Содержание к диссертации
Введение
2. Производство качественного кордового металла на мини-заводе, оснащенном современными ДСП и комплексом внепечной обработки. 8
2.1. Производство стали на мини-заводах 11
2.1.1. История создания, современное состояние и тенденции развития мини-заводов 11
2.1.2. Основные технологические особенности производства стали на современных мини-заводах 15
2.2. Проблемы качества элекстростали 39
2.3. Моделирование сложных металлургических систем 55
3. Анализ технологии производства кордовой стали 61
3.1. Особенности сталеплавильного производства на РУП «БМЗ» 61
3.2. Выплавка полупродукта в дуговой печи 66
3.2.1. Харатеристики шихтовых материалов 66
3.2.2. Плавление и доводка плавки 69
3.3. Выпуск полупродукта из печи 93
3.4. Особенности технологии внепечной обработки кордовой стали 95
4. Методика сбора и анализ технологической информации 106
4.1. Методика формирования массивов опытной данных 106
4.2. Предварительный анализ опытных данных 110
4.2.1. Исследование парных корреляций оснвоных технологических факторов 110
4.2.2. Исследование опытных данных методами множественного регрессионного анализа 115
5. Описание и управление содержанием растворенного кислорода по ходу технологического процесса 117
5.1. Механизм насыщения расплава кислородом и его математическая модель117
5.2. Оценка роли шлаковой фазы в формировании окисленности расплава в ДСП 122
5.3. Опыт управления окисленностыо расплава при выплавке в дуговой печи128
5.4. Поведение кислорода при выпуске металла из печи 134
5.4.1. Методика оценки степени вторичного окисления во время вьшуска 136
5.4.2. Защиты металла от вторичного окисления во время выпуска 138
5.5. Описание поведения кислорода при внепечной обработке 141
5.5.1. Анализ процессов при комплексной внепечной обработке кордовой стали 141
5.5.2. Описание поведения кислорода на различных этапах внепечной обработки 143
6. Выводы по работе 148
7. Список использованных литературных источников 150
8. Приложения 166
- Основные технологические особенности производства стали на современных мини-заводах
- Выплавка полупродукта в дуговой печи
- Исследование опытных данных методами множественного регрессионного анализа
- Оценка роли шлаковой фазы в формировании окисленности расплава в ДСП
Введение к работе
Повышение качества металла ответственного назначения, тем более, напрямую связанного с безопасностью жизни человека, приобретает в последнее время особое внимание. Это ведет к постоянному повышению требований как к готовому изделию — кордовая проволока, бортовая проволока, так и последовательно к качеству литой заготовки. Многочисленными исследованиями установлено и закреплено в ГОСТах и ТУ (ТУ 14-1-1881-76, ТУ 14-1-4752-89, ТУ 14-1-4101-89, ГОСТ 4543-71, ГОСТ 10702-78, ГОСТ 1050-88), что кордовая сталь должна быть не только чиста по содержанию вредных примесей (сера, фосфор), иметь пониженное содержание цветных металлов и газов, но и отвечать повышенным требованиям по количеству, морфологии и размеру неметаллических включений. При диаметре проволоки для корда 0,15.. .0,35 мкм даже незначительные в других условиях неметаллические включения могут привести к ее разрушению в процессе изготовления или свивки, когда металл испытывает знакопеременные нагрузки большой величины. Анализ качества кордового металла показал, что наиболее вредное влияние на качество кордового металла оказывают недеформируемые включения на основе AI2O3 и ТіОі- Особенно актуальна проблема включений корунда в связи с широко распространенной практикой использования алюминия для глубокого раскисления стали. Металлографические исследования показали, что в процессе деформации дислокации, заканчивающиеся на включении, постепенно объединяются и превращаются в полости, которые могут привести к разрушению проволоки. Деформируемые включения оказывают существенно меньшее негативное воздействие, однако также увеличивают разрывность корда. С учетом того, что основными включениями в кордовой стали являются оксиды, особую актуальность приобретает процесс снижения их количества в стали, изменения их морфологии и уменьшения их размера.
