Дослідження фізико-хімічних особливостей і розробка поліреагентних способів позапічної обробки конвертерної сталі поліпшеної якості

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

МЕЛЬНИК Сергій Григорович

УДК 669.187.2:669.18.046:621

ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ ТА РОЗРОБКА ПОЛІРЕАГЕНТНИХ СПОСОБІВ ПОЗАПІЧНОЇ ОБРОБКИ КОНВЕРТЕРНОЇ СТАЛІ ПОЛІПШЕНОЇ ЯКОСТІ

Спеціальність 05.16.02. - Металургія чорних і кольорових металів

та спеціальних сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2009

ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИСОМ

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України і на МК «Азовсталь»

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Чернятевич Анатолій Григорович,

Дніпродзержинський державний технічний університет МОН України, м. Дніпродзержинськ, завідувач кафедри;

доктор технічних наук, провід. н. с.

Костяков Володимир Миколайович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м. Київ, провідн. науков. співробітник;

доктор технічних наук, ст. н. с.

Шаповалов Віктор Олександрович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, завідувач відділу.

Захист відбудеться « 25 » червня 2009г. в 14.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 142, ГСП, пр. Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України м. Київ, пр. Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий « 20 » 05. 2009р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

докт. техн. наук, М.І. Тарасевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво якісної металопродукції, у тому числі експортно-орієнтованої, є основним завданням гірничо-металургійного комплексу (ГМК) України, що забезпечує понад 40% валютних надходжень до бюджету країни. Актуальність теми визначається необхідністю зміцнення позицій ГМК України на світових ринках в умовах конкурентної боротьби шляхом поліпшення якості чорних металів, що є основними конструкційними матеріалами в ХХI столітті.

Зростаюча потреба в металі поліпшеної якості, викликана переходом від екстенсивних до інтенсивних умов реалізації промислового потенціалу в світі і в Україні, може бути забезпечена розробкою нових ефективних технологічних процесів позапічної обробки сталі на основі теоретичних і експериментальних досліджень для підвищення службових характеристик металопродукції шляхом зниження вмісту в металі неметалевих включень (НВ), шкідливих домішок і газів, поліпшення макро- і мікроструктури литої заготівки і прокату. Додаткові вимоги до якості сталі задають з метою поліпшення службових властивостей металопродукції. Так, для сталі типу 09Г2ФБ, 10Г2БТ і Х70, призначеної для виготовлення труб великого діаметру магістральних газогонів, потрібна знижена концентрація шкідливих домішок сірки |S|, фосфору і глобуляризація НВ, для корпусних суднових сталей - підвищена холодостійкість і поліпшені пластичні і міцнісні характеристики, які забезпечують параметри для зварювання, при цьому вміст сірки в сталі обмежений - не більше 0,003 %, фосфору - не більше 0,012 %. Для мостових, котельних і суднових сталей, деяких сталей для хімічного машинобудування 10-15ХСНД, 08Г, 08ГТ і ін. разом із зменшенням концентрацій |S| і потрібне зниження концентрації в них водню, у ряді випадків до 3 ppm. Для високоміцних сталей 30ХГСА, 16ХГМФТР, В (ASTM А 514), 14ХГНМД1АФБРТ і ін. необхідне зниження концентрацій і, модифікація лужноземельними металами ЛЗМ і мікролегування Nb, V, Ti, B або рідкісноземельними металами РЗМ, в сталях для витяжки 08Ю, S355 і ін. - зниження концентрацій,, і т.д.

Рішення цих проблемних задач не представляється можливим без досліджень фізико-хімічних процесів у високотемпературних гетерогенних металургійних системах і розробки на їх основі способів позапічної обробки металу. Значний внесок в розвиток теорії процесів позапічної обробки зробили В.І Явойський, Г.Кнюппель, В.І. Баптизманський, Е.Т.Туркдоган, В.Б. Охотський, І.Д. Сомервіль, О.М. Поживанов, Т. Морі, А.Ф. Каблуковськй, Д.О.Дюдкін, А.Мітчелл, М.Ф.Сидоренко, В.А.Віхлевщук, В.Н.Новіков, В.Г.Куклєв та інші. Разом з тим, не дивлячись на безперечну цінність і практичну значущість досягнутих ними результатів, залишається без вирішення ряд принципових наукових задач при дослідженні фізико-хімічних особливостей процесів позапічної обробки сталі. Це відноситься до дослідження рафінуючих властивостей активних шлакових систем на основі CaO-Al2O3-SiO2, CaO-CaF2, впливу підвищеної концентрації (MgO) на в'язкісні і термокінетичні властивості шлаків системи CaO-Al2O3-SiO2, та на ефективність фізико-хімічних процесів рафінування металевої фази в складних високотемпературних гетерогенних системах метал-шлак-газ. Не з'ясовані термодинамічні умови поведінки водню при позапічному рафінуванні сталей поліреагентними шлаковими сумішами з різними значеннями активності кисню і сульфідної ємності в них з урахуванням впливу температурного чинника, парціального тиску водяної пари в газовій фазі і відносній вогкості повітря . Не досліджені процеси позапічного доведення і мікролегування конвертерних сталей з урахуванням вмісту надрівноважного і змін ізобарно-ізотермічного термодина-мічного потенціалу окислювально-відновних реакцій, поведінки НВ при обробці сталі в ковші різними шлаковими сумішами на основі рідких вапняно-глиноземних синтетичних шлаків (СШ), твердих шлакоутворюючих сумішей (ТШС), вапна, обробки SiCa і вакуумування. Не повною мірою досліджені термодинамічні умови перемішування сталі у великовантажному сталерозливному ковші инжектуванням аргоном, відсутня універсальна характеристика завершеності глобуляризації сульфідів, що враховує окислювальні процеси при модифікуванні ЛЗМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до Національної програми розвитку ГМК України до 2010 р., підготовленої відповідно до Ухвали Верховної Ради України № 166-XIV від 6 жовтня 1998 р., і «Концепцією розвитку ГМК України до 2005-2010 р.», затвердженої Урядом України, комплексними цільовими програмами «Метал», «Чиста сталь», «Метал-прокат, «Хладостойкая сталь», Ухвалами Ради міністрів, Держкомітету по науці і техніці, і координаційними планами міністерств і відомств по напрямах «Сталеплавильне виробництво», «Конвертерне виробництво» і «Позапічна обробка сталі», а також в рамках НДДКР «Освоєння у виробництві технологічних процесів виплавки сталі підвищеної якості: мікролегування, рафінування і доведення металу в ковші» (№ ДР 01840087198), «Відпрацювання і впровадження технології рафінування, модифікування, мікролегування і доведення сталі в ковші за хімічним складом порошкоподібними і кусковими матеріалами в ковшах великої місткості з основною і високоглиноземною футерівкою» (№ ДР 01840037723).

