Теоретичні основи, розробка і впровадження ресурсозберігаючої технології виплавки сталі в кислих електропечах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державна металургійна академія України

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.16.02 - “Металургія чорних металів”

Теоретичні основи, розробка і впровадження ресурсозберігаючої технології виплавки сталі в кислих електропечах

Сойфер Володимир Мархусович

Дніпропетровськ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державній металургійній академії України Міністерства освіти України та ВАТ “Стандартелектро”

Офіційні опоненті:

Академік Національної академії України, доктор технічних наук, професор Найдек Володимир Леонтійович (Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, директор)

Доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович (Запорізький державний технічний університет, завідуючий кафедрою)

Доктор технічних наук, професор Чернятевич Анатолій Григорович (Дніпродзержинський державний технічний університет, завідуючий кафедрою)

Провідна установа - Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор В.К. Цапко

Анотація

технологія розкислення плавка футеровка

Сойфер В.М. Теоретичні основи, розробка і впровадження ресурсозберігаючої технології виплавки сталі в кислих електропечах. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук. Спеціальність 05.16.02 “Металургія чорних металів”. Державна металургійна академія України. Дніпропетровськ, 1999.

Дисертація присвячена питанням створення комплексу нових і удосконалення існуючих технологічних процесів виробництва кислої електросталі (плавки, розливання, футеровки), які забезпечують підвищення продуктивності, економічності і якості. Робота включає в себе теоретичне обґрунтування, дослідження, розробку і впровадження високопродуктивної і економічної технології виплавки сталі в кислих дугових електропечах з підвищеним вмістом кремнію в шихті, технології розкислення феромарганцем у ковші кислої сталі, виплавленої в дугових електропечах у взаємозв'язку з температурним режимом розливання; раціональної технології виплавки сталі в індукційних печах середньої частоти; монолітної футеровки сталеплавильних печей і сталерозливних ковшів. Проведено порівняльне дослідження якості сталі, виплавленої за традиційною (активним процесом) і новою (з підвищеним вмістом кремнію в шихті) технологією. Експериментальними і традиційними дослідженнями встановлено, що при підвищеному вмісті кремнію в шихті кількість кисню і неметалічних включень у сталі набагато менша, а вміст залишкового алюмінію і механічні властивості - вищий.

Розроблено методи комплексної оцінки магнітних властивостей сталі. Виконано теоретичне узагальнення формування міцності, технологічних властивостей і вогнетривкості мас для монолітної футеровки електросталеплавильних печей і сталерозливних ковшів. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження на 78 підприємствах СНД (на 222 дугових печах).

Ключові слова: кисла електросталь, електропіч, кремній, кисень, алюміній, магнітні властивості, монолітна футеровка.

Аннотация

Сойфер В.М. Теоретические основы, разработка и внедрение ресурсосберегающей технологии выплавки стали в кислых электропечах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.02 "Металлургия черных металлов". Государственная металлургическая Академия Украины, Днепропетровск, 1998.

Диссертация посвящена вопросам создания комплекса новых и совершенствования существующих технологических процессов производства кислой электростали (плавки, разливки, футеровки), обеспечивающих повышение производительности, экономичности и качества стали. Работа включает теоретическое обоснование, исследование, разработку и внедрение высокопроизводительной и экономичной технологии выплавки стали в кислых дуговых электропечах с повышенным содержания кремния в шихте; технологии раскисления ферромарганцем в ковше во взаимосвязи с температурным режимом разливки; рациональной технологии выплавки стали в индукционных печах средней частоты; монолитной футеровки сталеплавильных печей и сталеразливочных ковшей. Выполнен анализ физико-химических закономерностей плавки стали в кислых электропечах. Проведено сравнительное исследование качества стали, выплавленной по традиционной (активным процессом) и новой (с повышенным содержанием кремния в шихте) технологии. Экспериментальными и термодинамическими исследованиями установлено, что при повышенном содержании кремния в шихте содержание кислорода и неметаллических включений в стали намного ниже, а содержание остаточного алюминия и механические свойства - выше, сталь имеет меньшую склонность к образованию ситовидной пористости в отливках. Новая технология выплавки стали позволила значительно повысить стойкость футеровки, сократить присадку ферросилиция, уменьшить расход электроэнергии, повысить производительность печей и снизить себестоимость стали.

Разработаны методы комплексной оценки магнитных свойств стали. Установлено определяющее влияние на магнитные свойства литых углеродистых сталей напряженности магнитного поля и содержания углерода в стали. Рекомендовано применение низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,03% и специальные режимы термообработки. В технических условиях на литьё уточнены требования по содержанию кремния и остаточного алюминия, в практику заводов введено определение механических свойств литой стали на образцах, взятых непосредственно из отливок.

Выполнено теоретическое обобщение формирования прочности, технологических свойств и огнеупорности масс для монолитной футеровки электросталеплавильных печей и сталеразливочных ковшей. На световых и математических моделях исследовано воздействие электрических дуг на кислую набивную футеровку дуговых печей; установлено, что определяющими факторами являются расстояние от дуги до стены и время воздействия на футеровку открытых дуг. Созданы принципы разработки огнеупорных масс для конкретных условий производства различных регионов; установлено, что решающим фактором формирования состава массы является абсолютная доля средних и крупных зерновых фракций песка. Разработан и внедрен отраслевой стандарт “Кислые огнеупорные массы для набивной футеровки стен дуговых сталеплавильных и чугуноплавильных печей. Изготовление”. Обобщен опыт предприятий СНГ по внедрению набивной футеровки стен дуговых печей. Стойкость футеровки повышена с 30-200 до 800-40000 плавок. Внедрено изготовление дуговых печей с цилиндрическим кожухом. Обоснована возможность и целесообразность широкого применения в сталелитейных цехах индукционных сталеплавильных печей. Обобщен опыт заводов стран СНГ по внедрению монолитной футеровки сталеразливочных ковшей.

Основные результаты работы нашли промышленное внедрение на 78 предприятиях СНГ (на 222 дуговых печах).

Ключевые слова: кислая электросталь, электропечь, кремний, кислород, алюминий, магнитные свойства, монолитная футеровка.

Annotation

Soyfer V.M. Theoretical basis, development and introduction of resource saving technology of steel smelting in acid electric furnaces.

