CC BY
1к.т.н. Кузнецов Д. Ю.
(ДонГТУ, г. Алчевск, Украина, [email protected])
ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРЕМНИЯ В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ-ШЛАК ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛОКРЕМНИСТОЙ СТАЛИ В АКП
Приведены результаты лабораторных экспериментов по исследованию возможности протекания в условиях агрегата ковш-печь процессов алюмино- и карботермического восстановления кремния из ^02 рафинировочного шлака. Определена доля кремния, восстанавливаемого из кремнезема шлака при получении в агрегате ковш-печь низкоуглеродистой малокремнистой раскисленной алюминием стали, которая для процесса карботермии кремния углеродом графи-тированных электродов составляет 87-93%, а для процесса алюминотермии кремния алюминием, растворенным в металле, - 7-13%.
Ключевые слова: кремний, малокремнистая сталь, агрегат ковш-печь, шлак, карботермия, алюминотермия.
УДК 669.14.018.262
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Присутствие в низкоуглеродистой стали, применяемой для глубокой и особо сложной вытяжки, минимального содержания кремния (на уровне следов) является неизменным требованием технологов-прокатчиков при производстве изделий для кузовов автомобилей, поскольку кремний повышает предел текучести и предел прочности, но вместе с тем снижает относительное удлинение стали [1]. Вместе с тем, в настоящее время среди технологов и ученых-металлургов нет единого мнения ни в вопросе определения главного источника и механизма поступления кремния в металл, ни в решении задачи удаления избыточного кремния при производстве малокремнистых автолистовых сталей.
Среди зарубежных металлургических предприятий, близким по условиям производства к современным украинским заводам, наибольший опыт по производству малокремнистой автолистовой стали накоплен в России.
Так, учеными Магнитогорского государственного технического университета были проведены исследования поведения кремния при внепечной обработке указанных сталей в агрегате ковш-печь (АКП) Магнитогорского металлургического комбината [2]. Заметный прирост содержания
кремния при обработке стали в АКП авторы связывают с раскислением расплава алюминием и активизацией процесса алю-минотермического восстановления кремния из @Ю2).
На Новолипецком металлургическом комбинате также проводились исследования по оптимизации технологии производства малокремнистой стали, предназначенной для оцинкованного листа [3]. Авторы считают, что превышение регламентированной концентрации кремния, прежде всего, связано с его вводом с ферросплавами и предлагают проводить его окисление при обработке металла.
Особенности внепечной обработки малокремнистой, раскисленной алюминием конвертерной стали рассматривались и технологами Западносибирского металлургического комбината [4]. По мнению авторов, глубина раскисления шлака на малокремнистых сталях, требуемая для эффективной десульфурации, ограничена именно восстановлением кремния из ^Ю2) и возможностью превышения его содержания над требуемым в готовой стали. Рост концентрации кремния в металле связывают как с его приходом из ферросплавов, так и восстановлением из ^Ю2)
©КузнецовД. Ю, 2014
шлака при раскислении алюминием в АКП.
В исследованиях, проведенных на Ал-чевском металлургическом комбинате, отмечено, что другой фактор, влияющий на процесс восстановления кремния, — длительность ковшевой обработки. Для получения требуемого содержания серы в низкоуглеродистой стали плавку обрабатывают в течение более длительного времени, что приводит к увеличению содержания в ней кремния, восстановителем которого может быть углерод графитовых электродов. Таким образом, источником восстановления кремния из ^Ю2) может быть также реакция его карботермии [5].
Постановка задачи. Целью данного исследования является экспериментальная проверка теоретических предположений о возможности протекания в АКП процессов алюмино- и карботермического восстановления кремния из SiO2 рафинировочного шлака, а также количественная оценка этих процессов.
Изложение материала и его результаты. Для достижения поставленной цели были проведены лабораторные исследования, в ходе которых изучалось поведение кремния в системе металл-шлак при отсутствии электродугового нагрева. При таком условии появляется возможность разделить процессы алюмино- и карботермии кремния и оценить вклад каждого из них в общую величину прироста содержания кремния в металле.
При подготовке опытов десять образцов металла и шлака, отобранных в конце вне-печной обработки малокремнистой автолистовой стали марки SAE 1006 в АКП, были помещены в специально подобранные алундовые тигли. Во всех опытах масса металла составила 160 г, а масса шлака 4 г, что соответствует соотношению масс металла и шлака в сталеразливочном ковше в реальных условиях в АКП ПАО «АМК» (кратность шлака 2,5), где толщина наводимого шлакового слоя поддерживается на 20-25% больше длины дуги для
обеспечения экономичной работы установки и снижения газопроницаемости шлака.
Металл и шлак нагревались в лабораторной криптоловой печи и выдерживались в расплавленном состоянии при температурах 1600-16800С, характерных условиям внепечной обработки в АКП.
Для защиты металла и шлака от взаимодействия с окислительной средой окружающего воздуха тигли вводились в печь с помощью специальной оснастки, которая предусматривает подвод защитного газа (аргона) в полую огнеупорную подставку через патрубок, выполненный в подъемно-поворотном стенде печи и затем в жаровую трубу через сквозное отверстие в подставке. Отвод отходящих газов (аргона и продуктов горения криптола) обеспечивался с помощью вытяжного устройства печи.
