Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Особенности использования благородных ферросплавов для микролегирования стали при внепечной обработке расплава

Кисиленко В.В., Дюдкин Д.А.
Украинская ассоциация сталеплавильщиков
УДК 669.046.558.28

Под термином благородные ферросплавы (в англоязычной литературе noble alloys) обычно подразумевают феррованадий, ферромолибден и феррониобий. Уровень потребления ванадия, ниобия и молибдена в промышленности является одним из важнейших показателей технического прогресса любого государства. Добавки этих элементов оказывают положительное влияние на качественные показатели широкой гаммы сталей и сплавов.

Ввод этих элементов в сталь позволяет формировать структурное состояние, улучшающее комплекс потребительских свойств (измельчение зерна аустенита, карбонитридное упрочнение стали, нейтрализация вредного влияния растворенного в феррите азота и предотвращение процессов старения стали, увеличение вязкости металла в сочетании с повышенной прочностью, повышение коррозионностойкости и т.д.). Указанные элементы используются для получения высокопрочных малоуглеродистых низколегированных сталей, предназначенных для изготовления конструкций в мостостроении, автомобилестроении, труб большого диаметра для магистральных газопроводов северного исполнения и для трубопроводов, работающих в агрессивных средах при высоких температурах, специальных конструкционных сталей, судостроительных сталей, рельсовых стали повышенной прочности и т.д. Применение сталей, легированных указанными элементами, уменьшает вес изделий на 30-50% и увеличивает срок их службы в полтора-два раза.

В металлургической промышленности для легирования стали указанными элементами как раз и используются благородные ферросплавы – феррованадий, феррониобий и ферромолибден.

Под термином микролегирование подразумевается введение в металлический расплав небольшого (до 0,1 % по массе) количества легирующих элементов для изменения свойств [1]. Микролегирование производят в основном при внепечной обработке расплава и, в некоторых случаях, при разливке стали (микролегирование молибденом производят также и при выплавке стали). С технологической и экономической точек зрения, наиболее приемлемым для микролегирования является использования ферросплавов с максимально возможным содержанием ведущего элемента, в случае микролегирования ванадием – это FeV80, молибденом – FeMo60–70, ниобием – FeNb60–65.

Особенностью использования благородных ферросплавов указанных марок при легировании стали является их высокая температура плавления (у FeV80 – более 1650 oС, у FeMo60–70 – более 1800 oС, у FeNb60–65 – порядка 1587–1600 oС), поэтому эти материалы в жидком металле в основном растворяются.

При использовании этих материалов для корректировки содержания V, Nb и Mo в кусковом виде при внепечной обработке, кусочки ферросплавов проходят через слой шлака в металлический расплав, затем происходит их дальнейшее движение и одновременное растворение, массоперенос (усреднение) растворенной добавки в объеме ковшевой ванны. При этом на поверхности куска образуется шлаковая оболочки в результате его прохождения через слой шлака на поверхности расплава в сталеразливочном ковше, а пространственная траектория движения куска под воздействием гидродинамики расплава (в т.ч. обусловленной донной продувкой диспергированным аргоном) в зависимости от размеров кусочков может приобретать различные формы – в т.ч. движение в верхнюю часть ковша [2, 3].

Проведенные исследования свидетельствуют о значительном влиянии на продолжительность растворения (плавления) кусковых добавок гранулометрического состава последних. Так, длительность растворения (плавления) повышается в 10–20 раз при увеличении размера кусков с 5 до 50 мм (в поперечнике), не зависимо от вида добавки (в т.ч. для тяжелых ферросплавов) и расхода диспергируемого аргона в исследованных пределах. Нецелесообразно (ввиду существенного увеличения продолжительности растворения или плавления) использование всех рассматриваемых ферросплавов в кусках фракцией свыше 50 мм. Экономически и технологически нецелесообразно также применение этих ферросплавов в кусках фракций 0–5 мм (что может способствовать выносу их в шлак или запутыванию отдельных кусочков в шлаке при прохождении через слой шлака при присадке).

Также следует отметить, что гранулометрический состав кусковой добавки влияет на продолжительность её усреднения – увеличение фракции кусков с 5 до 50 мм (в поперечнике) удлиняет этот период усвоения в 1,5–3,0 раза.

Кроме того, на усвоение влияет также и массовая скорость поступления ведущего элемента в ковшовую ванну – при определенном ее превышении в локальной зоне взаимодействия элемент просто не будет успевать растворяться и восходящими потоками метала выноситься в шлак.

Все это вызывает некоторые сложности при легировании стали указанными ферросплавами в кусковом виде.

