Выплавка стали с низким содержанием азота в условиях электросталеплавильного цеха

- так как жидкий период плавки скоротечен, то во время кипа азот, содержащийся в металле практически не удаляется.

2) Увеличение содержания массовой доли азота в металле во время выпуска на 0,0013 % происходит по следующим причинам:

- внесение азота в металл присаживаемыми в стальковш на выпуске ферросплавами и коксиком;

- вследствии контакта струи металла с воздухом.

3) при внепечной обработке металла на установке ковш-печь содержание массовой доли азота увеличивается на 0,0027 % по следующим причинам:

- в результате подсоса воздуха в рабочее пространство над стальковшом с металлом, создаются благоприятные условия для проникновения азота из воздуха в металл;

- после реконструкции газохода на установке ковш-печь, эффективность которого улучшилась;

- длительная выдержка металла в стальковше, и как следствие этого, длительность нагрева его на установке ковш-печь;

4) Увеличение содержания массовой доли азота в металле при обработке его на установки доводки стали (УДС) на анализируемых плавках происходит на 0,002 % вследствии его продувки азотом через погружную фурму.

5) Вследствии контакта струи металла из стальковша и промковша с воздухом содержание азота в металле во время его разливки увеличивается на 0,0015 %.

6) Содержание азота в темплетах, отобранных от заготовок, и в готовом сорте на анализируемых плавках при анализе средних значений колеблется от 0,0125 % до 0,0126 %.

На основании проделанного анализа были даны следующие рекомендации:

1) С целью снижения насыщения металлом азота в электропечах, необходимо:

- шихтовать плавку по углероду коксом.

- во время плавки шлак поддерживать во вспененном состоянии присадками кокса и небольших порций известняка. Расход извести при этом может быть не менее 40 кг/т, при работе на известняке- не менее 50 кг/т.

2) при обработке металла на установке ковш-печь с целью исключить подсосы воздуха под крышку в зоне дуг необходимо поддерживать под крышку в зоне дуг положительное давление, т.е. управлять отсосом газов так, чтобы из-под крышки и вокруг электродных отверстий всегда выходил несильный дым. Для обеспечения более плотного прилегания крышки установки ковш-печь к стальковшу с целью создания инертной атмосферы необходимо, чтобы обечайка стальковша была очищена от шлака и металла.

При обработке металла на установке доводки стали на марках сталей, контролируемых по азоту, продувки металла производить с аргоном через донные пробки стальковша. Продувку азотом сверху через погружную фурму производить только в момент отдачи ферросплавов и извести.

3) Сократить до минимума продолжительность нахождения стали в стальковше на отстое (не более 20-30мин).

4) Сократить время обработки и нагрева металла на установке ковш-печь до 40-45 мин.

5) Разливку стали производить на минимально короткой и устойчивой струе металла между сталеразливочным и промежуточным ковшом.

2.3 Зарубежные исследования

Содержание азота в стали, выплавляемой в дуговых печах, обычно колеблется от 80 до 120 ppm. При необходимости получить металл с меньшей концентрацией азота приходится усложнять технологию, используя агрегаты внепечного рафинирования стали.

На содержание азота в стали оказывают влияние большое количество факторов: лом и его заменители, шлакообразующие добавки, условия горения дуг, продувка кислородом, вдувание угля и коксика и т. д.

На заводе фирмы Sidenor (Испания) провели исследование влияния технологических параметров на концентрацию азота в стали, предназначенной для глубокой вытяжки. Задача исследования -- разработка технологии получения стали с содержанием азота менее 50 ррm. Технология охватывает выплавку стали в дуговой печи, рафинирование на установке ковш-печь и непрерывную разливку. Концентрация азота в ломе колеблется от 30 до 100 ррm. Замена лома твердым чугуном, содержащим 20--30 ррm азота, показала снижение его концентрации в готовой стали. Углеродсодержащие материалы имеют очень высокую концентрацию азота: 5000--11 000 ррm -- в антраците и в коксе, загружаемых с шихтой; 4000--17 000 ррm -- во вдуваемом коксике; 1500 ррm -- в коксе, используемом для науглероживания стали, и 300--1000 ррm -- в низкоазотистом коксе. Замена в завалке антрацита низкоазотистым коксом позволяет уменьшить содержание азота в стали на выпуске на 13 ррm.

Наибольшее влияние на концентрацию азота в стали оказывает вспенивание шлака. Выделение большого объема СО при вдувании угля и кислорода способствует «промывке» ванны и удалению азота пузырьками СО. Однако существует оптимальный момент времени, когда следует прекратить вдувание графита; этот момент отвечает минимальному содержанию кислорода в отходящем газе (около 1 %). Анализ отходящего газа поэтому является наилучшим способом контроля окисленности шлака и металла и концентрации азота в стали.

Влияние содержания углерода в стали перед выпуском сложнее. При высокой концентрации углерода содержание азота в стали меньше, что связано со вспениванием шлака. Концентрация азота достигает минимального значения при 0,10--0,15 % С и резко возрастает при дальнейшем снижении содержания углерода в стали, что свидетельствует о максимальном объеме выделяющегося СО при этой концентрации углерода.

Для усиления процесса выделения пузырей СО и СО2 и соответственно удаления азота несколько плавок провели с вдуванием кислорода(3 мин, 22 мі/мин) после подъема электродов. При этом содержание азота в стали снизилось с 62 до 53 ррm.