В каждом из десяти проведенных опытов готовый расплав металла и шлака выдерживали в печи 20 минут, в течение которых проводили механическое перемешивание расплава огнеупорной алундовой палочкой. Это обеспечило усреднение расплава в пограничном слое между металлом и шлаком как при продувке аргоном в сталеразливочном ковше во время доводки стали в АКП.
После окончания опытов образцы металла и шлака охлаждали на воздухе, после чего проводили их химический анализ согласно стандартной методике. Полученный в результате исследования химический состав проб металла и шлака до и после проведения опытов приведен в табл. 1 и 2 соответственно.
На основании приведенных данных о химическом составе металла был отмечен незначительный прирост содержания кремния в стали (от 0,0009 до 0,0017%). Причем, как видно из табл. 1, он обусловлен только процессом алюминотермии кремния из кремнезема шлака, так как содержание углерода в металле осталось неизменным (0,036%), а содержание алюминия — уменьшилось (на 0,005-0,007%).
МЕ ТАЛУРГ1Я
Таблица 1 — Начальный и конечный химический состав проб металла
№ опыта Компонент металла
С Мп Si S Р А1
Начальный, % 0,036 0,210 0,0090 0,011 0,007 0,024
Средний конечный, % 0,036 0,214 0,0105 0,010 0,007 0,018
Таблица 2 — Начальный и конечный химический состав проб шлака
№ опыта Компонент шлака
FeO SiO2 СаО MgO МпО АЬОэ S Р2О5
Начальный, % 0,93 8,12 56,15 5,90 0,31 28,07 0,49 0,03
Средний конечный, % 0,71 8,09 55,97 5,88 0,17 28,19 0,50 0,03
Расчет материального баланса опытов показал, что алюминий, растворенный в металле, израсходовался на восстановление оксидов железа, марганца и кремния, о чем свидетельствует как уменьшение их количества в покровном шлаке, так и увеличение количества (А1203) (табл. 1). Уменьшение содержания оксидов кальция и магния можно объяснить увеличением общей массы шлака (по данным материального баланса — на 0,3%) за счет прироста (А1203).
По результатам опытов с нагревом расплава металла и шлака в криптоловой печи (т.е. при отсутствии электродугового нагрева) среднее значение прироста содержания кремния в стали составило ЛSiAl = 0,0015% или 17% по массе.
Величина прироста содержания кремния на опытно-промышленных плавках малокремнистых автолистовых сталей с нагревом электрической дугой в АКП составляет ЛSiE = 0,0131% или 168% по массе. Результаты обработки паспортных данных этой группы плавок были приведены в работе [5].
Количество восстановленного в результате карботермии кремния ЛSiC можно определить как разницу между общим количеством поступившего в металл кремния и количеством кремния, восстановленным в результате алюминотермии
ЛSiC =ЛSiE-ЛSiAl =
= 0,0131 - 0,0015 = 0,0116%.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что описанный ранее процесс алюминотермического восстановления кремния из шлака получает весьма слабое развитие (7-13% от общего количества восстановленного кремния), а основным источником восстановления кремния из шлака является процесс карботермии (87-93%), протекающий на границе раздела шлака и графитированных электродов АКП.
Для подтверждения этих данных были рассчитаны и сопоставлены доля шлака, который может участвовать в реакции кар-ботермического восстановления кремния, и доля шлака, в котором существуют температурные условия для реакции карбо-термии кремния.
Согласно стехиометрии реакции карбо-термии кремния, масса кремнезема, участвующего в восстановлении 0,0116% кремния, составляет ЛМ8Ю = 74,6 кг. В то же
время, при массе шлака около 6000 кг в нем содержится 720 кг БЮ2 (12%). Таким образом, доля кремнезема, участвующего в реакции карботермии кремния, от общего количества (БЮ2) составляет 10,4%. Исходя из этого, можно предположить, что доля шлака, который может участвовать в реакции карботермического восстановления кремния, также составляет около 10%.
С другой стороны, по данным работы [6] для трехфазных систем нагрева можно рассчитать площадь горячей зоны в облас-
МЕТАЛУРГ1Я
ти горения дуг, в которой существует перегрев (градиент температуры) расплава.
Градиент температуры между столбом дуги и основным объемом расплава в ковше в данном случае составит
Дt = ^ -12 = 6175 -1600 = 4575 0С,
где t1 — температура столба дуги, 0С; t2 — температура основного объема расплава в ковше, С.
Площадь горячей зоны равна
* = 4 (°эл + 41 )2 =
Ж 2
= -(0,45 + 4 • 0,2) = 1,23м2,
где Бэл — диаметр электрода, м; 1 — длина дуги, м.
Согласно проведенным термодинамическим расчетам, температура начала реакции карботермии кремния в условиях АКП составляет около
19000С. Если в первом приближении принять линейное распределение температуры в горячей зоне, то площадь горячей зоны с градиентом температуры
^ = t1 -12 = 6175 -1900 = 4275 0С
будет пропорциональна общей площади горячей зоны и составит 1,15 м2. Тогда объем шлака, в котором существуют температурные условия для реакции карбо-термии кремния, составит
V = Fh = 1,15• 0,2 = 0,23 м3,
где h — толщина слоя шлака, м.
