Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь

Изложены физико-химические предпосылки рационального режима присадок твердых шлакообразующих материалов в ковш и обсуждены вопросы формирования оксидно-фторидного шлакового расплава, проанализированы диаграммы плавкости бинарной системы CaO-CaF₂, тернарной оксидно-фториднокальциевой системы CaО-Al₂O...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Есаулов, Г.А., Гасик, М.И., Горобец, А.П., Климчик, Ю.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Электрометаллургия стали и ферросплавов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96875
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь / Г.А. Есаулов, М.И. Гасик, А.П. Горобец, Ю.В. Климчик // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 2 (115). — С. 51-57. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96875
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-968752016-03-22T03:02:26Z Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь Есаулов, Г.А. Гасик, М.И. Горобец, А.П. Климчик, Ю.В. Электрометаллургия стали и ферросплавов Изложены физико-химические предпосылки рационального режима присадок твердых шлакообразующих материалов в ковш и обсуждены вопросы формирования оксидно-фторидного шлакового расплава, проанализированы диаграммы плавкости бинарной системы CaO-CaF₂, тернарной оксидно-фториднокальциевой системы CaО-Al₂O₃-SiO₂ с 10 % CaF₂. Отмечено, что в составе основного шлака содержание СаF₂ не влияет на термодинамические условия образования ассоциатов, но определяет физико-химические характеристики оксиднофторидного расплава и кинетику массообменных процессов в системе металл-шлак. Установлено, что наличие плавикового шпата на стадии формирования шлака из присаживаемых твердых материалов ускоряет ассимиляцию извести шлаковым расплавом и тем самым обеспечивает повышенную десульфурирующую способность шлака. Приведены результаты опытно-промышленного применения плавикового шпата при внепечной обработке колесной стали Ст2 (ГОСТ 10791-2011) на установке ковш-печь (УКП). В соответствии с программой исследования присадку плавикового шпата производили в сталеразливочный ковш в ходе выпуска 160 т металла-полупродукта из печи ДСП-190. Научно обоснованное управление режимом формирования рафинировочного шлака присадками плавикового шпата позволяет на стадии УКП на 30...35 % сократить расход электроэнергии при обеспечении высокого качества непрерывнолитой заготовки для производства цельнокатаных железнодорожных колес. Described are the physical-chemical premises of use of rational condition of fillers of hard slag-forming materials into ladle and problems of formation of oxide-fluoride slag melt are discussed, the diagrams of meltability of binary system CaO—CaF₂, ternary oxide- fluoride-calcium system CaO—Al₂O₃—SiO₂ with 10 % CaF₂ were analyzed. It was noted that content of CaF₂ in the composition of basic slag does not influence the thermodynamic conditions of formation of associates, but defines the chemical characteristics of oxide-fluoride melt and kinetics of mass-exchange processes in metal—slag system. It was found that the presence of fluorspar at the stage of slag formation from filler hard materials accelerates the assimilation of lime by slag melt and, thus, provides the increased desulfuration ability of slag. Results of pilot-industrial application of fluorspar in ladle treatment of wheel steel St2 (GOST 10791—2011) in ladle-furnace installation (LFI) are given. In accordance with the program of investigation the filler of fluorspar was added into steel-pouring ladle during yield of 160 t of metal—semi-product from furnace DSP-190. The scientifically-grounded control of condition of formation of refining slag by fillers of fluorspar allows 30...35 % reducing the power consumption at the stage of LFI and providing the high quality of continuously-cast billet for manufacture of all-rolled railway wheels. 2014 Article Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь / Г.А. Есаулов, М.И. Гасик, А.П. Горобец, Ю.В. Климчик // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 2 (115). — С. 51-57. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96875 669.187;669.187.5;669.187.28 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Электрометаллургия стали и ферросплавов Электрометаллургия стали и ферросплавов
spellingShingle	Электрометаллургия стали и ферросплавов Электрометаллургия стали и ферросплавов Есаулов, Г.А. Гасик, М.И. Горобец, А.П. Климчик, Ю.В. Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь Современная электрометаллургия
description	Изложены физико-химические предпосылки рационального режима присадок твердых шлакообразующих материалов в ковш и обсуждены вопросы формирования оксидно-фторидного шлакового расплава, проанализированы диаграммы плавкости бинарной системы CaO-CaF₂, тернарной оксидно-фториднокальциевой системы CaО-Al₂O₃-SiO₂ с 10 % CaF₂. Отмечено, что в составе основного шлака содержание СаF₂ не влияет на термодинамические условия образования ассоциатов, но определяет физико-химические характеристики оксиднофторидного расплава и кинетику массообменных процессов в системе металл-шлак. Установлено, что наличие плавикового шпата на стадии формирования шлака из присаживаемых твердых материалов ускоряет ассимиляцию извести шлаковым расплавом и тем самым обеспечивает повышенную десульфурирующую способность шлака. Приведены результаты опытно-промышленного применения плавикового шпата при внепечной обработке колесной стали Ст2 (ГОСТ 10791-2011) на установке ковш-печь (УКП). В соответствии с программой исследования присадку плавикового шпата производили в сталеразливочный ковш в ходе выпуска 160 т металла-полупродукта из печи ДСП-190. Научно обоснованное управление режимом формирования рафинировочного шлака присадками плавикового шпата позволяет на стадии УКП на 30...35 % сократить расход электроэнергии при обеспечении высокого качества непрерывнолитой заготовки для производства цельнокатаных железнодорожных колес.
