Способ вакуумирования жидкой стали

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 171280 (21) 3219677/22-02 (51) M. КЛ. с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

С 21 С 7/10

Государственный комитет

СССР ло делам изобретений и открытий

Опубликовано 300882, Бюллетень ¹ 32 (53) УДК669.18. .27(088.8) Дата опубликования описания 300882

1 у

А.И. Лукутин, Е.З. Кацов, В.В.Поляко и;Н.Р, Гладышев

)))1

Ъ", ::: 1.)..

2 . ° t )Óе q..). ).

-")дБ,ц

Научно-производственное объединение "Тула ФИнст тут металлургии им. А.А Байкова АН СССР )юа)) ф (72) Авторы изобретения (71) Заявители (54) СПОСОБ ВАКУУМИРОВАНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам управления процессом вакуумной обработки жидкой стали. В частности, способ относится к технологическим приемам, реализуемым в черной металлургии при помощи вакуумной обработки жидкой стали ковшевым способом.

Известен способ производства малоуглеродистой стали, по которому в период вакуумного обезуглероживания расплав продувают инертным газом через донные пористые элементы сталеразливочного ковша. При этом расплав начинают продувать инертным газом с момента начала создания вакуума в камере и фактически продолжают до окончания вакуумирования, изменяя лишь расходные нормы инертного газа )1J .

Недостатком данного приема известного способа является тот факт, что в большинстве случаев (а для пла,— вок весом 20-30 т в 100% случаев) в начальный период вакуумирования даже при обычном темпе снижения остаточного давления в камере кипение расплава в ковше носит настолько интенсивный характер, что во избежание 1ерелива металла через край ковша приходится неоднократно перекрывать магистральную задвижку, через которую вакуумная камера сообщается с пароэжекторным насосом. В этих условиях продувка расплава инертным газом, осуществляемая в целях дополнительного перемешивания металла со шлаком и интенсификации протекания реакции между кислородом и углеродом, являет10 ся бесполезной и связана с необоснованными материальными затратами.Кро,ме этого, данный прием связан с опасностью прорыва вакуумируемого металла через. пористый элемент ковша, так как в этом случае период продувки значительно увеличивается, а стойкость пористого элемента ограничена (особенно при продувке крупнотоннажных .плавок).

Наиболее близким к предлагаемому

20 является способ вакуумирования жидкой стали, включающий непрерывное измерение. окислительного потенциала газовой фазы с помощью электрохимической ячейки, определение завершен25 по достижению экстремального значения величины

ЭДС (2J .

К недостаткам известного способа относится то, что использование способа для крупнотоннажных плавок, где

954440 для повышения эффективности вакуумирования требуется применение продувки расплава инертным газом через донные пористые элементы, связано с понижением точности определения момента завершения процессов окончания 5 реакции вакуумного обезуглероживания и дегазации жидкой стали. уменьшение точности связано с разбавлением отходящих газов инертным газом, в результате чего максимальное значение )P величины ЭДС достигает в момент, когда выделение. СО, СО Н еще не закончилось

Кроме того, способ не содержит при.емов, позволяющих определить техноло- 5 гически оправданные моменты начаЛа и окончания продувки металла инертным газом при вакуумировании.

Применение продувки вакуумируемого в ковше металла инертным газом через донные пористые элементы является обязательной технологической опе-. рацией, особенно для плавок весом более 20 т, так как практически только в этом случае удается компенсировать отрицательное влияние ферростатического столба металла в ковше. В этих условиях при вакуумировании нераскисленных марок стали удается наиболее эффективно использовать раскислительную способность углерода в вакууме ЗО и в зависимости от исходного соотношения между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл — шлак получать расплав, раскисленный только углеродом до 0,0015- 35

0,008Ъ кислорода, либо расплав, содержание углерода в котором не превышает 0,010%. Кроме этого, при таком вакуумировании как спокойных, так и нераскисленных марок стали происходит gp стабильное удаление водорода из расплава до значений 1,5-2,0 см /100 г вне зависимости от его исходного содержа45

Определение технологически определенного момента начала и окончания продувки вакуумируемого в ковше расплава инертный. газом через донные пористые элементы позволяет оптимизировать весь процесс вакуумирования в целом, в частности сократить продолжительность периодов дегазации (для спокойной стали) либо .глубокого обезуглероживания или раскисления углеродом (для нераскисленной стали), 55 которые в современной практике вакуумирования в большинстве случаев необоснованно завышены; сократить тепловые потери металла при вакуумировании; уменьшить перегрев стали в ста- 69 леплавил .ных агрегатах, улучшив стойкость их футеровки, ввести в расплав добавки легирующего или раскислительпо"о типа в наиболее оптимальный момент;экономить инертный газ,улучшив условия службы пористых продувочных элементов.

