Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Выплавка стали с низким содержанием азота в условиях ЭСПЦ ОХМК - файл 1.doc


Выплавка стали с низким содержанием азота в условиях ЭСПЦ ОХМК
скачать (2252 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc2252kb.17.11.2011 20:25скачать

содержание

1.doc

  1   2   3   4   5   6
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ
(ТЕХНОЛОГИЧЕCКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФАКУЛЬТЕТ




КАФЕДРА




СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

150101

Д И П Л О М Н А Я
Р А Б О Т А

на тему: Выплавка стали

с низким содержанием азота в условиях ЭСПЦ ОХМК

Студент

Руководитель работы

Консультанты:

по экономике и управлению производством

по безопасности жизнедеятельности

по охране окружающей природной среды _________________
Нормоконтроль проведен

Рецензент

Работа рассмотрена кафедрой и допущена к защите в ГАК

Заведующий кафедрой

Декан факультета
Москва,  2006 г.

^ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
^ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)





Факультет

Кафедра

Утверждаю”

Зав. кафедрой ___________ / /

« » ____________ 2006 г.


^ ДИПЛОМНОЕ ЗАДАНИЕ
Студенту группы ____________________________________________________

1. Тема дипломной работы Выплавка стали с низким содержанием азота в условиях ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь».

2. Цели дипломной работы Разработка рациональной технологии получения в стали содержания азота ниже 0,007 % в условиях ЭСПЦ.

^ 3. Исходные данные Технические отчеты по ЭСПЦ с января 2003 по декабрь 2004 года, материалы преддипломной и инженерной практик, курсовой научно-исследовательской работы, отчет по НИР.

^ 4. Основная литература, в том числе:

4.1.Монография, учебники и т.п. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е. и др. Электрометаллургия стали и ферросплавов. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов.

^ 4.2. Отчеты по НИР, диссертации, дипломные работы и т.п. Отчет о НИР «Отработка технологии производства стали с массовой долей азота не более 0,007% в 100-тонных электродуговых печах ЭСПЦ ОАО «НОСТА»(ОХМК)».

^ 4.3. Периодическая литература Журналы «Электрометаллургия», «Бюллетень Черная Металлургия».

4.4. Справочная и методическая литература (в том числе литература по методам обработки экспериментальных данных) Каблуковский А.Ф., Молчанов О.Е., Каблуковская М.А. Краткий справочник электросталевара.

^ 5. Перечень основных этапов исследования и форма промежуточной отчетности по каждому этапу Аналитический обзор литературы по производству стали с низким содежанием азота, анализ производственных данных.

^ 6. Использование ЭВМ Расчет оптимальной технологии раскисления, при которой содержание азота будет минимальным − MS Excel. 2. Оформление дипломной работы– MS Word.

^ 7. Перечень подлежащих разработке вопросов по экономике НИР Оценка экономической эффективности предложенных мероприятий.

8. Перечень подлежащих разработке вопросов по безопасности жизнедеятельности Рассмотрение объемно-планировочных решений для цеха с учетом требований производственной санитарии; анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов;разработка технических мер защиты.

^ 9. Перечень подлежащих разработке вопросов по охране окружающей среды Предусмотреть выполнение требований по защите окружающей среды при производстве электростали.

^ 10. Перечень (примерный) основных вопросов, которые должны быть рассмотрены и проанализированы в литературном обзоре Опыт производства стали с низким содержанием азота на различных металлургических предприятиях; опыт ОХМК по производству стали с низким содержанием азота.

^ 11. Перечень (примерный) графического и иллюстративного материала Результаты анализа производственных данных в виде таблиц и графических зависимостей (6-7 плакатов); результаты расчета экономической эффективности предложенных мероприятий (2 плаката).

^ 12. Срок сдачи проекта руководителю __20.05.2006 г._

13. Консультанты по проекту:

по экономике и управлению производством

по безопасности жизнедеятельности

по охране окружающей природной среды

^ 14. Дата выдачи задания ______________

15. Руководитель проекта
16. Задание принял к исполнению студент __________

Формат

Обозначение

Наименование

Кол.

листов

Приме-чание

А4

А1


А2
А2
А2


А2


А1
А2

А2


А1
А1

А1


05.Р.06.03.02.ПЗ

05.Р.06.03.02.ТБ


05.Р.06.03.02.ПЛ.
05.Р.06.03.02.ПЛ
05.Р.06.03.02.ПЛ


05.Р.06.03.02.ПЛ


05.Р.06.03.02.ПЛ
05.Р.06.03.02.ПЛ

05.Р.06.03.02.ПЛ


05.Р.06.03.02.ТБ
05.Р.06.03.02.ПЛ

05.Р.06.03.02.ТБ


Пояснительная записка

Влияние средних технологи-ческих параметров выплавки стали на массовую долю азота в маркировочной пробе

Зависимость содержания азота от количества окатышей

Зависимость содержания азота от растворенного алюминия

Зависимость концентрации [N] от элементов содержащихся в стали 13Г1С-У в концентрациях менее 0,10 %

Зависимость концентрации [N] от элементов содержащихся в стали 13Г1С-У в концентрациях более 0,10%

Зависимость содержания [N] от массы стали в ковше

Зависимость равновесной кон-центрации азота от температуры для стали 13Г1С-У

Зависимость равновесной кон-центрации азота от температуры для стали 13Г1С-У(по предла-гаемой технологии)

Влияние расхода аргона на азотацию металла

Точка безубыточности

Технико-экономические показа-тели производства


120

1


1
1
1


1


1
1

1


1
1

1









Подпись

Дата

Ведомость дипломной работы

Литера У

Лист 1

Листов 1

Студент

Бурцев А.А.







Рук.проекта

Заводяный А.В.







Группа

МЧМ-01-52

Зав.кафедр.

Братковский Е.В.







Содержание

Введение 9

1 Аналитический обзор литературы 10

1.1 Растворимость азота в стали 10

1.2 Рафинирование металла от азота 15

2 Анализ технологических параметров выплавки стали на

различных предприятиях 20

2.1 Рафинирование расплавов от азота при внепечной

обработке в условиях ОЭМК 20

2.2 Анализ технологии выплавки, внепечной обработки

и разливки стали в условиях технологических процессов

ЭСПЦ Молдавского металлургического завода (ММЗ)

по определению факторов, влияющих на насыщение

стали азотом 29

2.3 Зарубежные исследования 44

2.3 Анализ технологии выплавки, внепечной обработки

и разливки стали в условиях технологических процессов

ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК) 47

3 Совершенствование технологии раскисления стали в

процессе выпуска плавки 55

3.1 Азотация стали в процессе выпуска плавки 55

3.2 Методика расчетов 56

3.2.1 Технология принятая в ЭСПЦ

ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК) 57

3.2.2 Предлагаемая технология 59

3.2.3 Температурная зависимость растворимости азота 62

3.3 Влияние технологических параметров внепечной

обработки стали на установке «ковш - печь» на массовую

долю азота в металле 67

3.4 Определение оптимальных параметров производства стали 72

4 Экономика и организация производства 79

4.1 Организация производственных потоков 79

4.2 Структура управления электросталеплавильного цеха 79

4.3 Расчет производительности цеха 84

4.4 Расчет плановой калькуляции себестоимости 86

4.5 Расчет прибыли от реализации продукции 90

4.6 Расчет точки безубыточности 92

5 Безопасность жизнедеятельности 94

5.1 Объемно - планировочные решения зданий и сооружений

цеха, расположение цеха на генеральном плане 94

5.2 Анализ потенциально - опасных и вредных факторов

производственной среды 95

5.3 Решения по производственной санитарии 96

5.3.1 Отопление и вентиляция 96

5.3.2 Освещение цеха 96

5.4. Инженерная разработка мер защиты от выявленных

опасных и вредных производственных факторов 98

5.5 Инженерная разработка. Расчёт теплоотражающего экрана 99

5.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 101

6 Охрана окружающей среды 103

6.1 Характеристика выбросов 103

6.2 Основные источники пыли и газообразования в

дуговой сталеплавильной печи 104

6.3 Способы и средства очистки, нейтрализации

отходящих газов 107

6.4 Мероприятия по уменьшению содержания

выбросов вредных веществ 109

6.5 Защита водного бассейна 110

Заключение 112

Список использованных источников

Приложение

Аннотация
В данной работе разработана технология комплексного воздействия на металлический расплав в агрегатах внепечной обработки стали, с целью получения в стали низких содержаний азота, что позволит увеличить на 30 механические свойства готового металла.

Проведён анализ металловедческих исследований с целью выявления влияния азота на свойства стали.

Проведены физико-химические расчёты рафинирования металла от азота.

Разработана схема раскисления стали на агрегатах внепечной обработки.

