Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 5
2. Методика проведения исследования 35
3. Анализ действующей технологии внепечной обработки стали предназначенной для производства толстолистового проката 40
3.1. Действующая технология производства стали для толстого листа 40
3.2. Статистический анализ влияния технологических параметров на качество толстолистового проката 42
3.3. Металлографические исследования металла, произведенного по исходной технологии 47
3.3.1 Исследование структуры дефектов металла 47
3.3.2. Исследование загрязнённости металла неметаллическими включениями и распределения включений по размеру и по сечению сляба в стали, выплавленной по действующей технологии
4. Разработка технологии внепечной обработки в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь» 70
4.1 Разработка технологии производства, обеспечивающей снижение содержания вредных цветных примесей . 70
4.2 Разработка технологии внепечной обработки с применением карбида кальция. 73
4.2.1 Определение требуемого количества карбида кальция 74
4.2.2 Проведение опытно-промышленных плавок с исключением вакуумной обработки и исследование качества металла 79
5. Экономическая эффективность процесса 98
6. Выводы 100
7. Библиографический список 102
8. Приложение 1 111
9. Приложение 2 119
- Действующая технология производства стали для толстого листа
- Исследование загрязнённости металла неметаллическими включениями и распределения включений по размеру и по сечению сляба в стали, выплавленной по действующей технологии
- Разработка технологии производства, обеспечивающей снижение содержания вредных цветных примесей
- Проведение опытно-промышленных плавок с исключением вакуумной обработки и исследование качества металла
Введение к работе
Одним из важнейших направлений развития металлургии черных металлов является повышение качества выпускаемой металлопродукции при одновременном снижении ее себестоимости.
Решение данной проблемы определяется совершенствованием процесса производства стали на каждом этапе металлургического передела.
Многочленными исследованиями показано, что одним из основных факторов, определяющих конечные свойства металлопродукции, является количество, морфология и распределение неметаллических включений в стали.
Поэтому присутствие в стали нежелательных включений может нивелировать все усилия, затраченные на разработку ее состава и технологию производства.
Опыт показывает, что регулирование состава, морфологии, количества и распределения включений в стали является важным резервом гарантии свойств металлопродукции.
Современные металлоконструкции и их элементы часто подвержены сложным режимам эксплуатации с широким интервалом нестационарных температурно-скоростных и баромеханических воздействий. Надежность работы изделий в таких условиях существенно зависят от структурного состояния, в том числе от природы, количества и распределения неметаллических включений, эволюции пластического течении и микроразрушений, связанных с неметаллическими включениями.
Рациональное раскисление металла и шлака является важнейшей операцией сталеплавильного производства и непосредственно влияет на количество неметаллических включений и их свойства. Выбор типа раскислителя и технологии раскисления каждое металлургическое предприятие решает по-своему. В настоящее время широкое применение нашли различные металлические и неметаллические материалы, используемые для раскисления металла. К ним относятся традиционные чушковый и порошкообразный алюминий, ферросплавы и нашедшие применение в последнее время отходы металлургических производств: шлаки алюминиевого, ванадиевого и абразивного производств, карбид кремния. В настоящее время стало совершенно очевидным, что использование различных видов и приемов технологии внепечной обработки металлического расплава позволяет решать многие проблемы, в каждом конкретном производстве, в том числе:
- регулировать количество и состав неметаллических включений;
- снижать себестоимость стали за счет оптимизации металлургических переделов, применительно к конкретным условиям производства;
- обеспечить требуемое качество получаемой продукции.
Поэтому работы направленные на дальнейшее совершенствование приемов внепечной обработки в каждом конкретном производстве являются безусловно перспективными и актуальными. Предпосылкой для выбора приемов внепечной обработки должно быть комплексное исследование металла на различных этапах металлургического передела.
Такая проблема в полной мере обозначилась на ОАО "Северсталь" применительно к производству толстого листа ответственного назначения, сталь для которого выплавляется в сверхмощной шахтной электропечи нового типа и разливается на слябовой УНРС вертикального типа. Побудительными причинами были, с одной стороны, не устранявшиеся при существующей технологии некоторые дефекты готового листа и, с другой стороны, возникшая по производственной необходимости ситуация, при которой приходилось отказаться от вакуумной обработки значительной части металла перед разливкой и разработать взамен новые приемы внепечной обработки.
Результатом проведенных работ явилось формирование достаточно четких представлений о природе имевшихся дефектов толстого листа и возможных путях их устранения и, в конечном итоге, разработка и внедрение новой технологии внепечной обработки при его производстве.
