Равномерное распределение химических элементов по объему ковша

Материалы патентного бюро "Промышленность Сибири"

На металлургическом комбинате мартеновский цех в составе трёх 280-т мартеновских печей и двух двухванных сталеплавильных агрегатов с ёмкостью каждой ванны 280 т производит 2,4 млн. т (25 % от всего объёма производства) стали. Качество металла, выплавленного в этом цехе и разлитого в изложницы сверху, не удовлетворяет требованиям потребителей полностью, что делает необходимым проведение технической реконструкции.

Первым шагом в этом направлении было введение в эксплуатацию установки доводки металла (УДМ).

Внепечную обработку металла осуществляют по технологической схеме:

Присадка раскисляющих и легирующих материалов с одновременной усреднительной продувкой металла в сталеразливочном ковше во время выпуска плавки азотом, подаваемым через установленное устройство.

Удаление печного высокоокисленного шлака из сталеразливочного ковша. С этой целью разработано специальное устройство, представляющее собой груз цилиндрической формы со специфическим дном, опускаемое в ковш после схода металла и шлака из печи. Толщина слоя шлака, остающегося в ковше, в среднем составляет 65 мм при колебаниях от 40 до 200 мм (в зависимости от уровня металла в ковше). Без применения разработанного устройства толщина слоя шлака в ковше может достигать 1000 мм.

Обработка на УДМ, включающая в себя следующие технологические операции:

Применение данной технологической схемы в мартеновском цехе (совместно с удалением печного шлака из сталеразливочного ковша) обусловило более равномерное распределение химических элементов по объёму ковша (таблица 1), что уменьшило на 90 % (отн.) количество последних по разливке слитков, переведённых в пониженную марку стали из-за несоответствия их химического состава требуемому.

Таблица 1 Равномерность распределения С, Si и Мn по объему сталеразливочного ковша

Благодаря удалению шлака из сталеразливочного ковша угар кремния снизился с 36 до 31 %, марганца - с 31 до 25 %; увеличилась стойкость футеровки сталеразливочных ковшей в районе шлакового пояса (расход ковшевых огнеупоров снизился на 1,67 кг/т).

При обработке на УДМ стали для производства листового проката оценивали величину брака при механических испытаниях на холодный изгиб. Сравнивали прокат из стали марок СтЗпс и St-37-2, обработанных на УДМ, с прокатом из стали указанных марок, не прошедшей внепечную обработку. Брак металла по первичным испытаниям снизился на 37 % (отн.), что свидетельствует об улучшении макроструктуры металла и уменьшении количества неметаллических включений.

Кроме того, оптимизация температурного режима разливки металла, связанная с обработкой на УДМ, способствовала уменьшению приварки слитков к поддонам и изложницам в целом по мартеновскому цеху на 62,5 % (отн.).

Одним из достоинств обработки на УДМ, кроме указанных, является снижение температурных градиентов по объёму металла в ковше вследствие перемешивания его инертным газом, что влияет на качество поверхности заготовок.

Для регулирования температуры металла на УДМ применяют продувку расплава инертным газом, снижающую температуру ванны на 1,0-1,5 °С/мин в зависимости от интенсивности продувки, и погружение в металл сляба, снижающее температуру ванны на 2-3 °С/мин в зависимости от глубины погружения сляба и его ошлакованности.

С целью определения оптимальной температуры металла в конце обработки на УДМ проводили опытные плавки стали Зпс, разливаемые в слябовые уширенные книзу изложницы УН-11. В качестве фактора, определяющего величину оптимальной температуры металла перед разливкой, принята пораженность слябов поверхностными дефектами (пленой и трещинами).

Результаты влияния температурного режима обработки металла на УДМ на качество поверхности слябов представлены на рисунке (линия с ромбом - плена, линия с квадратом - трещина, линия с треугольником - сумма).

Наилучшие показатели имеют плавки, подаваемые с УДМ на разливку с температурой 1555° С; при отклонении от этой температуры происходит значительное увеличение количества трещин. Влияние температуры металла перед разливкой на образование плены в изученном интервале температур не прослеживается по причине более сильного влияния организации истечения струи металла из сталеразливочного ковша и центрирования составов с изложницами, что усугубляется малой шириной изложницы УН-11, имеющей в верхнем сечении размеры 500х1350 мм. В среднем, пораженность поверхности слябов пленой составляет 25 %.

В связи с отсутствием в мартеновском цехе аргона и заменой его азотом важным является вопрос усвоения металлом азота. Практика продувки металла азотом на УДМ в течение 12-14 мин показала возможность применения его вместо аргона. Содержание азота в готовой стали при продолжительности продувки от 3 до 14 мин колебалось в пределах 0,005-0,009 % (среднее содержание азота составило 0,0071 %); металл, не обработанный на УДМ, содержит в среднем 0,0056 % азота.