Thesis for a Doctor degree (Engineering) on speciality 05.16.02 "Metallurgy of Ferrous Metals". State Metallurgy Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1998.

The thesis is devoted to the questions of creating a complex of new and updating the existing technological processes of acid electric steel production (heats, castings, lining) providing the increase of productivity, efficiency and quality. The work includes the theoretical study, research, development and introduction of a high-productive and economical steel smelting technology in acid arc furnaces with an increased silicon content in charge; technologies of deoxidizing by ferromanganese in the ladle of acid steel smelted in arc furnaces in interconnection with the temperature regime of casting; a rational technology of acid steel smelting in medium-frequency induction furnaces; a monolithic lining of steel furnaces and steel-pouring ladles. A comparative research was made for the quality of steel smelted according to the traditional (active process) and new (with an increased silicon content in the charge) technology. Experimental and thermodynamic studies showed that with an increased silicon content in the charge the content of oxygen and non-metallic inclusions in the steel is much lower and the residual aluminium content and mechanical properties - higher. Methods for a comprehensive estimation of magnetic properties of steel were worked out. A theoretical generalization was made for forming strength, technological properties and refractoriness of the masses for monolithic lining of electric steel furnaces and steel-pouring ladles. The main results of the work found their industrial introduction at 78 enterprises in the CIS countries (in 222 arc furnaces).

Key words: acid electric steel, electric furnace, silicon, oxygen, aluminium, magnetic properties, monolithic lining.

1. Загальна характеристика роботи

Важливим фактором промислового виробництва є економія матеріальних, трудових і паливно-енергетичних ресурсів, зниження собівартості продукції з забезпеченням її високої якості, підвищення продуктивності праці.

Значні резерви в галузі економії матеріальних і трудових ресурсів, зниження собівартості, підвищення продуктивності праці і поліпшення якості приховуються в технології виробництва сталі в кислих електропечах, які широко застосовуються в промисловості.

Актуальність теми. В СНД працюють 1000 електросталеплавильних печей (у тому числі понад 250 в Україні), з них більше 60% - печі з кислою футеровкою. Фактично кисла електропіч є основним плавильним агрегатом у сталеплавильному виробництві СНД, яке випускало до 1990 року більше 6 млн. тон стального литва на рік, у тому числі біля 30% припадало на долю України, яка займала друге місце в світі з виробництва стального литва, випереджаючи такі високорозвинені країни, як ФРН, Франція, Англія, Італія. Широке застосування кислих електропечей пояснюється їх більш високою продуктивністю (в 1,3-1,5 разів вище, ніж основних електропечей), незначними тепловими втратами через кладку, спрощеним технологічним процесом плавки, меншими витратами електродів і електроенергії, більш високою стійкістю і меншою вартістю футеровки.

Питання підвищення продуктивності плавильних агрегатів у сталеплавильних цехах, якості сталі, стійкості футеровки, поліпшення організації виробництва, зниження собівартості сталі є надзвичайно актуальними. У цьому плані традиційні технологічні процеси виплавки сталі в кислих електропечах (активний, кремнієвідновлюваний, напівкремнієвідновлюваний) потребують корінного вдосконалення на підставі глибоких фундаментальних досліджень.

Ця робота виконана у відповідності із Всесоюзною програмою ДКНТ СРСР 0.16.05, завдання 22т і галузевими планами НДР та ОКР Мінелектротехприлада СРСР, Державної металургійної академії України, ВНДІ “Стандартелектро” та підприємств України.

Метою роботи є розв'язання важливої задачі - створення комплексу нових і вдосконалення існуючих технологічних процесів виробництва кислої електросталі (плавки, розливки, футеровки), які забезпечують підвищення продуктивності, економічності і якості.

Основні завдання роботи:

1. Теоретичне обґрунтування, дослідження, розробка і впровадження:

високопродуктивної і економічної технології виплавки сталі в кислих дугових електропечах з підвищеним вмістом кремнію в шихті;

технології розкислення феромарганцем у ковші кислої сталі, виплавленої в дугових електропечах, у взаємозв'язку з температурним режимом розливки;

раціональної технології виплавки кислої сталі в індукційних печах середньої частоти;

монолітної футеровки сталеплавильних печей і сталерозливних ковшів.

2. Уточнення вимог до хімічного складу сталі, механічних властивостей відливок і розробка методики комплексної оцінки магнітних властивостей сталі.

Наукова новизна роботи полягає в узагальненні і розробці низки вузлових проблем теорії і практики кислого процесу електроплавки і роз'язання на цій основі завдання створення економічної технології виплавки кислої електросталі. Здійснено теоретичне узагальнення фізико-хімічних процесів розкислення кислої сталі. На базі термодинамічних розрахунків залежності концентрації і активності кисню в сталі від вмісту в ній кремнію здійснено теоретичне обґрунтування нової технології. Методами світлового і математичного моделювання на фізичних моделях досліджена теплова робота кислої набивної футеровки стін дугових електросталеплавильних печей у залежності від геометрії печі та енерготехнічних факторів.

Уперше виявлено такі взаємозв'язки між:

вмістом кремнію в шихті і в ході плавки в кислих електропечах і якістю литої сталі, в першу чергу з її раскисленням та мікроструктурою;

хімічним складом сталі, технологією плавки і магнітними властивостями литої сталі; розроблено методи комплексної оцінки цих властивостей;

енерготехнологічними факторами плавки (геометрія печей, фізико-хімічні і температурні умови плавки) і стійкістю монолітної футеровки;

хімічним та гранулометричним складом кварцевих пісків та їх вогнетривкістю;

хімічним та гранулометричним складом, співвідношенням компонентів мас і вогнетривкістю та технологічними властивостями.

Практична цінність. На основі виконаних досліджень і теоретичних узагальнень запропонована і впроваджена оригінальна технологія виплавки сталі для відливок із застосуванням відходів електротехнічних сталей і використанням кремнію шихти замість феросплавів, а також монолітна футеровка стін дугових печей і сталерозливних ковшів. Розроблений комплекс економічних технологічних процесів має ресурсозберігаючий характер і забезпечує підвищення якості стального литва.