Действующая технология производства стали для толстого листа
Углеродистый полупродукт выплавляют в дуговой шахтной производительностью 145-150 т/час за фактически отработанное время. Шахтная печь оснащена 4 газокислородными горелками мощностью 3,2 Мвт каждая, 4 инжекторами и сводовой кислородной фурмой. Мощность печного трансформатора - 86МВА. Диаметр электродов — 610мм. Диаметр распада электродов - 1100мм. Шихтовка плавки состоит из 100 % металлолома или жидкого чугуна (до 40 %) и металлолома. Скрап загружается через шахту в рабочее пространство печи. Плавка ведется с болотом, жидкий чугун подается по желобу через 2...3 мин после включения печи. С помощью системы подачи порошков на границу шлак — металл подается порошкообразный кокс для вспенивания шлака. Шлак при этом спускается через порог. Плавка ведется таким образом, чтобы обеспечить температуру металла перед выпуском 1600-1680 С, химический состав должен соответствовать требованиям нормативно-технической документации, при этом содержание углерода не должно быть менее 0,035 %.
Выпуск металла из печи производится в разогретый сталеразливочный ковш (температура футеровки не менее 900 С), оборудованный пористой пробкой для продувки металла аргоном и шиберным затвором.
При выпуске в сталеразливочный ковш через эркерное отверстие в ковш добавляются ферросплавы из расчета получения кремния, марганца, хрома на нижнем пределе марочного содержания, 200-250 кг чушкового алюминия, до 10 кг/т извести и до 5 кг/т плавикового шпата. Суммарное количество ферросплавов, присаживаемых в ковш не превышает 3 тонн. Также осуществляется отсечка печного шлака, чтобы обеспечить попадание его в ковш в количестве не более 1,0 т. После выпуска сталеразливочный ковш транспортируется на установку вакуумирования стали. Вакуумная обработка металла осуществляется в течение не менее 12 минут при остаточном давлении в камере не более 0,5 мм. рт. ст. Температура металла перед вакуумированием не менее 1580 С.
После вакуумирования ковш переставляется на установку печь-ковш, где производится окончательная доводка металла по химическому составу и нагрев до требуемой температуры перед разливкой. Допускаются присадки извести и плавикового шпата для получения гомогенного жидкотекучего шлака. При необходимости металл легируется ванадием и ниобием. Алюминий подается в виде проволоки через трайб-аппарат. После усреднительной продувки (3-5 минут) вводится силикокальциевая проволока ( 200 метров). Перед подачей ковша на разливку осуществляется рафинирующая продувка аргоном без оголения металла в течение не менее 1 минуты.
Металл разливают на слябовой вертикальной УНРС-1 в соответствии с действующей технологической документацией. Температура металла в сталеразливочном ковше перед разливкой и в промежуточном ковше устанавливается в зависимости от марки разливаемой стали, номера плавки в серии и сечения непрерывнолитой заготовки. Рабочая скорость разливки устанавливается в зависимости от разливаемой марки стали и сечения непрерывнолитой заготовки.
Для определения связи технологии обработки металла и образования дефектов проведен статистический анализ влияния технологических параметров на образование дефектов проката, металлографическое исследование состава и распределения неметаллических включений в металле, дефектов УЗК в листе и их связи с технологией производства металла. 3.2. Статистический анализ влияния технологических параметров на качество толстолистового проката
Проведен статистический анализ влияния отдельных параметров внепечной обработки и разливки стали на частоту появления поверхностных и внутренних дефектов литого сляба и толстолистового проката. Для оценки влияния исследуемых параметров на качество металла построены графики парной зависимости и проведен корреляционный анализ. Критерием величины влияния каждого параметра являлся коэффициент детерминации R2.
В результате проведенного анализа установлено, что при превышении расхода алюминиевой проволоки более 0,44 кг/т возрастает отсортировка толстого листа по неметаллическим включениям. Отсортировка толстого листа по трещине (рис. 3.2. и 3.3.) зависит от содержания цветных примесей, причём на отсортировку листа по трещине высокопрочной судостроительной стали типа АБ2-1 цветные примеси оказывают более сильное влияние, чем на отсортировку листа стали типа 10ХСНД, 09Г2С, LRA, G65, что связано со схемой легирования этих сталей и разной растворимостью и поверхностной активностью цветных примесей в матрице этих сталей. Экстраполируя зависимости отсортировки листа по трещине от содержания цветных примесей на значение отсортировки менее 10 %, получаем предельные значения их допустимого содержания (таблица З.1.).