Цель изобретения — оптимизация процесса вакуумирования, снижение себестоимости производства стали.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу вакуумирования жидкой стали, включающему непрерывное измерение окислительного потенциала газовой фазы с помощью электрохимической ячейки, определение завершенности процесса дегазации по достижению экстремального значения величины ЭДС, при достижении первого максимума на кривой изменения величины

ЭДС жидкую сталь начинают продувать инертным газом,а заканчивают .продувку при линейном снижении величины ЭДС после достижения второго максимума на той же кривой.

При вакуумировании нераскисленной низкоуглеродистой стали, проводимом в целях глубокого обезуглероживания расплава и получения в нем менее 0,010% углерода, достижение пер-. вого максимума на кривой изменения величины ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящих газов,означает, что при данной удельной мощности откачной системы реакция обезуглероживания вакуумируемого расплава прекратилась. Обычно это бывает в результате снижения скорости поступ". ления к месту реакции углерода иликислорода из окислительного шлаYà.

При этом содержание углерода в расплаве составляет 0,012-0,014%, хотя окислительный потенциал металла ((0g = 0,05%) и шлака (до 17-20-. ГеО) остаются достаточно высокими. Такое положение является типичным для вакуумирования в ковше больших масс металла, когда существенную роль играет ферростатическое давление столба металла над местом реакции. Аналогичная картина наблюдается.при вакуумировании нераскисленных средне- и высокоуглеродистых сталей, которое проводится в целях раскисления стали углеродам. В этом случае достижение первого максимума на,кривой изменения величины ЭДС также означает, что реак ция между углеродом и кислородом расплава прекратилась, хотя содержание кислорода в расплаве остается высоким (О, 010-0,015%) . Прекращение реакции здесь также обусловлено уменьшением скорости подвода реагирующих компонентоь к месту реакции в результате отрицательного влияния ферростатического давления. Для вакуумирования спокойных марок стали, которое проводят в основном для удаления из расплава водорода и его рафинирования от неметаллических включений (в меньшей степени),наличие первого максимума на кривой изменения ЭДС обусловлено снижением скорости выделения

954440 водорода из расплава, которое происходит в конечном итоге также вследствие отрицательного влияния ферростатического давления столба металла.

Дальнейшее развитие реакции между углеродом и кислородом расплава возможно при увеличении скорости подвода углерода к месту реакции и кислорода, например, из шлака за счет разложения легковосстановимых окислов железа, что и достигается применени- 10 ем продувки расплава инертным газом через донные пористые элементы ковша. Продувка расплава инертным газом в вакууме способствует и увеличению скорости удаления иэ металла водоро- 5 да, так как в этом случае увеличивается скорость циркуляции расплава в ковше и значительно увеличивается удельная поверхность вакуумируемого металла, находящаяся в прямом контак- 20 те с газовой фазой с низким парциальным давлением водорода.

Таким образом, начало продувки расплава инертным газом в момент доcTHKeHHH IIBPBoro MBKcHMgMB HB KPHBoH 25 изменения ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящих газов с помощью электрохимической ячейки,является наиболее оптимальным, так как, начиная с этого момента, прекращается реакция между кислородом и углеродом расплава (для нераскисленной стали) либо преимущественно выделения из расплава водорода (для раскисленной стали). Более ранняя продувка расплава инертным газом не име- 5 ет технологического смысла, поскольку при достаточной удельной мощности откачной системы интенсивность кипения металла во избежание его перелива через край ковша приходится огра- 40 ничивать искусственно, путем отсоединения реакционного пространства от вакуумного насоса. Позднее начало продувки влечет эа собой необоснованные потери времени, что связано с 45 потерями температуры металла. Попытки связать начало продувки расплава с интенсивностью его кипения в большинстве случаев, особенно для вакуумирования средне- и высокоуглеродистых нераскисленных сталей, являются несостоятельными, поскольку интенсивность кипения может оставаться практически постоянной на протяжении до

10 мин за счет кислорода, поступающе- 55 го в расплав из футеровки ковша, причем в течение последних 5-7 мин содержание кислорода в расплаве остается постоянным и на минимальном уровне.