В связи с необходимостью расширения сортамента сталей, выплавляемых в двухванных сталеплавильных агрегатах, и высокой загруженностью мартеновских печей ответственными заказами возникла необходимость разработки технологии выплавки в двухванных печах высокоуглеродистого металла. В существующем мартеновском цехе это возможно только путём доливки жидкого чугуна в раскисленный металл.

В районе установки доводки металла установили желоб специальной конструкции для науглероживания жидкой стали углеродом передельного чугуна. Жидкий чугун подавали из миксерного отделения в печной пролёт в чугуновозных ковшах и заливали при помощи жёлоба в сталеразливочный ковш, находящийся в разливочном пролёте цеха.

Из двухванной печи выпускали полупродукт, выплавленный согласно технологической инструкции (массу металлошихты уменьшали на величину, соответствующую количеству заливаемого чугуна на установке доводки металла). Во время выпуска плавки в ковш присаживали кремний- и марганецсодержащие ферросплавы и науглероживали коксиком до содержания углерода 0,15-0,20 %. Температура металла перед выпуском изменялась в интервале 1630-1660° С в зависимости от массы чугуна, заливаемого в ковш. После схода печного шлака и его удаления из ковша полупродукт передавали на установку доводки металла, на которой проводили усреднительную продувку инертным газом в течение 3 мин, отбирали пробу металла и измеряли его температуру. Получив химический состав пробы, заливали чугун из расчёта введения одной тонной 0,0133 % С. После введения чугуна проводили усреднительную продувку в течение 3-6 мин, повторно измеряли температуру и отбирали пробу стали. Если содержание углерода в последней пробе соответствовало заказной марке стали, то металл передавали на разливку, если нет, то операцию по науглероживанию продолжали.

По указанной технологии в двухванных печах произведено около 200 ковшей высокоуглеродистой стали (с доливкой жидкого чугуна). Основу сортамента, опробованного при выплавке стали в двухванных печах, составили марки стали 35, 50, 70, 50-кк-75кк, 20-40Х, 65Г, назначенные по ГОСТ 1050 (31 %), ГОСТ 14959 (31 %) и канатная катанка по ТУ 14-1-5317 (30 %).

Производство высокоуглеродистого металла в двухванных печах приводит к увеличению удельного расхода жидкого чугуна на 20-50 кг/т (таблица 2).

Таблица 2 Расход жидкого чугуна при производстве высокоуглеродистой стали в двухванных печах

Технология	Содержание углерода в готовой стали, %	Двухванная печь		УДМ		Всего
Технология	Содержание углерода в готовой стали, %	т	кг/т	т	кг/т	т	кг/т
Опытная	0,35	209	732	15	53	224	785
	0,50	200	702	27	95	227	797
	0,75	185	651	48	168	233	819
Обычная	до 0,25	219	768	-	-	219	768

Пораженность поверхностными дефектами подката при выплавке стали в двухванных печах меньше, особенно по перечным трещинам, в том числе на круглом профиле большого диаметра (более 10 мм) в 1,5 раза, а на канатной катанке - в 2 раза (таблица 3). Это связано с тем, что температура металла перед разливкой близка к оптимальной для данных условий разливки.

Таблица 3 Пораженность поверхностными дефектами

Исследования влияния технологии производства стали с повышенным содержанием углерода (в мартеновских или двухванных печах) на содержание неметаллических включений не выявило существенных отличий (таблица 4).

Таблица 4 Содержание неметаллических включений

Таким образом, внедрение технологии производства высокоуглеродистой стали в двухванных печах позволило обеспечить выполнение заказов на прокат из высокоуглеродистой стали и высвободить мартеновские печи для выполнения ответственных заказов.

Элемент	Технология выплавки (печь)	Разница между содержанием элементов в слитках, %
Элемент	Технология выплавки (печь)	среднем и первом	среднем и последнем
С	Двухванная	0,0036	0,0026
С	Мартеновская	0,0050	0,0035
Si	Двухванная	0,0038	0,0860
Si	Мартеновская	0,0055	0,0129
Мn	Двухванная	0,0020	0,0130
Мn	Мартеновская	0,0120	0,0260

Профиль проката	Технология выплавки (печь)	Всад, т	Поверхностные дефекты, %
Профиль проката	Технология выплавки (печь)	Всад, т	плена	трещина	сумма
Круг	Двухванная	10235	33,5	25,5	59,0
Круг	Мартеновская	14212	23,2	38,4	61,6
Катанка	Двухванная	37122	7,6	4,7	12,3
Катанка	Мартеновская	36532	5,9	8,6	14,5

Технология выплавки (печь)	Марка стали	Содержание включений, % по массе
Технология выплавки (печь)	Марка стали	MnO	Fe3O4	SiO2	Аl2O3	сумма
Мартеновская	50 (ГОСТ 1050)	0,0092	0,0008	0,0040	0,0035	0,0175
Мартеновская	35 (ГОСТ 10702)	0,005	0,0020	0,0009	0,0038	0,0118
Двухванная	55КК (ТУ 14-1-5317)	0,005	0,0010	0,012	0,0008	0,0188