Плавки высокоуглеродистой стали с добавками кокса при выпуске по сравнению с добавками кокса на установке ковш-печь также показали уменьшение концентрации азота.

Удаление азота в процессе внепечного рафинирования стали (продувка аргоном, вакуумирование) определяется содержанием поверхностно-активных элементов в металле. При низкой их концентрации (0 + S < 50 ррm) удаление азота лимитируется его переносом в объеме металла и скорость абсорбции--десорбции высока. При высоком содержании поверхностноактивных элементов (0 + S > 200 ррm) скорость удаления азота из стали лимитируется поверхностными реакциями, поэтому при внепечной дегазации необходимо сначала снизить содержание серы в металле. Исходя из этого, провели внепечную обработку по трем вариантам. Первый вариант включал вакуумирование в течение 7 мин при давлении < 1 мбар (для получения минимального содержания серы без удаления азота) и затем вакуумирование в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувка аргоном. По второму варианту проводили вакуумирование в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувку аргоном. Третий вариант (принятый на заводе) отличался от второго только продолжительностью вакуумирования стали -- 8 мин.

Наименьшее содержание азота в стали осталось при ее обработке по первому варианту (47 ррm). Рафинирование по второму варианту способствовало снижению концентрации азота до 51 ррm (по принятой технологии -- 62 ррm), но продолжительность обработки немного увеличивалась (90 мин против 84 мин). От первого варианта рафинирования отказались из-за чрезмерной продолжительности (105 мин).

На опытных плавках по оптимизированной технологии (использование низкоазотистого кокса в завалку вместо антрацита, продувка металла кислородом после прекращения вспенивания шлака, содержание углерода и активность кислорода в металле на выпуске соответственно около 0,12 % и 100--200 ррm, добавка кокса в металл при выпуске плавки, а не на установке ковш-печь, вакуумирование в ковше в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувка аргоном, разливка с закрытой струей при защите зеркала металла в кристаллизаторе УНРС шлаковым слоем) содержание в стали азота значительно меньше (~50 ррm), чем на плавках по принятой на заводе технологии(68 ррm) /22/.

2.4 Анализ технологии выплавки, внепечной обработки и разливки стали в условиях технологических процессов ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК)

ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК) не обладает достаточной технологической оснащенностью, обеспечивающей сверхнизкое содержание азота в печи (от 0,003 % до 0,005 %) и, практически исключающие азотацию расплава в процессе выпуска и внепечной обработки. Единственно применяемой технологией деазотации стали это технология вспенивания шлака (при этом надо отметить, что вспенивание шлака в ЭСПЦ производят периодическими присадками окисленных окатышей или продувкой расплава кислородом). Другие способы деазотации невозможно использовать из-за отсутствия соответствующего оборудования.

Таким образом, в условиях ЭСПЦ технологией, обеспечивающей низкое содержание азота в готовой стали, должно являться:

· окисление углерода в печи в количестве, достаточном для необходимой деазотации расплава, и нагрев металла под вспененными шлаками;

· разработка технологии выпуска, предотвращающей азотацию в процессе операции;

· совершенствование режима обработки металла на УКП, предотвращающей или сводящей к минимуму азотацию стали.

Технологические параметры производства стали марок 14Г2АФ, 16Г2АФ показывает, что на массовую долю азота в ковшевой пробе значительное влияние оказывает количество окисленного углерода после взятия второй пробы, т.е. после полного расплавления шихты и нагрева металла с 1590 - 1610 °С до 1660 - 1690 °С и расход окисленных окатышей. Так, на плавках с содержанием азота в ковшевой пробе 0,007 %, количество окисленного углерода после полного расплавления шихты составило в среднем 0,33 %, а расход окатышей -1110 кг/плавку, в то время как на плавках с содержанием азота 0,009 % указанные параметры составили соответственно 0,18 % и 425 кг/плавку (таблица 6). Обращает на себя внимание и такой показатель, как соотношение между степенью нагрева металла после полного расплавления шихты к количеству окисленного углерода. На плавках с содержанием азота 0,007 % на каждую 0,01 % окисленного углерода повышение температуры составило в среднем 1,91°С, в то время как на плавках с содержанием азота 0,009 % - 4,33 °С. Это объясняется тем, что в процессе нагрева металла дугами и окисления расплава происходят одновременно два процесса: поглощение азота металлом в районе электрических дуг и удаление азота из металла пузырьками окиси углерода. При недостаточном количестве окисленного углерода процесс поглощения металлом азота преобладает над процессом деазотации расплава, что приводит к повышению содержания азота в металле.

Аналогичная зависимость установлена и при анализе технологических параметров производства стали марок 10ХСНДА, 15ХСНДА. На плавках с массовой долей азота в маркировочной пробе 0,007%, количество окисленного в печи углерода после полного расплавления шихты составило в среднем 0,27-0,29 %, расход окатышей 1276 - 2016 кг, нагрев металла при окислении 0,01 % углерода - 1,61 - 2,04 °С, а на плавках с содержанием азота 0,011 % данные показатели составили соответственно 0,07 - 0,12 %, 1057 - 1620 кг и 4,00 - 7,14 °С (таблица 7)/28,29/.