Рассмотрены вопросы экологичности технологии, охраны труда и окружающей среды.

Рассчитаны технико-экономические показатели дипломной работы.

Пояснительная записка выполнена на страницах 120, содержит 35 таблиц, 19 рисунков, список использованных источников из 38 наименований.

Введение

В настоящее время на ряде металлургических предприятий в 100 тон­ных электропечах выплавляют сталь с массовой долей азота не более 0,0070%. Обеспечение низкого содержания азота в готовой стали обусловлено, с одной стороны: необходимостью повышения качества выпускаемой про­дукции и, с другой стороны, завоеванием рынка сбыта металлопроката.

Повышение качества электростали актуально и для ОАО «Уральская Сталь» с целью завоевания более прочных позиций на рынке низколегиро-ванных сталей.

В настоящей работе поставлена задача на основе глубоких физико-химических ис­следований, использования последних достижений металлургической науки разработать технологию комплексного воздействия на металлический расплав в электросталеплавильных агрегатах по всему циклу с целью получения в стали низкого содержания [N] менее 0,007 % в условиях ЭСПЦ ОАО «Уральская сталь»

Возможность успешного выполнения проекта базируется на достаточно плодотвор­ных наработках, сделанных в последние 10-15 лет и широко представленных в многочисленных пуб­ликациях в отечественных и зарубежных периодических изданиях, а также трудах междуна­родных конференций.

^ 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Растворимость азота в стали

На основании данных об изменении растворимости азота в железе (рисунок 1) можно сделать следующие выво­ды:

1) растворимость азота в α- и β-Fe возрастает при повышении температу­ры;

2) растворимость азота в γ-Fe при повышении температуры снижается, что объясняется снижением прочности нитрида Fe4N;

3) растворимость азота при переходе из жидкого состояния в твердое и из одного аллотропического состояния в другое резко изменяется;

4) растворимость азота в жидком же­лезе с повышением температуры воз­растает.



Рисунок 1 - Растворимость азота в жидком же­лезе

Для процесса растворения азота в жидком железе характерны, по крайней мере, две стадии:

1) диссоци­ация молекулярного азота на атомы N2 -» 2N — сопровождается поглоще­нием тепла

2) растворение атомар­ного азота N —> [N] — сопровождается выделением тепла.

Поскольку ∆Hдис> ∆Hраст ,суммарный процесс протекает с поглощением тепла. При повышенных температурах наблюда­ется увеличение содержания азота в металле (например, при продувке тех­ническим кислородом с повышенным содержанием азота, в высокотемпера­турной зоне дуги при электродуговом обогреве и т. п.). При 1600°С и рN2=0,1МПа растворимость азота в жидком железе близка к 0,044 %. При этих условиях азот образует с железом раствор, близкий к идеальному.

Обра­зование нитридов железа (Fe4N, Fe2N) происходит в процессе охлаждения закристаллизовавшегося металла (в основном в области γ-Fe) По влия­нию на растворимость азота в жидком железе элементы-примеси металла можно разделить на две группы.

  1. Образующие прочные нитриды ( ванадий, ниобий, лантан, церий, ти­тан, алюминий). Эти элементы повы­шают растворимость азота в железе.Такие примеси, как хром, марганец, молибден, обычно нитридов не обра­зуют, но они характеризуются боль­шим химическим сродством к азоту, чем к железу, поэтому также заметно увеличивают растворимость азота.

  2. Не образующие нитридов (угле­род, никель, медь, фосфор) или образующие с азотом соединения, менее прочные, чем с железом (кремний). Эти элементы заметно снижают ра­створимость азота в железе /1/.

Влияние содержания примесей же­леза на растворимость в нем азота вид­но из рисунка 2. При охлаждении ста­ли, содержащей азот, нежелательным является скачкообразное изменение растворимости. При быстром охлаж­дении азот не успевает выделиться и раствор становится пересыщенным. Процесс выделения избыточного азота протекает во время эксплуатации го­тового изделия и во многих случаях приводит к ухудшению свойств стали (старение и связанное с этим скачко­образное повышение прочности и по­нижение пластических свойств).



Рисунок 2 - Растворимость азота в сплавах же­лезо-легирующий элемент R при нормаль­ном давлении и температуре 1600 °С

Раз­меры частиц азота в металле значи­тельно больше, чем водорода, поэтому скорости диффузии азота в железе бо­лее низкие. Коэффициент диффузии водорода в жидком железе Dн = (8,0 + 9,0) • 10 -3 см2/с, тогда как для азота Dn = 3,77 • 10 -5 см2/с, т. е. ниже на два порядка, поэтому при сниже­нии давления (обработка вакуумом) водород удаляется из металла с боль­шей интенсивностью, чем азот /2/.

Наличие в железе поверхностно-активных примесей заметно влияет на процессы растворения (и соответ­ственно выделения) азота. Так, напри­мер, кислород является поверхност­но-активной примесью. В результате присутствия в расплаве кислорода об­разуется богатый кислородом поверх­ностный слой, приводящий к сниже­нию скорости перехода азота через границу газ — жидкий металл, поэтому при малой степени раскисленности и небольшом перегреве металла над ликвидусом можно продувать сталь азотом без опасения получить чрез­мерно высокое его содержание. Иное развитие у процесса, когда металл хо­рошо раскислен либо когда в агрегате или в какой-то локальной зоне (на­пример, в зоне электрических дуг или в зоне подачи технического кислорода в ванну) имеют место заметные пере­гревы металла /3/.

При отсутствии в стали эле­ментов, образующих нитриды при высокой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования a-Fe начинается выделение азота из раствора в виде включений ни­тридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время пос­ле охлаждения и, так как оно происходит в основном при низ­кой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа располагают­ся по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание метал­ла. Результатом этого является снижение ударной вязкос­ти и относительного сужения, при одновременном повыше­нии твердости и прочности.

Как и выделение нитридов железа, снижение ударной вязкости усиливается при длительном хранении или экс­плуатации стальных изделий, достигая минимума через 20—40 суток, поэтому описываемое явление получило назва­ние старения. Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распа­да твердого раствора и выделения нитридов железа. В ре­зультате старения ударная вязкость может уменьшиться в четыре—шесть раз, поэтому склонность к старению явля­ется пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием /1/.

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нит­риды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. Такими элементами являются следую­щие:

1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения γ-Fe в α-Fe;

2) ванадий и цирконий, образу­ющие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образу­ющий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко при­меняемый и в качестве раскислителя. При обычных кон­центрациях азота и алюминия в твердом металле образу­ются нитриды. Но включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка большие размеры, чем включения нитридов железа, поэто­му они не оказывают такого влияния на движение дисло­каций и не вызывают старение.

Следовательно, спокойная сталь, раскисленная алюми­нием, не склонна к старению. Однако и в стали, раскислен­ной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01 % N и 0,2 % А1), когда в ме­талле образуется межзеренный излом, проходящий по гра­ницам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вслед­ствие выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно свидетельствует об ухудшении свойств ме­талла.

Подводя итог всему вышесказанному избыточное содержание азота в стали приводит к понижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является основной причиной старения малоугле­родистых сталей. В стали производимой в электропечах содержится 0,008-0,012 % азота. Поскольку азот является трудноудалимой примесью, его отрицательное влияние можно ней­трализовать путём введения нитридообразующего эле­мента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь по­вышение вязких свойств сталей. Но для сведения вредного влияния азота к минимуму же­лательно получать сталь с содержанием этого элемента  0,004% /4/.

1.2 Рафинирование металла от азота

К основным источникам газов относятся :

1) шихтовые материалы ;

2) атмосфера плавильного агрегата, а также подаваемое на поверхность или в глубь ванны дутье (технический кислород или воздух ) ;

3) ферросплавы и различные добавки, вводимые в металл или шлак по ходу плавки и разливки ;

4) атмосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.

Большое количество газов вносит в металл шихта и, несмотря на то, что эти газы в значительной мере удаляются из металла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами обращают особое внимание. Лом содержит обычно 0,003-0,005 % N. Чугун содержит обычно ~ 0,0055 N.

Поведение азота при выплавке стали с использованием металлического лома в шихте изучали многие исследователи, которыми установлено, что после проплавления шихты и проведения окислительного периода концентрация азота зависит от химсостава стали, кон­кретных условий ведения плавки и от количества окисленного углерода.