Запропонована технологія створює такі можливості ресурсозбереження: ефективне використання в шихті для виплавки кислої електросталі відходів від штамповки електротехнічних сталей; економія феросиліцію за рахунок більш повного використання кремнію шихти; економія феромарганцю за рахунок розкислення сталі феромарганцем у ковші; економія дефіцитних вогнетривких виробів за рахунок впровадження монолітної футеровки стін електросталеплавильних печей і сталерозливних ковшів; скорочення витрат електроенергії за рахунок можливості переходу на циліндричні кожухи дугових печей замість конічних при застосуванні технології монолітної футеровки; зниження трудомісткості ремонтних робіт за рахунок застосування монолітних футеровок.

Практична цінність роботи в плані підвищення якості кислої електросталі і, відповідно, стальних відливок полягає в такому: менший вміст у готовій сталі кисню і неметалевих включень; більш високий вміст залишкового алюмінію в сталі і за рахунок цього підвищення пластичності, ударної в'язкості сталі і зменшення схильності стальних відливок до утворення в них ситовидної пористості; більш стабільний склад сталі; забезпечення необхідних магнітних властивостей сталі; поліпшення якості поверхні відливок.

Реалізація результатів роботи визначається впровадженням запропонованих технологічних процесів на 78 заводах, у тому числі на Харківському заводі “Електроважмаш”, Дніпропетровському електровозобудівельному, Нововолинському ливарному та ін. Зниження собівартості однієї тони литва складає в сумі 6,8 %, загальний економічний ефект - 2,25 млн. карбованцеві у рік у цінах 1990 року, що еквівалентно 4,31 млн. доларів США в рік (по курсу 1990 року 0,6 коп. за 1 долар США).

На основі одержаних результатів розроблено і затверджено галузевий стандарт, прийнятий до виконання при розробці нової серії малих дугових печей і при переводі діючих печей на кислу монолітну футеровку.

Особистий внесок пошукувача. Усі публікації та авторські свідоцтва (3 монографії, 2 брошури, 42 статей і 4 авторських свідоцтва), що висвітлюють основні наукові і практичні результати дисертації, написані за результатами науково-дослідних робіт, у яких були закладені ідеї автора і які були виконані за ініціативою і під науковим керівництвом дисертанта. Співавторами статей, як правило, були співробітники автора, які брали участь у роботі як співвиконавці.

Апробація роботи. Матеріали роботи доповідалися на міжнародних, всесоюзних, галузевих конгресах, з'їздах, конференціях і нарадах, у тому числі на Всесоюзних нарадах сталеплавильників (1957,1964); на Всесоюзних науково-технічних конференціях з ливарного виробництва в Харкові (1973), Ростові-на-Дону (1990); на міжнародної конференції “Дослідження і розробка асинхронних електродвигунів і розробка асинхронних електродвигунів у м. Володимирі (1978); на XXI сесії наукової Ради АН СРСР з проблеми “Фізико-хімічні основи одержання нових жаростійких неорганічних матеріалів” у м. Дніпропетровську (1980) і на Всесоюзній нараді “Неорганічні жаростійкі матеріали, їх застосування і впровадження в народне господарство” в м. Кемерово (1982); на Всесоюзних науково-технічних з'їздах ливарників у м. Ленінграді (1983) і в м. Волгограді (1989); на республіканських науково-технічних конференціях з електросталеплавильного виробництва в м. Дніпропетровську (1983, 1989); на міжнародній нараді з дугових печей у м. Будапешті (1985); на Всесоюзних нарадах з вогнетривкого виробництва в м. Боровичі (1985) і в м. Запоріжжі (1986); на VIII конференції АН СРСР “Нові високопродуктивні технологічні процеси, високоякісні сплави і обладнання в ливарному виробництві” в м. Мінську (1990); на Всесоюзній науково-технічній нараді “Дослідження і застосування в'яжучих для виготовлення вогнетривів” у м. Свердловську (1990); на Всесвітньому конгресі ливарників у м. Осака (Японія,1990); на Всеросійському з'їзді ливарників у м. Володимирі (1997) і на нараді з індукційних печей у м. Дортмунді (Німеччина, 1997); на наукових семінарах кафедри електрометалургії (1986,1990, 1994, 1996, 1997) і проблемної лабораторії нових металургійних процесів (1987, 1990, 1993, 1997, 1998) Державної металургійної академії України.

Роботи з дослідження і впровадження прогресивних технологічних процесів в електросталеплавильному виробництві відзначені срібними медалями ВДНХ СРСР у 1974 і 1987 рр.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 3 монографіях, 2 брошурах, 42 статтях у науково-технічних журналах і збірниках і в 23 збірниках тез доповідей науково-технічних конференцій і нарад. Новизна результатів і практична значимість роботи захищена 4 авторськими свідоцтвами СРСР.

Структура дисертації: вступ, 6 розділів основного тексту, висновки, додатки. Дисертація містить 330 сторінок тексту, 93 ілюстрації, 63 таблиці, 11 додатків, 250 назв використаної літератури.

2. Основний зміст роботи

Аналіз сучасного стану фізико-хімії кислого сталеплавильного процесу і основні напрямки підвищення якості сталі і ресурсозбереження.

Кислий процес електроплавлення сталі характеризується підвищеним вмістом SiO₂ в шлаку, який до кінця плавлення досягає 50%, сума концентрацій оксидів заліза і марганцю становить, як правило, 30-50%. Склад кислого шлаку в значній мірі досягає 57% при вмісту CaO в шлаку 12%. Для кислих шлаків характерна ціла гама кремнієкисневих комплексів, основою яких є тетраедр з розміщеним у його центрі іоном кремнію та іоном кисню в чотирьох вершинах.

Із збільшенням кислотності складність комплексів зростає, що приводить до збільшення вязкості шлаку. Природу кислих шлаків більш повно відбиває молекулярно-іонна теорія, яка допускає наявність як іонного, так і ковалентного звязку, який має перевагу в розплавах, збагачених кремнеземом.

Період плавлення в кислій електропечі незалежно від варіанту технології ведення плавки (активний чи кремнієвідновний) передбачає практично повне окислення марганцю і кремнію.