В настоящее время преобладает концепция построения технологии
на металлургических заводах, предполагающая максимальную интенсификацию всех сталеплавильных процессов. Такой подход неизбежно сопровождается, во-первых, повышением расхода кислорода, как основного интенсификатора плавки, а во-вторых, раскислителей, с помощью которых впоследствии снимается избыточная окисленность металла. При такой схеме производства образуется повышенное количество продуктов раскисления — неметаллических включений, которые затем удаляют из расплава методами внепечной металлургии. Это означает значительный перекос в технологии с переносом тяжести решения проблемы получения качественного металла на стадию внепечной обработки стали. Как следствие, внепечная обработка становится излишне усложнена, энерго-и материалоемка, что ведет к повышению расходов по переделу. И хотя именно с помощью такой технологии в настоящее время производят качественный кордовый металл, необходимость снижать расходы по переделу диктует необходимость ее совершенствования.
В связи с постоянным ростом требований к защите окружающей среды, все более актуальным становится разработка технологии, обеспечивающей высокое качество металла за счет, прежде всего, точного регулирования состава металла, в том числе и по содержанию кислорода. В условиях современного производства, без снижения производительности, этого можно достичь за счет управления процессом на основе применения физически обоснованных моделей, позволяющих прогнозировать поведение кислорода, начиная с момента выплавки стали в ДСП, вплоть до получения готового металла.
Решение поставленной задачи представляет собой нетривиальную проблему в связи с исключительной сложностью процессов, протекающих на всех стадиях металлургического производства. Например, в условиях РУП «БМЗ», выплавка стали ведется в сверхмощных дуговых печах, оснащенных средствами интенсификации, такими как газокислородные горелки, фурмы-манипуляторы, кислородные фурмы. По ходу процесса в печь также вносят углеродсодержащие материалы как для
вспенивания, так и для раскисления шлака. В шихтовку для получения низкого содержания цветных металлов вводится значительное количество первородного сырья (окатыши).
Как правило, при моделировании процессов выплавки металлурги стремятся описать поведение углерода и температуры, предполагая, что между концентрацией кислорода и углерода существует жесткая связь. Однако, известно, что сразу после продувки газообразным кислородом расплав очень далек от равновесия, что делает такую оценку недостоверной.
В связи со сложностью изучаемого объекта — дуговой сталеплавильной печи (ДСП) — и при наличии средств экспрессного определения содержания кислорода в стали, моделирование поведения кислорода по ходу процесса смещается из фокуса внимания металлургов. Однако, надежно управлять процессом без использования физически обоснованных моделей, адекватно описывающих его поведение, полагаясь только на результаты измерений, невозможно.
Содержание кислорода в готовой стали формируется на протяжении всего технологического цикла, а не только в печи. Особую актуальность в связи с этим приобретают процессы вторичного окисления во время выпуска и разливки. Однако, в связи с их сложностью либо пытаются опираться на опытные данные, либо предполагают, что окисленный расплав не будет значительно поглощать кислород из атмосферы. Термодинамический анализ между тем показывает, что система металл-атмосфера весьма далека от равновесия, то есть игнорировать эту стадию технологического процесса нельзя.
Несмотря на глубокую изученность и понимание процессов, протекающих при внепечной обработке, основное внимание концентрируется на собственно проведении процесса раскисления, тогда как процессы вторичного окисления за счет контактирующих фаз, как правило, не становятся предметом тщательного исследования. Обеспечение высокого качества, тем не менее, предполагает, не только максимальное снижение
содержание первичного кислорода и удаление неметаллических включений, но и предотвращение развития процессов вторичного окисления.
Таким образом, задача данной работы состоит во всестороннем исследованы поведения кислорода на всех стадиях металлургического передела — от выплавки до внепечной обработки.
2. Производство качественного кордового металла на мини-заводе, оснащенном современными ДСП и комплексом внепечной обработки. Литературный обзор.