Во все периоды плавки металл в большей или меньшей мере соприкасается с печными газами. Площадь поверхности соприкосновения металла с газами зависит от типа процесса и периода операции; при выпуске металла из печи и при его разливке площадь поверхности соприкосновения металла с газом больше, чем в те периоды плавки, когда металл покрыт шлаком. При плавке стали в электропечи азот переходит в металл из печной атмосферы во время плавления. Этому способствует восстановительная атмосфера в области дуг и в общем незначительное окисление металла, а также диссоциация азота в дугах. После образования окислительного шлака, растворяющего очень мало азота (0,002-0,008%) , поступление азота в металл из печной атмосферы практически прекращается, поэтому ранее шлакообразование позволяет меньшее содержание азота в металле к началу окислительного периода. Во время окислительного периода происходит удаление части азота из металла вследствие экстрагирования его пузырями СО. Количество удаляемого азота увеличивается с ростом количества окислительного углерода. Содержание какого-либо газа в металле зависит от парциального давления этого газа в окружающей металл атмосфере. Практика показывает, например, что содержание азота в стали, полученной при продувке чугуна воздухом выше, чем при продувке чистым кислородом. Принимая во внимание это обстоятельство, наиболее чистую по содержанию газов сталь можно получать при плавке и разливке в вакууме. В этом случае металл не только не насыщается газами из атмосферы, а наоборот, содержащиеся в металле газы экстрагируются из него. В обычных условиях роль, аналогичную воздействию вакуума, играют пузыри СО, образующие при окислении углерода. Водород и азот, растворенные в металле стремятся выделиться в пузырь монооксида углерода, поскольку их парциальные давления в нем равны нулю. В тех случаях, когда металл кипит, изменения содержания газов в нем зависит от двух действующих в противоположном направлении факторов : насыщения металла газами в результате влияния атмосферы агрегата и выделение газов из металла вместе с пузырями монооксида углерода. В момент, когда кипение по каким-то причинам прекращается, прекратиться и очищающее действие СО.

Такое же очищающее воздействие оказывает продувка металла инертным газом (например, аргоном) или разливка стали в атмосфере инертного газа. Продувка стали аргоном - один из самых распространённых способов внепечного рафинирования. Одной из задач продувки является снижение содержания газов в металле – кислорода, азота и водорода/6/.

При дегазации раскисленной стали удаление азота при всех способах нестабильно и незначительно, при продувке стали на воздухе или в вакууме содержание азота изменяется на 8 – 13 %. Дегазация нераскисленных сталей практически не сопровождается удалением азота до момента ввода раскислителей, после чего начинается период деазотации, что объяс­няется образованием нитридов титана и алюминия и их удалением пузырьками аргона. Од­нако удаление азота в процессе продувки расплава аргоном неэффективно даже при использовании большого (более 2 м3/т) расхода аргона. В ряде случаев, когда металл не содержит нитридообразующих примесей и температура металла невелика, аргон для продувки заменяют более дешевым азотом. Содержание азота при этом почти не изменяется, а содержание водорода уменьшается. Кроме указанных факторов, на содержание газов в металле влияет также вводимые по ходу плавки добавки (известь, руда, ферросплавы и т.д. ) /7/.

При выпуске расплава из печи и его продувке происходит значительное повышение концентрации азота на 0,002 - 0,004 %. Это связано с взаимодействием расплава с атмосфе­рой и увеличением интенсивности поступления азота из шлака в металл. Следует отметить, что при более низких температурах выпуска расплава из печи (  1640 С), средний прирост содержания азота 0,001 - 0,002% существенно ниже, чем при температурах выше 1640 С 0,002 - 0,0035% /8/.

В восстановительный период содержание азота в стали возрастает в результате прекращения окисления углерода и, следовательно, удаление азота при увеличении интенсивности поступления его из шлака в металл. Последнее является следствием значительного увеличения растворимости азота в шлаке при его раскислении. В белых шлаках растворимость азота согласно исследованиям Н.М.Чуйко, составляет 0,03-0,06%, а в карбидных шлаках достигает 0,2% /8/.

Эффективным способом уменьшения количества азота, поступившего в сталь в восстановительный период, является уменьшение продолжительности восстановительного периода и отказ от работы под карбидным шлаком. В среднелегированных сталях, выплавляемых в дуговой электропечи, обычно содержится 0,006-0,012% N ( по сравнению с 0,004-0,008% N в мартеновской и 0,002-0,005% N в кислородно-конвертерной стали). В высоколегированной стали содержание азота выше и может достигать 0,02% в следствии увеличения растворимости азота в металле и внесения его ферросплавами ( содержание азота в феррохроме 0,004-0,05%, а в ферромарганце 0,01-0,06%).

При вакуумной обработке стабильно достигается низкая концентрация водорода, от­вечающая близкому парциальному давлению водорода в газовой фазе. Снижение азота при его исходном содержании 0,003 - 0,006 % незначительно и составляет в среднем 4 %, а при более высоком содержании 0,015 - 0,028% составляет 15 - 29 %. Таким образом, снижение азота зависит от его исходного содержания, а конечная концентрация не достигает рас­чётных значений, отвечающих закону Сивертса /9/.

Снижение концентрации азота достигается 10 - 20 % лишь при вакуумировании частично или полностью раскисленного металла. Более высокое (до 40 %) снижение концентрации азота наблюдали только при вакуумной обра­ботке нераскисленного металла. Исследователи объясняют это удалением азота с окси­дом углерода, образующегося при взаимодействии углерода и кислорода. В тоже время уда­ление азота из нераскисленного металла должно тормозиться наличием растворённого ки­слорода. Кислород, являясь поверхностно-активным элементом, защищает металл от насы­щения азотом. Поэтому более позднее раскисление расплава алюминием способствует полу­чению в металле низкой концентрации азота, что необходимо учитывать при выборе опти­мального режима раскисления для снижения азотации металла в процессе внепечной обра­ботки. В этой связи необходимо рассматривать процесс удаления азота из нераскисленного металла с пузырьками СО, а после раскисления с поверхности взаимодействия металл - га­зовая фаза /7,9/.

Таким образом, получению металла с минимальным содержанием водорода и азота способствует следующие мероприятия :

1) использование чистых шихтовых материалов;

2) ведение плавки в атмосфере с минимальным содержанием азота ;

3) организация по ходу плавки кипения ванны ;

4) обработка металла вакуумом ;

5) продувка металла инертными газами.

^ 2 Анализ технологических параметров выплавки стали на различных предприятиях

2.1 Рафинирование расплавов от азота при внепечной обработке в условиях ОЭМК

Было исследовано поведение азота при различных вариантах технологии внепечной обработки стали, в том числе с применение агрегата комплексной обработки стали (АКОС) и установки порционного вакуумирования стали (УПВС). Показано, что содержание стали, выплавляемой по предложенным вариантам технологии, значительно ниже, чем по базовой. Предложенная технология внепечной обработки позволяет получить сталь с содержанием азота в прокате не более 0,008 %.

Особенностью ОЭМК является использование в шихте сталеплавильного производства металлизованных окатышей. Схема плавки в ДСП состоит из плавления металлического лома (20-30 %) или 10-15 % жидкого металла, оставленного в печи от предыдущей плавки, и непрерывной загрузки и проплавлении (65-80%) металлизованных окатышей.

В настоящее время металл выплавляют по трем технологическим схемам:

1) ДСП- установка продувки аргоном (УПА)-установка непрерывной разливки стали (УНРС) (отдача алюминия на выпуске);

2) ДСП-УПА-АКОС-УНРС (отдача алюминия на выпуске);

3) ДСП-УПА-УПВС-УНРС (отдача алюминия на выпуске).

^ Внепечная обработка стали по схеме ДСП -УПА - УНРС

Были исследованы промышленные плавки среднеуглеродистой стали 2105. В процессе выплав­ки и внепечной обработки стали осуществляли отбор проб металла и измерение температуры.

Данные по изменению концентрации азота при выплавке стали 2105 представлены в таблице 1. Химический состав сталей опытных плавок приве­ден в таблице 2.

Таблица 1- Изменение содержания азота, %10 -4 в металле в процессе выплавки и внепечной обработки стали 2105

Печь

Внепечная обработка па УПА

Марки­ровоч­ный анализ



Последняя проба

Проба 1

Проба 2

Проба 3

[N]

Т, оС

[N]

Т, оС

[N]

Т, оС

[N]

T, oC

[N]

33

1714

48

1619

49

1619

54

1565

70

53

I688

78

1610

85

1609

66

1576

102

49

1675

71

1623

70

1583

76

1573

90

44

1693

69

1641

71

1570

71

1570

96

41

1720 .

63

1619

71

1610

69

1600

94

44

1714

67

1621

75

1570

73

1567

94

52

1704

83

1619

83

1597

85

1590

93

51

I6S7

45

1627

55

1568

61

1560

100

50

1722

55

1662

54

1618

87

1590

106

Из приведенных данных следует, что концентра­ция азота в жидком металле в конце периода расплавления шихты составляла 0,0033-0,0053 %. Такая низкая концентрация азота обусловлена постоянным на протяжении всего процеса непре­рывной подачи металлизованных окатышей кипением ванны. Отметим, что при плавке на металлическом ломе в конце окислительного периода содержание азота в жидком металле составляет 0,006-0,008%. а в восстановительный период - возрастает вследствие интенсивности поступления его из шлака в металл. Последнее является следствием значительного увеличения растворимости азота в шлаке при его раскислении /9/.