format	Article
author	Есаулов, Г.А. Гасик, М.И. Горобец, А.П. Климчик, Ю.В.
author_facet	Есаулов, Г.А. Гасик, М.И. Горобец, А.П. Климчик, Ю.В.
author_sort	Есаулов, Г.А.
title	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь
title_short	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь
title_full	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь
title_fullStr	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь
title_full_unstemmed	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь
title_sort	исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Электрометаллургия стали и ферросплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96875
citation_txt	Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь / Г.А. Есаулов, М.И. Гасик, А.П. Горобец, Ю.В. Климчик // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 2 (115). — С. 51-57. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT esaulovga issledovanievliâniâftoridakalʹciânaénergotehnologičeskiepokazateliobrabotkikolesnojstalinaustanovkekovšpečʹ AT gasikmi issledovanievliâniâftoridakalʹciânaénergotehnologičeskiepokazateliobrabotkikolesnojstalinaustanovkekovšpečʹ AT gorobecap issledovanievliâniâftoridakalʹciânaénergotehnologičeskiepokazateliobrabotkikolesnojstalinaustanovkekovšpečʹ AT klimčikûv issledovanievliâniâftoridakalʹciânaénergotehnologičeskiepokazateliobrabotkikolesnojstalinaustanovkekovšpečʹ
first_indexed	2025-07-07T04:11:48Z
last_indexed	2025-07-07T04:11:48Z
_version_	1836959934773723136
fulltext	УДК 669.187;669.187.5;669.187.28 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФТОРИДА КАЛЬЦИЯ НА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОБРАБОТКИ КОЛЕСНОЙ СТАЛИ НА УСТАНОВКЕ КОВШ—ПЕЧЬ Г. А. Есаулов1, М. И. Гасик2, А. П. Горобец2, Ю. В. Климчик1 1Металлургический завод «Днепросталь». 49081, г. Днепропетровск, ул. Столетова, 21. E-mail: officeyesaulov@ips.interpipe.biz 2Национальная металлургическая академия Украины. 49600, г. Днепропетровск, просп. Гагарина, 4. E-mail: tehnosplavy@ua.fm Изложены физико-химические предпосылки рационального режима присадок твердых шлакообразующих материалов в ковш и обсуждены вопросы формирования оксидно-фторидного шлакового расплава, проанализирова- ны диаграммы плавкости бинарной системы CaO—CaF2, тернарной оксидно-фториднокальциевой системы CaО— Al2O3—SiO2 с 10 % CaF2. Отмечено, что в составе основного шлака содержание СаF2 не влияет на термодинамические условия образования ассоциатов, но определяет физико-химические характеристики оксиднофторидного расплава и кинетику массообменных процессов в системе металл—шлак. Установлено, что наличие плавикового шпата на стадии формирования шлака из присаживаемых твердых материалов ускоряет ассимиляцию извести шлаковым расплавом и тем самым обеспечивает повышенную десульфурирующую способность шлака. Приведены результаты опытно-промышленного применения плавикового шпата при внепечной обработке колесной стали Ст2 (ГОСТ 10791— 2011) на установке ковш—печь (УКП). В соответствии с программой исследования присадку плавикового шпата производили в сталеразливочный ковш в ходе выпуска 160 т металла—полупродукта из печи ДСП-190. Научно обоснованное управление режимом формирования рафинировочного шлака присадками плавикового шпата позво- ляет на стадии УКП на 30...35 % сократить расход электроэнергии при обеспечении высокого качества непрерыв- нолитой заготовки для производства цельнокатаных железнодорожных колес. Библиогр. 10, табл, 4, ил. 3. Ключ е вы е с л о в а : колесная сталь; дуговая электропечь; металл—полупродукт; раскислители; легирую- щие, шлакообразующие материалы; плавиковый шпат; установка ковш—печь; экономия электроэнергии Актуальность работы. Постановка задачи иссле- дования и основные положения действующей тех- нологии выплавки электростали. Технология ра- финирования металла на установках ковш—печь шлаковыми системами с контролируемыми физико- химическими характеристиками представляет прак- тический и научный интерес с позиций обеспечения нормированных требований к качеству металла для железнодорожных колес. Сквозная технологичес- кая схема производства электростали для получе- ния непрерывнолитых заготовок для