Таблица 6 Влияние средних технологических параметров выплавки стали марок 14Г2АФ, 16Г2АФ на массовую долю азота в ковшевой пробе

Азот в ковшевой пробе, %	Количество плавок, шт	Продолжительность, мин	Проба	Содержание, %	Окислено углерода, %	Расход окатышей, кг	Температура, °С	(0С / %)Ч10-2
		расплавление	окисли тельный период		углерода	серы	1 проба - 2 проба	2проба - скра-пина	1 проба - скра-пина		отбора второй пробы	перед выпуском	усреднитель ной продувки
0,007	10	54	51	1	0,61	0,031	0,18	0,33	0,51	1110	1608	1671	1570	1,91
				2	0,43	0,029
				3	0,10
0,008	20	59	42	1	0,56	0,024	0,29	0,17	0,46	810	1615	1668	1552	3,12
				2	0,27	0,019
				3	0,10
0,009	16	56	51	1	0,44	0,024	0,16	0,18	0,24	425	1606	1684	1590	4,33
				2	0,28	0,019
				3	0,10

Таблица 7 Влияние средних технологических параметров выплавки стали на массовую долю азота в маркировочной пробе

Марка стали	Азот в маркировочной пробе, %	Количество плавок, шт	Продолжительность, мин	Масса шихты, т
			расплав	окислительный период	выпуск	2А-3А	обрезь	чугун	другие	итого
							ЛПЦ	СПЦ	ОБЦ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
10ХСНДА 15ХСНДА	0,007	35	54	57	22	48	23	4	18	12	9	114
	0,008	116	57	50	11	52	25	2	17	10	3	109
	0,009	87	56	51	12	45	27	3	18	12	10	115
	0,011	57	56	50	10	50	26	4	-	10	15	105
Марка стали	Азот в маркировочной пробе, %	Количество плавок, шт	Содержание углерода по расплаву, %	Количество окисленного углерода, %	Расход окатышей, кг	Температура,°С	Тп.в. -Т2пр.2пр - скр, Ч 10-2	Тп.в. - Туср, 0С
				1пр -2пр	2пр-скр.	1пр-скр.		отбора 2пробы	перед выпуском	усредн. продувки
1	2	3	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
10ХСНДА 15ХСНДА	0,007	35	0,59	0,24	0,27	0,51	2016	1609	1673	1580	2,04	93
	0,008	116	0,56	0,24	0,23	0,47	1586	1614	1661	1579	2,37	82
	0,009	87	0,58	0,30	0,19	0,49	1506	1613	1661	1574	2,53	87
	0,011	57	0,57	0,36	0,12	0,48	1620	1609	1657	1600	4,00	57

На плавках с содержанием азота 0,007% падение температуры металла в процессе выпуска плавки составило в среднем 92-93 °С, в то время как на плавках с содержанием азота 0,011% - 57-84 °С, что свидетельствует о том, что на плавках с повышенным содержанием азота выпуск металла производили при работающей печи (выпуск «под током»).

Содержание азота в стали в период кипения находиться в зависимости от количества окисленного углерода. Зависимость между содержанием азота в стали [N] и количеством окисленного углерода ?[С] может быть выражена следующим уравнением:

[N]2 - (0,12 + 2,33?C) [N] + 0,35 • 10-2 = 0, (7)

?С = 0,43[N] + 0,0015/[N] - 0,052, (8)

Зависимость 8 представлена кривой I на рисунке 8. В действительности, в процессе кипения наряду с удалением азота из жидкой стали возможно поглощение некоторого количества азота из газовой фазы. Обозначив скорость окисления углерода через vC, а скорость поглощения азота из газовой фазы через vN. Чем выше отношение vN / vC, тем больше азота поглотится во время кипения. Следовательно, понижение содержания азота в стали во время кипения будет происходить с меньшей скоростью.

Кривые II, III и IV на рисунке 8 представляют зависимость содержания азота в стали от количества окисленного углерода при различных значениях отношения. Эти кривые показывают, что при высоком содержании азота в стали его удаление происходит легко и при окислении 0,2--0,3% углерода содержание азота в стали может быть понижено до 0,004--0,005%, если даже первоначальное содержание азота в стали было очень высоким. Первоначальное содержание азота не оказывает значительного влияния на конечное его содержание.

При низких концентрациях азота в стали дальнейшее его удаление замедляется и все большее значение приобретает процесс поглощения азота из атмосферы .

Рисунок 9 Зависимость содержания азота в стали от количества окисленного углерода (?С)

При малых содержаниях азота в стали, количество поглощенного азота из печной атмосферы может оказаться больше количества удаленного азота. В этом случае содержание азота в стали по ходу кипения может даже увеличиваться /29/.

Для обеспечения в готовой стали массовой доли азота не более 0,007% необходимо соблюдение следующих параметров выплавки стали в дуговой печи:

· количество окисленного в печи углерода после полного расплавления шихты (после достижения температуры металла в пределах 1590 - 1610 °С) должно составлять не менее 0,30 - 0,35 %;

· расход окисленных окатышей, вводимых в печь в окислительный период, должен быть не менее 1500 кг;

· количество покровного шлака должно обеспечивать изоляцию металла от атмосферы (работа при экранированной электродуге).

Для более глубокой деазотации металла в печи необходимо принятие некоторых мер по техническому оснащению печи. На ряде электросталеплавильных агрегатов применяются такие технологии, как:

· вдувание в металл через специальную фурму коксовой пыли и кислорода;

· продувка ванны печи аргоном через донные фурмы установленные в поде печи;

· применение подогрева шихты, снижающего время работы под током.

