Совершенствование технологии выплавки и непрерывной разливки стали в условиях кислородно-конвертерного цеха Магнитогорского металлургического комбината с целью улучшения производственных показателей Носов, Сергей Константинович

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Освоение технологии выплавки и разливки стали в кислородно - конвертерном цехе АО "Магнитогорский металлургический комбинат" (ККЦ ММК) встретило ряд затруднений, связанных как с изменением экономических отношений в стране, так и со значительным отклонением реальных условий работы цеха от проектных решений. Жесткие временные рамки перехода от мартеновского производства стали с разливкой в изложницы к конвертерному с непрерывной разливкой вызвали необходимость поиска оптимальных организационных и технологических решений на всех этапах производства.

Практика мировой металлургии накопила опыт применения разнообразных методов решения технических проблем. Однако специфика конкретного производства не позволяет однозначно использовать опыт других предприятий. При вводе в эксплуатацию нового производства необходимы и теоретические исследования, и прямые производственные эксперименты. Поэтому разработка и освоение научно обоснованной технологии выплавки и непрерывной разливки стали в новом кислородно-конвертерном цехе является актуальной научно-технической задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработка научно обоснованной технологии выплавки стали в кислородном конвертере вместимостью 350-400Т. работающем с частичным дожиганием отходящих газов; ковшевой десульфу-рации чугуна и стали, а также технологии непрерывной разливки стали массового назначения с использованием двух/четырехручьевых машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) криволинейного типа новой оригинальной конструкции.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана единая концепция физико - химических процессов, протекающих в конвертерной ванне при выплавке стали классической технологией в кислородных конвертерах большой вместимости с высокой интенсивностью подачи дутья.

Получены новые экспериментальные данные по скорости усвоения железорудных окатышей в период интенсивного обезуглероживания.

Определены тепловые эквиваленты (соотношение удельных охлаждающих эффектов) различных материалов: окатышей, металлического лома, недопала и др.

Разработан способ улучшения шлакообразования в конвертере

- 4 -применением известковожелезистых окатышей, изготовленных методом горячего окомкования во вращающихся печах.

Разработаны температурно - скоростные режимы непрерывной разливки стали, обеспечивающие получение на выходе из кристаллизатора слоя затвердевшего металла нужной толщины.

Разработаны составы и способ изготовления гранулированных шлако образующих смесей для засыпки поверхности жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ на основе недифицитных материалов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате проведенных исследований найдены оптимальные организационные и технологические. решения, позволившие достигнуть и превзойти проектную мощность первой очереди ККЦ ММК в условиях нестабильной конъюнктуры внутреннего и внешнего рынка черных металлов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. В ККЦ ММК внедрены :

технология конвертерной плавки с частичным дожиганием отходящих газов;

шестисопловая кислородная фурма с тангенциальным расположением сопел, имеющих критический диаметр 39 и 40 мм;

дутьевой режим в соответствии с изменением профиля рабочего пространства конвертера по ходу кампании:

технология передела чугунов с повышенным содержанием кремния и фосфора:

технология конвертерной плавки с заменой части лома окатышами или твердым чугуном;

технология плавки с разнообразными известьсодержащими мате-риалами, включая известковожелезистые окатыши: ' '.?

технология ковшевой десульфурации стали восстановленным конвертерным шлаком; ' _ ""'." ;'- '.'.'ГУ ""'" ^1;"'^е?д '.'.„'.[:^

технология выплавки, доводки и непрерывной разливки автокузовной, арматурной и ряда других низколегированных сталей; t

температурный и скоростной режимы непрерывной разливки стали;

гранулированные шлакообразующие смеси для подачи в кристаллизатор МНЛЗ;

технология четырехручьевой непрерывной отливки слябов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, представленные к защите материалы являются итогом исследований, выполненных на ММК под руководством и при личном участии автора, а также с участием сотрудников ММК. МГМА, ЦНИИЧМ. УралНИИЧМ и др. Автором осуществлены постановка задач

исследования, их решение методами математического и физического моделирования, выполнение обширных промышленных экспериментов, организация внедрения разработок в-кислородно-конвертерное производство стали.

Материалы доложены и обсуждены в 1993..96 г. на международных, межгосударственных и республиканских конгрессах, симпозиумах и кон и конференциях, на научно-технических советах и семинарах ММК и МГМА.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 19 научных статей, получено пять положительных решений по заявкам на изобретения.

За освоение технологии переработки низкомарганцовистых чугу-нов в большегрузных конвертерах автор в составе творческого коллектива работников металлургической промышленности удостоен Государственной премии Российской Федерации за 1995 год.

На основе анализа литературных источников и практических данных по классической технологии выплавки стали представлен комплекс физико-химических процессов, протекающих в конвертерной ванне в каждый момент времени продувки.

После заливки жидкого чугуна конвертерная ванна представляет собой сложную систему, расположение твердо-жидких участков в которой зависит как от теплового состояния ванны, так и от распределения в ней объемов чугуна и лома. В зоне контакта дутья с металлом происходит тотальное окисление (сжигание) металла с выделением значительного количества тепла. В этих условиях развиваются процессы "автогенного" плавления металлического лома, подобно кислородной резке металлов. Высокотемпературный очаг перемещается вглубь ванны, проплавляя твердые и нагревая жидкие ее участки.