цельноката- ных железнодорожных колес в условиях метал- лургического завода «Днепросталь» включает сле- дующие стадии: выплавку металла—полупродукта в дуговой электропечи ДСП-190 с эркерным выпус- ком 160 т металла в сталеразливочный ковш, при- садку по ходу наполнения ковша раскислителей, легирующих, науглероживателя и шлакообразую- щих материалов. На последующих стадиях колес- ная сталь подвергается обработке в установке ковш— печь (УКП) для десульфурации и раскисления с дальнейшей передачей ковша на вакуумирование и окончательного раскисления. Непрерывная разлив- ка стали производится на четырехручьевой МНЛЗ радиального типа с получением заготовок колесной стали диаметром 450 мм [1]. Обработка и анализ данных плавок и внепечной обработки колесной стали показали, что из-за не- совершенства режима присадки материалов в ковш при выпуске металла—полупродукта из ДСП-190 в ковш на УКП и ковш перед вакуумированием повы- шается удельный расход электроэнергии при обра- ботке колесной стали на УКП. По ныне действующей технологии расход при- саживаемых в ковш материалов по ходу выпуска металла—полупродукта из печи в ковш составляет в среднем (килограммов на 1 плавку): 1300 МнС17, © Г. А. ЕСАУЛОВ, М. И. ГАСИК, А. П. ГОРОБЕЦ, Ю. В. КЛИМЧИК, 2014 51 600 ФС65, 700 углерода, 45 алюминия, 1200 извести (ранее присаживали обожженный доломит или импортный боксит). При этом в ковш также посту- пает 120 кг материала (45...47 % MgO, 37...39 % SiO2, 9 % Fe2O3) для засыпки выпускного отверстия эркера и 0,1 кг/т стартовой смеси (19 % SiO2, 37,5 % Cr2O3, 21,1 % Fe2O3, 11,9 % Al2O3, 8 % MgO) для канала шиберного затвора стале- разливочного ковша. Для расплавления указанного количества ферросплавов и шлакообразующих ма- териалов металл—полупродукт перегревается так, чтобы перед выпуском из печи ДСП-190 в ковш его температура составляла 1625...1630 °С. В результате реакций раскисления металла в ковше алюминием и легирования кремнием в фор- мирующемся шлаке из извести, материалов засыпки эркера и канала шиберного затвора ковша увели- чивается содержание Al2O3 и SiO2. Однако количес- тво формирующегося на первом этапе шлакового расплава недостаточно для ассимиляции извести шлаком. Поэтому за время выдержки металла в ковше и перед подачей его на УКП часть присажива- емой извести находится в ошлакованном виде. На УКП производится корректировка химичес- кого состава стали добавками высокоуглеродистого ферромарганца ФМн78, ферросилиция ФС65. Чтобы обеспечить расплавление ошлакованной извести, компенсировать тепло, расходуемое на рас- плавление корректирующих добавок (ФМн78, ФС65), на УКП металл нагревается до значений температуры 1615...1620 °С перед подачей его на вакуумирование. Расход электроэнергии при обра- ботке металла в ковше—печи равен примерно 7000 кВт⋅ч на 1 плавку. По проекту предусматрива- ется применение 1,4 кг/т стали (225 кг на плавку 160 т) плавикового шпата [2]. Причем плавиковый шпат должен присаживаться в ковш после обработ- ки колесной стали на УКП, т. е. перед вакуумиро- ванием металла. Недостатки этого варианта прояв- ляются не только в том, что его «разжижающие» свойства не реализуются на первых стадиях обра- ботки металла в ковше, но и в существенном сниже- нии вязкости шлака при вакуумировании, что соп- ровождается интенсивным выплеском шлака за борт ковша в ходе вакуумирования. Физико-химические предпосылки выбора рацио- нального режима присадок полевого шпата при внепечной обработке колесной стали. Одной из целевых задач внепечной обработки является де- сульфурация металла шлаковыми расплавами на основе оксиднофторидной системы СаО—CaF2 (рис. 1). Приведенные диаграммы плавкости свидетель- ствуют о существовании при температурах стале- плавильного процесса (≤ 1600 °С) гомогенного шла- кового расплава при массовом соотношении СаО/СаF2, равном 3:1. Указанное содержание компонентов обеспечивают фазовый состав оксид- нофторидного расплава, приближающийся к темпе- ратурным условиям формирования эвтектики в сис- теме СаО—СаF2 (Tпл = 1360 °С при 80 мол. % СаF2). При сравнении термохимических характеристик системы СаO—Al2O3, используемой в качестве де- сульфурирующей шлаковой системы, и шлакового расплава системы