У той же час, враховуючи вкрай низьку азото- і водопроникність кислих шлаків, потреба проведення окислювального періоду для дегазації ванни не є настільки необхідною, як при основному процесі. Тому при кислій плавці створюються можливості виключення зневуглецювання і тим самим більш повного використання марганцю і кремнію шихти без погіршення якості металу.

Крім газонасиченості, якість кислої сталі визначається вмістом у ній кисню, який багато де в чому залежить від режиму кремнію в ході плавки, розкислювальна здатність якого зростає з пониженням температури:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (1)

(2)

При обмеженні окислення кремнію шихти, тобто при виключенні окислювального періоду, створюються найбільш сприятливі умови для розкислення сталі кремнієм уже в період плавлення, коли температура ванни відносно мала. Відповідно виключається необхідність у здійсненні кремнієвідновного процесу, що повинно позитивно вплинути на стійкість футеровки.

Важливими якісними показниками кислої сталі є кількість, морфологія і розподіл неметалевих включень (оксидів і сульфідів), відсутність ситовидної пористості у відливках і одержання дрібного зерна при термообробці. Оптимальне значення цих показників досягається завдяки глибокому розкисленню сталі алюмінієм:

2[Al] + 3[O] = (Al₂O₃) (3)

(4)

Присадки алюмінію безпосередньо впливають на розчинність сульфідів у сталі, яка залежить від вмісту в ній кисню. Взаємозв'язок залишкового вмісту алюмінію у сталі і типу сульфідів підтверджується одержаними нами даними рентгеноструктурного аналізу за допомогою мікроаналізатора MS-46. Вирішальну роль у формуванні зерна аустеніту в литій сталі відіграють нітриди алюмінію. Висока розкислююча здатність алюмінію виявляє також вирішальний вплив на зменшення схильності стальних виливок до ураження їх ситовидною пористістю, що пов'язано із зниженням алюмінієм парціального тиску окису вуглецю в металі (в результаті більш повного його розкислення) і компенсації за рахунок цього тиску водню, який надходить із форми в метал. Кінцеве розкислення може відбуватися й іншими елементами - розкислювачами (Zr, Ca, Ce, La, Ti та ін.). Поліпшує якість сталі комплексне розкислювання сильними елементами - розкислювачами.

Виконаний аналіз сучасного стану фізико-хімічного кислого сталеплавильного процесу показує, що основними напрямками удосконалення технології кислого електроплавлення є виключення періодів окислення вуглецю і відновлення кремнію, а також розробка і впровадження монолітної футеровки сталеплавильних процесів.

Теоретичне обґрунтування, дослідження і розробка ресурсозберігаючої технології виплавки сталі в кислих електропечах

Основною фізико-хімічною передумовою нового технологічного процесу виплавки сталі в кислих електропечах є висока розкислююча здатність кремнію при знижених температурах. Шляхом розкислення сталі кремнієм при температурах періоду плавлення можна досягти, досить низьких концентрацій кисню, розчинність якого у рівновазі з кремнієм підвищується із зростанням температури(від 0,01 до 0,3% при 0,2% Si із зростанням температури від 1500 до 1700С). Для запобігання окислення киснем розплаву і руйнуючої дії оксидів на футеровку печі доцільно збільшити кількість Si в шихті, в тому числі шляхом введення відходів, що вміщують цей елемент.

Аналіз фізико-хімічних умов проведення плавки на шихті з підвищеним вмістом кремнію показує, що в період плавлення відбувається розкислення металу, завдяки чому вміст кисню у металі після розплавлення зменшується і зберігається зниженим протягом усієї плавки і в готовому металі (порівняно з плавкою на вуглецевому брухті).

З метою підтверждення цих положень нами проведена термодинамічна оцінка залежності концентрації та активності кисню в сталі від вмісту в ній кремнію. З рівняння (2) після перетвореннь одержуємо:

(5)

Оскільки для насиченого кислого шлаку рівняється 1 і виразивши логарифми коефіцієнтів активності кремнію і кисню через параметри взаємодії, з урахуванням дуже низької концентрації кисню, яка дозволяє знехтувати добутком , з (5) одержимо:

(5')

Результати розрахунків показали, що мінімальні концентрації і активність кисню в кремнієвміщуючій сталі можуть бути досягнуті в умовах кислого процесу при порівняно невисоких температурах, наявних у період плавлення. При кожній даній температурі мінімальному вмісту кисню у металі відповідає оптимальний вміст кремнію, який являє собою тим меншу величину, чим нижча температура розплаву.

Експерименти і наступний вибірковий аналіз плавок промислового виробництва за новою технологією (120 плавок протягом 1995-1997 рр.), показали що порівняно з активним процесом вміст кисню в металі у ході плавки був нижчим на 0,010-0,012%_мас, а в готовому металі становив 0,002% проти 0,003%.

Результати визначення залишкового [Al] в проведених плавках сталей 25 Л і 35Л, одержаних в 5-тонних печах з кислою футеровкою і використанням у шихті кремнієвміщуючих відходів у період по 1997 р., показали, що при виплавці сталі з використанням у шихті кремнієвміщуючих відходів і розкисленні 0,15% алюмінію 99% металу вміщує 0,02% Al залишкового, а 87% металу - 0,04%, що характеризує добре розкислення сталі.

Таким чином, підвищений вміст Si в шихті для плавки вуглецевої сталі в дуговій печі з кислою футеровкою приводить до зменшення вмісту [O] і підвищення вмісту залишкового алюмінію в сталі.

Виконані термодинамічні розрахунки й експериментальні дослідження стали науковою основою для розробки конкретної технології виплавки сталі в кислих електропечах з підвищеним вмістом кремнію в шихті.

З метою усунення недоліків традиційних способів виплавки сталі в кислих електропечах розроблений, досліджений і впроваджений новий технологічний процес, суть якого зводиться до наступного. В шихту для плавки вуглецевих сталей в дугових печах з кислою футеровкою вводять кремній (або у вигляді відходів від штампування електротехнічних сталей, або у вигляді феросиліцію) з таким розрахунком, щоб його вміст після розплавлення був на верхній чи середній межі заданої марки сталі. Чим вищий вміст кремнію після розплавлення, тим вищий він і перед розкисленням. Після розплавлення, коли вміст вуглецю знаходиться на нижній межі заданої марки сталі, скочують приблизно половину шлаку, освіжають його присадками піску й вапна і зразу ж приступають до нагрівання металу. На це витрачається 25 хвилин. Коли метал нагрітий до температури випуску (1700-1730С), вміст кремнію в ньому знаходиться на нижній межі заданої марки сталі. Для одержання вмісту кремнію в готовому металі близько до верхньої межі присаджують 2-3 кг/т сталі 45%-го феросиліцію. Потім метал випускають у ківш, де в процесі зливу розкисляють його феромарганцем та алюмінієм (0,15%).

