Способ вакуумирования жидкой стали

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик щ 954440(23) ПриоритетОпубликовано 300882, Бюллетень Мо 32Дата опубликования описания 300882 Р 1 М Кз С 21 С 7/10 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ ВАКУУМИРОВАНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ лагаемому ания жидерывное из енциала ктрохими- завершено достижея величины 2 Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам управления процессом вакуумной обработки жидкой стали. В частности, способ относится к технологическим приемам, реализуемым в черной металлургии при помощи вакуумной обработки жидкой стали ковшевым способом.Известен способ производства мало- углеродистой стали, по которому в период вакуумного обезуглероживания расплав продувают инертным газом через донные пористые элементы сталеразливочного ковша, При этом расплав начинают продувать инертным газом с момента начала создания вакуума в камере и фактически продолжают до окончания вакуумирования, изменяя лишь расходные нормы инертного газа 1 .Недостатком данного приема известного способа является тот факт, что в большинстве случаев (а для пла, - вок весом 20-30 т в 100 случаев) в начальный период вакуумирования да при обычном темпе снижения остаточ го давления в камере кипение расплава в ковше носит настолько интенсивный характер, что во избежание перелива металла через край ковша приходится неоднократно перекрывать магистральную задвижку, через которуювакуумная камера сообщается с пароэжекторным насосом. В этих условияхпродувка расплава инертным газом,осуществляемая в целях дополнительного перемешивания металла со шлакоми интенсификации протекания реакциимежду кислородом и углеродом, является бесполезной и связана с необоснованными материальными затратами.Кроме этого,.данный прием связан с опасностью прорыва вакуумируемого металлачерез. пористый элемент ковша, так какв этом случае период продувки значительно увеличивается, астойкостьпористого элемента ограничена (особенно при продувке крупнотоннажныхплавок).Наиболее близким к предявляется способ вакуумировкой стали, включающий непрмерение. окислительного потгазовой фазы с помощью элеческой ячейки, определениености процесса дегазации инию экстремального значениЭДС 2),К недостаткам известного способаотносится то, что использование способа для крупнотоннажных плавок, гдедля повышения эффективности вакуумирования требуется применение продувки расплава инертным газом через донные пористые элементы, связано спонижением точности определения момента завершения процессов окончания 5реакции вакуумного обезуглероживанияи дегазации жидкой стали, уменьшениеточности связано с разбавлениемотходящих газов инертным газом, в результате чего максимальное значение 10величины ЭДС достигает в момент, когда выделение. СО, СО Н еще не закончилось,Кроме того, способ не содержит приемов, позволяющих определить техноло гически оправданные моменты начаЛаи окончания продувки металла инертным газом при вакуумировании,Применение продувки вакуумируемого в ковше металла инертным газом через донные пористые элементы является обязательной технологической опе-.рацией, особенно для плавок весом более 20 т, так как практически тольков этом случае удается компенсироватьотрицательное влияние ферростатического столба металла в ковше, В этих условиях при вакуумировании нераскисленных марок стали удается наиболееэффективно использовать раскислительную способность углерода в вакууме 30и в зависимости от исходного соотношения между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл - шлак получать расплав, раскисленный только углеродом до 0,0015- 350,008 кислорода, либо расплав, содержание углерода в котором не превышает 0,010. Кроме этого, при такомвакуумировании как спокойных, так инераскисленных марок стали происходит 40стабильное удаление водорода из расплава до значений 1,5-2,0 см /100 г внезависимости от его исходного содержаОпределение технологически определенного момента начала и окончания продувки вакуумируемого в ковше расплава инертным газом через донные пористые элементы позволяет оптимизировать весь процесс вакуумирования в целом, в частности сократить продолжительность периодов дегазации (для спокойной стали) либо глубокого обезуглероживания или раскисления углеродом (для нераскисленной стали), 55 которые в современной практике вакуумирования в большинстве случаев необоснованно завышены; сократить тепловые потери металла при вакуумировании; уменьшить перегрев стали в ста леплавил ных агрегатах, улучшив стойкость их футеровки, ввести в расплав добавки легирующего или раскислительпо"о типа в наиболее оптимальный момент;экономить инертньй газ,улучшив условия службы пористых продувочных элементов.