Современные огнеупорные системы

Новые технологические решения внепечной обработки стали кальцийсодержащими порошковыми проволоками

Д. А. Дюдкин, В. В. Кисиленко Украинская ассоциация сталеплавильщиков

Рассмотрены вопросы внепечной обработки стали кальцийсодержащими порошковыми проволоками на современном этапе. Показано, что использование проволок с наполнением аналогами СК30 и СК40 (кальций гранулированный + ферросилиций) приводит к значительному снижению затрат при внепечной обработке стали, при этом усвоение кальция из нового вида проволоки носит более стабильный характер.

Розглянуто питання позапічної обробки сталі порошковими дротами, що містять кальцій на сучасному етапі. Показано, що використання дротів з наповненням аналогами СК30 та СК40 (кальцій гранульований + феросиліцій) призводить до значного зниження витрат при позапічній обробці сталі, при цьому засвоєння кальцію з нового виду дроту носить більш стабільний характер.

The issues of steel secondary refining by cored wires with calcium fillers at the present stage are considered. Application of wires with fillings by analogues SC30 and SC40 (granules calcium + ferrosilicon) leads considerable cost saving when steel secondary refining by calcium-containing wires. In addition, calcium recovery from a new kinds of wires is more stable.

В современном сталеплавильном производстве внепечная обработка кальцийсодержащими порошковыми проволоками занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуру заготовки, качество и свойства металлопродукции и является неотъемлемой частью технологии [1].

Среди кальцийсодержащих наибольшее распространение получила проволока с наполнением порошком силикокальция. В мировой металлургической практике в настоящее время силикокальций марки СКЗ0 является наиболее широко используемым сплавом для ввода кальция в сталь. Это обусловлено тем, что такое соотношение компонентов в сплаве (30 % Са и 60 % Si) обеспечивает оптимальное сочетание основных теплофизических параметров в ферросплавном производстве, влияющих на усвоение кальция. Следует отметить, что при производстве силикокальция с содержанием кальция более 30 % резко возрастают расходы и при этом возникают трудности с отделением ферросплава от шлака, поэтому все мировые производители, как правило, ограничиваются изготовлением силикокальция марки СК30. В то же время в последние годы в связи с меняющейся конъюнктурой на рынке ферросплавов и изменением качества сырья появилась тенденция использования в определенных условиях комплексного наполнителя, называемого иногда силикокальций СК40 [2, 3]. Такой марки силикокальция в ГОСТах нет, и этот материал не производится, а получается механическим смешением порошков силикокальция и металлического кальция. В процессе ввода проволоки образуется сплав и необходимое содержание кальция в ферросплаве достигается непосредственно при обработке жидкого железоуглеродистого расплава. Такая проволока различных производителей используется на ряде предприятий – ОЭМК, Таганрогский, Белорусский, Молдавский, Донецкий метзаводы, ДЭМЗ (бывший «ИСТИЛ») и др. (таблица) [2]. Высокая эффективность использования СК40 обусловлена тем, что сплав с содержанием 40 % Са образуется по мере вхождения порошковой проволоки в жидкий металл. При этом протекает комплекс процессов взаимодействия кальция, свободного кремния и их соединений (нагрев, растворение, испарение, диссоциация, фазовый переход и т. д.) как внутри проволоки, так и в локальном месте высвобождения наполнителя в расплав, что снижает температуру в зоне реакции. Новый вид проволоки с наполнителем СК40 отличается повышенным содержанием кальция в погонном метре проволоки и более высоким усвоением кальция (на 15-30 %) по сравнению с силикокальцием СК30. Поэтому для достижения заданного содержания кальция в металле расход проволоки с СК40 меньше в 1,4-1,6 раза, чем с СК30. Это обуславливает значительную экономию затрат потребителя при закупке порошковой проволоки и целый ряд технологических преимуществ (снижение задолженности кранового времени, сокращение вспомогательных технологических операций, уменьшение времени обработки, потерь тепла и пр.). Эффективное снижение затрат уже длительное время подтверждается на указанных предприятиях.

Технологические показатели использования порошковой проволоки с наполнителем СК40

Технологические показатели использования порошковой проволоки с наполнителем СК40

Для достижения таких результатов должны выполняться условия [2], в частности, – использование в качестве шихтового компонента качественного силикокальция СК30 (с минимальным количеством СаО и максимальным Si свободного).