СаО—СаF2 менее энергоемким для формирования шлаковой рафинирующей систе- мы является применение плавикового шпата с эн- тальпией плавления ΔНпл, равной 30 кДж/моль против 117,15 для Al2O3. В результате взаимо- действия шлака с огнеупорами футеровки ковша, частичного окисления легирующих базовый состав шлака системы СаО—CaF2 трансформируется в мно- гокомпонентную оксиднофторидную систему СаО— MgO—Al2O3—SiO2—CaF2. Значения температуры плавления шлаков этой системы могут быть оценены при анализе первич- ных полей кристаллизации системы CaO—Al2O3— SiO2—CaF2 (рис. 2). Установлено неоднозначное влияние добавок СаF2 на составы указанной системы – наличие до 1,5 % СаF2 способствует минералообразованию пер- вичных шлаков, превышение содержания CaF2 более чем на 5 % не только приводит к снижению темпера- туры на 70...120 °С точек нонвариантных равновесий, но и смещает поля кристаллизации геленита 2СaO Al2O3 SiO2 к стороне Al2O3—CaF2 концентрационного треугольника, уменьшает поля устойчивости метаси- ликата кальция CaO⋅SiO2, ранкинита 3СаО—2SiO2 и анортита CaO⋅Al2O3⋅2SiO2 [5]. В трехкомпонентной системе CaO—Al2O3—SiO2 с 10 % СаF2 зафиксировано значительное увеличе- ние концентрационного поля существования двух несмешивающихся жидкостей, ограниченного кри- вой с началом, соответствующим 5 % Al2O3 на сто- роне Al2O3—SiO2 и окончанием в точке 27,6 % СаО на стороне СаО—SiO2 концентрационного треуголь- ника (рис. 2). Химикоминералогический анализ состава фаз, образующихся как первичные шлаки на начальных этапах кристаллизации расплава, свидетельствуют о том, что СаF2 не участвует в реакциях минерало- образования и проявляет (особенно в высококрем-Рис. 1. Диаграммы плавкости системы CaO—CaF2: 1 – по Будникову [3]; 2 – по Эйтелю [4] 52 неземистом расплаве) свойства деполимеризатора, разрывая цепочные структуры Si:O:Si и повышая содержание анионов кислорода в расплаве по сле- дующей схеме: (— Si — O — Si —) + 2F = 2(— Si — F) + O2—. (1) Очевидно, реакция (1) изменяет не только фи- зические свойства расплава, но и окислительный потенциал шлаковой системы, непосредственно влияющий на активность растворенных в металле кислорода и серы. Протекание реакции десульфу- рации шлаковыми системами определяется дости- жением баланса между металлом и шлаком, актив- ностью кислорода в металле, составом шлака и ме- талла и с учетом относительной массы шлака. [Sкон] = α[O] ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜(S)шл + [S]нач m ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ fSCS + α[O] m , (2) где [Sнач], [Sкон] – содержание серы в металле перед и в конце десульфурации; α[O] – активность кисло- рода в металле; fS – коэффициент активности серы; CS – сульфидная емкость шлака; m – относитель- ная масса шлака на 1 кг стали. Термодинамическая модель поведения СаF2 в бинарных и системах более сложного состава дает возможность рассматривать их свойства на основе теории ионных растворов, принимая активность элемента тождественно равной его ионной доле. Развивая теорию строения шлаков как ассоцииро- ванных растворов, в работе [6] отмечают слабое межчастичное взаимодействие СаF2 с расплавом системы CaO—Al2O3—SiO2, исключая тем самым участие СаF2 в процессе формирования шлаковых расплавов, и аппроксимируют свойства жидких рас- плавов наличием в их составе комплексов (ассоциатов) CaO⋅Al2O3, 2CaO⋅Al2O3 и сеток SiO2. В рамках данной теории предполагается отсутствие таких модельных структур, как фторсо- держащие молекулы и комплексы типа Ме—F (CaF, SiF). В то же время спектроскопическими исследо- ваниями закристаллизованных составов системы СаO—Аl2O3—CaF2 зафиксировано наличие комплек- сов Alx(AlF6 3—, AlF3 2—), что свидетельствует об участии ионов фтора в деформации кристал- лохимических структур Al2O3. В ситеме CaO—СаF2, проявляющей положительные отклонения активности αCaF2 в области повышенных содер- жаний СаF2, происходит межмолекулярное взаимо- действие компонентов, что позволяет оценить зна- чение избыточной энергии смешения ΔGE в терминах теории регулярных растворов (теплота образования раствора отличается от нуля (ΔНЕ ≠ ≠ 0), энтропия смешения равна энтропии идеально- го раствора (ΔSE = —RΣiln xi) [7]: ΔGE = L1x(CaO)[1 — x(CaO)] + + L2[x(CaO)]2[1 — x(CaO)]2, (3) где Li параметр, характеризующий температурную зависимость энергии смешения ΔGE; х(СаО) – Рис. 2. Фазовые равновесия и температурно концентрационные поля трехкомпонентной системы CaO—Al2O3—SiO2 с 10 % CaF2 [5] 53 мольная доля СаО; L1 = RT(3,84 — 0,001087T; L2 = —RT(11,87 — 0,00472T) [Дж]. Анализ зависимости (3) свидетельствует о том, что влияние температуры шлакового расплава на значение энергии смешения компонентов ΔGE не- значительно, максимальное значение ΔGE приобре- тает для составов с высоким содержанием фторида кальция. Так, на заключительных стадиях затвер- девания маточного раствора, обогащенного фтори- дом как наиболее легкоплавким составляющей сис- темы CaO—Al2O3—SiO2—CaF2, происходит форми- рование упорядоченных фазовых структур, содер- жащих фторидные компоненты 2СаО⋅SiO2⋅CaF2 (куспидин), 12СаО⋅7Al2O3⋅CaF2. По действующей на предприятиях практике ра- финирования металла шлаками состава СаО/СаF2 = = 3/1 при массовой доле CaF2 в пределах 20...10 % (первое значение – начальное содержание CaF2, второе – по ходу обработки металла) фторид каль- ция повышает количество анионов кислорода в рас- плаве за счет реакции деполимеризации структур (SiO4 4—) по реакции (1) и повышает основность шлака в ходе протекания следующей реакции: 3CaF2 + Al2O3 = 3CaO + 2AlF3 газ, lg Kp = — 14677 T + 4,2296. (4) В работе [8] описаны исследования влияния CaF2 на активность FeO и содержание кислорода в углеродистой (примерно 1 % С) подшипниковой стали ШХ15. На основе статистической обработки данных промышленных плавок впервые было уста- новлено, что с увеличением массовой доли CaF2 в печных основных шлаках (от 0,5 до 5 %) повыша- ется концентрация кислорода в стали, мас. %: (CaF2) [O]Fe Количество плавок 0,5...2,0 1,2 0,0023 46 2,0...4,0 3,0 0,0027 27 >5 0,0031 14 Как объяснено в работе [8], фторид кальция резко снижает растворимость оксидов железа в шлаке, т. е. повышает их активность и тем самым увеличивает содержание растворенного в стали кислорода. На основании данных приведенных промышлен- ных плавок стали ШХ15 в условиях ПАО ДСС с рафинированием в ковше печными шлаками (без УКП) и различным содержанием CaF2 установлена эмпирическая зависимость коэффициента активно- сти оксида железа в шлаке fFeO от содержания в нем CaF2 [8]: fFeO = 1 + 5,18⋅10—2(CaF2) + 6,32⋅10—3(CaF2). (5) Зависимость αFeO = fFeONFeO′ при концент- рациях CaF2 в шлаке от нуля до 10 % приведена на рис. 3, где нанесены экспериментальные значения αFeO с учетом fFeO для отдельных проб ковшового шлака 70 плавок с разным содержанием CaF2. Мо- лярная доля FeO в шлаке (NFeO′ ) рассчитывается по методу Н. М. Чуйко, основанному на теории строения шлаков как системы с частично диссоции- рованными молекулами [9]. Из рис. 3 следует, что активность оксида железа шлаков с CaF2 менее 2,5 % в 1,5...2,0 раза ниже, чем в шлаках с высокой концентрацией CaF2 (5... ...10 %). На основании экспериментальных иссле- дований и обработки полученных данных сделаны выводы [8] о том, что не следует злоупотреблять плавиковым шпатом для разжижения шлака, осо- бенно перед выпуском стали, и что шлаки, содер- жащие фтористый кальций, должны более тщатель- но раскисляться для достижения содержания FeO менее 0,2 %. Повышение уровня CaF2 в составе рафинирую- щих шлаков УКП до 15...20 % (действующая на многих заводах практика внепечной обработки) со- здает предпосылки к развитию процессов испарения CaF2, фторидов SiF4, AlF3, что приводит не только к нестабильности состава шлака в течение внепеч- ной обработки [10], но и повышает количество ионизированных частиц в канале горения дуги, тем самым увеличивая ее длину с возможным оплав- лением шлакового пояса футеровки ковша. Мини- мизация содержания CaF2 до 2...5 % снижает ион- ную составляющую удельной электропроводности шлакового расплава системы CаО—Al2O3—MgO— SiO2—CaF2, что позволяет увеличивать выделяемую в шлаке тепловую мощность и, следовательно, ско- рость нагрева стали. Таким образом, анализ приведенных данных свидетельствует о том, что наличие CaF2 в составе Рис. 3. Влияние фтористого кальция на активность оксида же- леза α(FeO) в ковшовых шлаках; числа 0...10 указывают на содержание