Цель изобретения - оптимизация процесса вакуумирования, снижение себестоимости производства стали,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу вакуумирования жидкой стали, включающему непрерывное измерение окислительного потенциала газовой фазы с помощью электро- химической ячейки, определение завершенности процесса дегазации по достижению экстремального значения величины ЭДС, при достижении первого максимума на кривой изменения величины ЭДС жидкую сталь начинают продувать инертным газом,а заканчивают .продувку при линейном снижении величины ЭДС после достижения второго максимума на той же кривой.При вакуумировании нераскисленной низкоуглеродистой стали, проводимом в целях глубокого обезуглероживания расплава и получения в нем менее 0,010 углерода, достижение пер-. вого максимума на кривой изменения величины ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящих газов,означает, что при данной удельной мощности откачной системы реакция обезуглероживания вакуумируемого расплава прекратилась. Обычно это бывает в результате снижения скорости поступ-. ления к месту реакции углерода или. кислорода из окислительного шлака. При этом содержание углерода в расплаве составляет 0,012-0,014, хотя окислительный потенциал металла ОаО, 05) и шлака (до 17 20 ГвО) остаются достаточно высокими. Такое положение является типичным для вакуумирования в ковше больших масс металла, когда существенную роль играет ферростатическое давление столба металла над местом реакции, Аналогичная картина наблюдается при вакуумировании нераскисленных средне- и высокоуглеродистых сталей, которое проводится в целях раскисления стали углеродам. В этом случае достижение первого максимума на,кривой изменения величины ЭДС также означает, что реакция между углеродом и кислородом расплава прекратилась, хотя содержание кислорода в расплаве остается высоким (О, 010-0,015) . Прекращение реакции здесь также обусловлено уменьшением скорости подвода реагирующих компонентоь к месту реакции в результате отрицательного влияния ферростатического давления. Для вакуумирования спокойных марок стали, которое проводят в основном для удаления из расплава водорода и его рафинирования от неметаллических включений (в меньшей степени),наличие первого максимума на кривой изменения ЭДС обусловлено снижением скорости выделенияводорода из расплава, которое происходит в конечном итоге также вследствие отрицательного влияния ферростатического давления столба металла.Дальнейшее развитие реакции между углеродом и кислородом расплава воз можно при увеличении скорости подвода углерода к месту реакции и кислорода, например, из,шлака за счет разложения легковосстановимых окислов железа, что и достигается применени ем продувки расплава инертным газом через донные пористые элементы ковша. Продувка расплава инертным газом в вакууме способствует и увеличению скорости удаления иэ металла водоро да, так как в этом случае увеличивается скорость циркуляции расплава в ковше и значительно увеличивается удельная поверхность вакуумируемого металла, находящаяся в прямом контак те с газовой фазой с низким парциальным давлением водорода,Таким образом, начало продувки расплава инертным газом в момент достижения первого максимума на кривой изменения ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящих газов с помощью электрохимической ячейки,является наиболее оптимальным, так как, начиная с этого момента, прекращается реакция между кислородом и углеродом расплава (для нераскисленной стали) либо преимущественно выделения из расплава водорода (для раскисленной стали). Более ранняя продувка расплава инертным газом не име- З 5 ет технологического смысла, поскольку при достаточной удельной мощности откачной системы интенсивность кипения металла во избежание его перелива через край ковша приходится огра ничивать искусственно,путем