Металлокорд, используемый для армирования автомобильных шин, рукавов высокого давления и конвейерных лент [1], по существу является тонким стальным канатом, свитым из тончайших диаметром 0,15... 0,35 мм высокопрочных проволок с латунным или цинковым покрытиями, которое обладает большей адгезией к резине по сравнению со сталью, и, кроме того, защищает сталь от коррозии. Мировое производство металл окорда составляет 1,3 млн. т. Масса металл окорда в стандартной радиальной шине составляет 8,9 %, а бортовой проволоки 4,7% [1]. Даже незначительное уменьшение массы металлокорда в составе шины ведет к снижению массы автомобиля в целом и, как следствие к уменьшению расхода топлива. Поэтому [124] в настоящее время усилия ведущих мировых производителей шин направлены на расширение применения высокопрочного (НТ), сверхвысокопрочного (SHT) и ультравысокопрочного (UHT) корда, что обеспечивает уменьшение на 15% массы бреке-ра при сохранении прочности и жесткости шины на прежнем уровне. Прочность катанки кордовой стали составляет 100-1200 МПа, а в результате деформационного упрочнения при изготовлении проволоки ее прочность возрастает. ГОСТ 14311 регламентирует прочность проволоки диаметром 0,15 мм до свивки в металлокорд в пределах от 2450 до 3040 МПа. Компания "Ниппон Стил" подняла уровень прочности проволоки диаметром 0,2 мм до 3600 МПа и с конца 90-х годов освоила выпуск ультравысокопрочной (4000 МПа) проволоки [117] и проводит работы по получению стального корда прочностью 5000 МПа. Требования к чистоте такой стали по примесям весьма жестки: содержание серы и фосфора в ультравысокопрочной кордовой стали производства фирмы "Ниппон
Таблица 1. Требования к химическому составу стали для металлокорда (по ТУ 14-1-4752-89)
Содержание основных элементов
Таблица 2. Требования к химическому составу стали для металлокорда (по ТУ 14-1-4752-89)
Содержание примесных элементов
Стил" не превышает соответственно 0,007 и 0,005 %.
В настоящее время в России и странах СНГ сталь для металлокорда выплавляют по нескольким техническим условиям, которые разрабатываются, как правило самими предприятиями.
Так, согласно ТУ 14-1-4752-89, основные характеристики кордовой катанки должны соответствовать данным табл. 1, 2, 3 и 4.
С увеличением массовой доли углерода в кордовой стали с 0,70 до 0,92%, с возрастанием ее предела прочности, с уменьшением относительного удлинения и сужением поперечного сечения проволоки в значительной степени усиливается технологическая зависимость технологичности металла и его качества от содержания неметаллических включений.
Таблица 3. Требования к механическим свойствам стали для металлокорда (по ТУ 14-1-4752-89)
Таблица 4. Требования по неметаллическим включениям в стали для металлокорда (по ТУ 14-1-4752-89)
Частота обрывов корда при волочении и свивке находится в прямой зависимости от временного сопротивления стали разрыву и от содержания неметаллических включений. При этом до 80% обрывов проволоки при производстве корда связано с наличием недеформируемых оксидов в месте ее разрыва.
Практика отечественных предприятий подтверждает эти выводы. Например, в работе [2] сформулированы основные требования к кордовому металлу, гарантирующие достижение качественных показателей:
Обеспечение минимального содержания примесей цветных металлов;
Управление количеством и составом неметаллических включений;
Химическая неоднородность кордовой стали.
Требования к качеству кордовой стали однозначно предполагает использование современных технологий как для выплавки, так и для внепечной обработки, что позволит наряду с высокими экономическими показателями решать проблему качества. Учитывая объемы возможного потребления кордовой стали, наиболее предпочтительным комплексом
для решения задачи является современный мини-завод, оснащенный современным сталеплавильным агрегатом и мощным комплексом вне-печной обработки [3].
Основные технологические особенности производства стали на современных мини-заводах
Так как современное производство ориентируется на наиболее современные способы выплавки, к которым относятся кислородно-конвертерный и электросталеплавильный методы, а также, учитывая, что рынок кордовой стали несопоставим по масштабам с рынком конструкционных или автомобильных сталей, следовало ожидать, что появятся технологии производства кордового металла, привязанные к электросталеплавильному производству. При этом современный электросталеплавильный процесс по существу аккумулировал в себе наиболее эффективные приемы, созданные не только в мартеновских и конвертерных, но даже доменных цехах [17], что позволяет уже сейчас производить металл в ритме конвертерного производства с самым высоким качеством. При этом вследствие интенсификации процесса, а также ввиду специфических особенностей шихтовых материалов, используемых при электроплавке, получение качественного металла в электропечи является более сложной задачей по сравнению с конвертерным производством и требует дополнительного изучения.