CaF2 [8] 54 рафинирующих шлаков не приводит к образованию фторидсодержащих ассоциатов при температуре сталеплавильного процесса, но повышает жидкоте- кучесть шлакового расплава при одновременном расширении концентрационных полей существова- ния СаО-содержащих фаз системы СаО—Al2O3— SiO2, что ускоряет ассимиляцию извести расплавом уже на ранних этапах шлакообразования. Результаты опытно-промышленных плавок колес- ной стали с изменением режима присадки плавико- вого шпата. Две опытные плавки электростали Ст2 (ГОСТ 10791—2011) проведены по действующей технологии выплавки металла—полупродукта в печи ДСП-190 с внепечной обработкой 160 т метал- ла на УКП и вакуумированием. Отличие опытных плавок от плавок действующей технологии состояло в присадке плавикового шпата (около 1 кг на плав- ку) в сталеразливочный ковш по ходу выпуска ме- талла—полупродукта из печи, но не после обработки на УКП. Температура металла—полупродукта перед выпуском из печи составляла 1665 (базовая плав- ка), 1628 и 1633 °С (опытные плавки соответственно № 1134865 и № 1134867. Количество раскислите- лей, легирующих, науглероживателя в каждой из плавок было примерно равным (табл. 1). Масса шлака в ковше на УКП составляла при- близительно 3,7 т или 2,3 %. При заданной основ- ности шлака его количество оказывает влияние на конечное содержание серы в стали. Химические сос- тавы металла—полупродукта перед выпуском из пе- чи и колесной стали на стадиях УКП и при ваку- умировании приведены в табл. 2. Печной шлак перед выпуском металла—полу- продукта из печи характеризуется высоким соеди- нением оксидов железа (34,2 % в пересчете на Fe2O3). Металл с 0,08 % С и 0,007 % Si перед вы- пуском из печи отличался высоким содержанием растворенного в нем кислорода (0,096 %). Пред- варительное раскисление металла—полупродукта алюминием в количестве 0,9 кг на 1 т в печи ДСП 190 перед выпуском обеспечило снижение окислен- ности металла и высокую степень усвоения элемен- тов при легировании металла в ковше перед обра- боткой на УКП: угар кремния и марганца составил соответственно 10 и 5 %. Введенный в ковш на УКП алюминий в количес- тве 45 кг (0,3 кг/т) практически полностью израс- ходован на раскисление шлака, что подтверждается возрастанием содержания Al2O3 в шлаке по ходу обработки металла на УКП (табл. 3). Необходимо отметить, что в требованиях межго- сударственного стандарта ГОСТ 10971—2011 не ре- гламентируется содержание алюминия в колесном металле, вместе с тем использование алюминия в практике конечного раскисления стали крайне огра- ничено из-за вероятности появления в металле стро- чечных включений корунда, инициирующих разви- тие усталостных трещин вследствие знакоперемен- ной циклической нагрузки при эксплуатации же- лезнодорожных колес. После выпуска металла—полупродукта в стале- разливочный ковш содержание серы в металле плавки № 1134865 снизилось от 0,048 до 0,026 перед установкой ковша на УКП, а после окончания обра- ботки – до 0,004 %. При обработке стали в вакуума- Т а б л и ц а 1 . Расход раскислителей, легирующих, науглероживателя и шлакообразующих материалов при выплавке ме- талла—полупродукта в печи ДСП-190 и на стадиях внепечной обработки колесной стали Ст2 по ГОСТ 10791—2011 Номер плавки Место отбора проб Материалы присадок на плавку 160 т, кг T, °С МнС17 ФС65 Al C Известь Доломит Засыпка эркера Плавленый шпат 1134863 (базовая) Печь — — 150 — — — — — 1665 Ковш 1300 600 45 705 900 102 120 (из печи) — — УКП ФМн78 139 55 — 150 800 — — — — 1134865 (опытная)* Печь — — 150 — — — — — 1628 Ковш 1305 600 — 702 1200 — 120 (из печи) 154 — УКП ФМн78 104 — 45 162 162 — — — — 1134867 (опытная)* Печь — — 150 — — — — — 1633 Ковш 1300 599 — 699 1200 — 120 (из печи) 150 — УКП ФМн78 156 65 45 157 800 — — — 1652 *На опытных плавках по окончанию вакуумирования металл раскисляли ферросиликокальцием СК30 из расчета 22 кг на 1 плавку. 