отсоединения реакционного пространства от вакуумного насоса, Позднее начало продувки влечет эа собой необоснованные потери времени, что связано с 45 потерями температуры металла. Попытки связать начало продувки расплава с интенсивностью его кипения в большинстве случаев, особенно для вакуумирования средне- и высокоуглеродистых нераскисленных сталей, являются несостоятельными, поскольку интенсивность кипения может оставаться практически постоянной на протяжении до 10 мин за счет кислорода, поступающего в расплав из футеровки ковша, причем в течение последних 5-7 мин содержание кислорода в расплаве остается постоянным и на минимальном уровне.60Продувка расплава инертным газом в момент достижения первого максимума на кривой изменения ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящих газов, приводит к увеличению скорости поступления кислорода и уг лерода к месту реакции, к увеличению скорости поступления кислорода в металл за счет разложения легковосстановимых окислов железа шлака и к возобновлению реакции вакуумного обеуглероживания расплава, Кроме того, увеличивается скорость выделения. иэ расплава водорода, особенно когда он подвергнут вакуумной обработке в раскисленном состоянии. Вторичное увеличение скорости реакции между углеродом и кислородом металла, а также выделение водорода влечет за собой рост содержания как продуктов реакции - окиси углерода, двуокиси углерода (в меньшей степени), так и водорода в отходящих газах, что отражается на величине окислительного потенциала этих газов. Максимальное содержание рассмотренных компонентов в отходящих газах(СО, Н)соответствует максимальному различию давлений кислорода в стандартном электроде электрохимической ячейки и в контролируемой газовой фазе. Уменьшение величины ЭДС после достижения второго максимума на кривой ее изменения означает понижение скорости выделения рассмотренных газов из металла. Линейное снижение значения величины ЭДС после достижения второго максимума означает практическое прекращение выделения СО,Н.из расплава и вызвано разбавлением концентрации этих компонентов в отходящих газах инертным газом, продувка которым производится с постоянным расходом, Таким образом, продувка расплава в вакууме, сыграв свою положительную роль, с этого момента является бесполезной и может быть возобновлена только для других целей, например для перемешивания введенных в расплав ферросплавов.На фиг. 1 показано изменение величины ЭДС, определяющей окислительный потенциал отходящей газовой фазы, по ходу вакуумирования и продувки инертным газом нераскисленной низкоуглеродистой стали; н - начало кипения расплава в вакууме, , - время вакуумирования, мин. Стрелками обозначены моменты начала продувки расплава аргоном через донные элементы и введение в расплав легирующих и раскислителей. 0 - 1,75 10 нм /мин т удельный расход аргона для дополнительного обезуглероживания расплава;0,5 10нм /мин т - удельный расход аргона для перемешивания в расплаве добавок раскислительного или легирующего типа, на фиг. 2 - изменение содержания углерода в расплаве в процессе его вакуумирования и продувки инертным газом.П р и м е р. В 100 т основной электропечи выплавляют и отфильтровывают от серы, фосфора, кремния и частично от марганца 100 т металла, посТаким образом, использование приемов способа, позволяет оптимизироватьпроцесс вакуумирования в целом и добиться снижения себестоимости обрабатываемой в вакууме стали.Оптимизация процесса достигаетсяза счет уменьшения продолжительностипериода вакуумного обезуглероживания или дегазации расплава, которыйв современной практике вакуумирования необоснованно завышен. Кроме того, начало и окончание обязательнойтехнологической операции - продувкирасплава инертным газом, проводимойв целях достижения полноты протекания процессов обезуглероживания ивакуумного раскисления металла, атакже его дегазации (удаления водорода), определяют с помощью приемовпредлагаемого способа, опираясь наобъективные параметры.Снижения себестоимости обрабатываемой в вакууме стали достигаютза счет сокращения продолжительностивакуумирования, уменьшения тепловыхпотерь при вакуумировании, уменьшения перегрева стали в плавильных агрегатах, увеличения производительности плавильных агрегатов .увеличениястойкости футеровки ковша.