В жидкой ванне каждая струя дутья образует локальную область (реакционную зону) сложной структуры, в которой сосредоточены основные тепло- и массообменные процессы.

В первичной реакционной зоне в газовую струю вовлекается (эжектируется) жидкий металл, который дробится на капли. Крупные капли деформируются, разрываются на более мелкие, образуя огромные реакционные поверхности газожидкостной системы, движущейся сверху вниз. Здесь кислород дутья практически полностью расходуется на

окислительные процессы.

В первичной реакционной зоне наблюдаются самые высокие температуры (2500..2600 С), близкие к температуре кипения металла. При этих температурах происходит интенсивное испарение веществ и изменение состава их паров.

Эжектированные частицы шлака и продукты сгорания металла, образующиеся в первичной реакционной зоне и состоящие преимущественно из оксидов железа, поступают во вторичную реакционную зону. В этой зоне оксиды железа в основном расходуются на окисление элементов металла и частично всплывают в шлак с различной, глубины. Реакции между элементами металла и оксидами железа протекают в соответствии с термодинамическими и кинетичесими условиями этой части металлической ванны.

По уровню температур вторичная реакционная зона - это переходная область между основной массой металла и первичной реакционной зоной. Поэтому здесь наряду с оксидами железа в окислительных процессах участвует и кислород, выделяющийся из переокисленного металла.

Выход газов на поверхность ванны сопровождается разбрызгиванием металла и всплесками. Брызги и капли металла в большей массе попадают в шлак и задерживаются в нем в виде корольков, а также частично вместе с другими конденсированными из паров веществами выносятся из конвертера газами в виде пыли.

Корольки металла в слое шлака подвергаются окислительному воздействию оксидов железа. Энергичная циркуляция металла и шлака, газовыделение в реакционной зоне и на поверхности корольков, высокие градиенты температур и связанные с ними изменения плотности и вязкости жидких фаз образуют газо-шлакометаллическую эмульсию, заполняющую большую часть рабочего пространства конвертера.

Присадки неметаллических материалов по ходу продувки изменяют структуру конвертерной ванны. Их влияние сказывается на тепловом режиме продувки и на процессах шлакообразования. Вид материала, величина порции и время подачи определяют развитие этих процессов в течение продувки.

Анализ механизма растворения извести в шлаке позволил выделить группы факторов, объединенных по общим признакам и определяющих скорость процесса растворения извести:

1. Качество извести, включающее в себя химический и фракционный составы, реакционную способность извести. Эта группа определя-

- 7 -ет Физико-химические свойства извести (сорт изєести), ее предрасположенность к растворению: наличием размеры~пор.капилляровг"де-фектов кристаллической решетки, величину поверхности растворения. В свою очередь, сорт извести зависит от условий ее производства (от свойств известняка, типа агрегата и режима обжига).

1. Свойства шлака, определяющие растворяющую его способность: наличие и активность компонентов-растворителей, вязкость и однородность шлаковой фазы, ее температура, способность к вспениванию.

2. Условия взаимодействия извести со шлаком, включающие в себя интенсивность перемешивания, величину и место ввода присадки извести и разжижающих добавок, дополнительное внешнее воздействие (использование двухъярусных фурм, применение твердого, жидкого или газообразного топлива и др.).

Анализ структуры жидких шлаков (тип элементарных частиц, характер связей между ними, группировки частиц, образование и поведение объединений, активность компонентов) позволяет в определенной степени объяснить наблюдаемые явления при растзорении извести, но не дает возможности их надежного количественного прогнозирования.

Необходимо учитывать, что шлак формируется в неравновесных условиях при высоких градиентах температур в различных точках конвертерной ванны.

Таким образом, по классической технологии в период продувки металла в конвертере основными процессами, определяющими конечные результаты окислительного рафинирования, являются неразрывно связанные друг с другом процессы взаимодействия дутья с металлической ванной и процессы шлакообразования.

Одним из основных преимуществ этой технологии является возможность управления важнейшими процессами путем изменения режима подачи дутья и ввода шлакообразующих материалов, что позволяет выплавлять стали с широким диапазоном свойств и переплавлять шихту различного состава.

Недостаток оксидов железа в шлаке при переделе низкомарганцовистых чугунов приводит к затягиванию шлакообразования в начале продувки или к образованию гетерогенного шлака в моменты интенсивного окисления углерода. Чрезмерное накопление оксидов железа в шлаке может привести к выбросам металлошлаковой эмульсии из конвертера. - Существенное влияние на характер этих процессов оказывает

конструкция фурмы: число сопел, диаметр критического сечения сопла и параметры закритической его части, расположение сопел и угол наклона их оси к оси фурмы. От этих параметров зависит величина импульса струи и ее структура, определяющие глубину проникновения в металлическую ванну и формирование реакционных зон.

Условия работы ККЦ существенно отличаются по ряду параметров от классических, характерных для отечественной и зарубежной практики.

Во-первых, чугун ММК имеет стабильно низкое содержание марганца (0.1..0,2%). Кроме того, наблюдаются значительные колебания в нем концентраций кремния (0,4..1,2%) и серы (0,015..О,055%), а в отдельные периоды и фосфора (0,07..0.3%).

Во-вторых, качество используемой извести не соответствует стандартным требованиям.