В белых шлаках растворимость азота составляет 0,03-0,06 %, а в карбидных достигает 0,2 % /8/. Таким образом, технология плавки в ДСП с использованием окатышей обеспечивает получение более низких концентраций азота в жидком металле, чем при обычной плавке в ДСП с использовани­ем лома (0,006-0,008%).

Таблица 2 - Химический состав стали опытных плавок

Марка

стали

Химический состав металла. %

С

Мп

Si

Р

S

С г

V

20

0.17-0,24

0,35-

0,65

0,17-0,37

0,035

0,04

0,25

-

20 ПВ

0,18-0,24

0,35-0,65

0,17-0,37

0,015

0,002-0.015

0,15

-

2055

0,25-0,3

1,0-1,4

0,17-0,35

0.035

0,045

030

0.04-0.06

2105

0,35-0,42

1,2-1,5

0,17-0.35

0.04

0,05

0.3






Анализ представленных данных показал, что при выпуске расплава из печи и его продувке происходит значительное повышение концентра­ции азота (на 0,002-0,004 %). Это связано с взаимо­действием расплава с атмосферой, внесением азота ферросплавами, коксиком и увеличением интенсив­ности его поступления из шлака в металл. Снижения концентрации азота за время продув­ки обнаружено не было.

В процессе разливки опытных плавок на УНРС концентрация азота возрастала на 0,002-0,004 %. Таким образом, существующая технология выплав­ки стали позволяет получать в период плавления окатышей достаточно низкое содержание азота в металле (0,0033-0,0053 %). Однако на последующих стадиях процесса, начиная с выпуска в ковш и заканчивая разливкой металла, происходит значи­тельное увеличение содержания азота в сталях (0,010-0,0120%).

^ Внепечная обработка стали по схеме ДСП - УПА - АКОС - УНРС

Были исследованы промышленные плавки низкоуглеродистых (20,20ПВ) и среднеуглеродистых (2055, 2105) сталей. В процессе выплавки и внепечной обработки сталей осуществляли отбор проб металла и замер температуры. В опытном металле исследовали химический состав, содержание азота (рисунки 3 и 4) и технологичес­кие параметры процесса выплавки.



Рисунок 3- Изменение содержания азота в процессе выплавки и внепечной обработки низкоуглеродистых марок стали с применением АКОС

Анализ экспериментальных данных по измене­нию концентрации азота по периодам внепечной обработки показал, что после продувки аргоном на УПА содержание азота в металле составляло в среднем 0,0063-0,0065 %.

Концентрация азота в металле в процессе обработки на АКОСе практически не изменялась и перед отдачей на разливку составляла в среднем 0,0067-0,0069 %.В дальнейшем кон­центрация азота в рас­плаве до маркировоч­ного анализа возрас­тала в среднем на 0,0028 % и достигала среднего значения 0,0096 %.

Следует отметить, что при более низких температурах выпуска расплава из печи (<1640 °С), средний прирост содержания (около 0,001-0,002 %) был сущес­твенно ниже, чем при температурах выше 1640°С (0,0020-0,0035%) /9/.



Рисунок 4 - Изменение содержания азота в процессе выплавки и внепечной обработки среднеуглеродистых марок стали с применением АКОС

^ Внепечная обработка стали по схеме ДСП-УГТА-УПВС-УНРС

Анализ промышленных плавок различные марок стали показал, что при обработке раскислен­ного расплава на установке порционного вакуумирования (УПВС) содержание азота практически не­ изменялось, что подтверждается данными многочисленных исследований /4,7,8/.

Из обобщающего анализа полученных экспериментальных данных следует, что выплавка стали по существующим вари­антам базовой техно­логии не обеспечива­ет получение конеч­ного содержания азо­та в металле (не бо­лее 0,0080 %), удов­летворяющего требо­ваниям заказчика. Поэтому проблема снижения содержа­ния азота в стали на ОЭМК является очень актуальной.

На основании анализа базовой технологии и полученных экспериментальных данных предложена технология внепечной обработки нераскисленного или частично раскисленного на выпуске металла с применением АКОС и УПВС.

Ранее проведенными исследованиями было показано, что кислород, являясь поверхностно-активным элементом, защищает металл от насыще­ния азотом. Поэтому более позднее раскисление расплава алюминием способствует получению в металле низкой концентрации азота, что необходи­мо учитывать при выборе оптимального режима раскисления для снижения азотации металла в процессе внепечной обработки.

Для получения низких содержаний азота в готовом металле предложены следующие техноло­гические схемы внепечной обработки стали:

  1. ДСП - УПА - УПВС - УНРС (отдача алюми­ния на УПВС):

  2. ДСП - УПА - АКОС - УНРС (отдача алюми­ния на УПА).

^ Внепечная обработка стали по схеме ДСП - УПА - УПВС - УНРС

Предлагаемая технология предусматривала проведение вакуумной обработки нераскисленно­го или частично раскисленного на выпуске марган­цем и кремнием металла со следующими изменени­ями существующей технологии:

  • алюминий на выпуске не отдается;

  • плавка вакуумируется не менее 40 циклов, из них первые 20 циклов без отдачи ферросплавов и раскислителей. На 21-22 цикле присаживается гранулированный алюминий в количестве 40 кг. На 22-25 цикле корректируется химический состав.

Задачей исследования являлось изучение измене­ния содержания азота и кислорода в процессе внепечной обработки стали 2105.

В опытном металле исследовали химический состав, содержание газов (таблица 3) и неметалличес­кие включения.

Из экспериментальных данных следует, что вакуумная обработка нераскисленного металла обеспечивала эффективное рафинирование стали от кислорода. Содержание кислорода снижалось в среднем на 0.0047 % за счет интенсивного проте­кания процесса взаимодействия углерода и кисло­рода в расплаве и степень рафинирования составля­ла около 50 %.

Металл характеризовался высокой микро- и макрочистотой по неметаллическим включениям всех видов. Среднее содержание кислорода в прокате стали составляло 0,0023%, что существен­но ниже (на 0,0005- 0,0010%) обычного уровня для сталей такого типа.

Таблица 3- Изменение содержания азота и кислорода, %∙10-4, в процессе внепечной обработки нераскисленной стали

До вакууми-рования

После 20 циклов

После вакуумирования

В маркиро­вочном ана­лизе

В про­кате

Азот

Кис­лород

Азот

Кис­лород

Азот

Кис­лород

Азот

Кис­лород

Азот

51

150

48

41

48

54

71

56

80

52

58

52

51

51

44

57

53

80

40

68

38

58

40

43

64.

32

80

42

77

40




45

60

77

48

80

43

130

31

61

43

61

60

46

80

56

89

55

47

61

36

85

49

100 '

46

77

39

48

39

42

67

55

so

47*

93*

43*

51*

46*

49 *

69*

49*

80*

* - среднее содержание.













Из анализа данных следует, что при вакуумировании расплава содержание азота максимально снижалось на 0,0012 %. Поэтому следует констати­ровать, что в процессе вакуумирования азот из металла практически не удалялся. Это объясняется кинетическими трудностями удаления азота из расплава, содержащего более 0,005 % растворенно­го кислорода вследствие резкого снижения скорос­ти десорбции азота. Однако при таких концентра­циях кислорода в расплаве (более 0,005 %) наблю­дается резкое замедление как процесса удаления, так и процесса поглощения азота жидким метал­лом. Поэтому нераскисленный металл от выпуска из печи до окончания вакуумироваиия был защи­щен от поглощения расплавом азота из атмосферы. Учитывая тот факт, что для промышленных установок внепечного вакуумирования рафиниро­вание от азота составляло 10-15% /29, 32/, а при исходном содержании азота в металле ниже 0,005 % практически не изменилось, предлагаемая техноло­гия, позволяющая защитить расплав от поглощения азота, является, с нашей точки зрения, более эффективной, чем существующая.

Как видно из представленных данных (таблица 3), концентрация азота в металле после вакуумирования составляла в среднем 0,0046 %, что значительно ниже получаемой в стали по существу­ющей технологии. Однако после вакуумирования концентрация азота в расплаве до маркировочного анализа возрастала в среднем на 0,0023 %, а содержание азота в прокате составляло в среднем 0,0080 % /9/.

^ Внепечная обработка стали по схеме ДСП - УПА - АКОС – УНРС

Были проведены исследования промышленных плавок стали 2105. Предлагаемая технология предусматривала следующие изменения существующей технологии:

  • алюминий на выпуске не отдается;

  • отдача алюминия производится в первую продувку расплава аргоном на УПА.