Продувка расплава инертным газом в момент достижения первого максимума на кривой изменения ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящих газов, приводит к увеличению скорости поступления кислорода и yr- 65 лерода к месту реакции, к увеличению скорости поступления кислорода в металл за счет разложения легковосстановимых окислов железа шлака и к возобновлению реакции вакуумного обеуглероживания расплава. Кроме того, увеличивается скорость выделения. иэ расплава водорода, особенно когда он подвергнут вакуумной обработке в раскисленном состоянии. Вторичное увеличение скорости реакции между углеродом и кислородом металла, а также выделение водорода влечет за собой рост содержания как продуктов реакции — окиси углерода, двуокиси углерода (в меньшей степени), так и водорода в отходящих газах, что отражается на величине окислительного потенциала этих газов. Максимальное содержание рассмотренных компонентов в отходящих газах (CO, Н ) соответствует максимальному различию давлений кислорода в стандартном электроде электрохимической ячейки и в контролируемой газовой фазе. Уменьшение величины ЭДС после достижения второго максимума на кривой ее изменения означает понижение скорости выделения рассмотренных газов из металла. Линейное снижение значения величины ЭДС после достижения второго максимума означает практическое прекращение выделения

СО,Н .из расплава и вызвано разбавлением концентрации этих компонентов в отходящих газах инертным газом, продувка которым производится с постоянным расходом. Таким образом, продувка расплава в вакууме, сыграв свою положительную роль, с этого момента является бесполезной и может быть возобновлена только для других целей, (например для перемешивания введенных в расплав ферросплавов.

На фиг. 1 показано изменение величины ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящей газовой фазы, по ходу вакуумирования и продувки инертным газом нераскисленной низкоуглеродистой стали; н — начало кипения расплава в вакууме,, — время вакуумирования, мин. Стрелками обозначены моменты начала продувки расплава аргоном через донные элементы и введение в расплав легирующих и раскислителей. 0 — 1,75 10 нм /мин т удельный расход аргона для дополнительного обезуглероживания расплава;

0,5 ° 10 нм /мин т — удельный расход аргона для перемешивания в расплаве добавок раскислительного или легирующего типа, на фиг. 2 — изменение содержания углерода в расплаве в процессе его вакуумирования и продувки инертным газом.

Пример. В 100 т основной электропечи выплавляют и отфильтровывают от серы, фосфора, кремния и частично от марганца 100 т металла, пос

954440

Таким образом, использование приемов способа, позволяет оптимизировать процесс вакуумирования в целом и добиться снижения себестоимости обрабатываемой в вакууме стали.

Оптимизация процесса достигается за счет уменьшения продолжительности периода вакуумного обезуглероживания или дегазации расплава, который в современной практике вакуумирования необоснованно завышен. Кроме того, начало и окончание обязательной технологической операции — продувки расплава инертным газом, проводимой в целях достижения полноты протекания процессов обезуглероживания и вакуумного раскисления металла, а также его дегазации (удаления водорода), определяют с помощью приемов предлагаемого способа, опираясь на объективные параметры.

Снижения себестоимости обрабатываемой в вакууме стали достигают за счет сокращения продолжительности вакуумирования, уменьшения тепловых потерь при вакуумировании, уменьшения перегрева стали в плавильных агрегатах, увеличений производительности плавильных агрегатов увеличения стойкости футеровки ковша.

Расчет экономической эффективности от применения предлагаемого способа произведен на примере особониз-. коуглеродистой (релейной) стали,производство которой осуществляется с применением ковшевой вакуумной обработки.

По сравнению с известным способом, при сталеплавильном переделе релейной стали предлагаемым способом исключено производство вакуумированных плавок с повЫшенным содержанием углерода, например с 0,014Ъ углерода, которые требуют обезуглероживающего отжига промежуточных профилей проката.

