Введение к работе
доктор технических наук А.Н. Дмитриев
Актуальность работы В настоящее время более 30 % мирового производства стали выплавляется в дуговых электропечах. При этом одной из основных тенденций развития металлургии является опережающее развитие электропечного способа производства стали. Современные электросталеплавильные цехи оснащены сверхмощными печами (далее - ДСП) с удельной мощностью трансформатора более 500 кВА/т. В них расплавляют металлошихту и подвергают жидкий металл окислительному рафинированию, решая задачи удаления фосфора и нагрева металла до температуры выпуска. Полученный таким образом жидкий полупродукт доводится до стали средствами ковшовой металлургии.
Важнейшей частью технологии плавки полупродукта в ДСП является вспенивание шлака, имеющее целью экранирование мощных электрических дуг в конце расплавления и по ходу окислительного периода плавки. Укрытие горящих дуг хорошо вспененным шлаком приводит к значительному продлению ресурса футеровки ДСП, ускорению нагрева и плавления металла, снижению насыщения металла азотом. Однако сейчас резервы технологии вспенивания шлака используются не полностью. Это связано с тем, что до настоящего времени физические свойства шлаков, в т.ч. вязкость, изучались в диапазоне температур, не характерном для электропечных шлаков по ходу плавки в ДСП. Кроме того, улучшение вспенивания шлаков требует разработки рациональных режимов плавки, определяющих и протекание процессов рафинирования металла, и влияющих на стойкость футеровки ДСП, а также включающих режим продувки металла кислородом.
С другой стороны, важнейшей задачей является разработка методов контроля и автоматизации электроплавки, в частности, контроля качества вспенивания шлака по параметрам электрического режима. Актуальность исследований, позволяющих связать рациональный технологический и электрический режимы электроплавки, не вызывает сомнений.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», по программе ОХНМ РАН «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов», по программе ОХМН РАН «Создание новых видов продукции из минерального и органического сырья» - проект «Создание новых материалов - металлизованного концентрата и магнезиальных шлаковых смесей путем переработки минерального сырья, содержащего карбонаты железа и магния для применения в сталеплавильном производстве», по проекту Института металлургии УрО РАН «Экспериментальные исследования и математическое моделирование электрических и теплофизических процессов в ваннах электропечей с открытой дугой».
Цель работы – улучшение технико-экономических показателей работы сверхмощной ДСП и повышение качества выплавляемого в ней полупродукта за счёт совершенствования технологии плавки, создания и применения метода оперативного контроля качества вспенивания шлака.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являлись:
проведение одновременных измерений температур шлака и металла в конце расплавления и по ходу окислительного периода;
исследование влияния температуры шлака на процессы дефосфорации и рефосфорации полупродукта;
оценка вспениваемости шлаков, моделирующих электропечные, в диапазоне температур, характерном для них по ходу плавки полупродукта в ДСП;
изучение влияния химического состава и температуры шлаков, моделирующих электропечные, на их агрессивность к магнезиальным огнеупорам;
разработка и промышленные испытания технологических приёмов реализации рационального режима плавки в ДСП;
разработка метода оперативного контроля качества вспенивания шлака по параметрам электрического режима плавки в ДСП переменного тока.
Методы исследования Для решения задач исследования применён комплексный подход, включающий расчёты характеристик шлаков по полимерной теории строения шлаков, разработанной в ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», термодинамическое моделирование реакций в системе «металл-шлак» с помощью специальных компьютерных программ, экспериментальное изучение вязкости шлаков с помощью электромагнитного вибрационного вискозиметра, петрографические исследования электросталеплавильных шлаков, методы теории нелинейных электрических цепей и математической статистики, средства вычислительной техники.
Достоверность полученных результатов подтверждается практической реализацией разработанного режима плавки в ДСП, публикацией результатов в центральной печати и их апробацией на представительных научных форумах.
Научная новизна работы
Показана перспективность контроля температуры шлакового слоя в качестве дополнительного технологического параметра, позволяющего оценивать возможности рафинирования полупродукта и вспенивания шлака. Впервые исследовано влияние температуры шлака на процесс дефосфорации полупродукта в сверхмощной ДСП. Показано, что при прогнозировании минимально достижимого содержания фосфора в полупродукте по ходу плавки, а также содержания фосфора в полупродукте в конце плавки целесообразно ориентироваться на температуру шлака. Установлено, что наблюдаемый эффект рефосфорации в конце плавки объясняется, в основном, повышением температуры шлака, а не традиционно измеряемой по ходу плавки температуры полупродукта.
В диапазоне температур, характерном для промышленных электропечных шлаков, изучена вспениваемость шлаковых систем, моделирующих электропечные шлаки. Расчётами и промышленными экспериментами на ДСП с температурой выпуска полупродукта 1670-1690С показано, что для поддержания до конца плавки достаточного уровня шлаковой пены следует формировать гетерогенные шлаки за счёт повышения их основности до 2,7-3,1 ед. при содержании (FeO) = 20-35 %.
Разработан новый метод оперативного контроля качества вспенивания шлака для ДСП переменного тока по параметрам электрического режима.
Практическая значимость работы Определены рациональные параметры технологии плавки для ДСП-135 ОАО «Северский трубный завод», позволяющие стабилизировать вспенивание шлака, повысить качество полупродукта, обеспечить более благоприятные условия эксплуатации футеровки, реализация которых позволила снизить содержания фосфора и азота в полупродукте, соответственно, на 29 и 16 отн. %, удельный расход электроэнергии на 11 кВтч/т, а также расходы некоторых технологических материалов с ожидаемым экономическим эффектом 10,34 млн. руб. в год. Получен приоритет ФИПС на патент по заявке № 2008148432 от 08.12.2008 «Способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи».
Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2008 г.), XII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2008 г.), Х конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2008 г.), V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 2008 г.), 67-й научно-технической конференции МГТУ-ММК по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, 2009 г.).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст занимает 145 страниц, включает 43 рисунка, 14 таблиц и 154 источника.
Автор выражает признательность д.т.н. Воробьёву В.П., д.т.н. Сивцову А.В., д.т.н., проф. Истомину С.А., к.т.н. Цымбалисту М.М., к.т.н., доц. Невидимову В.Н., к.г.-м.н. Сапожниковой Т.В. и специалистам ОАО «Северский трубный завод» за помощь при выполнении диссертационной работы.