Динамичное развитие электросталеплавильного производства в 80-х годах характеризовалось существенным улучшением основных показателей технологического процесса: за десятилетие производительность ДСП увеличилась на 30 %, расход электроэнергии сократился на 25 %, расход электродов вдвое [17], появились принципиальные новые агрегаты и устройства [20]-[25]. Внепечная обработка является главным, но не единственным технологическим этапом, обеспечивающим производство и качество металла в условиях мини-завода - от качества "полупродукта", полученного в электропечи, в значительной степени зависят издержки и достигаемые в результаты всего процесса в целом.
Кроме того, далеко не все действующие производства имеют в своем составе установки "ковш-печь" и дегазации, а возможность простейших установок, какими являются установки продувки стали в ковше инертными (нейтральными) газами, ограничены. Существует и проблема снижения издержек производства, то есть достижение требуемого результата с использованием минимального набора технологического оборудования и технологических переделов. То есть электропечь, будучи обязательным этапом технологической цепочки мини-завода, является и ключевым элементом обеспечения качества металла.
Отсечка печного шлака при выпуске обеспечивает эффективную внепечную обработку стали за счет исключения попадания окисленного печного шлака в ковш при выпуске, а, следовательно, способствует снижению окисленности в системе "металл-шлак". Кроме того он обеспечивает сокращение длительности цикла плавки на 4-5 мин.; обеспечивает работу по системе "жидкого" старта, позволяет снизить нагрев металла на 25-30 С, ведет к снижению расхода электродов на 6 % и электроэнергии на 20-30 кВт-ч/т, к повышению качества стали. Наибольшее распространение получил внецентренный донный выпуск (ЕВТ - eccentric bottom tapping). По данным фирмы "Koppel Steel" ("Коппель етил"), США, перевод сверхмощной дуговой печи в Пенсильвании на донный выпуск дал годовую экономию около 1 млн. долл., а на заводе фирмы "Со- Steel Raritan" ("Ко-стил раритан"), США, после оснащения дуговой печи системой донного выпуска ее производительность повысилась на 11-12 тыс. т/год [37].
Этот технологический прием рассматривался вначале как способ надежной отсечки шлака при выпуске плавки, но вскоре выявились его собственные достоинства: остаток металла закрывает подину и защищает ее от возможности прожога мощными дугами, что позволяет в течение 1-2 мин. выйти на предельную мощность печи. Кроме того, оставшийся шлак способствует ускорению наведения шлака последующей плавки и устойчивому горению дуг, обеспечивает возможность интенсивного вдувания кислорода с самого начала плавки. Основным отличием этой, уже распространенной, технологии является то, что металл выпускают в ковш без шлака, а весь шлак и 10-15 % металла остаются в печи на последующую плавку [38]. При свободном горении дуги степень передачи ее энергии ванне составляет 36 %. Если дуга наполовину своей длины или полностью погружена в шлак, то степень передачи ее энергии ванне увеличивается и составляет от 50 до 100 %. Кроме того, когда дуги погружены в шлак, значительно уменьшаются колебания силы тока и напряжения, что позволяет увеличить подводимую мощность и длину дуг. При увеличении длины дуг ток уменьшается. В результате этого, а также меньшего бокового расхода при экранировании шлаком снижается расход электродов.
Выплавка полупродукта в дуговой печи
Подбор состава шихты и самих шихтовых материалов является одним из определяющих факторов в производства качественной кордовой стали. Металлошихта для выплавки кордовой стали состоит из качественного металлического лома категории "А" (обычно используется пакетированные отходы автолистового металла со штампового производства различных автомобильных заводов), передельного чугуна в чушках и металлизованных окатышей. Лом и чугун загружают в печь совместно, в одной корзине, всего на плавку требуется 1 или 2 корзины, в зависимости от доли лома в шихте и, следовательно, насыпной плотности шихты. Подача окатышей в печь осуществляется из накопительных бункеров по системе транспортеров.