Исследование загрязнённости металла неметаллическими включениями и распределения включений по размеру и по сечению сляба в стали, выплавленной по действующей технологии
Металлографическими исследованиями трещин на поверхности образца кремнемарганцевой судостроительной стали после испытания на изгиб (рис.3.4) было установлено, что в зоне дефекта наблюдается растрескивание по границам зёрен (рис.3.5.).
Рентгеноструктурное исследование границ зёрен выявило повышенное содержание цинка, меди, хрома. Также было определено, что растрескивание может происходить по ослабленным неметаллическими включениями зонам металла (рис.3.6).
При исследовании неметаллических включений (рис.3.7.) рентгеноструктурным анализом выявлено: а — повышенное содержание натрия во включении, что доказывает их шлаковое происхождение, б — в металле по межфазной границе также наблюдается повышенная концентрация цинка, меди, хрома. Таким образом, образование приводящих к отсортировке поверхностных трещин проката происходит по ослабленным повышенным содержанием легкоплавких цветных примесей границам зёрен. Развитие трещины усугубляется присутствием крупных неметаллических включений шлакового происхождения. Результаты рентгеноструктурного исследования границ полностью совпадают с выводами по результатам статистического анализа об отрицательном влиянии цветных примесей на отсортировку толстого листа по трещине. x100
Исследование загрязнённости металла неметаллическими включениями и распределения включений по размеру и по сечению сляба в стали, выплавленной по действующей технологии
Из результатов определения изменения загрязненности неметаллическими включениями (рис. 3.8., 3.9.) следует, что при существующей технологии исходный уровень содержания неметаллических включений в металле перед вакуумной обработкой колеблется в широких пределах в пределах: от 0,021 до 0,287 объемных процентов. Различный исходный уровень загрязненности, прежде всего, связан с организацией выпуска и количеством печного шлака, попадающего в сталеразливочный ковш на выпуске из печи. Можно предположить, что включения представляют собой частицы окислившегося на выпуске кремния и марганца, элементы попавшего в металл печного шлака и продуктов его взаимодействия с алюминием, а так же частицы, образующиеся в результате размывания футеровки сталеразливочного ковша.
После вакуумной обработки общее содержание неметаллических включений существенно снижается и находится в пределах от 0,00006 до 0,0026 объемных процентов. Таким образом, количество неметаллических включений в процессе вакуумной обработки снижается относительно исходного уровня на один...два порядка, т.е. происходит удаление от 90 до 99 % включений.
Дальнейшая обработка на установке «печь-ковш» может приводить как к уменьшению, так и к некоторому увеличению уровня загрязненности металла неметаллическими включениями (рис.3.8., 3.9.). Последующее определение уровня загрязненности неметаллическими включениями показало, что в промежуточном ковше, как правило, происходит дальнейшее снижение количества неметаллических включений (рис 3.8.). Однако, как и в случае с обработкой расплава на установке «печь-ковш» на отдельных плавках наблюдается рост объемной доли неметаллических включений в пробах металла, отобранных из промежуточного ковша (рис. 3.9.) Следует отметить, что такая ситуация возможна, прежде всего, в случае неудовлетворительного контроля состояния защиты металла от вторичного окисления на участке «стальковш -промковш». В таблице 3.2. представлены средние значения объёмной доли неметаллических включений по этапам технологического передела. Таблица 3.2.
Наряду с общим уровнем загрязненности металла неметаллическими включения, важнейшим показателем, характеризующим технологию производства стали и определяющим качество конечной продукции, является распределение включений по размеру.
Однако, наличие таких включений может привести к образованию несплошностей в прокате и отсортировке продукции при ультразвуковом, контроле. В целом существующая технология, обеспечивает получение в горячекатаном листе неметаллических включений достаточной дисперсности. Анализ изменения характера распределения неметаллических включений по размерам на различных этапах-сталеплавильного процесса также подтвердил сделанный ранее вывод о том, что определяющая роль в, обеспечении получения качественной продукции принадлежит процессу вакуумной обработки расплава. После вакуумной обработки происходит практически полное удаление крупных неметаллических включений; а типичными являются включения размером менее 20 мкм: Появление некоторого количества более крупных включений происходит на этапе обработки\ на установке «печь-ковш» и в процессе непрерывной разливки.