Мета роботи: теоретичне обґрунтовування наукових і технологічних положень фізико-хімічних процесів поліреагентних способів позапічної обробки металу при виробництві конвертерних сталей поліпшеної якості і вирішення на їх основі важливої науково-технічної проблеми - розробки ефективної технології виробництва металопродукції підвищеної якості із заданими властивостями, конкурентоздатної на світових ринках металу. Для досягнення поставленої мети були визначені наступні задачі:

узагальнити дані про фізико-хімічні процеси при рафінуванні сталі активними шлаками, її модифікуванні і вакуумуванні, обробці інертними газами і газопорошковими сумішами;

дослідити із залученням концепції оптичної основності і сульфідної ємності шлаків рафінуючі властивості високотемпературних шлакових систем на основі рідких вапняно-глиноземних СШ (СaO+Al2O3), ТШС (CaO+CaF2) і розкислених сталеплавильних шлаків;

дослідити термодинаміку процесів наводнювання сталі при поліреагентних способах її позапічної обробки рафінуючими шлаковими сумішами на основі СаО;

дослідити особливості процесів рафінування і модифікування сталі інжектуванням порошкоподібних реагентів (SiCa, SiBa, С, CaO, CaO+CaF2) і введенням порошкових дротів з наповнювачами (SiCa, Al-Ca, С);

виконати дослідження фізико-хімічних процесів позапічного мікролегування, коректування хімічного складу і температури сталі з урахуванням змін ізобарно-ізотермічного термодинамічного потенціалу реакцій і окислености сталі;

дослідити термодинамічні умови процесу перемішування сталі в ковші місткістю 350 т інжектуванням аргоном і процесів дегазації при аргоно-вакуумному порційному рафінуванні;

дослідити вплив фізико-хімічних закономірностей високотемпературних поліреагентних способів позапічної обробки конвертерної сталі на її якісні показники;

розробити технологічні процеси виробництва конвертерної сталі поліпшеної якості і засади сертифікації металопродукції з метою підвищення її конкурентоспроможності.

Об'єкт дослідження. Процеси виробництва конвертерної сталі у великовантажних конвертерах з позапічною обробкою металу в 350-т сталерозливних ковшах.

Предмет дослідження. Фізико-хімічні явища процесів позапічної обробки сталі.

Методи дослідження. Для виконання хімічних аналізів металів, шлаків і газів використовували сучасне аналітичне устаткування: емісійні спектрометри «Спектровак 1000 і 2000» фірми «Берд», США; «Спектролаб» і атомно-емісійний спектрометр «Спектрофлейм Р» фірми «Спектро», Німеччина; рентгенофлуоресцентні спектрометри ARL 8680S, ARL 17000, ARL 32000, Швейцарія; аналізатори вуглецю і сірки CS-444, азоту TN-114, водню RH-402, кисню RO-116 фірми «Леко», Німеччина; електронний мікроскоп. Відбір проб для аналізу, зняття сірчаних відбитків по Бауману, підготовку темплетів травленням в розчинах кислот виконували за діючою нормативною методикою.

Визначення фізико-хімічних, фізичних і структурних характеристик здійснювали із застосуванням апробованих методів експерименту: вібротермографу-вання з вібраційним способом віскозиметрії і диференціально-термічним аналізом, петрографічних і металографічних методів, методів радіометричного контролю. Для отримання достовірної інформації про досліджувані фізико-хімічні процеси застосовували методи термодинамічного аналізу, математичного моделювання, організації промислового експерименту, розрахункові методи на ЕОМ із застосуван-ням програмних пакетів, методи статистичної обробки результатів досліджень.

Експерименти проводили із застосуванням повірених приладів, аналітичне устаткування і лабораторії атестовані і сертифіковані в чинному порядку, у тому числі в світових системах ISO 9001:2000 і API Spec Q1.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше на підставі встановлених закономірностей зміни сульфідної ємності шлаку від складу показано, що рафінуючі шлаки, сформовані на основі ТШС (CaO+CaF2), мають більш високі значення , ніж шлаки на основі СШ(СaO+Al2O3);

- досягнута ефективність десульфурації сталі активними шлаковими сумішами системи CaO-Al2O3-SiO2 на основі СШ з підвищеним вмістом МgО;

- експериментально показано, що заміна в СШ частини (Al2O3) на (MgO) веде до поліпшення рафінування сталі за рахунок зниження в'язкості шлакового розплаву, а пониження температури рафінувального шлаку на основі СШ, починаючи з 1660С, приводить до гетерогенності шлаку і зниження його рафінуючих властивостей;

- встановлено закономірності поведінки водню в гетерофазній системі металл-шлак-газ при позапічному рафінуванні конвертерної сталі шлаками на основі ТШС . На підставі цих закономірностей підтверджено зв'язок між водною ємністю шлаку і його сульфідною ємністю ;

- на підставі встановлених закономірностей впливу складу штрипсової сталі на морфологію НВ запропоновано показник глобуляризації НВ

для характеристики модифікування НВ в сталі при обробці SiCa;

- аналітично і експериментально показано, що найефективнішим полі-реагентним процесом позапічного рафінування сталі в розглянутих умовах є обробка сталі в ковші ТШС (CaO+CaF2) і SiCa в порошковому дроті, який дозволяє в 1,7 рази понизити забрудненість сталі НВ;

- із застосуванням I закону термодинаміки вперше отримано аналітичні вирази для визначення роботи АГ і потужності NГ перемішування сталі аргоном у великовантажному 350-т ковші;

- вперше за допомогою термодинамічного аналізу впливу температури, парціального тиску водяної пари і відносної вологості повітря на вміст водню в штрипсовій сталі Х70 (АРI 5L) показана можливість підвищення вмісту водню до 10,5 ppm при збільшенні температури до 1650 ?С і вологості повітря до 90 %.

- із застосуванням принципу зміщення рівноваг Лє-Шательє сформульовано умови вилучення газів з конвертерної сталі із збільшенням парціального тиску аргону P{Ar} в газовій фазі при аргоно-вакуумному порційному рафінуванні, що отримало експериментальне підтвердження при вакуумуванні сталі на УПВС-350.

Практична цінність і реалізація результатів роботи в промисловості. Результати досліджень апробовані і впроваджені на металургійному комбінаті «Азовсталь». Основні результати розробки поліреагентних способів позапічної обробки сталі включені в Типові технологічні інструкції ТТІ 1.3-15-22, ТТІ 1.3-15-733 по виплавці, позапічній обробці і розливанню конвертерної сталі. На основі отриманих в роботі результатів розроблено технологічні інструкції, а також ряд технічних умов на різноманитні види продукції.