Подача начинается после расплавления большей части лома и чугуна, продолжается в течение всего процесса доводки и заканчивается за 5... 10 мин. до выпуска. В качестве шлакообразующего материала используется известь собственного производства (в состав завода входит цех по производству извести, оборудованный 2 обжиговыми печами). Усредненный химический состав шихтовых материалов приведен в табл. 13. Основные статистические характеристики химического состава шихтовых материалов приведены в табл. 14 и 15. Для стального лома категорий 8А... НА (лом, отходы и изделия из холоднокатаного листа химический состав которых соответствует маркам стали 08Ю, 08КП, 08ПС по ГОСТ 9045) регламентируется содержание цветных металлов (табл. 16). Габариты пакетов должны, в зависимости от категории, иметь размеры от 500 х 500 х 600 мм до 2000 х 1050 х 750 мм. Используемая для наведения шлака известь изготавливается непосредственно на предприятии в известково-обжиговом цехе. Усредненный химический и фракционный состав извести приведен в табл. 17. Все вышеприведенные данные о химическом и габаритном составе шихтовых материалов свидетельствуют о стабильности состава металлической части шихты. Заметные отклонения параметров состава извести можно объяснить тем, что при дефиците извести на рядовых марках стали может использоваться недопал извести с содержанием СаО 65. ..67%, что подтверждают данные входного контроля (табл. 18, рис. 12). Загрузка металлошихты осуществляется с помощью специальных корзин (бадей) в два приема — завалка (основная) и подвалка. При использовании в составе шихты более 50 % металлизованных окатышей подвалка не производится. Для шихтовки углеродистых и низколегированных плавок загрузка корзин металлоломом по видам и массе осуществляется в последовательности, представленной в табл. 19. Расплавление шихты сопровождается образованием первичного жидкоподвижного шлака, 2/3 которого обычно удаляется из печи к моменту полного расплавления. Состав этого шлака приведен в табл. 20. Металлизованные окатыши начинают присаживать в печь после
Исследование опытных данных методами множественного регрессионного анализа
Статистический анализ первичной технологической информации показал, что значимые связи между вдуваемым объемом кислорода и активным кислородом, растворенным в металле отсутствуют (рис. 29, стр. 84), что свидетельствует о многофакторности и нелинейности процесса его взаимодействия с расплавом. С помощью пошагового и весового регрессионного анализа (табл. 30) установили, что наиболее значимые связи существуют между растворенным кислородом и содержанием компонентов в шлаке. Пошаговый регрессионный анализ предполагает многократное вычисление коэффициентов регрессионного уравнения, исключая на каждом этапе те факторы, частные корреляции которых с исследуемой величиной наименее значимы (г 0,3...0,5). Весовой метод отличается тем, что исключение факторов производится по оценке их влияния на общий коэффициент корреляции — исключается тот фактор, чье влияние минимально при данном наборе факторов. Следует отметить, что оба метода дали одинаковые наборы факторов, однако некоторые факторы ((СаО), (ЛІ2О3)) были исключены в силу того, что оценка их влияния на активность кислорода не может считаться физически обоснованной.
Наиболее простым и очевидным подходом к описанию взаимодействия может стать предположение о том, что растворение газообразного кислорода в металле происходит по следующей реакции:
Процесс насыщения расплава кислородом в зависимости от его продолжительности, по всей видимости, должен иметь нелинейный характер. Можно также предположить, что форма этой зависимости будет близка к логарифмической (ур. 4). где Qo2 — расход газообразного кислорода, к — коэффициент уравнения, который будет найден в дальнейшем методом регрессионного анализа исходных данных.
Однако диапазон концентраций кислорода, которые наблюдается в системе, позволяет предположить, что в данном случае зависимость можно условно считать линейной, т. к. перенасыщения раствора кислородом не происходит.
Оценка роли шлаковой фазы в формировании окисленности расплава в ДСП
Источниками формирования шлака в печи к моменту окончания процесса доводки являются два вида оксидов: сформировавшиеся за счет окисления примесей и поступившие в печь с шихтой.