По проекту в ККЦ предусматривалось использование извести. произведенной на установке "кипящего слоя" КС-1200. Однако, известь, полученная в этом агрегате оказалась весьма низкого качества. Поэтому в качестве шлакообразующих материалов пришлось применять известь, получаемую в других агрегатах: шахтных и вращающихся печах. Известь имеет низкую механическую прочность: содержание мелочи (фракции менее 8 мм) по тракту подачи сыпучих увеличивается от 15 до 50%.

В-третьих, после пуска конвертерного цеха продувка металла производилась в режиме с полным дожиганием отходящих газов с интенсивностью подачи дутья 600.-. 900 мЗ/мин. При этом длительность продувки составляла в среднем 24.8 мин. а цикл плавки- 59,9 мин. Кроме того, имели место длительные межплавочные простои.

После установки и наладки необходимого оборудования были проведены комплексные исследования и разработана технология выплавки стали для режима работы конвертеров с частичным дожиганием газов.

Дутьевой режим продувки должен быть выбран таким, чтобы уровень концентраций оксидов железа в шлаке был оптимальным: достаточно высокий для ускорения шлакообразования, но не приводящий к выбросам металла и шлака из конвертера. Одновременно необходимо разработать рациональный режим присадки шлакообразующих материа-

лов. соответствующий условиям продувки.

Исследования проводились" в ККЦ на промышленном оборудовании с """"" использованием имеющихся систем обеспечения, а также средств контроля и управления технологическими процессами.

Расчетами по известной методике определяли расходы чугуна, лома и извести на плавку. Для удобства была разработана номограмма шихтовки плавки.

По ходу опытных плавок вели наблюдения и протоколировали все параметры обычного плавочного контроля: химический состав, температуру и массу заливаемого чугуна; факт скачивания шлака из заливочного ковша; расходы и время подачи других шихтовых материалов; основные параметры дутьевого режима (интенсивность продувки и положение фурмы); состав и температуру конвертерных газов.

Особое внимание уделяли процессу наводки шлака (первым минутам продувки, в течение которых фурма выводится в рабочее положение). Визуально оценивали интенсивность выносов металла и шлака из конвертера, характер "заметалливания" фурмы и горловины конвертера, состояние шлака.

Во время повалок отбирались пробы металла и шлака, замерялась температура ванны. Анализы проб производились в лаборатории аналитического контроля ККЦ по стандартным методикам.

Кроме того, на опытных плавках отбирались пробы извести из вертикального тракта подачи сыпучих с последующим анализом ее фракционного состава и определением потерь при прокаливании.

В период отработки технологии были опробованы шестисопловые фурмы с критическим диаметром сопла 38.. 42 мм.

В результате экспериментов была отработана технология продувки с частичным дожиганием конвертерных газов и установлены режимы подачи дутья и ввода шлакообразующих материалов (режимная карта продувки). Применение этой карты позволяет ускорить достижение объемной доли СО в отходящих газах более 15%, при котором обеспечивается устойчивое зажигание факела на дожигающем устройстве. Выход на нормальный режим работы осуществляется по израсходованию на продувку примерно 2000 м³ кислорода.

Показатели опытных плавок при продувке фурмами с критическим диаметром сопла 39 мм и 40 мм оказались лучшими для различной интенсивности продувки и периодов кампании конвертера. Это позволило разработать оптимальные дутьевые режимы для разных периодов кампании.

Стойкость наконечников фурм заметно увеличивается при тангенциальной установке сопел. Продувка плавок такими фурмами проходит более "мягко", с уменьшением выносов и выбросов металла и шлака из конвертера, с более равномерным газовыделением. Износ футеровки конвертера более равномерный. Опытная кампания конвертера с этими фурмами показала уменьшение удельного расхода кислорода на 0.9 м³/т и снижение доли плавок, проведенных с додувками.

В период отработки технологии конвертерной плавки с частичным дожиганием отходящих газов были опробованы разнообразные шлакооб-разующие материалы.

Проведенные эксперименты с различными сортами извести показали, что возможности улучшения процесса шлакообразования путем варьирования режимов их ввода ограничены, а из имеющихся сортов наилучшие результаты наблюдались при применении извести, получаемой во вращающихся печах. Удовлетворительное шлакообразование наблюдается при совместном использовании этой извести с другими сортами, если их расход не превышает 50% от общего расхода известьсо-держащих материалов.

Неритмичность снабжения сталеплавильного производства АО "ММК" металлическим ломом вплоть до полного прекращения поставок его со стороны, проблемы получения стали с ограниченным содержанием цветных металлов, определили необходимость разработки технологии плавки с пониженной долей лома в шихте.

Были проведены серии опытных и сравнительных плавок, на которых расход лома последовательно снижали с 60.. 70 т до 30..33 т (8..10% от массы металлошихты), а в качестве дополнительного охладителя использовали железорудные окатыши. Суммарный расход окатышей определялся предварительным расчетом по математической модели, настроенной для условий ККЦ по результатам обычных плавок.

Около половины общего расхода окатышей подавали в конвертер сразу после зажигания плавки, а оставшуюся часть отдавали порциями по 1..2 т совместно с известью по ходу продувки. При этом наблюдался спокойный без выбросов ход продувки с ускоренным шлакообразованием. По ходу продувки основность шлака была в 1.5..2 раза выше по сравнению с плавками без применения окатышей. Повышенное содержание оксидов железа в шлаке, меньшее количество и, как следствие, меньшая толщина слоя лома в конвертере позволили ускорить вывод фурмы в рабочее положение.