Розроблено і впроваджено технологічні процеси виробництва сталі у великовантажних 350-т конвертерах із застосуванням поліреагентних позапічних способів десульфурації сталі рафінуючими сумішами на основі рідких СШ і ТШС, рафінування і модифікування порошкоподібними реагентами, вакуумування, мікролегування і коректування складу сталі присаджуванням феросплавів з одночасною обробкою аргоном. Отримані при виконанні даної роботи результати використані при створенні сучасних конвертерних виробництв на Магнітогорському, Череповецькому, Дніпродзержинському металургійних комбінатах, на ММК ім. Ілліча і при проектуванні конвертерних цехів.

Розроблені технології дозволили підвищити якість і службові властивості металопродукції до рівня конкурентоспроможності на світових ринках металу.

Особистий внесок автора. Наведені в дисертації матеріали є підсумком робіт, що проводяться особисто автором, під його керівництвом і при його участі в співавторстві. Особистий внесок автора полягає в постановці задач досліджень, розробці планів проведення НДДКР, розробці теоретичних положень, участі в проведенні лабораторних і промислових експериментів, розробці і упровадженні основних технологічних рішень по темі роботи в умовах діючого металургійного виробництва.

В переліку наукових праць, представленому в авторефераті, автором особисто: виконана оцінка вживаних методів позапічної обробки металу; сформульовані умови для підвищення ефективності рафінувальних процесів [1, 17, 19, 29, 30]; поставлені задачі і визначені фізико-хімічні характеристики процесів рафінування сталі від шкідливих домішок і НВ, на підставі результатів досліджень здійснена участь в розробці технологічних процесів позапічної обробки сталі [16, 18, 28, 31, 32]; організовані експериментальні дослідження і отримані первинні дані по позапічному модифікуванню НВ сталі рідкоземельними металами, виконано аналіз даних з участю у формулюванні висновків [13]; отримані основні наукові результати оцінки фізико-хімічних процесів при позапічній обробці сталі [20], на підставі результатів експериментів отримані основні висновки про вплив різних способів позапічного рафінування сталі [21, 23, 27]; поставлені задачі, оброблені дані досліджень дії технологічних параметрів на процес насичення металу газом при позапічному рафінуванні сталі і модифікуванні НВ [7, 22, 25]; сформульовані задачі досліджень, виконані дослідження з участю в створенні математичних моделей поведінки водню в штрипсовій сталі Х70 за стандартом API 5L [7, 12, 14, 15] і отримання в сталі ASTM (A514)/(A514M) концентрації «ефективного» бору, що забезпечує оптимальну прогартовуваність листа, розроблена технологія позапічного мікролегування сталі бором [24]; проведені дослідження фізико-хімічних властивостей рафінуючих шлаків з участю в організації і проведенні лабораторних експериментів, аналізі отриманих експериментальних даних і формулюванні висновків [26].

Економічна ефективність. Економічний ефект за рахунок зниження витрат на виробництво металопродукції в результаті впровадження розроблених на основі результатів досліджень технологій і нових видів продукції склав 18105,172 тис. грн./рік.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи представлені на 21 міжнародній конференції, 27 всесоюзних конференціях, нарадах і семінарах, 34 республіканських конференціях і семінарах, а також на координаційних нарадах з проблем позапічної обробки металу, конвертерного і електросталеплавильного виробництва сталі Міністерств і відомств, на ряді металургійних підприємств.

Результати роботи представлялися і обговорювалися на міжнародних форумах: семінарах Комітету із чорної металургії Економічної комісії для Європи ООН (ЕЕК ООН) по економічних аспектах позапічної обробки сталі в м. Дрездені, Німеччина, 1987 р. і по металургійних вимогах до зварюваної сталевої продукції в м. Києві, Україна, 1991 р.; засіданні Постійної комісії РЕВ по співпраці у галузі чорної металургії і Міжнародній конференції країн - членів РЕВ і СФРЮ по автоматизації і управлінню в чорній металургії в м. Маріуполі, 1987 і 1988 р.р.; Міжнародній конференції «Безперервне розливання сталі» в м. Трінці, Чехословаччина, 1989 р.; Міжнародній конференції «Прогресивні процеси і устаткування металургійного виробництва» в м. Череповці, 1998 р.; Міжнародних н.-т. конференціях «Теорія і практика киснево-конвертерних процесів» в м. Дніпропетровську в 1994, 1998, 2002, 2006 роках; Міжнародній н.-т. конференції «Сучасні проблеми електрометалургії сталі» в м. Челябінську, 1998 р.; Міжнародній н.-т. конференції «Виробництво сталі в XXI столітті. Прогноз, процеси, технологія, екологія» в м.м. Києві і Дніпродзержинську, 2000 р.; Міжнародних н.-т. конференціях «Благородні і рідкісні метали» БРМ-2000, БРМ-2003 в м. Донецьку, 2000, 2003 р.р.; Міжнародній н.-т. конференції «Прогресивні технології безперервного розливання сталі: XXI століття» в м. Донецьку, 2002 р.; Міжнародної конференції «Сучасне устаткування, технологія позапічної обробки сталі і безперервного лиття заготівок» в м. Єнакієво, 2003 р.; Міжнародній н.-т. конференції «Прогресивні товстолистові сталі для газонафтогонних труб великого діаметру і металоконструкцій відповідального призначення» в м. Маріуполі, 2002 р.; Міжнародних конференціях «Воднева обробка матеріалів» в м. Донецьку в 1998, 2001, 2004, 2007 р.р.;

на всесоюзних конференціях, семінарах і нарадах: I-VIII Конгресах сталеплавильників в м.м. Москві, 1992, 1995, 1996, 1997 р.р., Липецьку, 1993 р., Рибницях, 1998 р.; Череповці, 2001 р., Нижньому Тагілі, 2005 р.; «Підвищення ефективності застосування легуючих, розкислювачів і модифікаторів для виплавки сталі» в м. Челябінську, 1984 р.; «Підвищення якості сталі за рахунок вдування рафінуючих порошків» і «Теорія і практика позапічної обробки сталі» в м. Москві, 1984 і 1985 р.р.; «Ефективність виробництва і застосування нових модифікаторів, розкислювачів і лігатур в металургії і машинобудуванні» в м. Челябінську, 1988 р.; «Проблеми виробництва і застосування сталей і чавунів для техніки в північному виконанні» в м. Свердловську, 1989 р.; «Якість толстолистового прокату з нових низьколегованих сталей і труб для магістральних трубопроводів» в м. Маріуполі, 1989 р.; «Передовий досвід виробництва сталі, її позапічної обробки, розливання в зливки і отримання ковальських заготівок» і «Вдосконалення металургійної технології в машинобудуванні» в м. Волгограді, 1989 і 1991 р.р.; «Проблеми підвищення якості металопродукції по основних переділах чорної металургії» в м. Дніпропетровську, 1989 р.; «Підвищення механічних і експлуатаційних властивостей сталей масового виробництва» в м. Москві, 1990 р.; «Тепло- і массообмінні процеси у ваннах сталеплавильних агрегатів» в м. Маріуполі, 1986, 1991, 2000, 2006 р.р.та ін.

