Введение к работе
Современный технический прогресс во многом определяется развитием качественной металлургии. Решение металлургических задач необходимо осуществлять в комплексе.с ресурсосбережением, вовлечением в производство немобильных отходов, восстановлением нарушенной экологической обстановки, охраной окружающей среды.
Качество.металла в первую очередь обусловлено чистотой выплавляемой стали, минимальным количеством вредных примесей, к которым относятся сера, фосфор и другие, а для коррозионно-стойкой стали, составляющей более 10 % от электростали, и углерод. Вовлечение в сферу . производства шихтовых материалов, в том числе отходов с повышенным содержанием примесей, усложняет проблему получения чистого .металла. Реализация известных технологических решений, способствующих уменьшению этих примесей в металле, практически не позволяет добиться требуемых показателей при экономически приемлемых условиях. Основной задачей исследователей становиться разработка . новых процессов, способных коренным образом улучшить качестве) металла при техникс-экономически оправданных затратах.
В этих условиях существенно повышается необходимость поиска новых подходов к решению указанных проблем и дальнейшее исследование физико-химических закономерностей поведения углерода, фосфора, газов в легированных расплавах, определяющих протекание основных металлургических процессов. Несмотря на многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых, выполненные в этой области за последние 25-30 лет, ряд важных для теории и практики вопросов требует дальнейшего решения. Одним из них является дефосфорация легированных расплавов, содержащих такие легко окисляющиеся элементы как хром, марганец, ванадий и другие. Нерешенность проблемы дефосфорации послужила причиной расширения предельно допустимой концентрации фосфора в ряде коррозионно-стойких сталей. Остро
стоит вопрос производства низкоуглеродистой коррозионно-стойкой стали. Основным агрегатом для выплавки этого металла является вакуумная индукционная печь либо установки внепечного вакуумного или вакуум-кислородного рафинирования.
. В конце семидесятых - в первой половине восьмидесятых годов стали появляться первые публикации о глубоком обезуглероживании высокохромистого расплава за счет обработки ванны аргоно-кислородными смесями. Сообщения о технологии аргоно-кислородного рафинирования носили в основном рекламный характер. В настоящее время за рубежом более 80 % коррозионно-стойкой стали выплавляется дуплекс процессом - дуговая печь -агрегат газо-кислородного обезуглероживания, в странах СНГ действуют только два (на заводе "Днепроспецсталь" (Украина) и на Челябинском металлургическом комбинате (Россия). Первый отечественный, на заводе "Днепроспецсталь" пущен в 1985 году в основном по инициативе Днепропетровского металлургического института и завода, внедрение и освоение этого процесса потребовало привлечения к работе таких научных организаций как ЦНИИЧМ, МИСиС, В.И.О., НПО "Тулачермет" и другие; второй на ЧМК построен в 1992 г. по лицензии Германской фирмы.
Основные задачи настоящей работы определены следующим образом. Теоретическое обобщение и экспериментальная проверка новых способов дефосфорации высокохромистых и марганецсодержащих расплавов, определяющих основной сортамент коррозионно-стойких сталей. Предварительные исследования показали принципиальную возможность решения этой задачи путем обработки расплавов воздействием газовой среды, флюсами и другими. Вторая часть работы связана с решением теоретических и технологических вопросов обезуглероживания высокохромистых и высокомарганцевых расплавов применительно к технологии выплавки коррозионно-стойкой стали методом аргоно-кислородного рафинирования.
Научная новизна. Впервые теоретически и экспериментально обоснована
возможность удаления из легированных хромом и марганцем металлических
расплавов фосфора в газовую фазу. Установлено влияние термодинамических и
кинетических параметров на переход фосфора из металла в газовую фазу,-
Показана зависимость дефосфорации от активности фосфора в металлической и
оксидной фазах, температуры и степени развития реакционной зоны. . .
Показано, что условия дефосфорации высоколегированных расплавов (восстановительные, слабоокислительные) определяются окислительным потенциалом системы, контролируемым основным легирующим элементом. Определены предельные значения окисленности высокохромистых и марганецсодержащих расплавов при которых возможно удаление фосфора в слабоокислительных условиях без существенных потерь хрома и марганца.
Предложен усовершенствованный метод кинетического анализа распределения примеси между расплавом и газовой фазой и на его основе способ оценки возможности перехода из металла в газ. Обоснованы возможные механизмы перехода фосфора из высоколегированного расплава в газовую фазу, зависящие от окислительного потенциала системы.
Впервые предложен, термодинамически обоснован и опробован, способ ' обработки высокохромистых и марганецсодержащих расплавов, позволяющий рафинировать металл от фосфора за счет перехода последнего в газовую фазу при незначительных потерях основного легирующего элемента.