Стоимость такого отжига составляет

15-20 руб/т стального проката. Если учесть., что по основному способу каждая 3-5 плавка характеризуется содержанием углерода — 0,014Ъ и требует обезуглероживающего отжига промежу-. точного профиля проката, вес которого составляет 90 т из 100 т плавки, разлитой, например, в слябовый кристаллизатор УНРС, то исключение этих затрат дает удельную экономию

90т х 20 руб/т — 3,6 руб/т

5 х 100 т

Общий экономический эффект от применения способа при годовой потребности в релейной стали в размере

40000 т/год составит

3„6 руб/тх 40000 т/год = 144 000 руб/год

Этот экономический эффект является заниЖенным, так как он может быть иоле чего плавку в нераскисленном сос тоянии сливают в ковш вместе с частью окислительного шлака, количество ко" торого составляет 2,0 т.

Химический состав металла перед вакуумированием, Ъ: С 0,050, Nn 0,08, 5(0,02; S 0,015, P 0,010, )Oj 0,060.

Содержание легковосстановимых окислов железа в шлаке перед вакуумированием составляло 24Ъ (в пересчете íà FeO).

После установки ковша с металлом 10 в вакуумную камеру и подключения системы пористых элементов к аргонной станции на шлак в ковш вводят мелкодробленный кокс в количестве

0,20 кг/т стали, что обеспечивает ис- l5. ходное весовое отношение кислорода, находящегося в металле и в шлаке в виде легковосстановимых окислов железа, к углероду в металле и внесенному на шлак равным 2,1 от стехиометрического 20 их соотношения при окислении углерода. Данный уровень этого отношения обеспечивает проверенную возможность получения в расплаве после его продувки аргоном в вакууме менее 0,010Ъ углерода.

В процессе вакуумной обработки непрерывно измеряют окислительный потенциал отходящих газов при помощи электрохимической ячейки. Непосредственно после достижения первого максимума на кривой изменения ЭДС (т.е. на 3,5 мин) расплав начинают продувать аргоном через донный пористый элемент ковша, причем расход аргона поддерживают постоянным — 1,75 х х 10 нм /мин т (фиг. 1) . После образования второго максимума на кривой изменения ЭДС и последующего снижения величины ЭДС с постоянной скоростью, т.е. на 7,5 мин вакуумирова- 40 ния, расход аргона снижают до

0,5 ° 10 нм"./мин ° т и в расплав вводят.

FeMn, FeSi, Al в количестве, обеспечивающем заданный состав готовой стали. Продувка расплава инертным газом 45 с постоянным расходом — 1,75 х .х 10 нм3/мин т в течение 4 мин (фиг. 2) обеспечивает снижение содержания углерода в металле с 0,014 до

0,006Ъ. Момент достижения этой кон- gp дентрации углерода фиксируют непосредственно по ходу вакуумной обработки.

Снижение содержания углерода в расплаве с 0,014 до 0,006Ъ имеет су- 55 щественное значение, поскольку переработка стали с 0,014Ъ углерода требует обезуглероживающего отжига промежуточных профилей проката, стоимость которого составляет 15-20 руб/т, стали. Без этого отжига в такой стали нельзя достигнуть требуемого уровня.электромагнитных свойств (коэрцитивной силы), в то время как для стали с 0,006Ъ углерода обезуглероживающий отжиг не нужен.

954440 10

Суммарная удельная экономия будет равна .