Деякі результати розробок по темі дисертації експонувалися на ВДНГ СРСР, ВДНГ України і відзначені дипломами, золотою, срібною і бронзовою медалями ВДНГ СРСР, відзначені премією імені академіка І.П.Бардіна ЦП ВНТТ Чорної металургії, дипломом Міжнародної асоціації сталеплавильників за кращу доповідь на I Конгресі сталеплавильників в Москві.

Публікації. Зміст дисертації викладений в 138 публікаціях. З них основними є 1 брошура, 32статті (9 - без співавторства), у тому числі 22 у виданнях, затверджених ВАК України, 7 матеріалів Міжнародних конференцій, 44 авторських свідоцтв і патентів на винаходи, посилання на які наведені в авторефераті.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, бібліографічного списку з 230 найменувань і 5 додатків. Обсяг роботи 379 сторінок комп'ютерного тексту, у тому числі 99 малюнків і 64 таблиці.

ОСНОВНИЙ ВМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність її виконання і сформульовані основні задачі дослідження.

В розділах 1, 2 «Узагальнення досвіду виробництва сталі підвищеної якості із застосуванням позапічної обробки металу» і «Теоретичні і технологічні особливості процесів виплавки металу у великовантажних 350-т конвертерах з подальшою комплексною позапічною обробкою сталі» виконано аналіз літератури, який підтвердив позитивну роль процесів позапічної обробки металу в підвищенні якості сталі. Наведено результати досліджень закономірностей процесів в металевій ванні, викликаних змінами дуттьового і шлакового режимів конвертерної плавки в результаті розробки і впровадження позапічної обробки сталі. Наведено дані по зміні температурного режиму конвертерної плавки, результати досліджень продування розплаву пульсуючими струменями, розглядаються особливості шлакоутворення в конвертері, пов'язані із застосуванням доломітизованого вапна і зниженням змісту марганцю в чавуні. Позапічна обробка повинна супроводжуватись організацією відсікання окисленого кінцевого шлаку, ефективне позапічне рафінування сталі вимагає зниження окислення металу і залежить від особливостей здійснення процесів окислення домішок металевої ванни при продуванні киснем. З'являється необхідність змін в підготовці матеріалів шихти. Таким чином, застосування поліреагентних способів позапічної обробки сталі змінює технологічні процеси отримання напівпродукту у великовантажних конвертерах і обумовлює необхідність комплексного підходу в розробці нових технологічних процесів виробництва конвертерної сталі поліпшеної якості.

Разом з тим, наголошується на недостатності даних по виробництву сталі з рафінуванням в ковшах великої місткості і суперечності деяких результатів. Відсутні відомості про фізико-хімічні закономірності ряду процесів позапічної обробки металу, у тому числі поліреагентного рафінування сталі з участю активної шлакової фази, поведінки водню і НВ у фізико-хімічних процесах позапічного рафінування і ін. Звертається увага на недостатність вихідних даних для комп'ютеризації управління процесами позапічної обробки металу. Критичний аналіз наявних в літературі даних дозволив сформулювати мету і задачі дослідження.

В розділі 3 «Дослідження фізико-хімічних процесів поліреагентних способів позапічного рафінування металу» досліджені особливості фізико-хімічних процесів рафінування сталі від сірки, фосфору і водню обробкою активними шлаковими сумі-шами систем CaO-Al2O3-SiO2 і CaO-CaF2, а також обробки інертним газом і модифі-кування, визначено умови ефективного рафінування сталі для поліпшення її якості.

Рафінування сталі від шкідливих домішок, в першу чергу від |S| і |P|, залишається вельми актуальною задачею, особливо для підприємств, що застосовують при виробництві чавуну кокс з високосірчистого кам'яного вугілля Донецького басейну. Допустима концентрація сірки в сталі, наприклад, не більше 0,003 % для сталі Х65 і Х70, не більше 0,004 % - для сталі 20ЮЧ, 20ЮЧШ, не більше 0,005 % - для сталі 10Г2ФБ, 10Г2БТЮ, не більше 0,006 % - для сталі 09Г2ФБ, 10Г2БТ, і ін., не більше 0,015 % - для сталі за зарубіжними стандартами DIN, ASTM, JIS і ін., обумовлює застосування поліреагентних технологій рафінування.

Найефективнішим способом десульфурації сталі є рафінування її активними шлаковими сумішами на основі (СаО). Більш технологічними є способи рафінування шлаками, сформованими на основі рідких вапняно-глиноземних синтетичних шлаків (СШ) системи (СаО + Al2O3) і твердих шлакоутворюючих сумішей (СаО + CaF2). Склад СШ наступний, %: 47-53 CaO, 33-40 Al2O3, 7-12 MgO, 2,4-3,6 SiO2, 0,5-1,5 FeO, 0,11-0,64 MnO, 0,04-0,11 С. Особливість складу СШ - підвищений вміст MgO - викликала необхідність додаткових досліджень властивостей СШ. Для цього методом вібротермографування на високотемпературному вібраційному віскозиметрі-термоаналізаторі В.Н.Гладкого визначили в?язкісні властивості СШ промислових складів. Встановлено, що в діапазоні температур 1480-1700 _С заміна частини Al2O3 на MgO призводить до зниження в'язкості розплаву, а СШ, виплавлений в шлакоплавильній печі, по в?язкісних властивостях задовольняє вимогам до нього. При підвищенні температури шлаку від 1450 до 1680 oС в'язкість СШ зменшується від 52 до 5 Па·с.

При рафінуванні металу активними шлаками на основі СШ взаємне емульгування металевої і шлакової фаз забезпечує збільшення поверхні контакту фаз, що сприяє розвитку процесу десульфурації сталі.

Ефективність десульфурації сталі шлаками залежить від активності іонів кисню в них. Для СШ за відомою методикою способом послідовних розбавлень з подальшою екстраполяцією на нульовий вміст розріджувача по значеннях е.р.с. на платинових електродах гальванічного елементу знаходили величину відносної активності іонів кисню в СШ, визначуваної з

, (1)

де Е - е.р.с., мВ; R - газова постійна; Т - температура, К; F - число Фарадея.

Величина досягає найбільших значень при вмісті SiO2 в розплаві 20 % і нижче, що відповідає аніоно-катіонній структурі розплаву. В інтервалі вмісту SiO2 в шлаковому розплаві від 65 до 100 % переважає каркасна структура розплаву на основі SiO2.

Сульфідна ємність шлакових розплавів за даними Сомервіля залежить від термодинамічної активності іонів кисню в шлаку за рівнянням

(2)

де - КS - константа рівноваги реакції обміну газ-шлак; - - коефіцієнт активності іонів сірки в шлаковому розплаві.