При такому способі плавки можна легко уникнути як відновлення кремнію, у тому числі і до SiO, так і окислення вуглецю, що створює передумови для значного підвищення стійкості футеровки, економії феросплавів, електроенергії, підвищення продуктивності печей та поліпшення екології. Крім того, скорочення тривалості “рідких” періодів плавки (відсутність окислювального періоду) виявляє позитивний вплив на стійкість футеровки і за рахунок скорочення часу дії на футеровку відкрито випромінюючих електричних дуг.

При виплавці сталі з підвищеним вмістом кремнію в шихті присадка феросиліцію в кінці плавки зведена до мінімуму, тому значно зменшується можливість забруднення сталі включеннями кремнезему, що створює кращі умови для розкислення сталі феромарганцем у ковші.

Дослідження впливу металургійних факторів на комплекс властивостей кислої електросталі

Розроблена технологія забезпечує одержання сталі, яка повністю відповідає вимогам ГОСТ 977-88 і технологічних умов, у тому числі стабільного хімічного складу.

Експериментально показано також, що в сталі, виплавленій з підвищенням вмісту кремнію в шихті, вміщується значно менше і включень кремнезему та глинозему, ніж у сталі, виплавленій активним процесом (відповідно 0,0015% і 0,0022% SiO₂, 0,0025% і 0,0039%Al₂O₃). Наявні відповідні відмінності і у вмісті залишкового алюмінію в сталі при однаковій його присадці. це практично виключає утворення ланцюгоподібних включень II типу. Більш стійко утворюються в сталі сульфідні включення III типу, які забезпечують одержання механічних властивостей сталі, які вимагаються для відливків. Для надійного утворення таких сульфідів у сталі, що виплавляється з підвищеним вмістом кремнію в шихті, при інших рівних умовах, потрібна менша кількість алюмінію, ніж при плавці активним процесом. Меншим вмістом кисню і неметалічних включень, більш високим вмістом залишкового алюмінію і стійким утворенням сульфідів III типу пояснюються підвищена ударна в'язкість і пластичні властивості сталі, виплавленої за новою технологією, порівняно з аналогічними властивостями звичайної сталі (відповідно 74% і 19% плавок з величиною ударної в'язкості 491 кДж/м²; 29% і 18 % плавок з відносним подовженням 29%).

Плавки, виплавлені з підвищеним вмістом кремнію в шихті, мають механічні властивості, які задовольняють потреби ГОСТ 977-88 в усьому інтервалі вмісту марганцю і кремнію.

Вміст [H] і [N] у сталі, виплавленій за новою технологією, практично не перевищує вміст цих газів у кислій середньовуглецевій сталі, виплавленій за традиційною технологією. Так при однаковому середньому вмісті вуглецю, що дорівнює 4,6*10^-4 %_мас, межі коливання склали відповідно (3,2-5,6)*10^-4 % і (3,3-5,5)*10^-4 %. Середній вміст азоту дорівнює 6,9*10^-3 % і 6,1*10^-3 % при коливаннях (49)*10^-3 % (59)*10^-3 %.

Оцінка браку за ситовидною пористістю проводилася за результатами огляду відливків після механічної обробки. За даними огляду більш ніж 100 тис. т лиття брак по ситовидній пористості при виплавці за новою технологією і розкислюванні 0,1% алюмінію знижується в 2,4 рази, а при 0,15% -- практично відсутній. Із цих даних випливає, що сталь, виплавлена з підвищеним вмістом кремнію в шихті, має значно меншу схильність до враження відливків ситовидною пористістю, що пояснюється більш високим вмістом залишкового алюмінію.

Таким чином, сталь, виплавлена з підвищеним вмістом кремнію в шихті, має порівняно зі сталлю, виплавленою традиційним процесом, менший вміст кисню і неметалічних включень, більш високий вміст залишкового алюмінію при його однаковій присадці., більш високі пластичні властивості та ударну в'язкість, меншу схильність до утворення ситовидної пористості у відливках і більш стабільний хімічний склад.

Середньовуглецеву литу кислу сталь прийнято вважати високоякісною при вмісті в ній залишкового алюмінію 0,02-0,08%, Цей показник введений у технічні умови на стальне литво, як найважливіша характеристика його якості (з щоплавочним контролем сталі на вміст залишкового алюмінію).

Проведені дослідження також показали, що оптимальний вміст кремнію у вуглецевій сталі з точки зору ситовидної пористості у відливках знаходиться у межах 0,3-0,5%, що також введено в технічні умови на стальне литво.

Відповідно до діючих стандартів визначення механічних властивостей литої сталі, як правило, проводять на зразках, взятих із пробних брусків, конфігурація, розміри і схеми відливки яких указані стандартом. Однак дослідження показали, що навіть при однаковій товщині стінок відливки і пробного бруска механічні властивості відливок (перш за все пластичні), які залежать від хімічного складу сталі, конфігурації відливок, ливарної технології, умов кристалізації та інших факторів, можуть суттєво відрізнятися від механічних властивостей брусків. Прикладом може бути дослідження розподілу механічних властивостей у різних перерізах відливків щік полюсів гідрогенераторів. Вивчення дійсних механічних властивостей стальних відливок, особливо при запуску нових відповідальних відливок у виробництво, і встановлення об'єктивних вимог до них містить у собі великі резерви. У зв'язку з цим доцільно також вивчення поведінки литих деталей при експлуатації виробів. Такі роботи введені в практику діяльності відповідних служб ряду машинобудівних підприємств.

Магнітна індукція середньовуглецевих сталей не залежить від способу введення в неї кремнію. Сталь, виплавлена з підвищеним вмістом кремнію в шихті і за звичайною технологією, мала однаковий рівень магнітної індукції в усьому досліджуваному інтервалі напруги магнітного поля.

