Эффективность процесса внепечной обработки стали кальцийсодержащими порошковыми проволоками с комбинированными наполнителями

Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В.
Украинская ассоциация сталеплавильщиков
УДК 669.18.046

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 настоящее время в мировой металлургической практике 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 тоже время в последние годы в связи с меняющейся конъюнктурой на рынке ферросплавов, изменением качества сырья появилась тенденция использования в определенных условиях комбинированного 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, при этом 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 1) [2]. Высокая эффективность использования СК40 обусловлена тем, что сплав с содержанием 40% кальция 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.

Между тем, как известно, 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 Са при внепечной обработке металла порошковой проволокой как с наполнением СК30, так и СК40. Для устранения этого фактора, оптимизации усвоения Са и снижении 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 (рис. 1) состояния CaSi, на которой показаны рассчитанные авторами точки, соответствующие массовому соотношению между кальцием и кремнием в силикокальции СК30, СК40 и аналоге СК40 – СК40к. Как видно из рис. 1, образующийся по мере вхождения порошковой проволоки с наполнением FeSi65 и кальцием металлическим (40 %) в жидкий металл сплав имеет температуру плавления на 150 ^oС 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 др.) 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.

Так, на одном из предприятий, промышленное использование нового вида проволоки СК40к, в сравнении с существующим наполнителем (обычным СК40 на базе металлического кальция и силикокальция СК30), при обработке параллельных ковшей одной плавки (выпуск в два ковша) показало стабильно повышенное усвоение кальция: перед отдачей ковша на разливку на 20–25 % отн., по готовому металлу на 15–20 % отн. при обработке стали 32Г2, 13ХФА, ст20 и др.

Во время проведения опытно-промышленных плавок в ЭСПЦ ЗАО «Азовэлектросталь» было отмечено значительное увеличение скорости десульфурации стали при внепечной обработке – в среднем с 0,0005 до 0,0018 %/мин (более чем в 3 раза), при этом содержание серы в готовом металле (ст3сп) на опытно-промышленных плавках составило 0,016%, на сравнительных – 0,019%. Степень десульфурации на опытных плавках составила 78 %, на сравнительных – 61%, при этом остальные технологические параметры процесса десульфурации были аналогичными. Усвоение кальция на опытных плавках было на 53,6 % отн. выше, чем на сравнительных, а эквивалентный коэффициент замены порошковой проволоки с наполнителем СК40к по отношению к проволоке с наполнителе СК30 для модифицирования стали по результатам проведенных плавок составил 0,47.

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 А1Са 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. При этом 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 нуждаются в дальнейшем подтверждении.

Перспективным направлением, причем для всех групп марок стали, является использование комбинированных шлакометаллических 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 [7].

Таким образом, можно резюмировать, что использование новых комбинированных 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 обеспечивать расплавление оболочки и взаимодействие наполнителя с жидким металлом в нижней части ковша.

Библиографический список:

1. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В., Павлюченков И.А., Болотов В.Ю. Прецизионная обработка металлургических расплавов. – 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. Дюдкин Д. А., Бать С.Ю., Кисиленко В.В. // Патент України на винахід № 67016. Дріт для позапічної обробки металургійних розплавів. – Бюл. Промислова власність. № 5. – 16.05.2005 р.
4. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. // Патент України на корисну модель № 44822. Дріт для обробки рідких металів кальцієм. – Бюл. Промислова власність. № 19. – 12.10.2009 р.
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. Кисиленко В.В., Дюдкин Д.А. // Патент України на корисну модель № 52429. Дріт для позапічної обробки металургійних розплавів. – Бюл. Промислова власність. № 21. – 10.11.2010 р.

© Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В., 2011