Баланс кремния и обеспечение его заданного содержания в непрерывнолитой автолистовой стали
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Баланс кремния и обеспечение его заданного содержания в непрерывнолитой автолистовой стали

Кузнецов Д.Ю., Куберский С.В. ДонГТУ
Ямполь А.И., Винник К.В. ОАО «АМК»

Со строительством в 2005 году комплекса из установки ковш-печь (УКП) и слябовой МНЛЗ на ОАО "Алчевский металлургический комбинат" (АМК) начали освоение производства низкоуглеродистых бескремнистых сталей, относящихся к так называемой автолистовой группе, т.е. конечным потребителем листа из таких сталей является автомобильная промышленность. В частности, наибольшим спросом в сортаменте комбината стала пользоваться сталь марки 1006 (таблица 1), производимая по стандарту SAE (Сообщество автомобильных инженеров).

Таблица 1. Химический состав стали SAE 1006

Химический состав стали SAE 1006

Основными проблемами, с которыми столкнулись технологи при освоении производства таких сталей стало обеспечение необходимых параметров их разливаемости на МНЛЗ и заданного содержания кремния. Если первую проблему удалось решить с помощью применения кальцийсодержащих проволок, то вторая остается актуальной и сегодня.

Одной из особенностей автолистовых сталей является то, что кремний в них – вредная примесь. Обеспечение высокой пластичности, позволяющей добиться глубокой вытяжки при холодной прокатке без образования дефектов (разрывов, трещин), является главной проблемой для технологов сталеплавильных цехов и, в то же время, главным требованием к качеству такого металла. В свою очередь, предел текучести стали зависит от содержания примесей, особенно кремния, содержание которого не должно превышать 0,02-0,03%.

В ранее проведенных работах было установлено, что повышение содержания кремния в стали происходит в результате протекания процессов алюмо- и карботермии кремния из SiO2 [1]. При этом анализ производственных данных показывает, что основной прирост содержания кремния в металле происходит при его внепечной обработке на УКП (рисунок 1), а при обработке на установке внепечной обработки стали (УВОС), при транспортировке и разливке увеличение содержания кремния более чем в два раза меньше.

Прирост содержания кремния в стали на различных этапах технологии производства непрерывнолитых слябов автолистовых сталей, %

Рис. 1. Прирост содержания кремния в стали на различных этапах технологии производства непрерывнолитых слябов автолистовых сталей, %

В данной работе поставлена задача установить, что служит источником поступления кремния и/или его оксида в металл и шлак, т.е. по сути, составить баланс кремния при производстве непрерывнолитых слябов автолистовых сталей.

Рассмотрим материалы, применяемые при внепечной обработке в отношении содержания в них кремния в чистом виде или в виде SiO2 по мере их поступления в сталеразливочный ковш.

1. Конвертерный шлак (средний состав для АМК приведен в таблице 2) попадает в ковш при выпуске металла из конвертера, причем в условиях нестабильной работы системы отсечки шлака или ее отсутствия (отсечка методом "подрыва" конвертера) на АМК его количество иногда достигает 5 кг/т стали, т.е. в ковш емкостью 300 т попадает около 1,5 т шлака.

2. Шлакообразующие. Известь (химический состав приведен в таблице 3) сначала вводится при выпуске полупродукта из конвертера и во время предварительной внепечной обработки на установке внепечной обработки стали (УВОС), производимой после окончания выпуска и перед транспортировкой на УКП, а затем на самой УКП для формирования рафинировочного шлака. Также на УКП в качестве разжижителей и шлакообразующих применяют плавиковый шпат (таблица 3) и отходы производства вторичного алюминия – алюмофлюс (таблица 4).

Таблица 2. Средний химический состав конечного конвертерного шлака

Средний химический состав конечного конвертерного шлака

Таблица 3. Химический состав плавикового шпата

Химический состав плавикового шпата

Таблица 4. Химический состав алюмофлюса

Химический состав алюмофлюса

3. Раскислители и легирующие. Поскольку содержание кремния в автолистовых сталях ограничено, их раскисление проводят исключительно алюминием. Алюминий вводится на выпуске из конвертера в виде чушек (иногда в виде ферроалюминия) для предварительного раскисления металла. На УКП алюминиевыми чушками проводят окончательное раскисление металла, алюминиевыми гранулами – раскисление шлака, алюминиевой проволокой – микролегирование стали. Алюминиевая проволока содержит не менее 99,0% Alмет, а также 1% Si и примесей цветных металлов. Состав применяемого вторичного алюминия (чушки и гранулы) приведен в таблице 5.

