребованной потребителями является заявляемая проволока диаметром 11 мм и толщиной оболочки 0.40 мм с наполнителем из гранул кальция. Применение этой проволоки при внепечной обработке металлургических расплавов позволит получить дополнительные преимущества по сравнению с проволокой-прототипом:

- расплав металла при его обработке заявляемой проволокой не загрязняется оксидами железа в связи с отсутствием в ней стальной дроби, что повышает качество металла при снижении его себестоимости.

- исключение из состава наполнителя стальной дроби упрощает для производителя технологию производства заявляемой проволоки и снижает себестоимость ее изготовления при повышении качества готовой продукции.

Проволока для внепечной обработки металлургических расплавов, состоящая из стальной оболочки и наполнителя, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя используют металлический кальций в виде гранул или крупки, а соотношение между составляющими частями проволоки установлено следующим, мас.%:

наполнитель	23-28
стальная оболочка	72-77.