Расчет экономической эффективности от применения предлагаемого способа произведен на примере особониз-. коуглеродистой (релейной) стали,производство которой осуществляется с применением ковшевой вакуумной обработки.По сравнению с известным способом, при сталеплавильном переделе релейной стали предлагаемым способом исключено производство вакуумированных плавок с повЫшенным содержанием углерода, например с 0,014 углерода, которые требуют обезуглероживающего отжига промежуточных профилей проката. Стоимость такого отжига составляет 15-20 руб/т стального проката. Если учесть что по основному способу каждая 3-5 плавка характеризуется содержанием углерода - 0,014 и требует обезуглероживающего отжига промежу-. точного профиля проката, вес которого составляет 90 т из 100 т плавки, разлитой, например, в слябовый кристаллизатор УНРС, то исключение этих затрат дает удельную экономию90 т х 20 руб/т- 3,6 руб/т5 х 100 т Этот экономический эффект являетсязаниЖенным, так как он может быть иоле чего плавку в нераскисленном состоянии сливают в ковш вместе с частьюокислительного шлака, количество ко"торого составляет 2,0 т,Химический состав металла передвакуумированием, Ъ: С 0,050, Мп 0,08,5( 0,02; 5 0,015, Р 0,010, О 0,060.Содержание легковосстановимых окисловжелеза в шлаке перед вакуумированиемсоставляло 24 (в пересчете на ГеО).После установки ковша с металлом 10в вакуумную камеру и подключения сис"темы пористых элементов к аргоннойстанции на шлак в ковш вводят мелкодробленный кокс в количестве0,20 кг/т стали, что обеспечивает исходное весовое отношение кислорода,находящегося в металле и в шлаке в виде легковосстановимых окислов железа,к углероду в металле и внесенному нашлак равным 2,1 от стехиометрического 20их соотношения при окислении углерода, Данный уровень этого отношенияобеспечивает проверенную возможностьполучения в расплаве после его продувки аргоном в вакууме менее 0,010углерода.В процессе вакуумной обработкинепрерывно измеряют окислительныйпотенциал отходящих газов при помощиэлектрохимической ячейки. Непосредственно после достижения первого максимума на кривой изменения ЭДС (т.е.на 3,5 мин) расплав начинают продувать аргоном через донный пористыйэлемент ковша, причем расход аргонаподдерживают постоянным - 1,75 хх 10 нм/мин т (фиг, 1) . После образования второго максимума на кривой изменения ЭДС и последующего снижения величины ЭДС с постоянной скоростью, т.е. на 7,5 мин вакуумирования, расход аргона снижают до0,5 10нм"/минт и в расплав вводятГеИп, Ге 5, А 1 в количестве, обеспечивающем заданный состав готовой стали. Продувка расплава инертным газом 45с постоянным расходом - 1,75 х(фиг. 2) обеспечивает снижение содержания углерода в металле с 0,014 до0,006 Ъ. Момент достижения этой кон- удентрации углерода фиксируют непосредственно по ходу вакуумной обработки.Снижение содержания углерода врасплаве с 0,014 до 0,006 имеет су- ущественное значение, поскольку переработка стали с 0,014 углерода требует обезуглероживающего отжига промежуточных профилей проката, стоимость которого составляет 15-20 руб/т,стали. Без этого отжига в такой стали нельзя достигнуть требуемого уровня электромагнитных свойств (коэрцитивной силы), в то время как для стали с 0,006 Ъ углерода обезуглероживающий отжиг не нужен,65 Общий экономический эффект от применения способа при годовой потребности в релейной стали в размере 40000 т/год составит36 руб/тх 40000 т/год = 144 000 руб/годСуммарная удельная экономия будетравна . 0,6 + 0,3 + 2,46 = 3,36 руб/т лучен при производстве только одной с уменьшением затрат времени на пемарки стали. Если учесть, что про- регрев металла, обеспечивает повышение мышленность испытывает годовую пот- производительности печи на 3, что ребность в размере свыше 200 000 т/год дает экономию 0,3 руб/т стали. в электротехнической динамной сталис содержанием углерода менее 0,010, 5 3, увеличение стойкости Футеровки а удельный экономический эффект от ,сталеразливочного ковша. применения предлагаемого способа ос-Стойкость футеровки ковша при ватается неизменным и для динамных ма- куумировании 100 т плавок нераскисрок стали, сказанное выше становитСя ленной стали с исходным содержанием очевидным. 