Таблица 5. Химический состав алюминия вторичного марки АВ87

Химический состав алюминия вторичного марки АВ87

Единственным легирующим элементом рассматриваемых сталей является марганец. Поскольку стали относятся к низкоуглеродистым, для легирования марганцем применяют металлический марганец или низкоуглеродистый ферромарганец, причем последний из экономических соображений применяют гораздо чаще. Согласно технологии ферромарганец (таблица 6) вводят для предварительного раскисления-легирования на УВОС, а затем на УКП для доводки металла по химическому составу.

Таблица 6. Химический состав ферромарганца марки ФМн90(РБ)

Химический состав ферромарганца марки ФМн90(РБ)

4. Футеровка сталеразливочных ковшей во время внепечной обработки металла подвергается интенсивному износу в результате размывания потоками металла при продувке аргоном, а также при химическом взаимодействии с металлом и шлаком. Для стен ковшей применяют периклазоуглеродистую футеровку, для шлакового пояса – периклазоуглеродистую с повышенным содержанием углерода (таблица 7). Согласно производственным данным для условий АМК среднегодовой расход составляет 2,8 кг/т стали.

Таблица 7. Химический состав футеровки сталеразливочного ковша

Химический состав футеровки сталеразливочного ковша

На основе анализа производственных данных 638 плавок сталей автолистового сортамента были рассчитаны средние значения расходов шлакообразующих, раскислителей, легирующих, футеровки, количества конвертерного шлака и конечного рафинировочного шлака в сталеразливочном ковше. На основании этих данных был проведен расчет количества и доли SiО2, вносимой каждым из рассмотренных выше источников при внепечной обработке металла на УВОС и УКП (таблица 8).

На рисунке 2 представлена диаграмма, иллюстрирующая долевое распределение материалов согласно количеству SiО2, которое они вносят в рафинировочный шлак.

Таблица 8. Количество и доля SiО2, вносимая материалами

Количество и доля SiО2, вносимая материалами

Долевое распределение материалов согласно количеству SiО2, которое они вносят в рафинировочный шлак

Рис. 2. Долевое распределение материалов согласно количеству SiО2, которое они вносят в рафинировочный шлак

Как видно из рисунка 2, основными источниками SiО2, который в свою очередь служит источником восстановления кремния, являются конвертерный шлак, попадающий в сталеразливочный ковш при выпуске металла из конвертера, а также алюминиевые чушки и шлакообразующие (известь, плавиковый шпат, алюмофлюс), используемые на УВОС и УКП.

Для снижения количества SiО2 в рафинировочном шлаке УКП необходимо с одной стороны жестко контролировать количество попадающего конвертерного шлака при выпуске металла путем применения эффективных систем отсечки, а с другой – применять материалы высокой чистоты по содержанию кремния или SiО2. Однако, как показал опыт работы ККЦ АМК достигнуть одновременного соблюдения этих требований по ряду причин как экономического, так и организационного характера не всегда удается. В связи с этим, возникла необходимость усовершенствования технологии получения автолистовой стали с минимальным содержанием кремния в существующих производственных условиях и при минимальных затратах.

По имеющимся производственным данным было определено, что прирост содержания кремния в стали происходит в подавляющем большинстве случаев в конце ее внепечной обработки на УКП. Об этом свидетельствуют данные о содержании кремния в пробах металла, отбиравшихся по ходу обработки группы плавок на УКП, от первой до контрольной (рисунок 3).

Среднее содержание кремния в пробах металла по ходу обработки на УКП

Рис. 3. Среднее содержание кремния в пробах металла по ходу обработки на УКП

Как видно из рисунка 3, значительный прирост содержания кремния происходит на завершающем этапе внепечной обрботки, который соответствует пробам № 4 и 5. В это время кремний, образовавшийся при электродуговом нагреве металла и шлака в результате процессов алюмо- и карботермии из SiО2 больше не может окисляться кислородом и переходит в металл. Это объясняется тем, что к этому времени металл и шлак уже полностью раскислены алюминием, в присутсвии которого (как более сильного раскислителя) кремний окисляться не будет. При этом зачастую содержание кремния в металле превышает допустимые пределы, что приводит к отсортировке готовых слябов по химическому составу.