Результати десульфурації сталі 09Г2ФБ по варіанту СШ(СaO+Al2O3)+ SiCa (мал. 1) в зіставленні з результатами десульфурації штрипсової сталі Х42 і Х60 по варіанту застосування (ТШС+SiCa) (мал. 2) свідчать про вірогідність більш ефектив-ного застосування ТШС з підготовкою шихтових матеріалів плавки.

В роботі оцінені рафінуючі властивості шлаків, сформованих в сталерозливному ковші з ТШС, за допомогою оптичної основності шлаків по концепції Даффі і Інгрема. Згідно з цим підходом сульфідна ємність шлаку залежить від оптичної основності шлаку і температури Т:

(3)

(4)

де i - оптична основність оксиду i в шлаку (i - CaO, SiO2, FeO.), Xi - еквівалентна катіонна частка, визначувана з урахуванням мольної частки компонентів шлаку. Результати розрахунків і для шлаків на основі СаО і CaF2 показують, що і зростають із збільшенням мольної частки оксиду кальцію NCaO (мал. 3).

Для рафінувальних шлаків на основі ТШС (CaO + CaF2) із вмістом СaO від 51,8 до 63,26 %, SiO2 - від 10,36 до 24,70 %, Al2O3 - від 7,11 до 43,76 %, FeO- від 2,63 до 9,3 % значення сульфідної ємності змінювалися в межах від 0,0810-2 до 2,0210-2. Вплив обробки конвертерної сталі ТШС в ковші на її десульфурацію у вигляді залежності зміни концентрацій сірки від окисленості шлаку

і окисленості металу, що характеризується вмістом вуглецю в металі до обробки

,

наведені на мал. 4. Результати десульфурації вуглецевої (3сп) і низьколегованоі (09Г2С) сталей ТШС наведені в таблиці 1.

Створення гомогенної шлакової фази плавленням ТШС відбувається за рахунок тепла металу, зміна температури якого Дt,С? може бути визначена за відомою формулою:

Дt,С= 15m, (5)

де m - маса шлакоутворюючої суміші в % від ваги металу.

Таблиця 1. Десульфурація конвертерної сталі ТШС

Марка сталі	3 сп	09Г2С
Варіант технології	Дослідна з обробкою сталі ТШС	Порівняльна за звичайною технологією	Дослідна з обробкою сталі ТШС	Порівняльна за звичайною технологією
Кількість плавок, шт	24	13	13	13
Окисленість шлаку (FeO) ,%
Тривалість випуску металу , хв..
Вміст сірки в металі на випуску [S] ,%
Вміст сірки в готовій сталі , %
Ступінь десульфурації s,%
Вміст фосфору в готовій сталі [P]г.с., %
Примітка: в чисельнику - граничні, в знаменнику - середні значення

Для умов виплавки сталі в 350-т конвертері при витраті шлакоутворюючої суміші 4,5 кгт сталі розрахункова величина ДС_ складає близько 7 _С, визначена експериментально - близько 10 _С.

Досліджувалися особливості рафінування штрипсової сталі 10Г2ФБ застосуванням технологічних процесів позапічної обробки сталі рідким вапняно-глиноземним СШ або ТШС.

Встановлено залежність впливу вмісту кремнезему SiO2 в шлаковій фазі, сформованій на основі ТШС, на сульфідну ємність рафінувального шлаку, що відображає зниження із збільшенням концентрації (SiO2) в шлаку при виробництві сталі 10Г2ФБ, причому при збільшенні (SiO2) з 10 до 15 % знижується з 0,03 до 0,01, тобто в 3 рази (мал. 5).

Статистична обробка експериментальних даних із застосуванням методу найменших квадратів дозволила отримати залежність сульфідної ємності шлаку від концентрації СаО

сталь позапічний обробка метал

для цих варіантів з достатньо добрими коефіцієнтами кореляції r і коефіцієнтами надійності . Так, при позапічній обробці СШ сталі 10Г2ФБ

; r=0,87, =16,11; (6)

r =0,96, =60; (7)

При обробці ТШС сталі 10Г2ФБ

r =0,85, =13,5; (8)

r=0,88, = 18,2. (9)

Для даних умов отримано збільшення фактичного коефіцієнту розподілу сірки

між шлаковою і металевою фазами

із зростанням . Так, із збільшенням від 0,02 до 0,05 величина LS змінюється від 20 до 42.

Встановлено, що при рафінуванні шлаком на основі ТШС зниження фактичного коефіцієнту розподілу сірки між фазами LS спостерігається як із збільшенням активності кисню в металі а так і із збільшенням вмісту оксиду заліза в шлаку (FeO), характеризуючих окисленість, відповідно, металу і шлаку.

При позапічній обробці сталі 10Г2ФБ знижується від 35 до 21 із збільшенням активності кисню в металі а від 0,0003 до 0,0036 і із збільшенням вмісту оксиду заліза в шлаку (FeO) від 1,5 до 8 %. Із зіставлення параметрів на мал. 6 витікає, що шлак на основі ТШС володіє більшою сульфідною ємністю, ніж шлак, сформований з СШ.

В умовах зростаючих вимог споживачів до якості металопродукції разом з негативною тенденцією збільшення вмісту фосфору у феросплавах стає актуальною задача зниження концентрації фосфору в сталі. Разом з тим, отримання одночасно низькосірчистих і низькофосфористих сталей є достатньо складним, оскільки необхідно сумістити термодинамічно протилежні процеси: дефосфорацію, яка більш ефективно здійснюється в окислювальних умовах, і десульфурацію - у відновних.

Для оцінки дефосфоруючої здатності шлаків було застосовано математичне моделювання процесу дефосфорації сталі з використанням фосфатної ємності шлаку, яка визначалася за допомогою оптичної основності шлаку за відомою концепцією:

, (10)

де - вміст оксиду і (і= CaO, Al2O3, MgO, SiO2, FeO, MnO, Р2О5, Cr2O3) в шлаку, - молекулярна вага i-го компоненту шлаку, - кількість атомів кисню в молекулі оксиду, Ni - мольна частка компоненту шлаку, n- сумарна кількість молів компонентів шлаку, i - оптична основність компоненту шлаку.

Результати аналізу для рафінувальних шлаків ВАТ «МК «Азовсталь» в порівнянні з даними інших дослідників, наведені на мал. 7, підтверджують передбачуване зростання фосфатної ємності шлаку із збільшенням його оптичної основності, а також добрий збіг вказаних характеристик шлаків.