В процессе выплавки стали осуществлялся отбор проб металла и замер температуры.



Рисунок 5 - Изменение содержания азота в расплаве в процессе внепечной обработки

В опытном металле исследовали содержание азота [рисунок 5, кривая ДСП-УПА-АКОС (отдача алюминия на УПА)], технологические параметры процесса выплавки и качество проката из выплав­ленного металла.

Из представленных экспериментальных данных следует, что прирост содержания азота в расплаве при выпуске в ковш и продувке аргоном значитель­но ниже (0,0003-0,0010 %), чем при существующей технологии.

Предлагаемая технология обеспечивала резкое замедление процесса поглощения азота жидким металлом. Нераскисленный металл в процессе выпуска из печи и продувки аргоном был защищен от поглощения расплавом азота из атмосферы.

Анализ экспериментальных данных по измене­нию концентрации азота по периодам внепечной обработки показал, что после продувки аргоном на УПА содержание азота в металле составляло в среднем 0,0050 %. Концен­трация азота в расплаве при обработке на АКОСе практически не изменялась и перед отдачей на разливку составляла в среднем 0,0055-0,0057%. В дальнейшем концентрация азота в расплаве возрастала в среднем на 0,0017 % и достигала среднего значения 0,0074 %, что значительно ниже получаемой по существующей технологии.

Конечное содержание азота в прокате опытного металла значительно ниже (на 0,001-0,0018 %) и составляло в среднем 0,0081-0,0083%. Предложенная технология внепечной обработки нераскисленного на выпуске расплава обеспечивала получение металла с содержанием азота на уровне 0,008%, что в среднем на 0,002 % ниже, чем по базовой технологии раскисления/9/.

2.2 Анализ технологии выплавки, внепечной обработки и разливки стали в условиях технологических процессов ЭСПЦ Молдавского металлургического завода (ММЗ) по определению факторов, влияющих на насыщение стали азотом

Электросталеплавильный цех Молдавского металлургического завода (ММЗ) имеет дуговую сталеплавильную печь (ДСП), оборудованную кислородными и топливокислородными фурмами, установку ковш-печь (УКП) с продувкой аргоном, регулированием состава и температуры металла, вводом кальций-, углерод- и борсодержащих про­волок, установку вакуумирования и шестиручьевую машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) сечением 125x125 мм.

В начале освоения комплекса ДСП-УКП-МНЛЗ содержание азота в стали было высоким (1О-14∙10 -3 %). Для снижения содержания азота на первом этапе были реализованы два мероприятия:

  • селективный отбор исходных материалов — металлолома и углеродсодержащих материалов;

  • ведение процесса в ДСП на вспененном шла­ке для предупреждения перехода азота в металл из атмосферы.

Следует отметить, что хотя металл в ДСП ха­рактеризуется высоким содержанием активного кислорода (более 100 ррm) и серы (более 0,06 %) — поверхностно-активных элементов, препятст­вующих переходу азота — некоторое насыщение металла азотом все же происходит. Это резуль­тат высокой температуры в зоне электрических дуг, где азот переходит в атомарное состояние, что облегчает его переход в металл. Продувка металла с высоким содержанием кислорода и серы в УКП через две пористые пробки в днище ковша не приводит к повышению содержания азота, так как, во-первых, нет высокой температуры и, во-вторых, нет возможности перехода азота в атомарное состояние. Следует отметить также влияние чистоты кислорода. Если в кислородных конвертерах: уменьшением чистоты кислорода с 99,5 до 93 % :: содержание азота в металле возрастет на (10—12)-10-3 %, то в ДСП при снижении чистоты кислорода с 99,5 до 92-94 % прирост азота составит 1,5-10-3 %.

На втором этапе исследовали влияние раз­личных факторов на содержание азота по ходу технологического процесса.

Как известно, содержание азота зависит, во-первых, от его содержания в исходных материа­лах, а, во-вторых, определяется результатом двух противоположных процессов — насыщения азотом из атмосферы и удаления азота с пузырь­ками СО/11/.

Обработкой экспериментальных данных получены следующие зависимости (по сгруппирован­ным данным):

∆[N]ДСП ∙103 = 1,16 - 4,8 ∙ [С]расп; r = -0,82; μ=5,6, (1)

∆[N]ДСП ∙103 = 7,3 - 4,27∙ [С]расп; r = -0,99; μ=16,1, (2)

∆[N]ДСП ∙103 =1,73 - 137∙ [N]pacп; r = -0,99; μ= 16,6, (3)

где [С]расп — содержание углерода в металле по расплавлению, %; [N]pacп — содержание азота е металле по расплавлению, %; ∆[N]ДСП —прирост содержания азота в ДСП за время от расплавле­ния до выпуска металла, %.

Таким образом, чем выше содержание углерода по расплавлению, тем меньше содержание азота по расплавлению, и тем меньше его прирост за время от расплав­ления до выпуска из ДСП.

Зависимость (1) можно объяснить тем, что уг­лерод является поверхностно-активным элемен­том. В.И.Явойский /13/ анализировал зависи­мость поверхностного натяжения сплавов от со­держания углерода и температуры. Если при содержании углерода более 0,5 % поверхностное натяжение растет с повышением температуры до 1550-1600 °С (т. е. поверхностная активность углерода уменьшается), то при содержании угле­рода ниже 0,5 % при повышении температуры свыше 1600 °С (что имеет место в нашем случае) поверхностное натяжение падает, т. е. поверхно­стная активность углерода возрастает, что и обусловливает меньшее содержание азота. Второй причиной этого явления может быть тот факт, что более высокие значения содержания углерода по расплавлению обусловлены более высоким рас­ходом чугуна, содержащего меньше азота, чем другие исходные материалы.

Уменьшение прироста азота при повышении [С]расп [зависимость (2)] объясняется деазотацией за счет пузырьков СО в процессе кипения металла после расплавления (содержание углерода на выпус­ке во всех случаях в пределах 0,04-0,06 %). Нако­нец, зависимость (3) — прирост азота уменьша­ется с увеличением [N]pacп — прямо вытекает из зависимости (2).

Были также проведены плавки с различными вариантами присадок в ковш на выпуске металла из ДСП, при этом изучали поведение азота в про­цессе выпуска металла и отстоя, а также при внепечной обработке (таблица 4) /11/.

Таблица 4- Варианты присадок в ковш при сливе металла из ДСП



Не установлена зависимость прироста содер­жания азота в процессе выпуска и отстоя, а также при внепечной обработке от режима присадок в ковш; в то же время установлены зависимости прироста содержания азота от его исходного со­держания.

В процессе выпуска и отстоя:

∆[N]∙103 = 5,84 - 40∙ [N]ДСП; r = -0,52; μ=11,8 (4)

В процессе внепечной обработки:

∆[N]∙103 = 9,7 - 810∙ [N]УКП-1; r = -О,99; μ=25,4 (5)

где ∆[N] — прирост содержания азота, %; [N]ДСП — содержание азота в металле ДСП перед вы­пуском, %; [N]УКП-1 — содержание азота в метал­ле первой пробы на УКП, %, т.е. при снижении содержания азота в первоначальное пробе воз­растает его прирост, причем в процессе внепеч­ной обработки зависимость более значима, о чем свидетельствуют большие коэффициент корре­ляции и коэффициент перед первоначальным значением содержания азота.

В. И. Явойский /14/,ссылаясь на работы Хаменика и Кинджери /15/ указывает, что азот являет­ся поверхностно-активным элементом, превосхо­дя в этом отношении даже кислород и серу. В процессе выпуска металла с очень высоким со­держанием кислорода и серы роль азота как по­верхностно-активного элемента не столь значи­тельна, но все же имеет место. При внепечной обработке, в ходе которой содержание кислорода и серы доводят до минимальных значений, роль азота как поверхностно-активного элемента, бло­кирующего поверхность металла, заметно воз­растает /6/.

Таким образом, в процессе выпуска и внепеч­ной обработки для предотвращения насыщения стали азотом, особенно при его низких концен­трациях, необходимо изолировать металл от контакта с атмосферой. В процессе выпуска этого можно достичь, присаживая в ковш газообразую­щие материалы (известняк, сухой лед). В процес­се внепечной обработки необходимо выбрать такой режим продувки аргоном, при котором дос­тигается минимальное оголение металла даже при создании восстановительной атмосферы под крышкой УКП. Обработка экспериментальных данных позволила установить параболическую зависимость:

∆ [N]УКП-1 ∙10 3 =0,63∙I2 -5,9∙I +13,7; η=-0,99; μ=2,6, (6)

где I — интенсивность продувки аргоном, л/(т-мин); η и μ — множественный коэффициент корреляции.