Для усовершенствования технологии был предложен и реализован способ внепечной обработки низкоуглеродистых бескремнистых сталей, который предполагает удаление кремния из металла путем инициации процесса силикотермии магния при вводе оксида магния в зону высоких температур электрической дуги УКП. Согласно данным работы [2] при температуре свыше 2200 0С, достигаемой в зоне работы дуги, кремний может быть восстановителем магния. Следовательно, при введении оксида магния в зону работы дуги кремний, растворенный в металле, и восстанавливаемый из кремнезема будут расходоваться на восстановление магния из MgO по реакции:

Таким образом можно не только предотвратить переход кремния в металл, но и снизить его содержание в стали.

Для подтверждения гипотезы о протекании процесса силикотермии магния были проведены дополнительные исследования путем организации двухфакторного эксперимента.

В качестве изучаемых факторов были выбраны массовый расход оксида магния МMgO (кг) и длительность дугового нагрева металла tн (мин.) после присадки MgO-содержащего материала.

В соответствии с планом эксперимента было проведено 9 опытов на плавках марки стали 1006. В качестве MgO-содержащего материала применялся порошок Dalmond PL-66, применяемый для торкретирования футеровки стальковшей, с содержанием MgO более 66%, SiO2 менее 1%, Al2O3 около 2%, Fe2O3 менее 3%, CaO – остальное.

На основании проведенных в условиях ККЦ ОАО «АМК» исследований была получена зависимость уменьшения содержания кремния в стали от расхода оксида магния и длительности дугового нагрева металла, имеющая вид:

По полученному уравнению построена графическая зависимость изменения содержания кремния в стали от расхода оксида магния и времени нагрева металла (рисунок 4).

Зависимость изменения содержания кремния в стали от расхода оксида магния и времени нагрева металла

Рис. 4. Зависимость изменения содержания кремния в стали от расхода оксида магния и времени нагрева металла

Полученные данные показывают значительную зависимость изменения содержания кремния в стали как от расхода оксида магния, так и от времени дугового нагрева. Как видно, максимальное количество кремния можно удалить из металла путем ввода в зону работы дуги максимально возможного количества оксида магния, обеспечив при этом необходимое время горения дуги для наиболее полного протекания процесса силикотермии. Таким образом, в результате проведения опытных плавок была доказана эффективность ввода оксида магния в зону работы дуги УКП для инициации процесса силикотермии MgO и удаления избыточного количества кремния из металла. На всех опытных плавках было получено снижение содержания кремния в стали, удалось избежать превышения максимального предела по содержанию кремния в готовой стали, причем для двух плавок, где содержание кремния было выше допустимого, было обеспечено требуемое его содержание – ниже 0,025%.

На основании полученных результатов были разработаны технологические меры по обеспечению требуемого содержания кремния в бескремнистых низкоуглеродистых сталях при их обработке на УКП. При интенсивном росте содержания кремния в стали в ковш необходимо ввести оксид магния в виде MgO-содержащего материала (например, магнезиальный порошок). Количество MgO определяется исходя из предварительно полученного анализа ковшевого шлака, так как присадка дополнительного количества MgO не должна негативно влиять на рафинирующую способность шлака. Ввод MgO-содержащего материала производят в зону работы дуги, где достигаются необходимые для протекания процесса силикотермии термодинамические условия. После этого необходимо провести дуговой нагрев металла, причем длительность нагрева должна быть согласована с температурными параметрами и временными ограничениями внепечной обработки стали. Соблюдая эти условия и пользуясь полученной зависимостью можно определить количество вводимого оксида магния и время нагрева, необходимые для требуемого снижения содержания кремния в стали.

В качестве направления дальнейших исследований необходимо отметить исследование влияния термодинамических условий шлаковой системы УКП на процессы восстановления и удаления кремния, разработка математической модели для автоматизированных систем управления процессом внепечной обработки, позволяющих определить оптимальные параметры технологического процесса в производственных условиях.

Библиографический список:

1. Кузнецов Д.Ю. Термодинамический анализ процессов насыщения кремнием автолистовых сталей при внепечной обработке их на установке ковш-печь / Д.Ю. Кузнецов, Д.Б. Васильев, С.В. Куберский // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. – Алчевск: ДонГТУ, 2008. – № 27. – С. 317 – 323.

2. Сталеплавильное производство. Справочник, т.1 / Под ред. А.М. Самарина. – М.: Металлургия, 1964. – 527 с.

© Кузнецов Д.Ю., Куберский С.В., Ямполь А.И., Винник К.В., 2010