55 торе под шлаком УКП содержание серы снизилось от 0,004 до 0,002 %. Степень десульфурации ηS на указанных ста- диях технологии составила 45,8 (печь—приемный ковш); 84,6 (обработка на УКП); 50 % (вакууми- рование). Итоговый показатель степени десульфу- рации металла с измененным режимом присадки плавикового шпата на указанной плавке равнялся 95,8 %, что соответствует показателям действующей технологии. Содержание CaF2 в рафинировочных шлаках внепечной обработки при проведении опытных пла- вок составило 3 %. В результате изменения режима присадок плавикового шпата, несмотря на увеличе- ние массы рафинировочного шлака на УКП на 37 % в сравнении с показателями действующей техноло- гии, достигнуто снижение на 34 % удельного рас- хода электроэнергии на стадии УКП от 43,7 до 28,7 кВт⋅ч/т (табл. 4). Как следует из данных табл. 4, значительный вклад в снижение энергетических затрат создается на стадии формирования шлака, что приводит к снижению общей длительности работы УКП под током. Т а б л и ц а 3 . Изменение химического состава шлака при рафинировании на УКП колесной стали Проба шлака при обработке Массовая доля компонента, % Масса шлака, т СаО SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 Cr2O3 MnO S CaF2 Начало 50,0 18,0 18,0 8,0 0,50 0,30 0,20 1,09 2,3 — Конец 46,47 11,50 32,20 14,87 0,07 1,58 0,34 1,73 1,9 3,73 Т а б л и ц а 4 . Технологические показатели этапов внепечной обработки колесной стали Ст2 на УКП Этапы внепечной обработки Итоговые показатели этапов А и Б Масса шлака, т Формирование шлака (А) Легирование металла (Б) Длительность, мин: с Расход электро- энергии кВт⋅ч Длительность, мин:с Расход электро- энергии Длительность, мин:с Расход электро- энергии Этапы А и Б Работа под током Этап А Работа под током Этап Б Работа под током Действующая технология, плавка № 1134863 25:03 10:07 3430 29:00 10:14 3620 54:02 20:21 7050 2,71 Опытная плавка № 1134865 5:06 3:09 1140 40:24 10:59 3520 47:49 14:08 4660 3,73 Опытная плавка № 1134867 8:56 3:00 1060 46:41 13:06 3460 55:37 16:06 4520 3,76 Т а б л и ц а 2 . Химические составы металла—полупродукта перед выпуском его из печи ДСП-190, колесной стали опытной плавки № 1134865 при обработке на УКП и вакууматоре (проба № 1 – до начала, № 2 после обработки стали) Стадия технологии Номер пробы Массовая доля элементов, % С Si Mn P S Alобщ Са Cr Alраств Alокис Печь перед выпуском 1 0,08 0,007 0,071 0,007 0,048 — — 0,0036 Не определяли УКП 1 0,47 0,366 0,698 0,014 0,026 0,0190 0,0010 0,088 0,017 0,002 2 0,585 0,346 0,745 0,015 0,004 0,0100 0,0070 0,089 0,009 0,0016 Вакууматор 1 0,583 0,350 0,747 0,015 0,004 0,009 0,0014 0,088 0,008 0,001 2 0,581 0,337 0,729 0,014 0,002 0,008 0,0012 0,089 0,007 0,001 МНЛЗ-2 1 0,581 0,347 0,726 0,014 0,002 0,007 0,007 0,089 Не определяли — 56 Достигнутое снижение удельного расхода элек- троэнергии объясняется формированием гомогенно- го шлака уже на стадии выпуска металла—полупро- дукта из печи за счет присадки плавикового шпата, обеспечивающего растворение и ассимиляцию из- вести шлаковым расплавом системы CaO—Al2O3— MgO—SiO2—CaF2. Выводы 1. Проанализирована структура сквозной техноло- гической схемы производства колесной стали в ус- ловиях электросталеплавильного завода «Днепро- сталь», акцентировано внимание на основных поло- жениях технологий на каждой из стадий: выплавка металла—полупродукта в печи ДСП-190, раскисле- ние, легирование и науглероживание металла в ста- леразливочном ковше, присадки шлакообразующих и формирование первичного ковшевого шлака с по- следующей обработкой металла на УКП и вакууми- рованием. 2. Изложены физико-химические предпосылки рационального режима присадок твердых материа- лов в ковш и обсуждены вопросы формирования оксидно-фторидного шлакового расплава, проана- лизированы диаграммы плавкости бинарных систем CaO—CaF2, Al2O3—CaО. Отмечено, что в составе основного шлака содержание СаF2 не влияет на тер- модинамические условия протекания реакции де- сульфурации, но определяет физико-химические характеристики оксидно-фторидного расплава и ки- нетику массообменных процессов в системе металл— шлак. 3. Проанализирована тернарная оксидно-фто- ридкальциевая система CaО—Al2O3—SiO2 с 10 % CaF2, установлено, что наличие плавикового шпата на стадии формирования в сталеразливочном ковше шлака из присаживаемых твердых материалов обес- печивает ассимиляцию извести и тем самым повы- шенную десульфурирующую способность шлака. 