Как показала практика работы многих металлургических предприятий, при легировании стали уровень усвоения ведущих элементов из кусковых благородных ферросплавов довольно высок (ванадия – 80–85 %, ниобия – 85–90, молибдена – 90–95 %), но в силу приведенных причин – нестабилен. Например, на одном из предприятий среднее усвоение молибдена по группам марок стали составляет 83,3–100 % (в технологической инструкции усвоение молибдена принято 97 %). При этом в 24 % случаев усвоение ниже 90 % и в 52 % – ниже 95 %. Отсутствие стабильных показателей усвоения влечет за собой повышенный расход дорогостоящего материала и, соответственно, повышенные расходы на легирование стали.

Средняя степень усвоения ванадия при использовании кускового материала на различных предприятиях составляет 80–88 % (минимальная – 65–75 %). При легировании стали кусковым феррованадием разброс значений содержаний V в готовой стали (для различных марок стали) составляет 0,010–0,020 % абс. (30–70 % отн.), на отдельных плавках требуется дополнительная корректировка содержания V в стали.

Как уже отмечалось, нестабильное усвоение этих элементов из кусковых ферросплавов чаще всего связано с точностью дозирования кусковых материалов, скоростью растворения или расплавления кусков различных размеров в расплаве, запутыванием отдельных кусочков в шлаке (например, при дополнительной корректировке на агрегате ковш-печь) и т.д. В условиях стран СНГ весьма важным фактором нестабильного усвоения указанных материалов является также использование дорогостоящих ферросплавов не по прямому назначению.

Повысить стабильность процесса микролегирования и устранить вышеприведенные факторы позволяет прецизионная обработка расплава – использование порошковой проволоки с наполнением указанными ферросплавами.

Внедрение технологии ввода этих ферросплавов порошковой проволокой позволяет стабилизировать усвоение элементов на высоком уровне (97–100 %), что подтверждаются результатами опробования этой технологии на некоторых предприятиях. Несмотря на относительно небольшую разницу в усвоении по сравнению с присадкой кусковых материалов, ввод в виде порошковой проволоки феррованадия и ферромолибдена экономически целесообразен, что объясняется высокой стоимостью этих материалов (стоимость проволоки, как правило, значительно ниже стоимости кускового материала) и большим коэффициентом заполнения проволоки порошком (более 72 % мас. у FeV80, 77–80 % у FeNb60–65 и 79–83 % мас. у FeMo60–70). При использовании проволоки обеспечивается стабильность дозировки ферросплавов, появляется возможность гарантированного получения заданного содержания указанных элементов в стали на нижнем пределе нормативных требований (на 0,002–0,003 % меньше по сравнению с кусковым материалом), что приводит к снижению расхода ферросплавов (снижению норм расхода материалов), исключению выпадений по содержанию элементов и, соответственно, уменьшению технологических и эксплуатационных затрат на дополнительную корректировку и в целом затрат на производство стали, при этом исключаются операции взвешивания материала, и механизируется операция ввода ферросплавов в металл [4–7].

Кроме того, исключается вероятность использования дорогостоящих ферросплавов не по прямому назначению.

Здесь следует отметить, что для получения вышеприведенных показателей при внепечной обработке стали порошковыми проволоками должны выполняться ряд условий:

  • обеспечение высокой точности изготовления проволоки по наполнению указанными ферросплавами (максимальный допуск ±3-5 г/м по длине бухты, что достигается при использовании весовых дозаторов);
  • при использовании проволоки в каждом конкретном случае (емкость ковша, расположение дутьевых устройств, наполнение проволоки, температура расплава и т.д.) должен быть подобран оптимальный режим массовой интенсивности подачи ведущего элемента в жидкую ванну (не допуская локального пересыщения или наоборот);
  • в соответствии с установленным режимом массовой интенсивности подачи ведущего элемента выбирается согласованная скорость ввода проволоки в расплав;
  • проволоку с феррованадием и ферромолибденом целесообразно вводить после усреднительной продувки (в период "мягкой" продувки – до 0,2–0,6 л/т·мин).
  • для более точного расчета усвоения, содержание вводимых элементов в стали необходимо определять c точностью до 0,0001 %.

В случае соблюдения условий применения экономическая эффективность использования прецизионной обработки порошковыми проволоками с указанными ферросплавами на различных предприятиях составляет 0,5–1,5 дол. США/т стали.

Следует отметить, что для качественного наполнения проволоки указанными материалами должна быть выполнена специальная подготовка порошка. Так, для ферросплавов с одинаковым химическим составом (и удельным весом, соответственно), насыпная масса порошка в зависимости от размера и формы частиц может различаться на 20–30%, при этом коэффициент уплотнения при закатке, показывающий возможность уплотнения порошков различных материалов на конкретной линии по производству порошковой проволоки, для таких материалов (фракционный состав 0–2 мм) тоже будет значительно различаться – в 2–3 раза. Например, для проволоки диаметром 13 мм номинальное наполнение проволоки у различных производителей колеблется в следующих пределах: FeV80 – 400–460 г/м, FeNb60–65 – 600–680 г/м, FeMo60–70 – 620–750 г/м.