0 углерода в металле 0,03-0,05 и соРасчет экономического эффекта, ко- держанием закиси железа в шлаке 25- торый может быть получен от примене составляет 2 плавки. Ковш оборуния способа, проведен и по сравнению дуется одной пористой пробкой, стойс базовой технологией, используя кость которой 2 плавки, Применение которую производят самУю дешевУю и каспособа позволит практически вдвое чественную релейную сталь, обладающую уменьшить необоснованно завышенный высоким запасом электромагнитных период обезуглероживания расплава, свойств (коэрцитивной силой) над нор- который характеризуется повышенным мами ГОСТа как в холоднокатаном, так износом футеровки ковша в результаи в горячекатаном листовых профилях 20 те интенсивного перемешивания и конпроката. такта переокисленнаго шлака с футеСущность базовой технологии сведе- ровкой. Интенсивность перемешивания на к реализации следующих технологи- вызвана продувкой расплава инертным ческих операций. В 100 т дуговой газом. В настоящее время стоимость электропечи выплавляют полупродукт 25 футеровки и оборудования ковша огнес содержанием углерода 0,03-0,10,ко- упорным пористым элементом составляторый в нераскисленном состоянии вы- ет на заводе 1478 руб, что в пересчепускают в ковш вместе с конечным печ- те на 1 т стали при стойкости футеным шлаком, количество которого сос- ровки ковша 2 плавки составит тавляет 2,1-5,0 от веса металла. Непосредственно перед вакуумированием14787,39 руб/ в ковш на шлак вводят добавки окислительного (руда, окалина) либо восстановительного (кокс, электродный бой) Стойкость футеровки ковша при ва-типов из расчета обеспечения отноше- куумировании релейной стали с исния между окислительным и восстанови пользованием предлагаемого способа тельным потенциалами системы металл - составляет 3-5 плавок. Увеличивается шлак в пределах 1,43-3,33. Затем ме- и стойкость продувочного пористого талл подвергают вакуумированию, кото-элемента до 3-4 плавок. Если принять рое разделяется на два этапа. На пер- стойкость футеровки и пористого вом этапе металл подвергают вакуумно продувочного элемента по 3 плавки, му обезуглероживанию до менее 8,010 то экономический эффект по этой углерода,.причем практически весь пе- статье составит риод расплав продувают инертным га- , 1478 7 39 - 4 93: зом через донный пористый элемент 7 9 Руб/тковша. Продолжительность продувки для 45этой цели достигает 10-12 мин. Навтором этапе металл и шлак раскисляют Ге 5, 5 Са, А 1, причем операцияраскисления также сопровождается продувкой расплава инертным газом.Экономический эффект, который может быть получен при реализации пред- , Общий экономический эффект от лагаемого способа, рассчитан на осно- применения предлагаемого способа при вании следующих статей экономии. годовой потребности в релейной сталиСокращение продолжительности этапа 55 в размере 40 000 т/год, по сравнению обезуглероживания, совмещенного с про- с базовой технологией, составит дувкой расплава инертным газом, свя,36 руб/т х 40 000 т/год = зано с уменьшением тепловых, потерь привакуумировании и снижением нагрева ме 000 руб/год талла в печи на 20 С. Применительно к .100 т дуговой печи снижение нагреваметалла на 20 С может быть выражено во Фор уФо м ла изобретения сокращении расхода электроэнергии на30 квт ч/т или на 0,6 руб/т стали. Способ вакуумирования жидкой стаСокращение длительности плавки в ли, включающий н р ра ий неп е ывное измерение 100 т дуговой печи на 5 мин, в связи 65 окислительного потенциала газовой954440 12 Од Ю г ербаковкоррек СоставительФролова Техред М. Гер Бутя Редакт Подписноемитета СССРткрытийская наб., д. 4/5/22 Тираж 587ВНИИПИ Государственногоподелам изобретений и113035, Москва, Ж, Ра каэ 63 лиал ППН фПатент", г. Ужгород, ул. Проект фазы с помощью электрохимической ячейки, определение завершенности процесса дегазации по достижению экстремального значения величины ЭДС о т л и ч а ю щ и .й с я тем, что, с целью оптимизации процесса вакуумирования, снижения себестоимости производства стали, при достижении первого максимума на кривой изменения величины ЭДС жидкую сталь начинают продуЕ,м 3 вать инертным газом, а заканчиваютпродувку при линейном снижении величины ЭДС после достижения второго мак-,симума на той же кривой.5Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1Авторское свидетельство СССР9 789591, кл. С 21 С 7/10, 1980.2. Авторское свидетельство СССРР 467116, кл. С 21 С 7/10, 1975.