4. Проведены опытно-промышленные плавки колесной стали и исследованы процессы шлакооб- разования при введении фракционированной извес- ти—присадки в сочетании с плавиковым шпатом в сталеразливочный ковш по ходу выпуска металла— полупродукта массой 160 т из печи ДСП-190. 5. Выявлено, что измененный режим обработки металла—полупродукта твердыми материалами в ковше с применением примерно 1 кг/т плавикового шпата способствует ускоренной ассимиляции извес- ти и раннему формированию гомогенного шлака перед установкой ковша на стенд УКП, проведению активного процесса десульфурации при снижении на 30...35 % удельного расхода электроэнергии на стадии УКП. 1. Исследование методом РСМА состава и природы гетеро- фазных неметаллических включений в цельнокатаных же- лезнодорожных колесах из непрерывнолитых заготовок / Г. А. Есаулов, Ю. В. Климчик, М. И. Гасик, А. П. Горо- бец // Металлург. и горноруд. пром-сть. – 2013. – № 4. – С. 20—28. 2. Проект электросталеплавильного комплекса ООО Метал- лургический завод «Днепросталь» / Ю. С. Кравченко, В. Н. Ерак, А. А. Малик и др. // Электрометаллур- гия. – 2008. – № 1. – С. 38—44. 3. Будников П. П., Тресветский С. Г. Диаграмма плавкости ситемы CaO—CaF2 // ДАН СССР. – 1953. – 89, № 3. – С. 479—482. 4. Эйтель В. Физическая химия силикатов. – М.: Иностр. лит-ра, 1962. – 1055 с. 5. Торопов Н. И., Барзаковский В. П. Высокотемпературная химия силикатных и других окисних систем // Изв. АН СССР, М.; Л.; 1963. – С. 258. 6. Зайцев А. И., Литвина А. Д., Могутнов Б. М. Термоди- намические свойства и фазовые равновесия в системе CaF2—SiO2—Al2O3—CaO. II. Модельное описание термоди- намических свойства расплавов системы CaF2—SiO2— Al2O3—CaO // Неорганические материалы. – 1998. – 34, № 1. – С. 80—88. 7. Зайцев А. И., Могутнов Б. М. Жидкие шлаки как ассо- циированные растворы // Фундаментальные исследова- ния физикохимии металлических расплавов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 469 с. 8. Чуйко Н. М., Рутковский В. Б. Новая технология вы- плавки шарикоподшипниковой стали марки ШХ15 под бе- лым шлаком // Изв. высш. учеб. заведений. Черная ме- таллургия. – 1960. – № 6. – С. 14—16. 9. Чуйко Н. М., Чуйко А. Н. Теория и технология электро- плавки стали. – Киев; Донецк: Головное изд-во, 1983. – 248 с. 10. Анализ устойчивости оксидно-фторидных расплавов при рафинирующих обработках стали электрометаллургичес- кими процессами / М. И. Гасик, М. М. Гасик, А. П. Го- робец и др. // Металлург. и горноруд. пром-сть. – 2011. – № 5. – С. 20—29. Described are the physical-chemical premises of use of rational condition of fillers of hard slag-forming materials into ladle and problems of formation of oxide-fluoride slag melt are discussed, the diagrams of meltability of binary system CaO—CaF2, ternary oxide- fluoride-calcium system CaO—Al2O3—SiO2 with 10 % CaF2 were analyzed. It was noted that content of CaF2 in the composition of basic slag does not influence the thermodynamic conditions of formation of associates, but defines the chemical characteristics of oxide-fluoride melt and kinetics of mass-exchange processes in metal—slag system. It was found that the presence of fluorspar at the stage of slag formation from filler hard materials accelerates the assimilation of lime by slag melt and, thus, provides the increased desulfuration ability of slag. Results of pilot-industrial application of fluorspar in ladle treatment of wheel steel St2 (GOST 10791—2011) in ladle-furnace installation (LFI) are given. In accordance with the program of investigation the filler of fluorspar was added into steel-pouring ladle during yield of 160 t of metal—semi-product from furnace DSP-190. The scientifically-grounded control of condition of formation of refining slag by fillers of fluorspar allows 30...35 % reducing the power consumption at the stage of LFI and providing the high quality of continuously-cast billet for manufacture of all-rolled railway wheels. Ref. 10, Tables 4, Figures 3. K e y w o r d s : wheel steel; arc electric furnace; metal-semi-product; deoxidizers; alloying elements; slag-forming materials; fluorspar; ladle-furnace installation; saving of electric power Поступила 02.12.2013 57

Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш–печь

Institution

Ähnliche Einträge