Шляхом лабораторних досліджень отримано зразкові склади ТШС, які при витратах від 13 до 20 кг/т забезпечують ступінь дефосфорації сталі 6583 %. В результаті встановлено особливості поведінки домішок в сталі і запропоновано технологічні прийоми, що забезпечують їх видалення з металу у великовантажних сталерозливних ковшах місткістю 350 т до заданих меж. Цю науково-технічну задачу вирішували при виробництві конвертерних сталей відповідального призначення, що містять 0,07-0,21 % С, 0,40-0,60 % Si, 0,020-0,040 % Аl, 0,002-0,008 % S, а також Тi, V, Ni, Сr, Сu в сумі 5-8 %. Досліджувану сталь вказаного складу і порівняльну маркі 17Г1СУ із заданим вмістом фосфору не більше 0,020 % виплавляли в 350-т конвертері продуванням чавуну і металолому технічно чистим киснем з подальшими легуванням, розкислюванням і рафінуванням в сталерозливному ковші. Дані про зміну концентрації фосфору 53 дослідних плавок низькосірчистих легованих сталей і 57 плавок сталі 17ГСУ звичайної виплавки наведено на мал. 8 в зіставленні з даними 4-х плавок легованої сталі, виплавленої за технологією, що передбачає додаткове видалення фосфору.

Ефективність рафінування сталі залежить від організації перемішування металу і шлаку в ковші, у тому числі інжектуванням аргону, яку можна оцінити за допомогою роботи АГ і потужності перемішування .

З I закону термодинаміки робота розширення газу Аг при ізотермічному процесі виражається визначеним інтегралом

(11)

де P, V, T - тиск, об'єм і температура, відповідно, в початковому - 1 і кінцевому - 2 станах системи; R- універсальна газова постійна, n - число молей газу, що пройшов крізь метал.

Після перетворень одержуємо рівняння для розрахунку роботи перемішування

, (12)

де - витрата аргону, м3/г; - універсальна газова постійна; R=8,31 Дж/моль?К; Ра - атмосферний тиск, Па; h - глибина занурення фурми в сталь, м; Т- температура, К; - густина сталі, кг/м3; - прискорення вільного падіння, = 9,81 м/с2; ф- тривалість (час) продування, хв.

Потужність перемішування визначається як робота в одиницю часу:

. (13)

Для даних умов за допомогою ЕОМ були виконані розрахунки роботи і потужності перемішування для витрат аргону Q = 40, 50, 60, 70, 80, 90 і 100 м3/год, глибини занурення фурми h =1, 2, 3, 4 і 5 м, для часу продування =10 хв і температури Т=1863 К. Питома потужність перемішування сталі в ковші продуванням аргону через заглиблену фурму в даних умовах складає від 12,2 вт/т при Q1 = 40 м3/год до 95 вт/т при Q2 = 100 м3/год.

За даними понад 1200 плавок конвертерної сталі досліджували вплив витрати аргону на зміну температури сталі при обробці аргоном ДtAr, oС, визначувану за різницею значень температури сталі до обробки t2-1 і температурою її після обробки аргоном t2-2:

tAr = t2-1 - t2-2 (мал. 9).

З даних мал. 9 виходить, що при продуванні металу аргоном через заглиблену фурму із збільшенням витрати газу від 40 до 80 м3 /год ефективність охолоджування сталі зростає, по досягненні 80 м3/год має місце максимальний ефект охолоджування металу, а подальше збільшення витрати аргону до 100 м3/год приводить до зворотнього результату - зниження ефективності охолоджування сталі.

Пояснення цього явища полягає в умовах перемішування металу в ковші. До досягнення максимальних значень ДtAr при зміні витрати аргону від 40 до 80 м3/год продування металу аргоном має бульбашковий характер, що забезпечує ефективне перемішування металу в ковші (мал. 9, а). По досягненні значень витрати аргону QAr близько 80 м3/год змінюється характер проходження аргону через масу металу в ковші - виникає режим локального, або «канального», проходження газу через метал з виходом в атмосферу, що зберігається на дослідженому інтервалі значень витрати аргону від 80 до 100 м3/год (мал. 9, б). При збільшенні витрати аргону в цих межах збільшується об'єм газу, що йде по утвореному в металі каналу в атмосферу, а ефективність перемішування металу зменшується.

Отримані в результаті теоретичних і експериментальних досліджень дані були використані при розробці технологій обробки сталі інертним газом в сталерозливному ковші, які дозволили забезпечити необхідне усереднювання температури і хімічного складу сталі перед розливанням на МБЛЗ з великовантажного 350-т ковша і забезпечили стабільне розливання конвертерної сталі способом «плавка на плавку» із заданою серійністю.

Для поліпшення якості металу і підвищення його експлуатаційних властивостей необхідне введення обмежень в сталі концентрацій Н2, O2 і N2.

Наявність водню в шлаковій і газовій фазах в значній мірі відображається на результатах позапічної обробки металу. Тому було виконано оцінку ролі шлакової і газової фаз в процесах видалення або насичення металу воднем при позапічній обробці конвертерної сталі, у тому числі в умовах формування рафінувальних шлаків з ТШС і при вдуванні SiCa в струмені аргону.

При рівновазі водню між фазами повинна дотримуватися рівність його хіміч-них потенціалів в газовій фазі , в шлаковій фазі і в рідкій сталі

. (14)

Після перетворень отримано вирази для залежності активності водню в сталі

і

, (15) , (16)

де R- універсальна газова постійна; Т-температура, К; - парціальний тиск H2O в газовій фазі; -хімічні потенціали компонентів i в стандартних умовах.

Застосування рафінуючих сумішей, наприклад ТШС або СШ, для десульфурації сталі приводить до зміни складу шлаку, що формується в ковші і впливає на процес наводнювання шлакової і металевої фаз. Величина, яка входить у вираз константи рівноваги

Реакції

, (17)

є водною (гідроксильною) ємністю основного шлаку. Із зростанням активності іонів кисню в шлаковому розплаві, що відповідає збільшенню основності шлаку, збільшується і водна ємність шлаку . Тому може служити характери-тикою рафінуючої здатності шлаку. Значення можна визначити із залученням концепції оптичної основності шлаку в додатку до металургійних систем

. (18)

Розрахункові дані рафінувальних шлаків на основі ТШС в досліджених інтервалах відповідають значенням, які наведені Сомервілем для шлаків системи CaO-MgO-SiO2. Отримано також збільшення із зростанням сульфідної ємності шлаків (мал. 10).

Встановлено збільшення наводнювання металу з підвищенням десульфуруючої здатності основних рафінувальних шлаків в результаті зростання кількості іонів в їх складі або із збільшенням основності шлаків

.

Для конвертерної сталі X70 за стандартом API 5L виконано термодинамічний аналіз поведінки водню при її виробництві.

З урахуванням закону Сівертса, складу сталі (j=C,Mn,Si…), коефіцієнту активності Н2, параметрів взаємодії Вагнера, парціального тиску водню в газовій фазі , відносної вологості повітря при температурі t, активності в сталі , отримано рівняння для визначення парціального тиску водяної пари і рівноважного вмісту водню в сталі

, (19)

, (20)

де і - константи рівноваги реакцій надходження H2 і O2 в сталь, T- температура, K, - початковий парціальний тиск водяної пари.