3. Совершенствование технологии раскисления стали в процессе выпуска плавки

3.1 Азотация стали в процессе выпуска плавки

В проведенных в ЭСПЦ исследованиях было установлено, что в процессе выпуска плавки происходит насыщение металла азотом в пределах 0,001 - 0,002%. Азотация расплава в процессе выпуска связана с одной стороны, с сравнительно большой продолжительностью выпуска, при котором происходит контакт струи металла с атмосферой и, с другой стороны, существующей в цехе технологии раскисления металла в ковше, когда ферросплавы и алюминий вводят в ковш в начале выпуска плавки (после схода 10 - 15 т металла). При раннем вводе ферросплавов в ковше образуется высоко раскисленный легированный расплав, который легко насыщается азотом, эжектируемым из атмосферы струей металла. При вводе в ковш шлакообразующих в начале выпуска плавки (после схода 5 - 10 т металла) и ферросплавов с алюминием после выпуска 80 - 90 т металла (или всего металла) насыщение стали азотом не происходит при условии выпуска металла компактной струей с небольшим количеством шлака, предохраняющим верхний слой выпускаемого металла от контакта с атмосферой

Таким образом, для предотвращения азотации расплава в процессе выпуска необходимо выполнение следующих условий:

· выпуск плавки производить компактной струей с небольшим количеством печного шлака;

· в начале выпуска плавки (после схода 5 - 10 т металла) в ковш вводить 800 - 1000 т извести и 200 - 300 кг плавикового шпата;

· присадку алюминия и ферросплавов производить после выпуска 80 - 90 т металла.

Для снижения степени азотации металла в процессе выпуска плавки предлагается изменить технологию отдачи ферросплавов в ковш. С этой целью приводится сравнительный расчет для применяемой и предлагаемой технологии выпуска плавки на примере стали марки 13Г1С-У.

3.2 Методика расчетов

Реакция растворения азота в железе описывается следующим уравнением:

N2 (г) = [N](1% в Fe); (9)

Константа равновесия этой реакции определяется из выражения:

lg = , (10)

где - константа равновесия азота в железе;

Т - температура, К.

lg KN = = - 1,350.

Равновесная концентрация азота в сплаве определяется по формуле:

lg[N]спл=, (11)

где - коэффициент активности азота в сплаве; - давление газа, атм. Коэффициент активности азота в сплаве вычисляется по формуле:

, (12)

де - параметр взаимодействия первого порядка;

- параметр взаимодействия второго порядка;

j - элемент в сплаве.

3.2.1 Технология принятая в ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК)

Расчет растворимости азота в стали марки 13Г1С-У производится при средней температуре металла в ковше во время выпуска t = 1600 оС (Т = 1873 К) и давлении = 1 атм.

Химический состав стали марки 13Г1С-У представлен в таблице 8.

Таблица 8 Химический состав стали 13Г1С-У

Содержание элемента в стали, %.
C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	N	V	Nb
0,12-0,15	0,4-0,6	1,3-1,6	менее 0,015	менее 0,010	0,3	0,020- 0,050	менее 0,008	-	0,03- 0,05

Согласно технологической инструкции по выплавке стали в ЭСПЦ присадки раскислителей и легирующих добавок производят в ковш во время выпуска из расчета получения нижнемарочного значения для заданного химического состава. В таблице 9 представлен предположительный состав стали 13Г1С-У полученный в ковше после выпуска плавки.

Таблица 9 Химический состав стали 13Г1С-У в ковше после выпуска плавки

Содержание элемента в стали, %.
C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	V	Nb
0,13	0,5	1,4	0,08	0,015	0,3	0,020	-	0,04

Параметры взаимодействия первого и второго порядка определяются по данным таблицы 10 и 11.

Таблица 10 Параметры взаимодействия первого порядка • 100 в железе при 1873 К

Элемент i	Элемент j
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	V	Nb
N	13	4,7	-2	4,5	0,7	-4,7	-2,8	-9,3	-6

Таблица 11 - Параметры взаимодействия второго порядка • 100 в железе при 1873 К

Элемент i	Элемент j
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	V	Nb
N	0	0	0	0	0	0,04	0	0	0

lg = (0,13 • 0,13 + 0,047 • 0,5 - 0,02 • 1,4 + 0,045 • 0,008 + 0,007 •

• 0,015 - 0,047 • 0,30 - 0,028 • 0,020 - 0,093 • 0,00 - 0,06 • 0,04) + (0,0004 • • 0,32) = 0,0012.

lg[N]спл= - (- 0,0012) + 0,5 • lg 1 = - 1,348;

[N]спл = 0,046%.

Равновесная концентрация азота в железе составляет 0,044%, т. е. в стали марки 13Г1С-У выпущенной в соответствии с технологией принятой в ЭСПЦ ОАО «Уральская сталь» (ОХМК) равновесная концентрация азота в сплаве выше.

3.2.2 Предлагаемая технология

Произведя расчеты в таблице «Excel» получены результаты которые описывают зависимость lg [N] от содержания в железе каждого элемента в отдельности. Результаты расчетов выведены на диаграмму (рисунок 9 и 10) для элементов имеющих низкое содержание в железе (до 0,1 %) и элементов с большей концентрацией (более 0,1 %).