Как было отмечено, в силикокальции СК30, при общем содержании Са 30 %, некоторая его часть может находиться в виде оксидов, в т. ч. комплексных (иногда до 10-15 % абс.), что возможно установить только при проведении специального фазового анализа в специализированных институтах. Это приводит к нестабильным показателям по усвоению кальция при внепечной обработке металла порошковой проволокой как с наполнением СК30, так и СК40. Для устранения этого фактора, оптимизации усвоения кальция и снижения затрат при внепечной обработке стали авторами были разработаны новые составы порошковых проволок (аналоги СК30 и СК40) с наполнением ферросилицием и кальцием металлическим (содержание кальция металлического в наполнителе не менее 30 и 40 % соответственно) [4]. В работе [5] представлена диаграмма (рисунок) состояния Ca-Si, на которой показаны рассчитанные авторами точки, соответствующие массовому соотношению между кальцием и кремнием в силикокальции СК30, СК40 и аналоге СК40 – СК40к. Как видно из рисунка, образующийся сплав по мере вхождения порошковой проволоки с наполнением FeSi65 и кальцием металлическим (40 %) в жидкий металл имеет температуру плавления около на 150 °С выше, чем СК30. При изготовлении такой проволоки на специальной линии обеспечивается стабильность химического состава комплексного наполнителя по длине проволоки, а также оптимальные условия растворения и физико-химического взаимодействия компонентов наполнителя. Проведенные на ряде металлургических предприятий («Днепроспецсталь», ОЭМК, «Азовэлектросталь», «ТАГМЕТ» и другие) сравнительные испытания подтвердили высокую эффективность новых видов проволоки, при этом усвоение кальция из нового вида проволоки носит более стабильный характер, проблем с разливаемостью в процессе непрерывной разливки не возникает. Одним из преимуществ такой проволоки является низкое содержание углерода (до 0,15 %), что дает возможность использовать ее при обработке специальных сталей.

Диаграмма состояния Ca-Si, массовое соотношение между кальцием и кремнием в: 1 –силикокальции СК40 (CК30 + кальций металлический); 2 – силикокальции СК30; 3 – СК40к (40 % кальция металлического и 60 % FeSi65).

Диаграмма состояния Ca-Si, массовое соотношение между кальцием и кремнием в: 1 –силикокальции СК40 (CК30 + кальций металлический); 2 – силикокальции СК30; 3 – СК40к (40 % кальция металлического и 60 % FeSi65).

Так, на одном из предприятий промышленное использование нового вида проволоки СК40, в сравнении с существующим наполнителем (обычным СК40 на базе металлического кальция и силикокальция СК30), при обработке параллельных ковшей одной плавки (выпуск в 2 ковша) показало стабильно повышенное усвоение кальция: перед отдачей ковша на разливку на 20-25 % отн., по готовому металлу – 15-20 % отн., при обработке стали марок 32Г2, 13ХФА, ст20 и др. По сложившейся в настоящее время конъюнктуре цен на материалы себестоимость порошковой проволоки с наполнением ферросилицием и кальцием существенно ниже (на 20-30 %), чем с качественными СК30 или СК40 (на основе СК30 и кальция металлического), что приводит к значительному снижению затрат при внепечной обработке стали кальцийсодержащими проволоками.

Для сталей с низким содержанием кремния целесообразно использовать порошковую проволоку с АlСа или FeCa. Применение алюмокальциевой проволоки позволяет совместить процессы модифицирования, микролегирования и корректировки содержания алюминия.

Интересные результаты использования алюмокальциевой проволоки приведены в работе [6]. Алюмокальциевая порошковая проволока вводилась в жидкий металл на агрегате ковш-печь в начальной стадии обработки с целью изучения возможности управления внутренней структурой металла для обеспечения необходимых условий формирования более высоких качественных показателей конечного металлопродукта. Вторичный алюминий для раскисления полупродукта при выпуске из сталеплавильного агрегата не использовался, а обработка силикокальциевой проволокой проводилась в обычном режиме – на финальной стадии обработки. Анализ технологических результатов показал, что использование AlCa проволоки позволило снизить окисленность металла и шлака, что, в свою очередь, предопределило снижение расхода алюмофлюса для раскисления шлака, увеличение скорости и степени десульфурации металла, повышение усвоения алюминия и кальция (из SiCa проволоки). По мнению авторов [6], металлографические исследования показали, что ввод в металл раскисляюще-модифицирующей AlCa лигатуры на ранней стадии обработки позволяет изменять внутреннюю структуру металла:

– количество неметаллических включений уменьшается в 2-6 раз, степень удаления достигает 83,5 %, динамика уменьшения количества включений сохраняется до конечного продукта;

– формирование дендритной структуры после ввода AlCa, а затем и SiCa протекает с увеличением площади межосных участков, соотношение объемов дендритных и межосных участков стабилизируется на уровне 50:50;

– увеличение объема кристаллизующейся жидкости в межосных участках обеспечивает уменьшение дендритной ликвации, получение плотной дисперсной структуры, которому также способствует рост количества центров кристаллизации за счет увеличения концентрации вводимых элементов. Такая структура обладает низкой степенью макро- и зональной микросегрегации и приводит к улучшению механических характеристик металла. Приведенные в работе [6] результаты требуют дальнейшего подтверждения.