Обробка даних математичної моделі на ПЕОМ за допомогою програмного розрахункового комплексу Math CAD показала, що для сталі Х70 (API 5L) із збільшенням від 0 до 0,15 атм вміст |H| може досягти від 8,5 до 10,5 ppm (мал. 11), а при відносній вологості =90% атмосфери - 5 ppm

Порошкоподібний силікокальцій SiCa при його введенні в рідку сталь також може бути джерелом надходження вологи. Відомо, що SiCa може реагувати з вологою повітря по реакції:

? . (21)

Рівноважний парціальний тиск водяної пари при цьому можна визначити за рівнянням:

, (22)

де - парціальний тиск, атм; зміна енергії Гібса, Дж/моль; R - універсальна газова постійна, Дж/(мольК); Т - температура, К; - стандартна зміна ентальпії, Дж/моль; СР - зміна теплоємності, Дж/(мольК), - стандартна зміна ентропії, Дж/(мольК).

З використанням залежності, що відображає термодинамічні особливості гетерофазних процесів наводнювання сталі, можна визначити гранично можливі параметри насичення сталі воднем при модифікуванні її порошкоподібним SiCa. Розрахунки, виконані на ЕОМ, для штрипсової сталі, модифікованої SiCa, показують, що рівноважна масова частка водню складає 3,5 ppm.

Термодинамічний аналіз вакуумування сталі з продуванням аргоном показав, що збільшення парціального тиску аргону в газовій фазі знижує парціальні тиски інших газів, у тому числі і Н2, і, відповідно до принципу зсуву рівноваг Ле-Шательє, приводить до інтенсифікації процесів видалення Н2 і із сталі.

Зниження концентрації азоту необхідне у зв'язку з обмеженням його концентрації для ряду сталей. При виробництві конструкційних, вуглецевих і низьколегованих сталей (08сп, 10, 45, 09Г2С, 10-15ХСНД і ін.), сталей для суднобудування, мостобудування (Е-36, 16Д, 10-15ХСНД і ін.), котельних сталей (20к, 09Г2С, 09Г2СЮЧ і ін.) вміст азоту не повинен перевищувати 0,008 %. Зниження концентрації азоту в сталі відбувається під час продування в конвертері, на випуску в ківш має місце ежектування повітря струменем металу, при обробці аргоном на УДМ «вимивання» азоту аргоном супроводжується надходженням азоту в метал з атмосфери, а також з аргоном і порошкоподібними реагентами, при розливанні на МБЛЗ азот в метал поступає з атмосфери.

Залежність концентрації азоту в готовій сталі і після позапічної обробки від початкової концентрації азоту в сталі після продування в конвертері за даними 703 плавок поточного виробництва визначена статистичною обробкою методом найменших квадратів за допомогою ЕОМ:

, , (23)

, , (24)

де і - коефіцієнти кореляції.

Експериментально встановлено закономірності підвищення концентрації азоту при додувках і передуві металу, при розливанні сталі. В результаті досліджень були запропоновані технології, що забезпечують отримання заданих концентрацій азоту в сталі.

В розділі 4 «Термодинамічні особливості фізико-хімічних процесів поліреагентних способів позапічної обробки сталі в гетерогенних системах метал-шлак-газ» з урахуванням хімічного потенціалу кисню в металі наведено результати наукового обґрунтовування фізико-хімічних процесів поліреагентних способів позапічного модифікування сталі вдуванням газопорошкових сумішей в струмені аргону, введеням порошкового дроту, позапічного мікролегування і доведення металу за хімічним складом і температурою у великовантажних 350-т сталерозливних ковшах. Модифікування НВ, їх глобуляризація покращують службові властивості металу. Для характеристики повноти глобуляризації НВ і, в першу чергу, сульфідів використовують відношення вмісту в сталі кальцію і сірки - Са/S. Глобулярізація сульфідів в сталях із вмістом марганцю від 0,5 до 1,5 % досягається при значеннях Са/S на рівні 0,8-1,0. Проте, у ряді випадків фактична глобуляризація сульфідів в сталі не відповідала величині Са/S, оскільки залежала від активності і ступеня розкислювання сталі. З урахуванням залежності глобуляризації НВ від вмісту в металі кисню О і алюмінію Al запропоновано характеристику - показник глобуляризації сульфідів:

. (25)

При виробництві сталі за звичайною технологією показник глобуляризації складає 2-3, для оптимальних умов глобуляризації сульфідів 10, для повної глобуляризації сульфідів повинен бути 18-20. За даними 600 плавок штрипсової сталі застосування SiСа (СК 20 і СК 30) з витратами від 1,0 до 1,6 кг/т забезпечує отримання в сталі концентрацій кальцію в основному від 10 до 30 ррm. Відповідні індекси глобуляризації складають від 4 до 7, що свідчить про значну, але неповну, глобуляризацію.

Зіставлення ударної в'язкості КСV-15° сталі 09Г2ФБ для різних концентрацій сірки в сталі відображає підвищення пластичних властивостей конвертерної сталі в результаті рафінування рідкими СШ і модифікації SiCa, приведені на мал. 12.

Окисленість металевих розплавів впливає на фізико-хімічні процеси в металургійних системах при позапічній обробці сталі. Вимірювання окисленості проводили методом е.р.с. за допомогою пристрою УКОС - 1 на сталях типа 09Г2ФБ, 3сп, 09Г2С, 08ГТ, 69 , Е-36, 15ХСНД, 09Г2, 20К, 08сп. Рівень окисленості сталі знижується в результаті позапічної обробки продуванням порошком SiCa від 0,020 перед обробкою до 0,0010-0,0020 % після обробки (мал. 13).

Під час розливання на МБЛЗ окисленість сталі дещо вища і практично не змінюється в процесі розливання. Характер зміни окисленості сталі при її позапічній обробці і вакуумуванні з розливанням на МБЛЗ залишався таким же.