Основними факторами, які впливають на магнітні властивості литих вуглецевих сталей, є напруга магнітного поля, при якій визначається магнітні властивості і вміст вуглецю в сталі.

Проведені дослідження показали, що в тих випадках, коли для виробів машинобудування вимагаються особливо висока магнітна індукція насичення (наприклад, не менше 1,60 Тл при 2500А/м), або максимально можливе поєднання цих властивостей, необхідно використовувати низько вуглецеву сталь з вмістом вуглецю 0,03% і спеціальні режими термічної обробки, які забезпечують необхідну величину зерна.

Нами розроблені методи комплексної оцінки магнітних властивостей вуглецевих сталей. Один з методів являє собою суму відносних оцінок магнітної індукції насичення і залишкової індукції. У цьому випадку порівняльний аналіз вуглецевих сталей по індукції при певній напрузі магнітного поля гістерезисних циклів проводять за співвідношенням (В/В_max)100 %, де В - індукція гістерезисного циклу приданій напрузі магнітного поля (H_S) досліджуваної сталі, Тл; В_max - максимальне значення індукції насичування серед усіх досліджуваних сталей даного гістерезисного циклу, Тл (рис.2). Аналогічно по залишкой індукції (B_r) комплексний показник магнітних властивостей К_гц включає в себе порівняльні характеристики сталей по індукції і залишковій індукції:

*100 % (6)

Вимоги одночасно високих значень індукції насичення і залишкової індукції зводяться, певним чином, до одержання максимально можливого значення К_ГЦ, який в ідеалі прагне до 200%.

Другим комплексним показником, що зв'язує розглядувані властивості досліджуваних матеріалів, може служити так звана усереднена магнітна проникність. Вона вираховується із співвідношення:

= _{намагн.} - _{размагн.}, або (7)

(8)

Розглядуваний комплексний показник магнітних властивостей матеріалів враховує як вплив залишкової індукції B_r (в очевидній формі), так і індукції насичення B_r(опосередковано, через H_s).

Для дослідження магнітних властивостей сталей використовували перспективний метод квазистатичного намагнічування (визначення статичних магнітних характеристик у квазистатичному режимі перемагнічування).

Розроблена технологія, яка виключає окислювальний період, створює передумови для більш широкого використання в сталеливарних цехах індукційних печей середньої і великої місткості, що допоможе розв'язати важливі соціальні завдання залучення кадрів у ливарне виробництво і захисту оточуючої атмосфери.

Описаний вище технологічний процес виплавки сталі в дугових печах з підвищеним вмістом кремнію в шихті повністю придатній для індукційної печі. При цьому через значно менший угар металу в індукційній печі порівняно з дуговою для досягнення таких же показників треба набагато менший вміст кремнію в шихті. Це положення підтверджується порівняльним дослідженням механічних властивостей сталі, виплавленої в дуговій та індукційній печі.

Теоретичні основи і розробка ресурсозберігаючої монолітної футеровки кислих дугових печей

Можливість застосування в дугових сталеплавильних печах тих чи інших вогнетривких матеріалів значною мірою визначається тепловим впливом електричних дуг на футеровку. У зв'язку з цим досліджено вплив електричних дуг на кислу набивну футеровку дугових печей невеликої ємності, Дослідження проводили на світлових та математичних моделях. З одержаних даних випливає, що опромінення стін зменшується із міру віддалення їх від дуг по висоті печі: найбільше опромінення на рівні металу(0,165-0,195 1/м²), найменше - на верхньому рівні стін(0.01-0,02 /м²). На рівні 200мм і на рівні ванни металу, у місцях найбільшого зношення футеровки, визначальним фактором є відстань від дуги до стіни.

Із результатів математичного моделювання випливає, що на стійкість футеровки суттєво впливає час дії на футеровку відкритих дуг. У цьому зв'язку значний інтерес має описаний вище технологічний процес виплавки сталі в кислих електропечах з підвищеним вмістом кремнію в шихті, значно скорочуючий час вплливу дуг на футеровку. Суттєвий вплив на стійкість футеровки виявляє також потужне випромінювання дуг. При довготривалому впливові відкритих дуг стійкість футеровки залежить від геометрії печі, зокрема від відстані між дугою і стіною.

Проведено роботи по виробу та дослідженню зернової основи мас для монолітної футеровки печі. Встановлено. Що для цієї мети найбільш доцільно застосовувати середньозернистий кварцевий пісок груп 016-03(ГОСТ 2138-91) із вмістом SiO₂ не менше 96% округлої форми зерен. Досліджено вплив хімічного складу пісків на їх вогнетривкість, методом найменших квадратів одержана така залежність:

t = 1785,15 16,87 (%Al₂O₃) 22,66 (% TiO₂), С (9)

Негативний вплив Al₂O₃на вогнетривкість кремнезему одержав підтвердження в останніх дослідженнях А.І. Зайцева та ін., у яких показано що в системі SiO₂- Al₂O₃ з боку кремнезему при 5,4% глинозему утворюється евтектика з температурою плавки 1553С.

Проведено також дослідження вогнетривкості крупно-і дрібнозернистих кварцевих пісків: вплив зернового складу і форми зерен пісків на їх вогнетривкість, визначення сфери застосування одержаної залежності вогнетривкості пісків від їх хімічного складу, оцінки можливості використання газопроникності пісків як побіжної характеристики їх вогнетривкості. У результаті досліджень встановлено, що крупні кварцеві піски мають більш високу вогнетривкість, ніж мілкі, також як піски з напівкруглою формою зерен порівняно з пісками з гострокутною формою зерен. Вогнетривкість крупнозернистих кварцевих пісків можна визначити за їх хімічним складом з використанням наведеного вище рівняння (9), одержаного для середньозернистих пісків. З метою широкого впровадження монолітної футеровки дугових сталеплавильних печей на заводах України нами досліджено властивості кварцевих пісків ряду українських кар'єрів (Вишневського, Орехівського, Староверівського та Нововодолазького).

У результаті порівняльної оцінки комплексу характеристик пісків указаних родовищ (зерновий і хімічний склад, газопроникність, вогнетривкість, термостійкість) встановлено, що найкраще поєднання цих властивостей мають піски Вишневського родовища, які впроваджені як зернова основа футеровочних мас на ряді підприємств України (Харківські заводи “Електроважмаш” і електромеханічний, Дніпропетровський електровозобудівельний завод та ін.).