Разработка технологии производства, обеспечивающей снижение содержания вредных цветных примесей
Проведенным в настоящей работе статистическим анализом влияния различных технологических параметров на качество готовой продукции и металлографическими исследованиями структуры горячекатаного листа было установлено, что для обеспечения получения качественной продукции необходимо получение стали с содержанием цветных примесей (Zn+Pb+Sn) не более 0,03 %.
Для разработки технологии, обеспечивающей выполнения данного требования были проанализированы возможные пути попадания цветных примесей в металл: Возможны два пути попадания цветных примесей в сталь: - копровый лом; - легирующие материалы. Для оценки влияния копрового лома было изучено содержание цветных примесей (Sn, Pb и Zn) в готовом металле при различном соотношении чугуна и лома в завалке. Результаты представлены в таблице 4.1. Очевидно, что увеличение доли чугуна в завалке позволяет получать более чистую по цветным примесям сталь. Однако, количество чугуна в завалке ограничивается особенностями процесса выплавки стали в шахтной печи, с одной стороны, и необходимостью снижения себестоимости продукции, с другой стороны. В связи с этим, наиболее оптимальным является путь снижения содержания цветных примесей за счет изменения схемы легирования. Таблица 4.1 Влияние количества копрового лома в металлозавалке на содержание цветных примесей в готовом металле.
По действующей технологии применяется лигатура производства «Вологдавтормет», которая содержит цинк до 2,55%, свинец до 0,26 % и олово до 0,24 %. Таким образом, применение более чистой лигатуры позволит обеспечить получение качественной металлопродукции. В связи с этим было предложено применять чистую медь (99 % Си) при производстве стали ответственного назначения. Были проведены более 300 опытных плавок различного назначения (для мостостроения, конструкций, судостроения и т.д.) с применением чистой меди для легирования.
Ранее были сформулированы основные требования к разрабатываемой технологии, которая должна обеспечить необходимый уровень загрязненности стали неметаллическими включениями, при одновременном получении неметаллической фаза благоприятной морфологии, снижение расхода алюминия и исключения из технологической цепочки этапа вакуумной обработки расплава. Обеспечить чистый металл по неметаллическим включениям при исключении этапа вакуумирования стали возможно в случае перехода с осаждающего раскисления на диффузионное, а снижение расхода алюминия при одновременном формировании необходимых алюминатов кальция возможно в случае применения в качестве раскислителя кальция, обладающего не меньшей чем алюминий раскислительной способностью (рис. 4.1.) и являющийся модификатором неметаллических включений. В связи с этим в настоящей работе была разработана технология диффузионного раскисления стали карбидом кальция в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь».
Согласно требований ТУ, ГОСТов и т.д. требуется получение алюминия в готовом прокате не менее 0,02%. В связи с этим разрабатываемая технология должна обеспечить такой уровень содержания кислорода, при котором вводимый на УПК алюминий максимально растворялся в металле без образования неметаллических включений. Исходя из этого был проведен расчет требуемого количества карбида кальция.
Константа равновесия данной реакции определяется авторами по-разному и зависит от условий определения. На основании литературных данных при 1873К значение константы равновесия KAi колеблется в пределах 2 10"14 - 2,8 10"9 [17]. Поэтому возникла необходимость определения равновесного значения активности кислорода в металле в условиях ЭСПЦ ОАО «Северсталь» при содержании алюминия в расплаве не менее 0,02 % . Равновесную активность кислорода определяли методом разности потенциалов (ЭДС). Применяемая система Celox может быть представлена в следующем виде:
Mo /Cr + Cr203 // Zr02 MgO // (О) Fe / Fe Токосъёмник/Этал.электрод/Тверд. электролит/ Анализ. металл/Токосъёмник
Уравнение, связывающее температуру (С), ЭДС (мВ) и активность кислорода зонда Celox, имеет вид: log а(О) = 1,36 + 0,0059 (Е + 0,54 (Т-1550)+ 0,0002 Е (Т-1550), где а(О) - активность кислорода, ррт, Е-ЭДС,мВ, Т - температура металла, К. В результате проведенных замеров было определено, что среднее значение активности кислорода после окончательного введения алюминия на установке печь-ковш составляет а0= 0,0004.
При диффузионном раскислении активность кислорода в металле определяется, прежде всего, активностью (FeO) и (МпО) в шлаке. Исходя из этого были рассчитаны активности этих компонентов, при которых будет достигаться значение активности кислорода, равновесное с 0,02 % алюминия в металлическом расплаве.
Проведение опытно-промышленных плавок с исключением вакуумной обработки и исследование качества металла
Для разработки технологии диффузионного раскисления на первом этапе необходимо было провести экспериментальное подтверждение проведенных ранее расчетов количества необходимого карбида кальция для достижения требуемого уровня окисленности расплава ( 0,0005). Была проведена серия экспериментальных плавок с отдачей на УПК на шлак карбида кальция в количестве от 10 до 150 кг и контролем окисленности расплава методом ЭДС.
Для доказательства факта диффузионного раскисления были проведены замеры плотности шлака после выпуска металла из шахтной дуговой печи и перед вводом в металл алюминиевой проволоки, то есть до и после присадок карбида кальция. Плотность шлака из стальковша определяли обычным взвешиванием шлака на электронных весах (ГОСТ 24102, погрешность 0,1 гр.). Затем в цилиндр (ГОСТ 1770-74) с дистиллированной водой (ГОСТ 6709) высыпали шлак и определяли изменение объема. Фактическая плотность шлака в сталеразливочном ковше: после выпуска — 3,4 г/см , перед вводом алюминиевой проволоки - 3,05 г/см . Таким образом, учитывая, что плотность карбида кальция - 2,2 г/см , то есть ниже плотности шлака, можно утверждать, что карбид кальция будет находиться в шлаке, а не в металлическом расплаве. На основании теоретических расчетов и проведенных экспериментальных плавок была предложена технология внепечной обработки трубных марок стали, исключающая вакуумную обработку расплава и осаждающее раскисление алюминием. Выплавка полупродукта и выпуск из шахтной печи проводится по базовой технологии. Температура металла перед выпуском из печи составляет- 1620...1640 С.
При выпуске в сталеразливочный ковш через эркерное отверстие в ковш добавляются ферросплавы из расчета получения кремния, марганца, хрома на нижнем пределе марочного содержания, до 10 кг/т извести и до 5 кг/т плавикового шпата. Суммарное количество ферросплавов, присаживаемых в ковш не превышает 3 тонн. Также осуществляется отсечка печного шлака, чтобы обеспечить попадание его в ковш в количестве не более 1,0 т. После выпуска сталеразливочный ковш транспортируется на УПК, где проводится подогрев шлака в течение 2-3 минут на 4-6 ступени напряжения. Затем шлака раскисляется порциями карбида в количестве до 0,8 кг/т. После раскисления шлака осуществляется окончательная доводка металла по химическому составу и нагрев металла до требуемой температуры перед разливкой. При необходимости металл легируется ванадием и ниобием. Вводится алюминиевая проволока и для ряда сталей присаживается бор и титан. Контроль содержания алюминия осуществляется замером активности кислорода и в случае необходимости вводится дополнительное количество алюминиевой проволоки. На заключительном этапе осуществляется ввод силикокальциевой проволоки и рафинирующая продувка расплава аргоном без оголения металла не мене 1 минуты. Разливка металла проводится на слябовой УНРС-1 в соответствии с действующей технологической документацией. Оценку эффективности предложенной технологии проводили по нескольким направлениям: анализ состава шлака на установке «печь-ковш», определение степени усвоения раскислителей и легирующих, изучение степени загрязненности металла неметаллическими включениями и их морфологии, определение прочностных и вязкостных характеристик металла и анализ качества горячекатаного проката.
Дальнейшее изучение предлагаемой технологии проводилось в направлении металлографических исследований неметаллической фазы. Исследование проводилось на образцах металла плавок №№ 01071 и 01072, сталь Зсп, и плавке № 01091, сталь NVA 32. Исходный уровень загрязненности металла перед обработкой на УПК практически не отличался от образцов плавок, проходивших в дальнейшем вакуумную обработку.
В пробах металла после обработки на УПК содержание неметаллических включений в объемных процентах не превышало на всех исследованных образцах загрязненности металла на плавках, подвергавшихся предварительной вакуумной обработке, и составляло от 0,0003 до 0,0007 объемных %.
Также с помощью рентгеноспектрального анализа был изучен состав типичных неметаллических включений (рис 4.9) в металле, выплавленном по предлагаемой технологии. Установлено, что в металле, обработанном карбидом кальция, присутствуют включения алюмосиликатов кальция переменного состава, как правило, в оболочке сульфида марганца, также отдельные мелкие включения алюмосиликатов марганца и кальция с примесью титана и магния (рис. 4.10).
Похожие диссертации на Разработка и внедрение технологии внепечной обработки стали с применением карбида кальция в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО "Северсталь"