Получены новые данные по механизму и природе совместного окисления углерода и хрома, углерода и марганца при рафинировании расплава газовыми смесями (кислород, аргон, азот, водяной пар) с различным парциальным давлением кислорода. Развита математическая модель процесса обезуглероживания высокохромистого расплава с учетом влияния широкого спектра параметров на технологию выплавки сталИі
Практическая значимость и реализация в промышленности. Определено одно из перспективных направлений дефосфорации высоколегированных
расплавов за счет перевода фосфора в газовую фазу, которое позволяет вовлечь в процесс выплавки высококачественных сталей шихтовые материалы с повышенным содержанием фосфора. Опробование технологии дефосфорации высокохромистой стали было осуществлено в условиях завода "Электросталь" на индукционной печи вместимостью 1 т, показана возможность предложенного способа обработки металла.
Установлено влияние режимов обезуглероживания высокохромистых расплавов на технологические параметры процесса выплавки коррозионно-стойкой стали методом аргоно-кислородного рафинирования. Получены данные по степени износа огнеупоров в футеровке агрегата в зависимости от вида материала, условий рафинирования металла. Институту "Стальпроект" и заводу "Днепроспецсталь" выданы рекомендации по оптимальному изготовлению футеровки агрегата аргоно-кислородного рафинирования. Показано влияние и способы воздействия . на экологические показатели процесса режимов рафинирования ванны. Результаты работ по аргоно-кислородному обезуглероживанию внедрены на заводе "Днепроспецсталь".
Разработана технология выплавки коррозионно-стойкой стали на базе ферроникеля с использованием процесса рафинирования расплава в конвертере с донной либо комбинированной продувкой кислородом в смеси с газами-разбавителями (аргон, азот, водяной пар). Результаты работы использованы при выполнении технико-экономического обоснования реконструкции Побужского никелевого завода с целью перепрофилирования на производство коррозионно-стойкой стали.
Заводские технологические эксперименты аргоно-кислородного рафинирования коррозионно-стойкой стали были составной частью комплексного изучения нового процесса выплавки стали, в котором принимали участие кроме МИСиС, ЦНИИЧИ, НПО "Тулачермет", НИИМ, ДМЕТИ, "Днепроспецсталь", Побужский никелевый завод, институт ГИПРОНИКЕЛЬ и др) гнс организации.
В диссертацию включены лишь те материалы совместных исследований, которые были получены при непосредственном участии автора.
В диссертационной работе рассмотрены три группы вопросов: 1. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности дефосфорации. высокохромистых и высокомарганцевых расплавов за счет перевода фосфора в газовую фазу. 2. Физико-химическое и экспериментальное изучение совместного окисления углерода и хрома, углерода и марганца при -рафинировании высоколегированных расплавов кислородсодержащими газовыми смесями с различным парциальным давлением кислорода.. 3. Исследование и разработка технологии плавки коррозионно-стойких сталей методом внепечного аргоно-кислородного рафинирования, в том числе, анализ экологических показателей процесса, изучение службы огнеупоров при рафинировании ванны и выбор материалов для оптимальной футеровки агрегата.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на I, V Всесоюзных научных конференциях по современным проблемам электрометаллургии стали (Челябинск, 1971 г, 1984 г); II Всесоюзной научной конференции "Современные проблемы создания высококачественных сталей и уменьшение отходов в черной металлургии (Москва, 1981 г); Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика внепечной обработки стали'' (Москва, 1985 г); X Всесоюзной конференции по физико-химическим основам металлургических процессов (Москва, 1991 г); Республиканской научно-технической конференции (Тбилиси, 1975 г); Республиканских научно-технических конференциях "Современные процессы обезуглероживания и дегазации легированных сталей и сплавов" (Днепропетровски, 1981 г, 1987 г); Первой всесоюзной конференции по высокоазотистым сталям (Киев, 1990 г); Первом конгрессе сталеплавильщиков (Москва, 1993 г); Международной конференции "Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке" (Москва, 1994 г); заседаниях НТС института Гипроникель и Побужского никелевого завода (Ленинград, 1978 г, Побужское 1991 г); на
совещаниях в ЦНИИЧИ, НПО "Тулачермет", ЧелябНИИМ, ЧелябГИПРОМЕЗ и других организациях.
. Основные результаты проведенных. исследований опубликованы в 15 научных статьях, 6 отчетах по научно-исследовательским работам и в 18 докладах. По материалам работы получено 7 авторских свидетельств.
Диссертация содержит JS6 страницы текста, ЭЪ рисунков, таблиц, Э приложений. Список литературы насчитывает f30 наименований.