Взяте в якості звязуючого кварцевих пісків рідке скло, як показав аналіз фізико-хімічних перетворень, забезпечує зміцнення вогнетривкої маси і футеровки при температурах навколишнього середовища за рахунок утворення гелю, який являє собою скелет з агрегатованих сферичних частинок полікремнієвої кислоти. Усадка гелю при висушуванні приводить до додаткового зміцнення футеровки. Спікання глобул гелю активно розвивається при температурах 700-800 С з утворенням скловищного шару силікату на їх поверхні. Чим вища вихідна міцність суміші, тим більший ступінь спікання.

При нагріві до більш високих температур відбувається тридимітизація футеровки за рахунок мінералізуючого впливу оксиду натрію.

Петрографічний аналіз зразків, відібраних з подини 5-тонної кислої дугової печі, що містить рідке скло, показує, що після 5000 плавок, вони містять 30-40% тридиміту, а після 10000 плавок ця величина досягає 60-70%.

Спікання маси і утворення тридиміту забезпечує високу стійкість футеровки стін при температурах у період завалки, яка, як показали заміри, знаходиться у межах 790-1040 С.

На технологічні властивості мас, у яких наявне рідке скло, особливо на витривалість у сирому стані, значно впливає тривалість змішування в бігунах. Вільний кремнезем, що знаходиться в рідкому склі, уже при підготовці маси взаємодіє з водою незалежно від процесу розкладання силікату натрію, викликаючи затвердіння маси. Чим довше перемішування, тим до певної межі більша міцність маси у сирому стані. При надмірній тривалості перемішування маса на зовнішній вигляд стає сухою, втрачає пластичність і виходить із бігунів розсипчастою.

Глина, яка входить до складу вогнетривкої суміші, сприяє спікливості маси при високих температурах; це пояснюється відомим положенням теорії спікання про вплив на спікання загальної контактної поверхні частинок, яка зростає з їх дисперсністю. Для вогнетривких мас доцільно застосовувати каолінітові глини і гідрослюди, які поглинають воду за рахунок адсорбції її поверхнею.

При підготовці маси вогнетривкість вихідного кварцового піску знижується в міру введення додатків. Наведена діаграма стану системи SiO₂ - Na₂O -CaO і одержана нами висококремнеземіста ділянка, що дозволяє рекомендувати такий оптимальний хімічний склад вогнетривкої маси для набивної футеровки кислих дугових сталеплавильних печей: SiO₂ -95 97%; Na₂O -1,0 1,1%; CaO + MgO ? решта - Al₂O₃ + FeO, які не впливають на вогнетривкість маси.

Розробка, дослідження та впровадження технології монолітної футеровки кислих електропечей і сталерозливних ковшів.

Виявлення закономірності формування міцності футеровки, технологічних властивостей і вогнетривкості мас дозволили розробити раціональний склад вогнетривких мас для різних умов виробництва.

При розробці вогнетривких мас, для яких використовуються ті ж матеріали (кварцовий пісок, рідке скло, вогнетривка глина, їдкий натр), що і для приготування облицювальних формовочних сумішей у сталеплавильному виробництві, враховується зерновий і хімічний склад застосовуваних кварцових пісків, модуль і щільність рідкого скла, мінералогічний, дисперсний склад і колоїдальність вогнетривкої глини.

Дослідження показали, що найбільш раціональним складом маси на основі середніх пісків є такі: 88% кварцового піску, 6% рідкого скла, 4% вогнетривкої глини, 2% їдкого натру. Ці маси мають міцність у сирому стані 0,019-0,025 МПа, в сухому стані 2,0-2,1 МПа, газопроникність 198-226 од., вологість 3,2-3,4%, вогнетривкість 1740С.

У результаті виконаних досліджень встановлено, що сама по собі група піску, що характеризує його зерновий склад за ГОСТ 2138-91, не визначає кількості добавок вогнетривкої глини і рідкого скла. Вирішальним фактором є абсолютна частка середніх і крупних зернових фракцій. По цьому принципу розроблено ряд вогнетривких мас на основі дрібних і крупних пісків.

Проведені роботи і накопичений досвід з розробки складу вогнетривких мас дозволили розробити і видати галузевий стандарт “Кислі вогнетривкі маси для набивної футеровки стін дугових сталеплавильних і чавуноплавильних печей. Виготовлення” - ОСТ 16.0.886.034-82, який введений в дію з 01.07.83. Як класифікаційні ознаки матеріалів стандартом передбачається клас кварцового формовочного піску (не нижче К₃), що визначається масовою часткою кремнезему (не менше 96%); мінералогічний склад вогнетривкої глини (каолініти і гідрослюди); модуль (2,5 - 3,0) і щільність (1,48-1,52 г/см³) натрієвого содового рідкого скла; щільність (1,11 - 1,12 г/см³) водного розчину технічного натру.

Галузевим стандартом нормуються такі показники властивостей вогнетривких мас для набивної футеровки стін: межа міцності при стисканні в сирому стані 0,015-0,024 МПа; межа міцності при розтягуванні в сухому стані не менше 1,0 МПа; газопроникність до 250 од.; вологість 3,0-4,0%.

Розроблені маси оцінені як вогнетривкі матеріали порівняно з електродинасом. Вогнетривкі маси за більшістю показників мають явні переваги перед електродинасом і цілком можуть бути рекомендовані як вогнетривкі матеріали для футеровки сталеплавильних печей.

На підставі проведених досліджень розроблена і впроваджена на ряді підприємств різних галузей машинобудування технологія підготовки вихідних матеріалів, приготування вогнетривких мас, футеровки цими масами кислих дугових сталеплавильних печей і догляду за монолітною футеровкою. В рамках Всесоюзної програми 0.16.05 завдання 22Т розроблено і розіслано підприємствам “Типовий технологічний процес. Набивна футеровка кислих дугових стале - і чавуноплавильних печей” і “Порядок організації впровадження набивної футеровки стін кислих дугових стале - і чавуноплавильних печей”.