0,6 + 0 3 + 2,46 = 3,36 руб/т. лучен при производстве только одной с уменьшением затрат времени на пемарки стали. Если учесть, что про- регрев металла, обеспечивает повышение мышленность испытывает годовую пот- производительности печи на ЗЪ, что ребность в размере свыше 200 000 т/год дает экономию 0,3 руб/т стали. в электротехнической динамной стали с содержанием углерода менее 0,010Ъ, 5 . 3. увеличение стойкости футеровки а удельный экономический эффект от .сталеразливочного ковша. применения предлагаемого способа ос- Стойкость футеровки ковша при ватается неизменным и для динамных ма- куумировании 100 т плавок нераскисрок стали, сказанное выше становится ленной стали с исходным содержанием очевидным. 10 углерода в металле 0,03-0,05Ъ и соРасчет экономического эффекта, ко- держанием закиси железа в шлаке 25торый может быть получен от примене- 35$ составляет 2 плавки. Ковш оборуния способа, проведен и по сравнению дуется одной пористой пробкой, стой с базовой технологией, используя кость которой 2 плавки. Применение которую производят самУю дешевУю и ка-15 способа позволит практически вдвое чественную релейнУю сталь, обладающую уменьшить необоснованно завышенный высоким запасом электромагнитных период обезуглероживания расплава, СВОйстВ (коэрцитивной cHJIQA) над Нор который характеризуется повышенным мами ГОСТа как в холоднокатаном, так износом футеровки ковша в результаи в гоРЯчекатаном листовых пРофилЯх 20 те интенсивного перемешивания и конпроката. такта переокисленнаго шлака с футеСущность базовой технологии сведе- ровкой. Интенсивность перемешивания на к Реализадии слеДУюших технопоги- вызвана продувкой расплава инертным ческих операций. В 100 т дуговой газом. В настоящее время стоимость электРопечи выплавлЯют полупродукт 25 футеровки и оборудования ковша огнес содержанирм углерода 0,03-0,10б,ко упорным пористым элементом составляторый в нераскисленном состоянии вы- ет на заводе 1478 руб, что в пересчепускают в ковш вместе с конечным печ- те на 1 т стали при стойкости футеным шлаком, количество которого сос- ровки ковша 2 плавки составит тавляет 2,1-5,0Ъ от веса металла. Непосредственно перед вакуумированием

1478 — 7,39 руб/

В ковш на шлак вводят добавки окислительного (руда, окалина) либо восстановительного (кокс, электродный бой) Стойкость футеровки ковша при ватипов из расчета обеспечения отноше- куумировании релейной стали с исния между окислительным и восстанови- З5 пользованием предлагаемого способа тельным потенциалами системы металл — составляет 3-5 плавок. Увеличивается шлак в пределах 1,43-3,33. Затем ме- и стойкость продувочного пористого талл подвергают вакуумированию, кото- элемента до 3-4 плавок. Если принять рое разделяется на два этапа. "> «p- стойкость футеровки и пористого вом этапе металл подвергают вакуумно- 40 продувочного элемента по 3 плавки, му обезуглероживанию до менее 8,010Ъ то экономический эффект по этой углерода,.причем практически весь пе- статье составит риод расплав продувают инертным га- . 1478 7.39 - 4.93 = зом через донный пористый элемент . 9 Руб/т 100 ковша. Продолжительность продувки для 45 этой цели достигает 10-12 мин. На втором этапе металл и шлак раскисляют FeSi, SiCa, А1, причем операция раскисления также сопровождается продувкой расплава инертным газом. gp

Экономический эффект, который может быть получен при реализации пред-, Общий экономический эффект от лагаемого способа, рассчитан на осно- применения предлагаемого способа при вании следующих статей экономии. годовой потребности в релейной стали

Сокращение продолжительности этапа 55 в размере 40 000 т/год, по сравнению обезуглероживания, совмещенного с про- с базовой технологией, составит дувкой расплава инертным газом, свя- 3,36 руб/т х 40 000 т/год = зано с уменьшением тепловых, потерь при вакуумировании и снижением нагрева ме- 134 000 руб/год талла в печи на 20 С. Применительно к100 т дуговой печи снижение нагрева металла на 20 С может быть выражено в о Фор у

Фо м ла изобретения сокращении расхода электроэнергии на

30 квт ч/т или на 0,6 руб/т стали. Способ вакуумирования жидкой стаСокращение длительности плавки в ли, включающий н р р а ий неп е ывное измерение

100 т дуговой печи на 5 мин, в связи 65 окислительного потенциала газовой

954440

Л . % н 1 2 д

Г, мин

Составитель А. Щербаков

Редактор A.Ôðîëîâà ТехредМ,Гергель КорректорВ. Бутяга

Заказ 6369/22 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета .СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППН "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,„.4 фазы с помощью электрохимической ячейки, определение завершенности процесса дегазации по достижению экстремального значения величины ЭДС о т л и ч а ю щ и .й с я тем, что, с целью оптимизации процесса вакуумирования, снижения себестоимости производства стали, при достижении первого максимума на кривой изменения величины ЭДС жидкую сталь начинают продуЕ,мб вать инертным газом, а заканчивают продувку при линейном снижении величины ЭДС после достижения второго мак-, симума на той же кривой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 789591, кл. С 21 С 7/10, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 467116, кл. С 21 С 7/10, 1975.