Анализ экспериментальных данных по составу конвертерных газов

- и -показал, что скорость усвоения окатышей в период интенсивного обезуглероживания составляет в~среднем і,75 т/мин~ или Т. 3 "т/тыс. м³ дутья. Установлены тепловые эквиваленты (соотношение удельных охлаждающих эффектов) окатышей и некоторых других материалов по отношению к лому.

Опыт совместного применения железорудных окатышей и извести, а также практика металлургических предприятий по использованию в конвертерах подготовленных материалов, содержащих оксиды кальция и железа, послужили основой.разработки технологии изготовления и использования известковожелезистых окатышей.

Окатыши содержат 82,5..85.9% CaO; 5,5..6.7 MgO; 5.6..6.3% Fe₂ 0₃: 3,6..4.6% S10₂; 0,35..0.45% п. п. п. и имеют фракционный состав от 1 до 30 мм, а доля фракций менее 5 мм составляет более 25%. Однако эта ожелезненная известь обладает значительно большей плотностью, чем обычная (ее насыпная плотность в два раза больше: 1810 кг/м³ против 900 кг/м³). Кроме того, у нового флюса значительно больше сопротивление удару (на 15%). истиранию (в 4 раза) и особенно сжатию (более, чем в 10 раз).

Применение такого материала в конвертерной плавке в количестве 30..50% от общего расхода позволило значительно улучшить процесс шлакообразования, ускорить его в начале продувки, причем без видимого увеличения выносов и выбросов металла и шлака.

Ожелезненную известь целесообразно отдавать в завалку в количестве до Ют, а по ходу продувки закончить присадки до начала интенсивного обезуглероживания. Порция присадки не должна превышать 2 т. При появлении признаков сворачивания шлака можно использовать 2..4 т такой извести.

В результате отработки дутьевого и шлакового режимов плавки с частичным дожиганием отходящих газов удалось достичь в 1995г. средней продолжительности продувки в цехе 15.6 мин. а цикла плавки - 40,3 мин.

В течение продолжительного периода в ККЦ использовали жидкий чугун с повышенным содержанием кремния (более 0.9%) и фосфора (до 0,3%).

Как показали исследования, одношлаковым процессом из этого чугуна можно выплавлять низкоуглеродистые и углеродистые стали с содержанием фосфора до 0.035%. если расход известьсодержащих материалов увеличить на 20..30%. сохранив обычный порядок их ввода (40..50% общего расхода извести отдается в завалку, остальное -

- 12 -порциями по 2 т с обеих сторон конвертера, последняя порция - не позднее, чем за 4 мин до конца продувки). При этом режим продувки изменяется: увеличивается длительность периода шлакообразования, который завершается после ввода 8,5..11 тыс. м³ дутья, продувка ведется при повышенном на 150.. 200 мм положении фурмы.

Выплавка стали с более низким содержанием фосфора вызывает необходимость промежуточного удаления шлака.

Результаты проведенных экспериментов показали, что двухшлако-вый процесс с удалением шлака после подачи 7..9 тыс.м³ дутья имеет больше преимуществ, чем другие варианты такого процесса* Одновременно создаются благоприятные условия для передела чугунов с повышенным содержанием кремния. При этом момент скачивания шлака может быть установлен по количеству израсходованного дутья на полное окисление кремния.

В процессе отработки технологии передела чугунов с повышенным содержанием фосфора и кремния установлено: увеличение толщины слоя шлака в сталеразливочном ковше на 100 мм приводит к увеличению содержания фосфора в стали в среднем на 0,002%; до 60% фосфора вносится в металл марганецсодержащими ферросплавами и шлаком, поступающим в ковш во время выпуска металла из конвертера.

В последние годы в сортаменте конвертерного цеха непрерывно увеличивается выплавка автокузовной стали (низкоуглеродистой качественной нестареющей стали марок 08Ю. 08ЮА. А325. А336 и др.).

В технологии выплавки этой стали первоначально использовали "чистый" лом, представляющий собой обрезь прокатных цехов. Анализ эффективности применения этого лома показал, что по сравнению с плавками на обычном ломе общее содержание остаточных элементов в стали снижается на 0,025. а доля плавок с общим содержанием Сг. N1 и Си менее 0,10% повышается с 45.7% до 73.6%. Однако и при использовании "чистого" лома сохраняется большая доля плавок с высоким содержанием этих элементов.

Для поиска путей совершенствования технологии выплавки автокузовной стали были проведены опытные плавки с заменой части металлического лома твердым чугуном.

Кроме того, был опробован вариант технологии с заменой части

- 13 -металлического лома железорудными окатышами. На опытных плавках _расход_ жидкого чугуна увеличили до 315—320 тс-одновременным'снижением расхода обычного лома до 30..50 т. Первую порцию окатышей до 6 т подавали на лом. а после зажигания плавки окатыши присаживались по 2..4т вместе с известью. Очередная порция окатышей отдавалась после усвоения предыдущей, что контролировалось по содержанию СО в отходящих газах. Общее количество железорудных окатышей, отдаваемых на плавку, не превышало 16..18 т.