Рисунок 10 Зависимость lg [N] от элементов содержащихся в стали 13Г1С-У в концентрациях менее 0,10 %

Как видно из диаграммы (рисунок 10) ниобий и алюминий в разной степени способствуют растворению азота в железе, поэтому необходимо исключить их введение в ковш во время выпуска плавки. Сера занимает позицию ближе к нейтральной и поэтому практически никак не влияет на растворимость азота. Фосфор и кислород практически в равной степени снижают растворимость азота в железе, но в свою очередь они являются вредными примесями, поэтому их содержание в железе должно быть минимальным.

На следующей диаграмме (рисунок 10) описана зависимость lg [N] от элементов содержащихся в железе в концентрациях более 0,10% и имеющих возможность в более значительной степени повлиять на растворимость азота. Растворимости азота в значительной степени способствует марганец, соответственно необходимо исключить его введение в ковш во время выпуска плавки. Углерод и кремний (особенно углерод) способны своим присутствием снизить азотирование металла. Но на стали 13Г1С-У содержание углерода не высокое и выпуск плавки из печи производится при содержании углерода (0,10 ± 0,02) % (с учетом последующего науглероживания ферросплавами). Поэтому значительно повлиять на растворимость азота в железе углерод не может. Единственным элементом способным снизить растворимость азота в данной марке стали является кремний. Введение ферросилиция в ковш в начале слива металла (после налива первых 5 - 10т металла лотком или по тракту подачи ферросплавов порциями под струю) позволит резко снизить растворимость азота. Количество ферросилиция должно обеспечить получение среднемарочного содержания кремния для стали 13Г1С-У (~0,5%). Для плавки массой 100т это количество будет соответствовать 800кг ФС65 при 80% усвоения кремния.

Рисунок 11 Зависимость lg [N] от элементов содержащихся в стали 13Г1С-У в концентрациях более 0,10%

На рисунке 11 показана диаграмма которая описывает изменение lg [N] от количества металла в ковше во время выпуска плавки. После отлива от 5 до 10 т металла (или во время отлива), в ковш производится присадка шлакообразующих и ферросилиция в количестве 800 кг. Это резко повышает концентрацию кремния из-за малого количества металла. В дальнейшем по мере наполнения ковша концентрация кремния снижается до среднемарочного значения. lg [N] изменяется пропорционально концентрации кремния, возрастая к концу выпуска.

Состав шлакообразующих должен обеспечивать их легкоплавкость и высокую жидкоподвижность. Это связано с тем, что жидкоподвижный шлак легко растекается по поверхности металла, не позволяя ему оголяться, а также с тем, что жидкоподвижный шлак имея высокую газопроницаемость, легко пропускает сквозь себя наружу воздух эжектируемый струей металла.

Присадка остальных материалов производится в ковш с последними порциями металла или на агрегатах внепечной обработки стали, когда в ковше металл прикрыт слоем шлака и контакт с атмосферным азотом снижен до минимума.

Рисунок 12 Зависимость lg [N] от массы металла в ковше

Среднее значение lg [N] за время выпуска плавки составило:

lg [N]ср = - 1,382.

Это соответствует равновесной концентрации [N]ср = 0,042%. Это значение намного ниже, чем в случае рассматриваемом выше (по технологии ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК).

3.2.3 Температурная зависимость растворимости азота

Температурная зависимость растворимости азота для стали 13Г1СБ-У производится по формуле:

; (13)

Коэффициент активности fN определяется из lg fN для стали 13Г1С-У определенного выше в уравнение (8):

lg fN = - 0,0012;

fN = 0,997.

Тогда:

ln KN = ; (14)

Определение изменения KN в диапазоне температур от 1580 0С (1853 К) до 1680 0С (1953 К), с интервалом в 20 0С:

ln KN = = - 3,132; KN = 0,0436;

ln KN = = - 3,124; KN = 0,0440;

ln KN = = - 3,117; KN = 0,0443;

ln KN = = - 3,11; KN = 0,0446;

ln KN = = - 3,103; KN = 0,0449;

ln KN = = - 3,097; KN = 0,0452.

Определение изменения в диапазоне температур от 1520 0С (1793 К) до 1620 0С (1893 К), с интервалом в 20 0С:

= 0,0438%;

= 0,0441%;

= 0,0445%;

= 0,0448%;

= 0,0451%;

= 0,0454%.

На основе этих данных построена диаграмма представленная на рисунке 13.

Рисунок 13 Зависимость равновесной концентрации азота от температуры.

Как видно из расчетов и диаграммы на рисунке 12 для стали марки 13Г1С-У растворимость азота возрастает с повышением температуры металла. Для данной марки стали целесообразно иметь температуру металла (1640 ± 10) 0С. При этой температуре равновесная концентрация азота составит около 0,0447%.

Теперь производится сравнительный расчет для плавки выпущенной по предлагаемой технологии на основе значения lg [N]ср = - 1,38258.

Подставив в уравнение (11) значение lg [N]ср = - 1,38258 получится:

lg fN = 1,0777.

= 0,0405%;

= 0,0408%;

= 0,0411%;

= 0,0414%;

= 0,0417%;

= 0,0419%.