Таким образом, как следует из установленной зависимости, минимальный прирост азота наблюдается при I = 4,35 л/(т-мин); с уменьшением или увеличением интенсивности прирост содер­жания азота возрастает. В первом случае это можно объяснить слишком малым флотирующим воздействием пузырьков аргона, во втором — значительным оголением зеркала металла и уве­личением его контакта с атмосферой.

В результате исследований установлено:

1. Содержание азота уменьшается с увеличени­ем содержания углерода по расплавлению;

2. Прирост содержания азота в период от рас­плавления до выпуска уменьшается с повышени­ем содержания углерода по расплавлению;

3. В процессе выпуска и внепечной обработки содержание азота повышается, степень этого прироста азота уменьшается с увеличением ис­ходного содержания азота, причем для внепеч­ной обработки эта зависимость более значима;

4. Установлена параболическая зависимость прироста содержания азота от интенсивности продувки аргоном на УКП.

При разработке мероприятий по снижению содержания азота в стали в процессе ее вы­плавки обычно рассматриваются две возмож­ности — снижение количества азота, вносимого исходной шихтой, и «промывка» жидкого металла инертным газом или оксидом углерода СО, образующимся при окислении углерода “шихты”/15-19/.

При подборе шихтовых материалов рас­сматривали следующие варианты:

  • полная замена металлического лома с со­держанием азота от 0,002 до 0,008 % и да­же до 0,01 %, на металлизованные окатыши ,что позволяет полу­чать сталь с содержанием азота на выпуске из печи менее 0,004 %;

  • частичная замена металлического лома твер­дым чугуном, содержащим 0,002—0,003 % азо­та, также спо­собствует снижению содержания азота в ста­ли, но незначительно;

  • частичная замена металлического лома в шихте (до 39 %) горячебрикетированным желе­зом (ГБЖ) позволяет снизить содержание азота в стали на выпуске из печи на 0,001—0,002 %;

  • замена углеродсодержащих материалов с высокой концентрацией азота (загружаемого с шихтой антрацита и кокса с 0,5—1,1 % азота, а также вдуваемого порошка кокса с 0,4—1,7 % азота, кокса с 0,15 % азота для науглерожива­ния металла) на низкоазотистый кокс с содер­жанием азота 0,03—0,1 % позволяет, уменьшить его кон­центрацию в стали на выпуске на 0,0013 %.

Приведенные данные позволяют сделать вывод что:

  • подбор шихтовых материалов незначительно влияет на концентрацию азота в готовой стали; исключением является использование продук­тов прямого восстановления железа;

  • по сравнению со средними значениями со­держания азота в стали, полученной в сверх­мощной ДСП, наблюдается значительная дис­персия результатов анализа, что свидетельствует о низкой стабильности процесса в отношении поведения азота.

Рафинирование металла нейтральным газом или образующимся в процессе окисления угле­рода СО при выплавке в сталеплавильном агре­гате обеспечивает небольшое снижение кон­центрации азота. Общепри­нята точка зрения, что увеличение количества окисленного углерода во время плавки ведет к уменьшению содержания азота. Однако при более внимательном рассмот­рении фактических данных выявляется, что роль выноса абсорбированного азота пузырь­ками газа, проходящего через расплавленный металл, в процессе удаления азота из расплава ничтожно мала./11/

Небольшие значения коэффициента диффу­зии азота в стали /12,15/, уменьшающиеся при повышенных концентрациях кислорода и серы, обусловливают низкие значения ко­эффициента массопередачи азота в пузырек га­за, особенно в окислительный период плавки. Этим, отчасти, объясняется низкая эффектив­ность процесса удаления азота инертным газом.

Кроме того, абсорбция растворенного в ме­талле азота пузырьком газа быстро замедляет­ся в результате его насыщения азотом. Так, по закону Сивертса следует, что при температуре Т— 1873 К, концентрации азота в стали 0,008 % и общем давлении в пузырьке газа, рав­ном атмосферному, абсорбция азота прекраща­ется при парциальном давлении азота в пузырь­ке ррав. = 3400 Па [~ 0,03 % (объемные)]. Суммарное действие этих факторов обуслов­ливает низкую эффективность процесса уда­ления азота инертными газами, а также СО /19-25/.

Известно, что в открытых сталеплавильных процессах снижение содержания азота проис­ходит на протяжении всей плавки, даже несмотря на то, что общее содержание азота в жидком металле всегда намного ниже равновесного с печной атмосферой. Переход азота в печную атмосферу указывает на существование определенных факторов, вызывающих этот процесс.

По-видимому, таким фактором является «эффект накачки», связанный с градиентом окисленности в шлаковой фазе /16/, содержание азота в стали при этом может быть на 5—6 порядков ниже равновесного с печной атмосферой.

Так как при выплавке стали в открытых пе­чах всегда существует градиент окисленности в шлаковом слое, указанный эффект постоянно «работает», когда металл покрыт слоем жидко­го шлака. Дополнительным условием, кроме градиента окисленности шлака, является пе­ремешивание металла и шлака, существенно ускоряющее этот процесс.

«Эффект накачки» также позволяет объяснить низкую концентрацию азота в стали, выплав­ленной из железорудных окатышей (таблица 5). При работе ДСП с «жидким» стартом на шихте из железорудного сырья с непрерывной пода­чей его в печь /18,19/ расплавленный металл находится в контакте с жидким шлаком ми­нимум 50—60 мин (в 2,5—3 раза больше, чем при использовании лома), что и приводит к увеличению времени, в течение которого ра­ботает «эффект накачки», и соответствующему снижению содержания азота. Кроме того, непрерывный ввод окаты­шей в ванну ДСП обеспечивает постоянное «подкипание» и перемешивание шлака, что, как было отмечено, усиливает этот эффект. Та­кое же усиление «эффекта накачки» переме­шиванием достигается при использовании в шихте науглероживателей с повышенным со­держанием летучих компонентов.
^

Таблица 5- Содержание азота в стали массового сортамента





Процесс

Сталь

Содержание азота, %

Кислый марте­новский

Весь сортамент

0,0010-0,0015

Основной скрап — про­цесс


Среднеуглеродистая

0,0030-0,0065

Углеродистая

0,0050-0,0090

Основной скрап — рудный


Низкоуглеродистая

0,0020-0,0035

Углеродистая

0,0030-0,0050

Конвертерный


Низкоуглеродистая кипящая

0,0025-0,0035

Низкоуглеродистая спокойная

0,0025—0,0040

Низколегированная

0,0050-0,0070

Электросталеплавильный с полным цик­лом периодов плавки

Рядовой сортамент

0,0050-0,0100

То же, кислый

Среднеуглеродистая

0,0050—0,0090

Выплавка полу­продукта в сверхмощной ДСП

Рядовой сортамент

0,0080-0,0120

То же при плав­ке на окатышах

Рядовой сортамент

< 0,004

Общая концентрация азота в металле опре­деляется балансом двух противоположных про­цессов — поступления азота в металл (особен­но в области дуг) и удаления его из расплава. Составляющими расходной части яв­ляются процессы удаления азота при реализа­ции «эффекта накачки» и некотором его выно­се пузырьками СО или инертного газа. Однако влияние второго фактора, по-видимому, боль­ше связано с его перемешивающим действием.

Поступление азота в металл из шихтовых материалов может временно нарушать установившийся баланс азота, который затем сравни­тельно быстро восстанавливается, поддерживая концентрацию азота на прежнем уровне. Поэтому одним из основных путей получе­ния стали с низким содержанием азота авторы настоящей статьи считают такую организацию технологического процесса выплавки или внепечной деазотации, при которой наилучшим образом обеспечены условия реализации «эф­фекта накачки». Проведенное в данной работе исследование способов снижения и стабилизации уровня со­держания азота в металле в условиях работы ДСП-2 на молдавском металлургическом заво­де подтвердили указанные предположения. На рисунке 6 приведены результаты статистиче­ской обработки 3500 плавок за первую поло­вину 2000 г., взятых подряд /11/.

Регрессионный анализ показывает (рисунок 6), что при снижении содержания углерода в ста­ли одновременно уменьшаются кривые концентрации азота. Своеобразие облака точек на рисунке 6, позволившее в работе провести линии с изломом, в действительности связано с тем, что подавляющее количество отбираемых проб приходится на узкий диапазон концентраций углерода (0,05—0,15 %). На рисунке 6 представлена равновесная с газо­вой фазой (печной атмосферой) концентрация.



Рисунок 6 - Влияние концентрации углерода в металле на со­держание азота (по производственным данным)

Сопоставление регрессионной и равно­весной линий показывает, что во время окис­лительного периода в ДСП фактическое содер­жание азота в металле всегда ниже равновесно­го и в процессе плавки продолжает снижаться, еще более удаляясь от равновесия.