Наукове обгрунтування підвищення ефективності процесів позапічного мікролегування сталі пов'язано з визначенням змін ізобарно-ізотермічних термодинамічних потенціалів ДGT реакцій окислення елементів в сталі в умовах наявності надмірного надрівноважного кисню в металевій фазі з урахуванням спорідненості елементів до кисню. На підставі отриманих теоретичних результатів встановлено, що присадку елементів для мікролегування в сталь необхідно виконувати з урахуванням мінімізації впливу на них вільного кисню, для чого мікролегування сталі FeNb, FeV, FeTi, B, РЗМ і ін. необхідно проводити в умовах досягнення мінімального кисневого потенціалу металевої фази О. При дотриманні умови

після розкислювання сталі значення О будуть мінімальними і присаджування легуючих для мікролегування сталі слід проводити з врахуванням і в порядку зменшення абсолютних значень ізобарно-ізотермічних термодинамічних потенціалів для реакцій окислення легуючих елементів. Термодинамічний аналіз реакцій розкислювання і мікролегування сталі з урахуванням змін вільної енергії Гібса в поєднанні з отриманими даними активності кисню в сталі показав, що мікролегуючі елементи V і Nb володіють приблизно однаковою хімічною спорідненістю до кисню. Тi утворює більш міцні оксиди, оскільки його хімічна спорідненість до кисню вища, ніж Nb і V. Втрати дорогих легуючих залежатимуть від ступеню розкислювання металу, яке забезпечується, в першу чергу, алюмінієм Аl, що має найбільшу спорідненість до кисню в ряді:

. (26)

Наявність в розплаві вільного надрівноважного кисню ініціює окислення домішок, але залежно від ступеню розкислювання сталі засвоєння мікролегуючих елементів буде різним. Тому було запропоновано проводити мікролегування сталі присадкою FeNb, FeTi і FeV з урахуванням первинної подачі в ківш Al і феросплавів, що містять Si і Mn. Для цього було розроблено і впроваджено технологію позапічного мікролегування сталі присадкою мікролегуючих в ківш на УДМ з урахуванням температури металу, балансу тепла і засвоєння елементів (табл.2).

Таблиця 2. Усереднені коефіцієнти засвоєння Nb, Ti і V при позапічному мікролегуванні сталі на випуску в ківш і на УДМ

Варіант	Коефіцієнт засвоєння
технології	Ніобію (ФНО і ФНЗ)	Титану (ФТіЗО)	Ванадію (ФВд 35)
Мікролегування на випуску	80	50	88
Мікролегування на УДМ	90	65	95

У зв'язку з тенденцією розширення виробництва економнолегованих марок сталі, у тому числі, мікролегованих бором, необхідно було вирішити задачу виробництва такого металу. Разом з тим, наявність бору в сталі забезпечує необхідні властивості металу при термообробці поліпшенням прогартовуваності сталі.

При розробці технології виплавки сталі з бором, що звичайно міститься в готовій сталі в межах 0,0005-0,005 %, виходили з того, що на прогартовуваність металу впливає вміст «ефективного» бору, тобто не зв'язаного в нерозчинні сполуки, на відміну від загального бору. У разі, коли сталь, разом з бором, містить карбонітридоутворюючі Аl, Тi, V, Nb і ін., мікролегування сталі цими елементами забезпечує з'еднання вуглецю і азоту в дрібнодисперсні карбонітриди, які захищають бор, зв'язуючи азот і кисень, що підвищує в сталі концентрацію «ефективного» бору. Для сталі марки В за стандартом США ASTM (A514/A514M), яка має в своєму складі разом з іншими елементами Аl, Тi, V, N і B, термодинамічний аналіз реакцій створення нітридів Al, Ti, V і B:

, (27) , (28)

, (29) , (30)

а також реакції розкислювання з утворенням оксиду алюмінію (Al2O3)

, (31)

з урахуванням коефіцієнтів активності, параметрів взаємодії Вагнера для э - С, Mn, P, S, Cr, Mo, V, Ti, B, N, О, Al, констант рівноваги реакцій (27-31), дозволив визначити концентрацію «ефективного» бору в сталі.

Вплив «ефективного» бору Веф в металі на прогартовуваність сталі наведено на мал.14. Зростання Веф збільшує товщину прогартовуваного шару прокату, покращує співвідношення міцнісних і пластичних властивостей, збільшує твердість металу.

Термодинамічний аналіз фізико-хімічних особливостей позапічного мікролегування сталі дозволив отримати основні закономірності поведінки бору в сталі при мікролегуванні в ковші з одночасним продуванням аргоном.

В розділі 5 «Промислове опробування і практичне застосування результатів теоретичних досліджень поліреагентних способів позапічної обробки сталі поліпшеної якості» наведено дані по практичному застосуванню результатів досліджень на устаткуванні комплексу позапічної обробки металу на металургійному комбінаті «Азовсталь».

Для визначення оптимальних до заданого сортаменту сталей способів їх десульфурації було розроблено і опробувано 28 різних технологій десульфурації.

Рафінування сталі рідким вапняно-глиноземним синтетичним шлаком (СШ), виплавленим в шлакоплавильних печах ОКБ-1320 і РКЗ-16,5ФЛ-И1 з високоглиноземного напівпродукту і вапна, здійснювали в сталерозливному ковші при випуску низьковуглецевого напівпродукту з конвертера місткістю 350 т. Після позапічної обробки сталі, її розкислювання і легування ківш з металом передавали на пристрої доведення металу, де сталь обробляли продуванням аргоном протягом 715 хвилин з питомою витратою аргону (23)10-3 м3тхвил. для усереднювання температури і хімічного складу металу. Тут же виконували технологічні операції по коректуванню хімічного складу, модифікування НВ і мікролегуванню сталі. При позапічному рафінуванні СШ високоокислений напівпродукт з конвертера проходить крізь шар СШ в ковші, відбувається взаємне емульгування двох фаз - металевої і шлакової - із збільшенням реакційної поверхні і розвитком фізико-хімічних процесів рафінування.

ТШС готували змішуванням свіжообпаленого металургійного вапна і плавикового шпату марок Ф-75 і Ф-85 в співвідношенні CaO:CaF2= 3:1(4:1). Вапно з сумарним вмістом СаО і MgO не нижче 92 % одержували випаленням вапняку в обпалювальних печах. Фракція вапна - 10 - 60 мм. Максимально досягнутий ступінь десульфурації сталі активними шлаковими сумішами на основі ТШС - 70 %.

З метою зниження теплових втрат металу при рафінуванні була розроблена комплексна технологія десульфурації сталі рідким розкислюючим конвертерним шлаком і ТШС, яка полягає в приготуванні рафінувального шлаку з рідкого конвертерного шлаку і ТШС з подальшою обробкою сталі в ковші. При цьому наводиться новий гомогенний шлак з підвищеними рафінуючими властивостями. Для цього після закінчення продування в ківш через льотку наливали порцію шлаку з одночасною присадкою вторинного алюмінію в кількості до 1,0 кг/т сталі. При розкислюванні шлаку в ковші під час витримки проходили алюмотермічні реакції відновлення Мn і Fe з (МnО) і ( FeО), а також фосфору Р з (Р2О5 ), а середня концентрація (Al2O3) зростала в 22 рази, (МnО ) знижувався в 4,5 рази, (FeO) - в 6,5; (Р2О5) - в 13,5 рази. При наповненні ковша металом з 1/5 до 1/3 його висоти досаджували ТШС із співвідношенням (СаО):(СаF2) від 4:1 до 3:1. Досягнуто підвищення ступеня десульфурації сталей 3cп і 20 на 25 і 35 %, відповідно.

...