На основе этих данных построена диаграмма представленная на рисунке 13

Диаграмма зависимости равновесной концентрации азота от температуры (рисунок 13) для предлагаемой технологии выпуска плавки, подчиняется тем же законам что и в предыдущем варианте, но лежит намного ниже. Это значит, что при тех же рекомендуемых температурах металла (1640 ± 10) 0С, равновесная концентрация азота будет составлять 0,0412%. Разница между первым и вторым вариантом составит:

?[N]р = 0,0447 - 0,0412 = 0,0035%.



Рисунок 14 Зависимость равновесной концентрации азота от температуры для стали 13Г1С-У (по предлагаемой технологии).

Таким образом, для предотвращения азотации расплава в процессе выпуска необходимо выполнение следующих условий:

· выпуск плавки производить компактной струей;

· вначале выпуска плавки после схода (или во время схода) от 5 до 10 т металла в ковш вводится ФС65, в количестве обеспечивающем получение среднемарочного значения кремния в стали;

· в начале выпуска плавки (после схода от 5 до 10 т металла) в ковш вводить от 800 до 1000 кг извести и от 250 до 350 кг плавикового шпата;

· присадку алюминия и ферросплавов производить после выпуска около 90 т металла или на агрегатах внепечной обработки стали.

3.3 Влияние технологических параметров внепечной обработки стали на установке «ковш - печь» на массовую долю азота в металле

Прирост массовой доли азота в процессе обработки металла на установке «ковш - печь» (УКП) зависит в первую очередь от массовой доли азота в стали перед обработкой. Так, при содержании азота перед обработкой 0,008% азотация расплава составляет от 0,00 до 0,001%, в то время как при содержании азота от 0,005 до 0,006 азотация расплава составляет от 0,003 до 0,004% (таблица 12).

Значительное влияние на степень насыщения металла азотом оказывает и продолжительность нагрева металла и, в первую очередь, - при работе на «мощных» ступенях напряжения трансформатора. При средней продолжительности нагрева от 47 до 56 мин (в том числе на «мощных» ступенях - от 40 до 51 мин) азотация составляет от 0,003 до 0,006%, а при продолжительности нагрева от 30 до 39 мин - от 0,00 до 0,002%. Это связано в первую очередь со шлаковым режимом. Длина электродуги на низких ступенях нагрева составляет от 90 до 110 мм, на высоких ступенях, соответственно, от 110 до 160 мм. При работе на низких ступенях нагрева, для экранировки электродуги достаточно иметь толщину шлака от 100 до 150 мм, в то время, как при работе на высоких ступенях необходимо иметь от 150 до 200 мм слоя шлака /29/.

Таблица 12 Влияние технологических параметров обработки металла на установке «ковш-печь» на азотацию расплава

№ УКП	Прирост азота на УКП	Кол-во плавок, шт.	Средние показатели
			Температура послеуср. Продувки, 0С.	Толщина слояшлака, мм.	Азот в ковшевой пробе, %.	Расход на УКП, кг	Длительность обработки	Расход аргона	Продолжительность нагрева по ступеням
						кокс	известь	плавиковый шпат	всего	под током	м3.	м3/час.	1	2	3	4	5	6	7	8	1 - 3 (5 - 8)
1	0	7	1587	143	0,008	77	523	91	86	38	13,4	9,7		3	17	6	10		2	1-320	20
	0,001	2	1572	125	0,007	100	565	81	123	37	16,0	8,9			7		30			7	7
	0,002	6	1587	133	0,006	92	435	120	77	30	9,8	8,2	2	3	13	1	10		1	18	18
	0,003	4	1574	120	0,006	79	758	- 120	139	50	19,7	7,6			45		5			45	45
	0,006	2	1550	125	0,006	19	386	89	149	56	30,0	13,3	4	28	19		5			51	51
2	0	10	1582	110	0,008	27	693	147	82	36	18,3	14,6		4	13	1	10	1	7	8-5	(18)
	0,001	6	1578	100	0,008	38	639	196	100	39	18,0	10,6		2	14	7	2	4	10	16	(16)
	0,002	7	1582	107	0,007	49	998	225	77	33	17,0	13,1			4	6	7	1	13	23	(23)
	0,003	2	1568	75	0,006	70	306	50	102	47	8,0	4,9		5	20		9	4	9	22	(22)
	0,004	1	1570	100	0,005	-	1555	452	146	48	32,77	13,47			2	6	30		10	40	(40)

Рисунок 15 Схематическое изображение не экранированной а) и экранированной б) электродуги слоем шлака

На рисунке 14а) изображена схема, показывающая работу неэкранированной электродуги. Небольшое количество шлака не способно закрыть работающую электродугу, т. к. образующиеся при высоких температурах газы (пары железа и компонентов шлака) разбрызгивают шлак и металл по сторонам, оголяя при этом зону вокруг электрода, тем самым, давая воздуху (N2, O2) беспрепятственно проникать в активную зону. Высокая температура и прямой контакт металла с атмосферным азотом в зоне работы электродуги являются благоприятными условиями для азотирования.

На рисунке 14б) изображена схема, показывающая работу экранированной электродуги слоем шлака. Как видно из рисунка, зона работы электродуги полностью закрыта слоем шлака, не позволяя воздуху вступать во взаимодействие с металлом.

Поэтому очень важно быстро увеличить массу шлака до толщины слоя более 150 мм. При этом состав шлакообразующих должен обеспечивать легкоплавкость и достаточную жидкоподвижность шлака. Это связано с тем, что легкоплавкость шлаковой смеси позволит быстро (при относительно низких температурах) получить достаточное количество гомогенного шлака, а жидкоподвижный шлак легко растекается по поверхности металла, не позволяя ему оголяться и, имея высокую газопроницаемость, легко пропускает сквозь себя наружу газы.