На современном этапе развития многие металлургические предприятия учитывают все выгоды от использования порошковой проволоки и поэтому, например, в России довольно высокий уровень потребления порошковой проволоки с наполнением благородными ферросплавами – в 2010 г. количество использованного феррониобия в виде порошковой проволоки составило 64,8 % от общего количества феррониобия, количество проволоки с наполнением феррованадием (в пересчете на 100 % содержания ванадия) составило 41,3 % от общего количества использованного феррованадия, проволоки с ферромолибденом – 31,1%.

sПорошковую проволоку с благородными ферросплавами в 2010 г. в России производили 10 предприятий, причем 92,1 % проволоки с феррониобием и 79,1 % проволоки с ферромолибденом изготовили три предприятия – ОАО «Северсталь-Метиз» (г. Череповец), ОАО «ММК-Метиз» (г. Магнитогорск) и ЗАО «Ферросплав» (г. Челябинск). 42,5 % проволоки с наполнением феррованадием произвели на ЗАО «Ванадий-Тула» (г. Тула) (таблица 1, 2).

Таблица 1 - Потребление порошковой проволоки с наполнением благородными ферросплавами в России в 2010 г., тонн (в пересчете на 100 % содержания основного элемента)

Потребление порошковой проволоки с наполнением благородными ферросплавами в России в 2010 г.

Примечания. 1. Все предприятия РФ производили проволоку в основном диаметром 14-15 мм. 2. Российские производители в 2010 г. экспортировали 128,02 т проволоки с феррованадием, 25,13 т проволоки с феррониобием и 21,46 т проволоки с ферромолибденом (в пересчете на 100 % содержания основного элемента).

Таблица 2 - Потребление феррованадия в кусковом виде и в виде порошковой проволоки (ПП) на металлургических предприятиях России в 2010 г., тонн (в пересчете на 100 % содержания V)

Потребление феррованадия в кусковом виде и в виде порошковой проволоки (ПП) на металлургических предприятиях России в 2010 г., тонн (в пересчете на 100 % содержания V)

В Украине в 2010 г. основное количество благородных ферросплавов (FeV80 и FeNb60–65) в виде проволоке использовалось на МК «Азовсталь» – до 100 тонн ежемесячно (в пересчете на 100 % содержания основного элемента). Основным производителем проволоки с наполнением благородными ферросплавами в Украине в 2010 г. было ЧП «Дарьял», в 2011 г. проволоку с феррониобием стали производить на ХМФ МК им. Ильича, а проволоку с феррованадием и ферромолибденом в Украину стала поставлять швейцарская фирма с украинскими корнями Plus Trade AG.

Многие металлургические предприятия России понимают, что в сложившихся экономических условиях применение порошковой проволоки (не только с наполнением малотоннажными ферросплавами, а и с кальцийсодержащими, углеродсодержащими и другими наполнителями) при внепечной обработке металла создает возможности без значительных капитальных затрат решать задачи обеспечения требуемого качества металла, расширения сортамента и конкурентоспособности производимой продукции.

По прогнозам производство стали в ближайшие годы увеличится на 15-16 %, примерно на 15-20 % возрастут также расходы благородных ферросплавов, в т.ч. в виде проволоки.

Таким образом, использование благородных ферросплавов в виде порошковой проволоки позволяет значительно повысить эффективность использования вводимых элементов, снизить затраты на внепечную обработку, обеспечивая при этом заданное качество готового металла.

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., Павлюченков И.А., Болотов В.Ю. Ковш-печь – современный агрегат для получения стали. – Донецк: Норд–Пресс, 2008. – 473 с.
  3. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Том 3. – М.: Теплотехник, 2008. – 550 с.
  4. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. и др. Эффективность легирования стали ванадием из порошковой проволоки // Металлург.– 2002.– № 7.– С. 40.
  5. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В., Онищук В.П. и др. Технология легирования стали ванадием из порошковой проволоки // Черная металлургия: Бюллетень научно-технической и экономической информации. – 2002. – Выпуск 2.– С. 40–42.
  6. Дюдкин Д. А., Бать С.Ю., Кисиленко В.В. // Патент України на винахід № 83444. Дріт для легування сталі ванадієм. – Бюл. Промислова власність.– № 13.– 10.07.2008 р.
  7. Дюдкин Д. А., Бать С.Ю., Кисиленко В.В. // Патент України на корисну модель № 26330. Дріт для легування рідкої сталі молібденом.– Бюл. Промислова власність.– № 14.– 10.09.2007 р.

© Кисиленко В.В., Дюдкин Д.А., 2011