Рисунок 7 - Влияние изменения концентрации углерода на со­держание азота в стали

Более корректно оценить влияние выноса азота пузырьками СО можно, представив дан­ные в виде зависимости количества удаливше­гося азота от количества окислившегося за тот же период углерода в интервале между двумя последовательно взятыми пробами (рисунок 7). Регрессионный анализ показывает, что изме­нение содержания азота в стали в результате его выноса пузырьками СО в окислительный период в ДСП-2 не превышает 0,0027 % на 1 % окисляющегося углерода. То есть «КПД» этого процесса составляет 0,27. Если учесть, что во время окислительного периода могут происходить другие процессы, способствующие удалению азота, прежде все­го «накачка», то реальное значение «КПД» аб­сорбции азота пузырьками СО еще меньше.

Сравнение наклона линий регрессии на рисунках 6 и 7; может служить дополнительным подтверждением существования механизма удаления азота в 2—3 раза более эффективного, чем вынос его пузырьками СО. Эффект снижения со­держания азота в стали при окислении углеро­да, указанный на рисунке 7, практически целиком связан с действием эффекта «накачки», а обра­зующиеся пузырьки СО способствуют его ин­тенсификации путем перемешивания металла и шлака.

Таким образом, результаты статистическо­го анализа производственных данных в целом согласуются с указанными предположениями о механизме удаления азота /11/.

Целью экспериментов, проведенных в ДСП-2 на ММЗ, было снижение концентра­ции азота в стали 70 на выпуске и стабилизация этого показателя с помощью мероприя­тий, направленных на интенсификацию «эф­фекта накачки». Для этого были использованы следующие технологические приемы:

  • обдув поверхности шлака кислородом с ин­тенсивностью, не допускающей оголения ме­талла, для поддержания высокого уровня окисленности поверхности раздела газовая фа­за—шлак;

  • подача известняка в печь вместо извести на заключительном этапе выплавки стали для ста­билизации горения дуг и обеспечения подвиж­ности шлака;

  • перемешивание металла и шлака в печи ар­гоном через донные дутьевые устройства;

  • исключение подачи в печь углеродистых ма­териалов после проплавления последней под­валки.

Все мероприятия проводили одновремен­но.

Эксперименты показали, что использование указанных технологических приемов по­зволяет снизить и стабилизировать содержа­ние азота в металле, выплавляемом в сверх­мощной ДСП, на уровне 0,006 %.

Выплавляемая в сверхмощных ДСП сталь характеризуется более высоким средним со­держанием азота (примерно на 0,002—0,003 %), чем металл, выплавленный в дуговых печах, работающих по классической технологии. Более низкая концентрация азота при ра­боте на окатышах достигается в результате большей продолжительности пребывания ме­талла под слоем жидкоподвижного шлака. Наиболее существенным фактором, влияю­щим на уровень и стабильность содержания азота в металле, является режим подачи углеродсодержащих материалов по ходу плавки, особенно на заключительном этапе. Опробованные технологические приемы по­зволили снизить концентрацию азота в стали на выпуске из печи в среднем на 0,0021 % и получить более стабильное его содержание в металле. Выдержка металла под шлаком без подачи углеродсодержащих материалов в печь сопро­вождается монотонным снижением концен­трации азота в стали.

В результате анализа технологии выплавки стали были сделаны следующие выводы:

1) Повышенное содержание массовой доли азота в металле перед выпуском его из печи (до 0,009 %) объясняется следующими факторами:

- азот вносится с металлической шихтой до 0,006 %;

- повышенное содержание азота в коксе и коксике (до 10,8 %);

- неудовлетворительное проведение технологического процесса в части наведения пенистого шлака, в результате чего электрическая дуга открыта и вследствии контакта дуги с воздухом создаются благоприятные условия для насыщения расплава азотом. В момент продувки металла открытой струей кислорода без вспенивания шлака коксиком, окружающий воздух эжектируется, и тем самым создаются благоприятные условия для насыщения металла азотом из воздуха.

- так как жидкий период плавки скоротечен, то во время кипа азот, содержащийся в металле практически не удаляется.

2) Увеличение содержания массовой доли азота в металле во время выпуска на 0,0013 % происходит по следующим причинам:

- внесение азота в металл присаживаемыми в стальковш на выпуске ферросплавами и коксиком;

- вследствии контакта струи металла с воздухом.

3) при внепечной обработке металла на установке ковш-печь содержание массовой доли азота увеличивается на 0,0027 % по следующим причинам:

- в результате подсоса воздуха в рабочее пространство над стальковшом с металлом, создаются благоприятные условия для проникновения азота из воздуха в металл;

- после реконструкции газохода на установке ковш-печь, эффективность которого улучшилась;

- длительная выдержка металла в стальковше, и как следствие этого, длительность нагрева его на установке ковш-печь;

4) Увеличение содержания массовой доли азота в металле при обработке его на установки доводки стали (УДС) на анализируемых плавках происходит на 0,002 % вследствии его продувки азотом через погружную фурму.

5) Вследствии контакта струи металла из стальковша и промковша с воздухом содержание азота в металле во время его разливки увеличивается на 0,0015 %.

6) Содержание азота в темплетах, отобранных от заготовок, и в готовом сорте на анализируемых плавках при анализе средних значений колеблется от 0,0125 % до 0,0126 %.

На основании проделанного анализа были даны следующие рекомендации:

1) С целью снижения насыщения металлом азота в электропечах, необходимо:

- шихтовать плавку по углероду коксом.

- во время плавки шлак поддерживать во вспененном состоянии присадками кокса и небольших порций известняка. Расход извести при этом может быть не менее 40 кг/т, при работе на известняке- не менее 50 кг/т.

2) при обработке металла на установке ковш-печь с целью исключить подсосы воздуха под крышку в зоне дуг необходимо поддерживать под крышку в зоне дуг положительное давление, т.е. управлять отсосом газов так, чтобы из-под крышки и вокруг электродных отверстий всегда выходил несильный дым. Для обеспечения более плотного прилегания крышки установки ковш-печь к стальковшу с целью создания инертной атмосферы необходимо, чтобы обечайка стальковша была очищена от шлака и металла.

При обработке металла на установке доводки стали на марках сталей, контролируемых по азоту, продувки металла производить с аргоном через донные пробки стальковша. Продувку азотом сверху через погружную фурму производить только в момент отдачи ферросплавов и извести.

3) Сократить до минимума продолжительность нахождения стали в стальковше на отстое (не более 20-30мин).

4) Сократить время обработки и нагрева металла на установке ковш-печь до 40-45 мин.

5) Разливку стали производить на минимально короткой и устойчивой струе металла между сталеразливочным и промежуточным ковшом.

2.3 Зарубежные исследования

Содержание азота в стали, выплавляемой в дуговых печах, обычно колеблется от 80 до 120 ppm. При необходимости получить ме­талл с меньшей концентрацией азота приходится усложнять технологию, используя агрегаты внепечного рафинирования стали.

На содержание азота в стали оказывают влия­ние большое количество факторов: лом и его за­менители, шлакообразующие добавки, условия го­рения дуг, продувка кислородом, вдувание угля и коксика и т. д.

На заводе фирмы Sidenor (Испания) провели исследование влияния технологических парамет­ров на концентрацию азота в стали, предназначен­ной для глубокой вытяжки. Задача исследования — разработка технологии получения стали с содер­жанием азота менее 50 ррm. Технология охватыва­ет выплавку стали в дуговой печи, рафинирование на установке ковш-печь и непрерывную разливку. Концентрация азота в ломе колеблется от 30 до 100 ррm. Замена лома твердым чугуном, содержа­щим 20—30 ррm азота, показала снижение его концентрации в готовой стали. Углеродсодержащие материалы имеют очень высокую концентра­цию азота: 5000—11 000 ррm — в антраците и в коксе, загружаемых с шихтой; 4000—17 000 ррm — во вду­ваемом коксике; 1500 ррm — в коксе, используемом для науглероживания стали, и 300—1000 ррm — в низкоазотистом коксе. Замена в завалке антрацита низкоазотистым коксом позволяет уменьшить со­держание азота в стали на выпуске на 13 ррm.

Наибольшее влияние на концентрацию азота в стали оказывает вспенивание шлака. Выделение большого объема СО при вдувании угля и кисло­рода способствует «промывке» ванны и удалению азота пузырьками СО. Однако существует опти­мальный момент времени, когда следует прекратить вдувание графита; этот момент отвечает минималь­ному содержанию кислорода в отходящем газе (око­ло 1 %). Анализ отходящего газа поэтому является наилучшим способом контроля окисленности шла­ка и металла и концентрации азота в стали.