Таблица 13 Влияние расхода аргона на азотацию металла

Номер УКП	Прирост азота, %	Азот в ковшевой пробе - 0,007%	Азот в ковшевой пробе - 0,006%
		количество плавок, шт	расход аргона,м3/час	количество плавок, шт	расход аргона,м3/час
1	0,00	13	8,8	11	10,9
	0,001	11	4,2	-	-
	0,002	11	4,5	13	7,0
	0,003	11	5,4	13	8,0
2	0,00	13	9,7	-	-
	0,001	12	8,5	-	-
	0,002	13	7,7	-	-
	0,003	11	5,4	-	-

Анализ вышеприведенной таблицы показывает: с увеличением удельного расхода аргона степень азотации снижается. Особенно заметно данная зависимость проявляется при обработке металла на УКП №2: при расходе аргона 14,6 м3/час азотации металла не происходит, при расходе 4,9 м3/час азотация стали составляет 0,003% /29/. Снижение азотации металла с увеличением расхода аргона связано, скорее всего, с созданием нейтральной атмосферы под крышкой УКП.

Для уточнения влияния расхода на прирост массовой доли азота был проведен дополнительный анализ на плавках, на которых содержание азота перед обработанной на УКП составило 0,006 - 0,007%. Анализ показал, что при содержании азота в ковшевой пробе 0,007% азотация расплава не происходит при расходе аргона 8,8 - 9,7 м3/час, а при содержании азота в ковшевой пробе 0,006% - при расходе аргона 10,9 м3/час. Здесь следует отметить, что удельный расход аргона определяется отношением общего расхода аргона к продолжительности продувки. Общий расход аргона складывается из расхода аргона при вводе ферросплавов и шлакообразующих (при повышенном удельном расходе аргона за счет продувки через байпас) и из расхода аргона при выполнении других операций (нагрев, ожидание химического анализа проб и других), когда расход аргона пониженный, т.е. полученные выше значения являются усредненными и требовали уточнения для определенной операции, а именно: нагрев металла.

Установлена определенная зависимость между степенью азотации и массой коксовой пыли, вводимой на УКП. Данная зависимость носит ярко выраженный характер при обработке плавок на УКП №2. При обработке плавок на УКП №1 зависимость менее выражена, что объясняется различным способом ввода коксовой пыли на установке «ковш - печь»: на УКП №2 пыль вдувают в металл через трубу, при этом в качестве несущего газа используют азот, на УКП №1 пыль подается в ковш самотеком. Минимальная масса коксовой пыли, присаживаемая на УКП и исключающая азотацию металла, в среднем составляет: для УКП №1 - 77 кг, для УКП №2 - 27 кг.

Значительное влияние на азотацию металла в процессе обработки плавки на УКП оказывает шлаковый режим: толщина слоя шлака перед обработкой и масса извести, вводимой на УКП. Влияние данных параметров на азотацию объясняется тем, что от этих параметров зависит степень экранирования электрических дуг. Как видно из приведенных данных при работе на 1 ступени для полного экранирования дуги толщина слоя шлака должна быть не менее 122 см /29/.

Таблица 14 Длина дуги в зависимости от ступени трансформатора на УКП №2

Напряжение	35 КВ	37 КВ
1 ступень	115 см	122 см
3 ступень	104 см	110 см
5 ступень	95 см	101 см
7 ступень	87 см	92 см

Таким образом, для предотвращения азотации расплава в процессе обработки на УКП необходимо выполнение следующих условий:

· быстрое наведение жидкоподвижного шлака в количестве, обеспечивающем полную экранировку электродуги;

· иметь максимально возможную интенсивность продувки металла аргоном.

В качестве дополнительных технических мер необходимо провести реконструкцию УКП, цель которой заключается в уплотнении зазора между ковшом и сводом УКП. Это позволит исключить подсос воздуха и будет способствовать созданию нейтральной атмосферы в рабочем пространстве.

3.4 Определение оптимальных параметров производства стали

Как было отмечено выше, статистический анализ показал существенную зависимость между количеством окисленного в печи углерода и содержание азота в готовой стали. Для обеспечения массовой доли азота в стали не более 0,007%, согласно данному анализу, необходимо окислить в печи после полного расплавления шихты не менее 0,27% углерода. Однако, учитывая усовершенствование технологии раскисления металла в процессе выпуска и регламентация параметров внепечной обработки стали на установке «ковш-печь» исключают или снижают азотацию расплава, было предложено следующее:

· окисление металла начинать за 5 - 10 мин до отбора первой пробы присадкой окисленных окатышей в количестве 400 - 1000 кг из расчета окисления 0,02% углерода каждыми 100 кг окатышей;

· после отбора первой пробы окислять не менее 0,30% углерода, после отбора второй пробы - не менее 0,20% углерода;

· в процессе окислительного периода в печь вводить не менее 1,5 т окисленных окатышей;

· нагрев и обезуглераживание расплава производить одновременно;

· металл перед выпуском плавки нагревать до 1660 - 1700 С0 ;

· в процессе выпуска, после слива первых 5 - 10 т металла, в ковш присаживать 500 - 1000 кг извести и 100 - 300 кг плавикового шпата, после схода 80 - 90 т металла - ферросплавы и алюминий