По результатам проведенных опытов в конвертерном цехе внедрена технология выплавки стали 08Ю для выполнения заказов на автолист вытяжки ОСВ с первой группой отделки поверхности. Эта технология предусматривает использование в завалку конвертера 70..75 т металлического лома Л-2 с дошихтовкой до требуемой массы металло-шихты твердым чугуном. При отсутствии в цехе лома Л-2 допускается проведение плавок на обычном ломе с расходом 30..40 т с использованием железорудных окатышей.

В сортаменте конвертерного цеха увеличивается также доля низколегированной (марки 0ЭГ2. 09Г2С, 17ГС, А305, А331 и др.) и легированной (марки А312, А315, 0202 и др.) стали. Отработка технологии производства этих сталей осуществляется по всему комплексу конвертерного цеха с учетом опробованных вариантов и накопленного опыта на каждой стадии.

Так, при производстве изотропной электротехнической стали марки 0202 потребовалась разработка и освоение специальной технологии конвертерной плавки и внеагрегатной обработки, учитывающей высокие требования к этой стали по содержанию углерода и серы при использовании жидкого чугуна с повышенным содержанием фосфора.

Продувка плавки осуществлялась в два периода: в первый период подавали 19000..20000 м³ дутья, во второй - 2000..4000 м³. После первого периода производилась повалка конвертера, скачивался шлак, отбирались пробы металла и шлака для полного химического анализа, измерялась температура металла.

Перед выпуском на дно сталеразливочного ковша присаживали 2.0..2,1 т алюминия, а при наполнении 1/4..1/5 части ковша металлом - ферросилиций в количестве 6.0.. 8.0 т (в зависимости от марки ферросилиция). Для модифицирования металла в ковш присаживали 0.6 т силикокальция марки СК - 25. Дополнительно под струю металла на шлак подавали известь в количестве 2.0..3.5 т.

Была опробована технология выплавки низколегированной стали

.-14-

марки 22ГЮ. Эта технология включает в себя как обязательные элементы десульфурацию чугуна гранулированным магнием, тцательное скачивание шлака из заливочного ковша, продувку металла с промежуточным удалением шлака из конвертера, обработку металла твердой шлакообразующей смесью (ТШС) во время выпуска, использование ферросплавов с низким содержанием фосфора (не более 0.03).

Дополнительные данные по использованию легирующих материалов были получены при освоении технологии выплавки стали 10ХНДЛ. Эксперименты по загрузке в конвертер лома меди и гранулированного никеля (в завалку, после промежуточного скачивания шлака, в конце продувки через шлак) показали, что наилучшим вариантом (по усвоению элементов и удобству реализации) является подача этих материалов в завалку.

При переделе чугуна со значительными колебаниями в нем содержания серы возникают определенные трудности в получении требуемого содержания ее в готовой стали. Предусмотренная проектом продувка металла порошкообразными материалами на агрегате доводки стали (АДС) до настоящего времени практически не освоена из-за отсутствия качественных порошков. Возросшие требования к качеству стали и повышение спроса (особенно, на внешнем рынке) на сталь с содержанием серы 0.010..0.015% делают проблему получения такого металла в условиях конвертерного цеха наиболее актуальной. С этой целью в цехе была организована непредусмотренная проектом десульфурация жидкого чугуна в заливочном ковше и стали во время выпуска плавки в ковш. Десульфурацию жидкого чугуна осуществляли двумя способами: вводом порошкообразной проволоки на основе магния и продувкой чугуна гранулированным магнием. Сталь обрабатывали в ковше ТШС и раскисленным конвертерным шлаком.

Внепечную десульфурацию чугуна осуществляли с использованием порошковой проволоки фирмы "0DERMATH" (Германия) и производственно-внедренческой фирмы "МЕТАЛЛ"(г.Донецк). Обработку чугуна проводили в заливочном ковше, находившемся в передаточной траншее в зоне загрузочного пролета. Масса чугуна составляла в среднем 300 т. Проволоку вводили по направляющей трубе трайб-аппарата. установленного на нулевой отметке загрузочного пролета около этой тран-

,-15-
шеи. После обработки чугуна во всех случаях производили тщательное
удаление шлака из заливочного ковша: """

Наполнителем проволоки (фирмы "0DERMATH" ) диаметром 9 мм была смесь гранулированного магния ( 78% ) и карбида кальция ( 22% ) общей насыпной массой 63..69 г на погонный метр. Порошковую проволоку фирмы "МЕТАЛЛ" диаметром 10 мм испльзовали двух видов: с наполнителем из магния и с комбинированным наполнителем, включающим около 35 г магния и 50..55 г обоженного доломита в каждом погонном метре. Продолжительность обработки чугуна составляла 15..21 мин. За это время вводили 2400..2900 м проволоки (154..186 кг.десульфу-рирующей смеси) со скоростью 110..250 м/мин.

Полученные результаты показали достаточно высокую эффективность этой технологии. Степень десульфурации чугуна колебалась от 27 до 67%. Использование в качестве десульфуратора смеси магния с карбидом кальция дает лучшие результаты по сравнению с другими наполнителями при сопоставимых расходах магния. Средняя степень десульфурации составила 41 X. а снижение температуры чугуна -5. .15 С.