Влияние содержания углерода в стали перед вы­пуском сложнее. При высокой концентрации угле­рода содержание азота в стали меньше, что связано со вспениванием шлака. Концентрация азота дос­тигает минимального значения при 0,10—0,15 % С и резко возрастает при дальнейшем снижении со­держания углерода в стали, что свидетельствует о максимальном объеме выделяющегося СО при этой концентрации углерода.

Для усиления процесса выделения пузырей СО и СО2 и соответственно удаления азота несколько плавок провели с вдуванием кислорода(3 мин, 22 м³/мин) после подъема электродов. При этом содержание азота в стали снизилось с 62 до 53 ррm.

Плавки высокоуглеродистой стали с добавками кокса при выпуске по сравнению с добавками кокса на установке ковш-печь также показали уменьше­ние концентрации азота.

Удаление азота в процессе внепечного рафини­рования стали (продувка аргоном, вакуумирование) определяется содержанием поверхностно-активных элементов в металле. При низкой их концен­трации (0 + S < 50 ррm) удаление азота лимитируется его переносом в объеме металла и скорость абсорб­ции—десорбции высока. При высоком содержании поверхностноактивных элементов (0 + S > 200 ррm) скорость удаления азота из стали лимитируется поверхностными реакциями, поэтому при внепечной дегазации необходимо сначала снизить со­держание серы в металле. Исходя из этого, прове­ли внепечную обработку по трем вариантам. Пер­вый вариант включал вакуумирование в течение 7 мин при давлении < 1 мбар (для получения мини­мального содержания серы без удаления азота) и затем вакуумирование в течение 15 мин при дав­лении < 1 мбар и продувка аргоном. По второму варианту проводили вакуумирование в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувку аргоном. Третий вариант (принятый на заводе) отличался от второго только продолжительностью вакуумирования стали — 8 мин.

Наименьшее содержание азота в стали осталось при ее обработке по первому варианту (47 ррm). Ра­финирование по второму варианту способствовало снижению концентрации азота до 51 ррm (по при­нятой технологии — 62 ррm), но продолжитель­ность обработки немного увеличивалась (90 мин против 84 мин). От первого варианта рафинирова­ния отказались из-за чрезмерной продолжитель­ности (105 мин).

На опытных плавках по оптимизированной тех­нологии (использование низкоазотистого кокса в завалку вместо антрацита, продувка металла ки­слородом после прекращения вспенивания шлака, содержание углерода и активность кислорода в металле на выпуске соответственно около 0,12 % и 100—200 ррm, добавка кокса в металл при выпу­ске плавки, а не на установке ковш-печь, вакуу­мирование в ковше в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувка аргоном, разливка с закрытой струей при защите зеркала металла в кристаллизаторе УНРС шлаковым слоем) содержание в стали азота значительно меньше (~50 ррm), чем на плавках по принятой на заводе технологии(68 ррm) /22/.

2.4 Анализ технологии выплавки, внепечной обработки и разливки стали в условиях технологических процессов ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК)

ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК) не обладает достаточной техноло­гической оснащенностью, обеспечивающей сверхнизкое содержание азота в печи (от 0,003 % до 0,005 %) и, практически ис­ключающие азотацию расплава в процессе выпуска и внепечной обработки. Единственно применяемой технологией деазотации стали это техно­логия вспенивания шлака (при этом надо отметить, что вспенивание шлака в ЭСПЦ производят периодическими присадками окисленных окатышей или продувкой расплава кислородом). Другие способы деазотации невозможно использовать из-за отсутствия соответствующего оборудования.

Таким образом, в условиях ЭСПЦ техноло­гией, обеспечивающей низкое содержание азота в готовой стали, должно яв­ляться:

  • окисление углерода в печи в количестве, достаточном для необходимой деазотации расплава, и нагрев металла под вспененными шлаками;

  • разработка технологии выпуска, предотвращающей азотацию в процессе операции;

  • совершенствование режима обработки металла на УКП, предотвращаю­щей или сводящей к минимуму азотацию стали.

Технологические параметры производства стали марок 14Г2АФ, 16Г2АФ показывает, что на массовую до­лю азота в ковшевой пробе значительное влияние оказывает количество окисленного углерода после взятия второй пробы, т.е. после полного рас­плавления шихты и нагрева металла с 1590 - 1610 °С до 1660 - 1690 °С и расход окисленных окатышей. Так, на плавках с содержанием азота в ковшевой пробе 0,007 %, количество окисленного углерода после полного рас­плавления шихты составило в среднем 0,33 %, а расход окатышей -1110 кг/плавку, в то время как на плавках с содержанием азота 0,009 % ука­занные параметры составили соответственно 0,18 % и 425 кг/плавку (таблица 6). Обращает на себя внимание и такой показатель, как соотношение между степенью нагрева металла после полного расплавления шихты к ко­личеству окисленного углерода. На плавках с содержанием азота 0,007 % на каждую 0,01 % окисленного углерода повышение температуры составило в среднем 1,91°С, в то время как на плавках с содержанием азота 0,009 % - 4,33 °С. Это объясняется тем, что в процессе нагрева металла дугами и окисления расплава происходят одновременно два процесса: поглощение азота металлом в районе электрических дуг и удаление азота из металла пузырьками окиси углерода. При недостаточном количестве окисленного уг­лерода процесс поглощения металлом азота преобладает над процессом деазотации расплава, что приводит к повышению содержания азота в металле.

Аналогичная зависимость установлена и при анализе технологиче­ских параметров производства стали марок 10ХСНДА, 15ХСНДА. На плавках с массовой долей азота в маркировочной пробе 0,007%, количество окисленного в печи углерода после полного расплавле­ния шихты составило в среднем 0,27-0,29 %, расход окатышей 1276 - 2016 кг, нагрев металла при окислении 0,01 % углерода - 1,61 - 2,04 °С, а на плавках с содержанием азота 0,011 % данные показатели составили соответ­ственно 0,07 - 0,12 %, 1057 - 1620 кг и 4,00 - 7,14 °С (таблица 7)/28,29/.

Таблица 6 - Влияние средних технологических параметров выплавки стали марок 14Г2АФ, 16Г2АФ на массовую долю азота в ковшевой пробе

Азот в ковше­вой пробе, %


Коли­чество плавок, шт


Продолжитель­ность, мин

Проба


Содержание, %

Окислено углерода, %

Расход ока­тышей, кг


Температура, °С

(0С / %)×10-2


угле­рода

серы

1 про­ба - 2 проба

2проба - скра-пина

1 проба - скра-пина

отбора второй пробы

перед выпус­ком

усред­нитель ной про­дувки

рас­плав­ление

окисли тель­ный период

0,007


10


54


51


1

0,61

0,031

0,18


0,33


0,51


1110


1608


1671


1570


1,91


2

0,43

0,029

3

0,10




0,008


20


59


42


1

0,56

0,024

0,29


0,17


0,46


810


1615


1668


1552


3,12


2

0,27

0,019

3

0,10




0,009


16


56


51


1

0,44

0,024

0,16


0,18


0,24


425


1606


1684


1590


4,33


2

0,28

0,019

3

0,10






Таблица 7 - Влияние средних технологических параметров выплавки стали на массовую долю азота в маркировочной пробе

Марка ста­ли


Азот в марки­ровоч­ной пробе, %


Коли­чество пла­вок, шт


Продолжительность, мин

Масса шихты, т

расплав


окисли­тельный период


выпуск


2А-3А


обрезь

чугун


другие


итого


ЛПЦ

СПЦ

ОБЦ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

^ 10ХСНДА 15ХСНДА

0,007

35

54

57

22

48

23

4

18

12

9

114

0,008

116

57

50

11

52

25

2

17

10

3

109

0,009

87

56

51

12

45

27

3

18

12

10

115

0,011

57

56

50

10

50

26

4

-

10

15

105

Продолжение таблицы 7

Марка ста­ли


Азот в марки­ровоч­ной пробе, %


Коли­чество пла­вок, шт


Содер­жание углерода по рас­плаву, %


Количество окисленного угле­рода, %

Расход окаты­шей, кг


Температура,°С

Тп.в. –

Т2пр.

2пр – скр,

% × 10-2


Тп.в. –

Туср,

0С


отбора 2пробы

перед выпус­ком

усредн. продув­ки

1пр -2пр

2пр-скр.

1пр-скр.

1

2

3

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

^ 10ХСНДА 15ХСНДА

0,007

35

0,59

0,24

0,27

0,51

2016

1609

1673

1580

2,04

93

0,008

116

0,56

0,24

0,23

0,47

1586

1614

1661

1579

2,37

82

0,009

87

0,58

0,30

0,19

0,49

1506

1613

1661

1574

2,53

87

0,011

57

0,57

0,36

0,12

0,48

1620

1609

1657

1600

4,00

57
  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (2252 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации