Введение к работе
Актуальность работы
В разработанных Правительством Российской Федерации основных направлениях развития металлургического комплекса на период до 2010 года указано, что стратегической целью развития металлургии в первом десятилетии нового века является обеспечение поставок конкурентоспособной металлопродукции на внутренний рынок России и на мировой рынок, повышение уровня ее технологической готовности. Рост конкурентоспособности должен осуществляться путем проведения мероприятий, обеспечивающих уменьшение расхода всех видов ресурсов и производство сталей высокого качества, что является актуальнейшей задачей черной металлургии.
В настоящее время методы повышения качества стали основаны на рафи
нировании металла от вредных примесей, легировании и улучшении его струк
туры (модифицировании, варьировании условий кристаллизации). Для этих це
лей используются получившие распространение в последние годы методы вне-
печной обработки стали (обработка инертными газами, шлаковыми смесями,
вакуумирование и т.д.), непрерывной разливки стали, которые постоянно изме
няются и совершенствуются, а также традиционная обработка стали ферро
сплавами для ее легирования, раскисления, модифицирования и рафинирова
ния, при этом значительных изменений в сортаменте и качественных характе
ристиках ферросплавов за последние 20-30 лет не наблюдается. В то же время
позитивные изменения в технологии получения стали вызывают необходимость
в разработке наряду с существующими новых видов ферросплавов. Для ковше
вой обработки стали требуются ферросплавы, обладающие низкой температу
рой кристаллизации, незначительной окисляемостью в твердом и жидком со
стояниях, высокой скоростью плавления и не приводящие к значительному
снижению температуры стали в ковше вследствие тепловых эффектов раство
рения. Требует более широкого развития производство ферросплавов для мик
ролегирования и модифицирования стали - высокоэффективных и экономич
ных методов улучшения качества стали, воздействующих на механизм кри
сталлизации, измельчение макро- и микроструктуры, природу, форму и топо
графию неметаллических включений (НВ) и других вторичных фаз посредст
вом очень малых (0,05 - 0,2 %) добавок модифицирующих и микролегирующих
элементов. Ввод наиболее распространенного элемента-раскислителя - алюми
ния производится в настоящее время в основном в виде чушкового вторичного
алюминия и сопровождается низким и нестабильным усвоением последне
го, что вызывает необходимость изменения метода ввода алюминия в же
лезоуглеродистый расплав. _._.
РОС,НАЦИОНАЛЬНАЯ І БИБЛИОТЕКА {
» оэ m^txtjjQS
Таким образом, обеспечение черной металлургии высокоэффективными ферросплавами для обработки различных марок стали, в том числе сплавами нового поколения, является насущной проблемой металлургии стали и ферросплавов.
Однако заметных результатов в повышении качества ферросплавов, приводящих к увеличению степени перехода ведущих элементов в сталь, а также увеличению выпуска ферросплавов с микролегирующими и модифицирующими компонентами, не наблюдается. Отставание в этой области производства во многом связано с отсутствием необходимого сырья, эффективных малоотходных и экологически безопасных технологий получения новых сплавов и соответствующих научных изысканий в этой области.
Новые высокоэффективные ферросплавы могут содержать наряду с широко используемыми элементами ранее не применявшиеся компоненты в наиболее благоприятных сочетаниях. Их физико-химические свойства должны оказывать требуемое воздействие на расплав при меньшем их расходе по сравнению со стандартными сплавами или приводить к большему эффекту при одинаковом расходе.
Для каждого нового ферросплава эффективность его применения для раскисления, микролегирования и модифицирования железоуглеродистых расплавов достигается выбором оптимального вещественного состава и количественного соотношения элементов в сплаве с последующим определением рациональной и экономичной технологии получения этого ферросплава. В связи с этим разработка физико-химических и технологических основ формирования рационального состава этих ферросплавов, технологии их производства и применения составляет сущность научной проблемы, которой посвящена настоящая законченная научно-исследовательская работа.
Данная работа является продолжением научного направления, созданного и развиваемого в работах ГУ ИМет УрО РАН и ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы и 2001-2005 годы», направление «Развитие научных основ комплексного использования минерального сырья и создания новых материалов»; программы Минобразования РФ «Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии» (1999-2000 годы); программы Минобразования фундаментальных исследований по темам № 2029 «Разработка научных основ оптимизации состава и свойств комплексных ферросплавов» (1997-2001 годы) и «Разработка теоретических основ ресурсосберегающих технологий получения специальных сталей и сплавов»; грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук по теме № 2104 «Физико-химические основы процессов микролегирования и модифицирования стали комплексными ферро-
сплавами с ванадием» (2001-2002 годы) и теме № 2171 «Физико-химические основы процессов растворения и усвоение элементов комплексных ферросплавов при микролегировании и модифицировании стали» (2002-2004 годы).
Цель работы
Разработка метода конструирования рациональных композиций комплексных ферросплавов, эффективной технологии их получения и применения для раскисления, микролегирования и модифицирования стали на основе обобщения теоретических, экспериментальных и промышленных методов исследования.
Задачи исследования
-
Создание научно-обоснованного метода определения рационального состава комплексных ферросплавов.