Эффективность десульфурации чугуна при использовании порошковой проволоки с наполнителем из магния была несколько ниже, чем при использовании проволоки фирмы "0DERMATH". Степень десульфурации чугуна менялась от 14 до 57 (в среднем 38). Кроме того, сразу же проявился серьезный недостаток такой обработки - сильный барботаж металлического расплава вследствие чрезмерно быстрого испарения магния. Это обстоятельство заставило уменьшить количество обрабатываемого чугуна до 270..280 т. После обработки в ковш приходилось доливать 30..40 т необработанного чугуна для обеспечения нормальной шихтовки плавки. Добавка необработанного металла не только прямо увеличивает содержание серы в чугуне, но и затрудняет удаление из него сульфидных включений, что способствует ресульфу-рации за счет усиления массообменных процессов между чугуном и насыщенной сульфидами шлаковой фазой. Содержание серы в чугуне после обработки составляло 0.016..0.018%. что заметно выше, чем при использовании проволоки фирмы "0DERMATH" (0.012%).

Применение проволоки с комбинированным наполнителем существенно уменьшает пироэффект. бурление металла и пылевыделение. При сопоставимых расходах магния степень десульфурации в 1,2..1,4 раза выше, чем при введении проволоки, содержащей только магний.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с помощью по-

.- 16 -рошковой проволоки с магниевыми наполнителями, особенно комбинированными, можно успешно решать задачи по существенному снижению содержания серы в чугуне, удаляя до 40% серы и более. Однако высокая стоимость собственно проволоки приостановила широкое внедрение этой технологии.

В качестве альтернативы рассмотренным способам была организована десульфурация чугуна вдуванием гранулированного магния через фурму, вмонтированную в стенку заливочного ковша.

По результатам обработки более 70 тыс.т чугуна были получены следующие показатели:

температура чугуна. С 1335..1400

продолжительность ввода магния, мин. 12..22

расход магния, г/т 550..665

исходное содержание серы в чугуне. % 0.013..0.044

конечное содержание серы в чугуне. % 0,004..0.025

степень десульфурации, %

- пределы изменения 38..80

- среднее значение 56
Установлено, что продувка чугуна гранулированным магнием че
рез Фурму, вмонтированную в боковую стенку ковша, позволяет сни
зить содержание серы в чугуне и сузить пределы его колебания. При
этом удалось обеспечить содержание серы в готовой стали в пределах
от 0,005 до 0.011% при требовании по содержанию серы в готовом ме
талле не более 0.015%.

В целях определения максимально возможной производительности опытно-промышленной установки десульфурации чугуна путем продувки гранулированным магнием через фурму, вмонтированную в боковую стенку ковша, и оптимизации схемы организации производства были проведены две серии опытных плавок по полному снабжению одной из работающих МНЛЗ сталью, выплавленной из предварительно десульфури-рованного чугуна. При среднем расходе магния около 600 г/т степень десульфурации чугуна менялась от 55 до 64%. а содержание серы в нем - от 0.007 до 0.011%.

Исследованы три способа десульфурации стали в ковше во время выпуска - твердой шлакообразующей смесью, отсевом извести и раскисленным конвертерным шлаком.

ТШС для внепечной обработки стали состояла из отсева извести (80..85%) и плавикового шпата (остальное). Расход смеси на плавку состовлял 4..10 кг/т стали. Для расплавления смеси в ковш

.-17-вводили_алюминий в_виде чушек-или дроби в-количестве 0.3..0.9 кг/т в начале выпуска плавки и 0.6. .1.5 кг/т - вместе с ТШС.

Обрабтка стали ТШС позволяет удалить 0,004..О,025% серы (в среднем 0,010%). Степень десульфурации металла при этом способе обработки в среднем составила 37%. Температура стали при этом повышалась на 10..25 С. Значительные колебания степени десульфурации на плавках с обработкой ТШС объясняются большими изменениями в содержании серы в металле перед обработкой, различиями в степени раскисленности стали и нестабильным качеством отсева извести, используемой для приготовления ТШС.

Снижение температуры металла за период от выпуска из конвертера до поступления на агрегат доводки стали (АДС) при обработке ТШС составило в среднем 62 С, что на 12 С выше, чем на плавках без такой обработки.

Обработка металла на выпуске только отсевом извести менее эффективна, чем обработка стали твердой шлакообразующей смесью. При обработке металла отсевом извести степень десульфурации составила в среднем 25%.

Десульфурация стали раскисленным конвертерным шлаком предусматривает слив в ковш во время повалки конвертера шлака, раскисление его алюминием и присадку в него отсева извести. Расход алюминия в ковш составлял 0,9.. 2,5 кг/т.

Удаление серы из металла за время выпуска, обработки шлаком и разливки плавки составило в среднем 0,013% (на отдельных плавках с высоким содержанием серы на повалке оно доходило до 0,036). Степень десульфурации стали колебалась от 40 до 60%, а снижение температуры металла составило в среднем 65 С.

При обработке стали в ковше раскисленным конвертерным шлаком около 0,008% серы удаляется за время слива металла из конвертера, а 0,005% - за время обработки стали на АДС и разливки ее на МНЛЗ.

В ККЦ ММК впервые в отечественной металлургии созданы и эксплуатируются криволинейные комбинированные двух-четырех ручьевые МНЛЗ. На них слябы шириной от 750 до 1050 мм отливаются в четыре ручья, а шириной от 1100 до 2350 мм - в два ручья, отличительной особенностью МНЛЗ является также использование промежуточного ков-

.-18-

ша достаточно большой вместимости (50 т) с рабочим уровнем металла 1100 мм. Базовая стенка кристаллизатора имеет меньший радиус кривизны (8 м) по сравнению с аналогичными МНЛЗ на других предприятиях (10..12 м). Для осуществления четырехручьевой разливки слябов поддерживающие ролики зоны вторичного охлаждения выполнены "разрезными" и двухопорными. При этом каждый ручей оснащен раздельным приводом и отдельной машиной газовой резки. На МНЛЗ применено блочно-модульное исполнение роликовых секций, настройка которых на технологические размеры производится предварительно на специальных стендах. Все секции криволинейного и горизонтального участков МНЛЗ являются унифицированными. Для вторичного' охлаждения -слябов на МНЛЗ используется водовоздушное охлаждение.

В ходе освоения технологии разливки были выявлены наиболее приемлемые материалы для изготовления огнеупорного припаса. В ста-леразливочном ковше применяется разливочный стакан из периклазо-графитового материала, содержащего не менее 90% оксида магния и 5..9% углерода. Составные плиты шиберного затвора сталеразливочно-го ковша выполняются периклазовыми с вкладышами из плавленого пе-риклаза, содержащего не менее 96.5% оксида магния. Гнездовые блоки сталевыпускного узла сталеразливочного и промежуточного ковшей изготавливаются из муллитокорундового (с содержанием глинозема не менее 80%) и шамотного огнеупорных материалов соответственно. Стопорные устройства промежуточных ковшей выполняются из муллитового материала. Для защиты струи металла от вторичного окисления'на участке сталеразливочный ковш - кристаллизатор используются кварцевые трубы и удлиненные погружные стаканы.

Для разработки научно обоснованных режимов разливки было проведено математическое моделирование зависимости минимально необходимой толщины затвердевшей оболочки сляба на выходе из кристаллизатора от содержания углерода и серы в металле, температуры металла в промежуточном ковше и ширины сляба. Модель была создана на основе теплового баланса металла в кристаллизаторе. Для настройки модели использовались практические данные замеров толщины слоя затвердевшего металла под кристаллизатором при прорывах металла, причиной которых были трещины в корке нормальной толщины. Результаты моделирования необходимой толщины слоя затвердевшего металла на выходе из кристаллизатора, обеспечивающей достаточную прочность оболочки сляба, приведены на рисунке.

- 19 -Влияние содержания серы [S] и ширины сляба В на необходимую толщину слоя"затвердевшегб"металла й ~ на выходе" из "кристаллизатора

і - в = 1300 мм; 2

Содержание серы в металле оказывает более сильное влияние на необходимую толщину слоя затвердевшего металла, чем ширина сляба. Так при увеличении содержания серы в металле с 0,015 до 0,030% толщина затвердевшей оболочки сляба на выходе из кристаллизатора должна быть увеличена в среднем на 3 мм, а при увеличении ширины сляба от 1300 до 2100 мм - только на 1.2 мм. С использованием выявленной зависимости были построены номограммы для определения рабочей скорости вытягивания сляба для двух групп марок стали с содержанием углерода 0,08..0,12% и 0,13.. 0.23%, позволившие уточнить технологическую инструкцию по непрерывной разливке стали.

В АО "ММК" совместно с Уральским научно-исследовательским институтом черной металлургии разработана и освоена технология изготовления шлакообразующих смесей в виде гранул с узкими пределами основных компонентов. В качестве примера состав гранулированной шлакообразующей смеси может быть следующим: 36.4% СаО. 33.4% S10₂. 4,95% А1₂0₃. 7.2% F. 2.63% Na₂0, 7.8 С и др. Основность смесей составляет 0.9..1.1. а насыпная масса - 0.5..0.9 г/см³. Производительность установки для получения годных гранул составляет 1.9 т/ч.

Для разливки стали разного химического состава рекомендуются следующие параметры гранулированных шлакообразующих смесей:

Содержание разжижающих
Сталь Основность компонентов (CaF₂.Na₂0.

К₂0 и др.). %
Низкоуглеродистая спокойная 0.85..1,05 11..14

Полуспокойная 0.90..1.10 11..14

Спокойная 0,90..1.10 10..13

Низколегированная 0,95..1,15 10..13

Гранулированные шлакообразующие смеси позволяют иметь толщину слоя жидкого шлака в кристаллизаторе не менее 10 мм. что обеспечивает высокое качество отливаемых слябов.

Для получения информации об эффективности вторичного- охлаждения МНЛЗ было проведено измерение температурного поля сляба при помощи вмороженного блока термопар. Установили, что охлаждение каждой из широких граней сляба достаточно равномерно по ширине и длине. Однако средняя температура широкой грани сляба по стороне малого радиуса оказалась на 80..100 С выше аналогичной температуры по стороне большого радиуса. Кроме того, наблюдалось резкое (до 600 С) снижение температуры поверхности узкой грани сляба в начале зоны вторичного охлаждения с последующим разогревом до 1050 С. В дальнейшем в соответствии с результатами замеров температуры была произведена корректировка режима вторичного охлаждения МНЛЗ. Удельный расход воды в зоне вторичного охлаждения в среднем составил 0,2..0,5 л/кг металла в зависимости от группы марок стали.

В ходе освоения технологии непрерывной разливки стали количество прорывов жидкого металла под кристаллизатором снизилось с 8,6 на каждую тысячу плавок в начальный период до 1.6 в настоящее время. Анализ причин прорывов металла показал, что 46% из них связаны с подвисанием сляба в кристаллизаторе вследствие некачественной шлакообразующей смеси или несоответствия частоты качания кристаллизатора скорости вытягивания сляба. В 40 случаев прорывы произошли из-за несоблюдения температурно-скоростного режима разливки, плохой центровки погружного стакана, нарушения конусности кристаллизатора, повышенного износа торцевой стенки кристаллизатора или засорения его охлаждающих каналов. Причиной остальных прорывов явилось попадание в кристаллизатор шлака из промежуточного ковша вследствие низкого уровня металла в промежуточном ковше.

В процессе освоения технологии непрерывной разливки оценивалось качество отливаемых слябов. Основными поверхностными дефектами являлись продольные, поперечные и сетчатые трещины, а также

- 21 -шлаковые включения. При этом поверхностные трещины были обнаружены

- лишь - на 0,-05%;—а шлаковыевключения--на-8%-осмотренных слябов:

Основным видом внутренних дефектов являлись трещины, перпендику-- лярные широким и узким граням, и располагавшиеся на расстоянии 10..30 мм и 60..100 мм от поверхности сляба.

На начальном этапе освоения технологии четырехручьевой разливки возникли сложности при запуске машины, связанные с отрывом затравок. Значительно меньший объем рабочей полости каждого кристаллизатора вызвал трудности со своевременной заменой промежуточного ковша при разливке сериями и в случаях некрытая стопоров в промковше. Для преодоления этих трудностей было предложено увеличить глубину опускания головки затравки перед началом разливки с 600 до 800 мм от верхней кромки кристаллизатора. Средняя продолжительность разливки одной плавки на четыре ручья оказалась на 20..25 меньше, чем при двухручьевой разливке. При отливке узких слябов методом "плавка на плавку" количество плавок в серии возросло до 40..50. При оценке качества отлитых узких слябов не было выявлено существенного отличия их от качества широких слябов.

1. Сформулирована единая концепция физико-химических процессов, протекающих при выплавке стали в кислородных конвертерах большой вместимости в условиях верхней продувки с высокой интенсивностью подачи дутья, на базе которой осуществлялось поэтапное освоение технологии плавки в ККЦ ММК.

2. Разработан дутьевой режим с частичным дожиганием конвертерных газов, позволивший повысить интенсивность продувки с 600..900 до 1300..1350 м³/мин и сократить длительность периода продувки с 25 до 16 мин. а цикла плавки - с 60 до 40 мин.

3. Разработан дутьевой режим плавки с учетом изменения профиля рабочего пространста конвертера по ходу кампании. В частности, во второй половине кампании повышается интенсивность продувки на 8..10% фурмами с увеличенным критическим диаметром сопел.

4. Улучшение шлакообразования в конвертере достигается применением предварительно подготовленной извести. Наилучшие результаты получены при использовании "ожелезненной" извести, изготовленной методом горячего окомкования во вращающихся печах.

5. При переработке чугунов с повышенным содержанием фосфора

- 22 -(0,17..0,25%) плавку стали следует вести с промежуточным удалением шлака в первой трети периода продувки.

6. Расширение сортамента стали, выплавляемой в ККЦ ММК, требует включения в технологический процесс в качестве обязательных элементов ковшевой десульфурации чугуна и стали.

7. Для глубокой десульфурации чугуна разработана и внедрена в производство обработка его в заливочном ковше порошковой проволокой (наполнители - магний и обожженный доломит) и гранулированным магнием, вдуваемым через фурму, вмонтированную в стенку ковша. Степень десульфурации чугуна этими способами составила 27..67 и 55..64% соответственно при расходе.реагентов около 600 г/т.

8. Наиболее высокая степень десульфурации стали (40..60%) наблюдалась при ее обработке во время выпуска конвертерным шлаком, предварительно раскисленным алюминием с добавками извести. При обработке металла твердой шлакообразующей смесью (отсев извести и плавиковый шпат) или отсевом извести степень десульфурации не превышала 40 и 25% соответсвенно.

9. Для устойчивой работы МНЛЗ криволинейного типа, отливающей широкие слябы (1100..2350 мм) при относительно небольшом базовом радиусе кривизны кристаллизатора (8 м), толщина слоя затвердевшего металла на выходе из кристаллизатора должна быть в пределах от 25 до 30 мм в зависимости от содержания серы и ширины слябов.

10. Разработаны температурно-скоростные режимы непрерывной разливки стали, обеспечивающие получение на выходе из кристаллизатора слоя затвердевшего металла нужной толщины. Внедрение их в производство позволило в 5 раз снизить частоту аварийных прорывов металла во время разливки.

11. Разработаны составы и способ изготовления гранулированных шлакообразующих смесей для засыпки поверхности жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ на основе недефицитных материалов. Их применение позволило улучшить утепление поверхности жидкого металла и повысить качество непрерывнолитых слябов.