Монолітна футеровка стін кислих дугових сталеплавильних печей впроваджена на 78 підприємствах (на 222 плавильних агрегатах) сільськогосподарського , важкого, транспортного, будівельно-шляхового машинобудування, а також автомобільної, вугільної, електротехнічної, станкобудівельної промисловості і на підприємствах Міністерства шляхів сполучення.

Основним результатом широкого впровадження в машинобудуванні монолітної футеровки стін кислих дугових сталеплавильних печей є значне підвищення їх стійкості порівняно з цегляними (з 30-60 до 800-40000 плавок); печі з набивною футеровкою можуть працювати без капітального ремонту протягом 20 років.

Монолітна футеровка в усіх випадках має більшу стійкість ніж цегляна, за рахунок загальних переваг. Аналіз роботи 86 печей з кислою набивною футеровкою показав, що головним фактором, що визначає стійкість футеровки, є своєчасне і якісне відновлення її розмірів у процесі експлуатації. На стійкість футеровки впливають також вогнетривкі маси, геометрія печі, температура випуску, зміст С.

Проведено також узагальнення досвіду футеровки індукційних печей середньої ємності в СНД на основі кварциту Овруцького кар'єру Житомирської області і крупного кварцового піску Анікшайського кар'єру Литви в порівнянні з масою на основі електрокорунду і плавленого магнезиту. Порівняння цих мас показує, що маса на основі електрокорунду і плавленого магнезиту має більш високу уявну пористість після випалювання, додаткове лінійне зростання, вогнетривкість, температуру повного руйнування, меншу термостійкість. Узагальнення досвіду заводів СНД дозволило виявити умови надійної роботи футеровки кислих індукційних печей.

На основі аналізу конструкції, складу, властивостей, технології виготовлення, порівняльної стійкості, сфери застосування, впливу на якість металу, техніко-економічних показників монолітної футеровки сталеплавильних ковшів запропонована оптимальна технологія, впроваджена на ряді машинобудівельних заводів (Харківський завод “Електроважмаш”, Бежицький сталеплавильний та ін.).

Визначено оптимальну ємкість ковшів для сталеплавильних цехів (номінальна ємкість печі + 4т).

Узагальнено досвід металургійних та машинобудівельних заводів СНД по впровадженню монолітної футеровки сталерозливних ковшів і зроблено висновок про доцільність виготовлення вогнетривких мас безпосередньо на місцях.

Техніко-економічні показники впровадження комплексу розроблених технологічних процесів виробництва кислої електросталі

Комплекс економічних технологічних процесів виплавки сталі в кислих електропечах впроваджений на Харківському заводі “Електроважмаш”.

Використання в шихті кремнієвміщуючих відходів електротехнічних сталей, що утворюються при штамповці у власному виробництві, дозволило заводу повністю відмовитися від привізного стального брухту і знизити собівартість тонни литва за рахунок здешевлення шихти на 3,6%.

Підвищення вмісту кремнію в металі перед розкисленням (порівняно з плавкою на вуглецевому стальному брухті) дозволило за рахунок зменшення витрат 45%-го феросиліцію (з 9-12 кг/т до 2-3 кг/т) знизити собівартість тонни литва на 0,2 %.

Зменшення браку відливок через ситовидну пористість привело до зниження собівартості на 0,6%.

Розкислення сталі феромарганцем у ковші за рахунок скорочення його витрати з 12-16 кг/т до 8-9 кг/т дозволило у поєднанні із впровадженням сталерозливних ковшів раціональної ємкості за рахунок стабільності температури розливи сталі знизити собівартість тонни литва на 1,4%.

Забезпечення необхідних магнітних властивостей (індукції насичення) сталі дозволило виготовити відливки магнітопроводів теплового електрообладнання із сталі 25Л замість сталей 15Л і 20Л . У результаті скоротилася кількість марок сталі, що виплавлялися в одному цеху, поліпшилася організація виробництва, зменшились втрати металу (0,7% зниження собівартості).

Впровадження набивної футеровки сталерозливних ковшів в умовах Харківського заводу “Електроважмаш” дозволило знизити собівартість 1 тони стального литва на 0,3%.

Загальне зниження собівартості стального литва склало 6,8%, що забезпечило економічний ефект 329 тис. карбованців у цінах 1990 року.

Завершено виконання затвердженої Постановою ГКНТ всесоюзної програми по широкому впровадженню набивної футеровки плавильних агрегатів. Набивна футеровка стін кислих дугових сталеплавильних печей впроваджена на 78 заводах (на 222 діючих печах ємкістю від 0,5 до 6 тонн). У результаті впровадження витрата динасової цегли скоротилася на 58 тис. тонн за рік (65 тонн на 1 тонну номінальної ємкості печі), вивільнення чисельності працюючих склало 66 чоловік, суттєво вивільняються потужності вогнетривких заводів, економляться вкладення на їх створення. Стійкість футеровки зросла з 30-200 до 800-40000 плавок. У сталеплавильних цехах значно скоротилися площі, відведені раніше для зберігання вогнетривів, поліпшилося постачання формовочних відділів рідким металом. Суттєво знизилася трудомісткість ремонтних робіт по футерівці печей. Фонд заробітної плати для цієї мети на ряді заводів скорочено в 1,5-2 рази. Застосування вогнетривких мас раціонального складу виключає важку ручну операцію - щоплавочну гарячу заправку стін дугових сталеплавильних печей.

Зроблено економічний аналіз результатів впровадження монолітної футеровки стін дугових сталеплавильних печей (за даними розрахунків, виконаних на таких заводах: Харківський “Електроважмаш”, Купянський ливарний завод, Дніпропетровський електровозобудівельний, Нововолинський завод СТО, Кременьчуцький автозавод та ін.); він показав, що в цілому річний ефект від впровадження монолітної футеровки стін 222 діючих дугових печей підприємств України, Росії та інших країн СНД склав 1,42 млн. крб. у цінах 1990 р.

Застосування кислої набивної футеровки в конструкторській документації дугових печей ДСП-3 та ДСП-5 стало основою для заміни конічного кожуха на ціліндричний, впровадженого в умовах заводу - виготовлювача печей (Бакінського заводу електротермічного обладнання), це дозволило досягнути значної економії електроенергії при експлуатації печей(0,8млн.крб. в рік).

...