Таблица 15 Средние технологические параметры плавок

№	Параметр	Марка	В т.ч. с азотом не более 0,0070%
		10ХСНДА	Низколегированные	5сп	3сп
1	Окисление углерода, всего, %	0,56	0,57	0,52	0,59	0,65
2	Окислено углерода после второй пробы, %	0,26	0,31	0,26	0,37	0,41
3	Расход извести в окислительный период, кг	2576	2385	2594	2300	2750
4	Расход окатышей в окислительный период, кг	1770	1820	1211	1364	2180
5	Температура металла перед выпуском, 0С	1660	1656	1661	1659	1665
6	Температура металла после выпуска, 0С	1572	1573	1579	1577	1571
7	Толщина слоя шлака, мм	108	98	106	109	100
8	Расход извести на УКП, кг	697	810	529	538	729
9	Продолжительность обработки на УКП, мин	109	116	80	78	87
10	Продолжительность нагрева на УКП, мин	43	38	35	40	40
	Среднее содержание азота, %	0,0072	0,0072	0,0071	0,0071	0,0066
11	Расход кокса на УКП, кг	21	29	53	22	20
12	Продолжительность плавки
	всего, мин	139	135	123	131	121
	расплавление	57	58	48	54	49
	окислительного периода	44	40	38	40	40

Следует отметить, что плавки с массовой долей азота в готовом металле 0,0070% и менее отличаются от остальных плавок большим количеством окисленного в печи углерода и большей массой извести и окисленных окатышей, вводимых в окислительный период.

Все опытные плавки были «разбиты» на две группы по признаку «количество окисленного в печи углерода». В первой группе (условное название - «технология «толстого» шлака») количество окисленного в печи углерода не превышало 0,30%, во второй группе («технология окисления») было окислено свыше 0,30% углерода.

Сущность «технологии «толстого» шлака» заключалась в нагреве металла под слоем шлака, полностью экранирующим электрические дуги, до температуры 1620 - 1660 0С с последующим скачиванием шлака и выпуска плавки.

Сравнительный анализ показывает, что первая группа плавок отличается от второй группы следующими параметрами:

· более низким количеством окисленного углерода (0,02 -0,22% против 0,57 - 0,63%);

· более низкой температурой металла перед выпуском плавки

· (1630 - 1657 0С против 1659 - 1662 0С);

· меньшим расходом окисленных окатышей (в среднем на 87 - 1344 кг);

· меньшей продолжительностью окислительного периода (на 2 - 10 мин);

· большей массовой долей азота в готовой стали (0,0072 - 0,0073% против 0,0070 - 0,0072%).

Учитывая, что, во первых, выпуск плавок из дуговых печей при сравнительно низких температурах возможен только в условиях ритмичной работы на участке «ДСП - УКП» (когда продолжительность от конца выпуска до начала обработки на УКП минимальная, т.е. тепловые потери и продолжительность нагрева на УКП с ведены до минимума), во - вторых, технология «толстого» шлака предусматривают определенную квалификацию сталеваров и, в третьих, наличие соответствующего оборудования, позволяющего постоянно поддерживать шлак в печи во вспененном состоянии.

Следует отметить, что в ходе проведения исследований было выявлено несколько характерных особенностей выплавки стали в дуговых печах, не позволяющих обеспечить содержание азота в ковше после выпуска плавки в низких пределах (менее 0,0065%):

· нагрев металла на «спокойной» ванне при недостаточном для экранирования электродуг количестве шлака;

· ввод в ковш в процессе выпуска значительной массы (150 кг) кокса (содержание азота в коксе составляет приблизительно 1,0%);

· длительное плавление подвалки, вследствие нарушений стандартной шихтовки (повышенная масса толстолистовой обрези ЛПЦ-1) и недостаточном количестве шлака;

· скачивание шлака из печи перед выпуском плавки посредством опускания электродов в металл

· выпуск плавки «под током»;

· поздний ввод шлакообразующих в ковш;

· ранний ввод ферросплавов и алюминия в ковш.

Таким образом, технология производства стали в 100-т дуговых печах ЭСПЦ должна включать в себя следующее:

1. Массовая доля углерода после полного расплавления шихты при выплавке низкоуглеродистых, низколегированных и среднеуглеродистых марок стали должна составлять 0,60 - 0,70%, для чего рекомендуется производить шихтовку плавок следующим образом:

Таблица 16 Рекомендуемая шихтовка плавок

Масса чугуна, т	Масса лома 2А - 10А,т	Масса кокса, кг	Масса окатышей, кг
0,0	менее 50	1500	600
	более 50	1000	800
8 - 9	менее 50	800	200
	более 50	600	400
14 - 16	менее 50	300	300
	более 50	200	400

Кокс вводить в печь после проплавления «колодцев» завалки (через 8 - 12 мин после включения печи) с последующим вводом 500 - 1000 кг извести. Окатыши вводить за 5 - 10 мин до взятия первой пробы. Рекомендуемый вариант шихтовки, обеспечивающий стабильное содержание углерода в металле, - с массой чугуна 14 - 16 т.

2. После отбора первой пробы в печь вводить через сводовую фурму кислород с расходом 800 - 1200 м3/час. При невозможности опускания фурмы в данный момент вследствие неполного расплавления шихты, окисление металла производить оки...