Среди шихтовых материалов основными источниками поступления готовых оксидов являются известь (вносит СаО и MgO) и металлизован-ные окатыши (вносят Si02 и FeO). В табл. 31 приведены данные о массе оксидов вносимых с компонентами шихты при средней массе шихты. Оценить массу шлака в период доводки плавки можно косвенно по массе присаженной извести, которая точно известна, а также учитывая информацию о первичном шлаке приведенную выше. На основе статистического анализа информации о присадках извести в окислительный период плавки, была рассчитана масса шлака, находящегося в печи, по известному составу шлака.
Данная формула позволяет оценить массу шлака приблизительно, т. к. содержание СаО может значительно различаться. Средняя величина массы шлака, вычисленная по формуле (12), и статистические характеристики приведены в табл. 32.
Рассчитав массу шлака для каждой плавки можно аналогичным способом вычислить массы составляющих шлак оксидов.
Для опытного массива средняя масса присаживаемой извести равна 5700 кг. При среднем содержании СаО в извести 94 % за всю плавку в печь присаживается 5360 кг чистого СаО. Согласно данным табл. 20, масса СаО в первичном шлаке составляет 1550 кг или 29 % от общей массы СаО. Таким образом, можно считать, что 30 % от массы извести расходуется на образование первичного шлака и удаляется вместе с ним, а 70 % или, в среднем, 3800 кг остаются в печи вплоть до выпуска плавки. Учитывая эти соотношения можно оценить массу шлака по известной массе извести (рис. 71).
Металлизованные окатыши вводимые в расплав, ведут не только к увеличению окисленности шлака, но и существенно влияют на свойства самой металлической ванны вследствие присутствия в их составе и других компонентов, в том числе углерода (рис. 72). Это в свою очередь отражается на способе ведения плавки.
Зная массы (FeO) и (МпО), вносимые металлизованными окатышами, а также количество этих оксидов, образующихся в результате воздействия струи Ог, рассчитали общее содержание этих оксидов в шлаке, и сравнили с фактическими данными. Полученные результаты позволяют говорить о том, что предлагаемая зависимость адекватно описывает содержание компонентов шлака (рис. 73 и 74). Зависимость активности кислорода в металле от ряда факторов описали выражением:
В данном выражении присутствуют два члена непосредственно связанные со временем — 1п[0]г и 1п[0]о- При этом в модель приобретает кинетическую составляющую. Остальные параметры (массы оксидов, содержание углерода в ванне) также зависят от времени.
Если принять, что момент времени отвечающий состоянию [О]о характеризуется весьма малой величиной активности кислорода в металле при наличии сформировавшегося шлака и жидкой ванны, то такое состояние отвечает моменту окончания плавления шихты и началу интенсивного окисления примесей газообразным кислородом. Принимая, что [О]о = 0, рассчитали содержание кислорода в расплаве по уравнению (13) Эти же данные в абсолютных значениях приведены на рис. а расч., % масс.
Даннные табл. 33 демонстрируют количественную оценку модели прогноза содержания активного кислорода в конце плавки в ДСП.
Как было установлено, в период окислительного рафинирования происходит насыщения металлического расплава кислородом. В действующей технологии не предусмотрено специальных мер, направленных на понижение окисленности по ходу плавки. Для оценки возможности диффузионного раскисления металла за счет контакта с со шлаком были проведены расчеты окислительного потенциала шлака. Расчеты были выполнены по теории регулярных ионных растворов (теории Кожеуро 128
ва). По результатам расчетов показано, что фактические содержания кислорода в металле намного ниже равновесных (рис. 77), что свидетельствует об отрицательном отклонении окислительного потенциала системы от равновесия, а следовательно, нет оснований полагать, что диффузионное раскисление, т. е. переход кислорода из металла в шлак, будет иметь место. Следовательно, для управления окисленностью в сторону ее понижения необходимо предпринять меры по: прямому раскислению металла в печи; интенсификации массобменных процессов в металле.
Исходя из возможностей производства и особенностей технологии плавки предварительное раскисление металла в печи проводили путем инжекции углеродосодержащих материалов под шлак в расплав в потоке газа носителя. В качестве несущего газа использовали воздух или азот. Контроль окисленности металла проводился до и после вдувания наугле-раживателя при помощи кислородного зонда. Результаты эксперимента представлены табл. 34.
Как можно заметить, большее понижение активности кислорода в расплаве характерно для стали с большими значениями окисленности (рис. 78).