-
Разработка и создание экспериментальной базы исследований на основе наиболее достоверных существующих и новых методов изучения характеристик ферросплавов.
-
Исследование физико-химических характеристик и создание ферросплавов для микролегирования, модифицирования и раскисления стали.
-
Создание и разработка эффективной технологии получения новых ферросплавов и их применения для обработки стали.
-
Промышленное опробование и внедрение технологии получения новых сплавов и их использования при обработке стали.
Научная новизна
Сформулированы основные положения метода определения рациональных составов ферросплавов, включающего предварительный целевой подбор элементов в сплаве, определение оптимального соотношения элементов сплава на основе изучения его физико-химических характеристик, разработку технологии получения ферросплава рационального состава и технологии выплавки стали с использованием нового вида ферросплава.
Разработана новая методика одновременного определения теплоемкости (Ср) и теплопроводности (к) ферросплавов в температурном интервале от комнатной температуры до жидкого состояния.
Усовершенствована программа определения времени плавления ферросплавов с введением в расчет полученных экспериментально физико-химических характеристик сплавов (теплопроводности, теплоемкости и др.).
Впервые для сравнения эффективности использования ферросплавов при обработке стали предложен коэффициент Кэф, учитывающий совместное влияние нескольких характеристик сплава (времени плавления, скорости окисления, плотности) с учетом температуры обрабатываемого расплава.
Для известных и новых ферросплавов на основе систем Fe-Si, Fe-Si-Ca, Fc-Al, Fe-V-Si-Ca-Ba-Al получены данные по температурному интервалу кри-
сталлизации, плотности при комнатных температурах, теплоемкости и теплопроводности при нагреве до жидкого состояния, кинетике окисления в жидком состоянии, теплоте плавления, времени плавления.
Разработаны новый комбинированный способ получения комплексного ферросплава на основе системы Fe-V-Si-Ca-Ba-Al и новый способ выплавки ферроалюминия в электропечи, на которые получены патенты РФ.
Практическая ценность
С использованием предложенного метода определения рационального состава ферросплавов разработаны комплексные ванадийсодержащие ферросплавы и ферроалюминий, которые защищены патентами РФ.
На основании проведенных лабораторных плавок, изучения механических свойств сталей, обработанных различными ванадийсодержащими сплавами, промышленной выплавки стали с использованием ванадиевых сплавов предложены как наиболее эффективные комплексные ванадиевые ферросплавы на основе системы Fe-V-Si-Ca-Ba-Al.
Разработана технология и освоено производство ферроалюминия марки ФАЗО на ООО «Нижнесаддинский металлургический завод» (0 0 0 НСМЗ).
Разработана технология раскисления сталей различных марок ферроалюминием ФАЗО взамен чушкового вторичного алюминия. Проведены исследования, освоено промышленное использование ферроалюминия на 15 металлургических предприятиях РФ, в том числе ОАО «Омутнинский металлургический завод» (ОАО ОМЗ), ЗАО «Нижнесергинский метизно-металлургический завод» (ЗАО НСММЗ), ОАО «Камасталь» и т.д.
Автор защищает:
1. Разработку метода определения рациональных композиций ферро
сплавов, включающего:
новые и усовершенствованные методики исследований физико-химических характеристик ферросплавов;
результаты расчетных и экспериментальных исследований характеристик и взаимодействия ферросплавов с металлическим расплавом;
обоснование новых рациональных составов ферросплавов, предназначенных для обработки стали в ковше.
-
Расчет и применение коэффициента эффективности использования ферросплавов, позволяющего сравнивать совместное влияние нескольких характеристик сплава на усвоение его ведущих элементов.
-
Разработку и внедрение в производство технологии получения ванадий- и алюминийсодержащих ферросплавов.
-
Разработку технологии применения алюминпйсодержащих ферросплавов при раскислении стали.
Апробация работы
Основные материалы и положения диссертационной работы доложены на Международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 1998 и 2001); на научно-технической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 1999 и 2001); научно-технической конференции «Экологическая безопасность Урала» (Екатеринбург, 2002); Международном конгрессе «300 лет Уральской металлургии» (Екатеринбург, 2001); X Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2001); научно-технической конференции «Гефест-2001» (Екатеринбург, 2001); Международной конференции «Современные проблемы металлургии» (Днепропетровск, 2001); Российско-Индийском симпозиуме «Металлургия цветных и редких металлов» (Москва, 2002); 6-м Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» (Курган, 2002); Международной научно-технической конференции Национальной металлургической академии Украины «Металлургическая теплотехника» (Киев, 2002); научно-практическом семинаре «Перспективные технологии в металлургии» (Екатеринбург, 2002); научно-технической конференции «Чистая Россия - 2002. Обращение с отходами - проблемы и решения XXI века» (Москва, 2002); VII Российском конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2002); Международной научно-технической конференции по производству ферросплавов (Запорожье, 2003).
Публикации
Результаты выполненных исследований опубликованы в 11 статьях, 2 препринтах, 22 тезисах докладов и трудах конференций, 4 патентах.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы - 265 страниц текста - включает 51 рисунок, 27 таблиц и список используемой литературы из 204 наименований.