Для обработки сталей с низким содержанием алюминия и кремния, а также с жесткими требованиями по неметаллическим включениям многие предприятия применяют порошковую проволоку с наполнителем FeCa. Как показала практика, использование такого сочетания компонентов обеспечивает спокойное протекание реакций даже при увеличении содержания кальция в проволоке на 25 % по сравнению с СКЗО (диаметр проволоки 13 мм). Вместе с тем, следует отметить, что в FeCa проволоке, как правило, используется механическая смесь стальной дроби и гранулированного кальция (чаще всего в соотношении 60:40 %мас.). Считается, что дробь играет роль пассиватора кальция при его высвобождении из проволоки в глубине металлургического расплава. Нам представляется, что это не совсем так. Насыпные массы гранулированного кальция (0,9-1,0 г/см3) и дроби (4,0-4,5 г/см3) различаются в 4-5 раз. В FeCa (60:40) проволоке диаметром 13 мм содержится 86 г Са и 130 г дроби. С учетом насыпных масс ингредиентов, объем, занимаемый гранулированным кальцием внутри проволоки приблизительно в 3 раза больше объема, занимаемого дробью. В таком случае дробь в большей степени играет роль балласта, чем пассиватора. Тем более известны случаи, когда некоторые производители проволоки использовали дробь, которая действительно играла роль балласта на кораблях, а после списания и разделки кораблей в ней содержалось до 10 % окислов железа.

В этой связи интересен новый вид проволоки, разработанный авторами, – наполнитель из металлического (гранулированного) кальция в утолщенной оболочке (0,6-0,7 мм) [7]. Промышленные испытания этой проволоки диаметром 13 мм по сравнению с использованием проволоки с наполнителем FeCa с равнозначным содержанием кальция показали следующее (ЕМЗ, ДЭМЗ, Днепроспецсталь). Ввод новой проволоки в расплав происходит более спокойно, с меньшим бурлением и пылегазовыделением. Это подтверждается более высоким усвоением кальция - 10-15 % отн. по пробе после ввода проволоки на ковше-печи и МНЛЗ.

Полученные результаты показывают перспективность нового вида проволоки как с технологической, так и экономической точек зрения.

Перспективным направлением, причем для всех групп марок стали, является использование комплексных наполнителей (например, содержащих механическую смесь металлического кальция и высокоосновной плавленой рафинирующей смеси), которые позволяют одновременно осуществлять микролегирование, модифицирование и рафинирование металла, включая удаление неметаллических включений.

Выводы

Таким образом, можно резюмировать, что использование новых составов кальцийсодержащих порошковых проволок позволяет значительно повысить эффективность использования кальция, снизить затраты на внепечную обработку, обеспечивая при этом заданное качество готового металла. Для достижения таких результатов должны выполняться ряд условий:

– использование качественных шихтовых компонентов;

– технология изготовления проволоки должна обеспечивать стабильность химического состава комплексного наполнителя по длине проволоки, а также оптимальные условия растворения и физико-химического взаимодействия компонентов наполнителя;

– технологический режим ввода порошковой проволоки должен создавать возможность расплавления оболочки и взаимодействие наполнителя с жидким металлом в нижней части ковша.

Литература

1. Прецизионная обработка металлургических расплавов / Д. А. Дюдкин, В. В. Кисиленко, И. А. Павлюченков, В. Ю. Болотов – М.: Теплотехник, 2007. – 424 с.

2. Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. Особенности усвоения кальция из порошковой проволоки с комплексным наполнителем СК40 // Металл и литье Украины. – 2009. – № 1-2. – С. 20-23.

3. Пат. № 67016 України. Дріт для позапічної обробки металургійних розплавів / Д. А. Дюдкин, С. Ю. Бать, В. В. Кисиленко.– Опубл. 2005, Бюл. № 5.

4. Пат. № 44822 України. Дріт для обробки рідких металів кальцієм / Д. А. Дюдкин, В. В. Кисиленко. – Опубл. 2005, Бюл. № 19.

5. Гасик Л. Н., Игнатьев В. С., Гасик М. И. Структура и качество промышленных ферросплавов и лигатур. – Киев: Техніка, 1975. – 151 с.

6. Переворочаев Н. М., Крикунов Б. П. Металлургический комплекс ЗАО «Донецксталь – металлургический завод». – Донецк: Норд-Пресс, 2009 – 370 с.

7. Пат. № 44819 України. Дріт для присадки кальцію у рідкий метал / В. В. Кисиленко, Д. А. Дюдкин. – Опубл. 2009, Бюл. № 19.



СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