Если объем шлака в ковше составляет в среднем 2,26 м , тогда доля шлака, в котором существуют температурные условия для реакции карботермии кремния, составляет 10,2%, что достаточно хорошо согласуется с результатом лабораторного эксперимента.
Полученные в ходе эксперимента данные подтверждаются также балансом расходования графитированных электродов при внепечной обработке стали в АКП.
Расход электродов в АКП ПАО «АМК» составляет в среднем 0,241 кг/т стали или 72,3 кг/плавку. При этом необходимо учитывать, что часть углерода электродов расходуется на науглероживание металла. Для малокремнистых автолистовых сталей SAE 1006 и 1008 величина прироста содержания углерода в металле за время внепечной обработки составляет 0,0024% или 7,2 кг (за вычетом углерода, поступающего в расплав с ферромарганцем).
Поскольку на период прироста содержания кремния в металле (по данным паспортов внепечной обработки) приходится около 50% времени электродугового нагрева, то и расход электродов в этот период равен 50% от общего расхода, т.е. 36 кг, из которых на науглероживание металла расходуется 50% от количества углерода, поступающего в металл, т.е. 3,6 кг. Таким образом, на процессы карботермического восстановления в шлаке расходуется 32,4 кг углерода, а на восстановление из шлака 0,0116% или 34,8 кг кремния согласно стехиометрии реакции карботермии кремния требуется 29,8 кг углерода. Остальное количество углерода (2,6 кг), вероятно, расходуется на восстановление металлов из других оксидов шлака.
Исключить хотя бы один из главных факторов (поступление кремнезема в рафинировочный шлак, электродуговой нагрев, интенсивное перемешивание металла), влияющих на процесс карботермиче-ского восстановления кремния, при существующих технологических условиях вне-печной обработки малокремнистых автолистовых сталей в АКП и без значительных капитальных затрат не представляется возможным.
В связи с этим, разработанная автором технология проведения процесса силико-термии магния для удаления уже восстановленного и перешедшего в сталь кремния [7] является как технологически, так и экономически наиболее целесообразным путем решения задачи обеспечения регламентированного содержания кремния в малокремнистых автолистовых сталях.
Выводы и направление дальнейших исследований. Таким образом, наличие при доводке стали высокотемпературной области электрической дуги и необходимого количества углерода в качестве восстановителя обеспечивает протекание процесса кар-ботермического восстановления кремния. Установлено, что количество кремния, вос-
Библиографический список
станавливаемого из шлака процессом алюминотермии, составляет 7-13% от общего количества восстановленного кремния, а процессом карботермии — 87-93%. Дальнейшие исследования будут направлены на совершенствование технологии доводки автолистовых сталей в АКП с использованием полученных результатов.
1. Пройдак Ю. С. Технология выплавки и внепечной обработки особонизкоуглеродистых сталей для производства высокопластичной стали / Ю. С. Пройдак //МеталлИнформ. — 2007. — № 26-27. — C. 30.
2. Валиахметов А. Х. Особенности изменения содержания кремния в малоуглеродистой стали во время ковшевой обработки / А. Х. Валиахметов // Сталь. — 2004. — № 7. — С. 22-23.
3. Драгман А. И. Оптимизация технологии выплавки низкокремнистой и малосернистой стали /А. И. Драгман // Сталь. — 2005. — № 7. — С. 37-38.
4. Носов Ю. Н. Особенности десуульфурации на АКП низкокремнистой, раскисленной алюминием конвертерной стали /Ю. Н. Носов // Сталь. — 2009. — № 2. — С. 17-19.
5. Кузнецов Д. Ю. Исследование поведения кремния при производстве малоуглеродистой стали / Д. Ю. Кузнецов, С. В. Куберский, Д. Б. Васильев, Д. В. Переяслов, А. С. Сергухин, А. В. Пащенко // Сб. науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск: ДонГТУ, 2007. — № 23. — С. 269-274.
6. Леушин А. И. Дуга горения /А. И. Леушин. — М.: Металлургия, 1973. — 240 с.
7. Кузнецов Д. Ю. Разработка технологии внепечной обработки автолистовых сталей с удалением кремния / Д. Ю. Кузнецов, С. В. Куберский, А. И. Ямполь // Сб. науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск: ДонГТУ, 2011. — № 33. — С. 208-214.
Рекомендована к печати д.т.н., проф. ДонГТУНовохатским А. М.,
д.т.н., проф. ДонНТУ Смирновым А. Н.
Статья поступила в редакцию 16.06.14.
к.т.н. Кузнецов Д. Ю. (ДонДТУ, м. Алчевськ, Украгна)
В1ДНОВЛЕННЯ КРЕМН1Ю В СИСТЕМ1 МЕТАЛ-ШЛАК П1Д ЧАС ПОЗАП1ЧНО1 ОБРОБКИ МАЛОКРЕМЕНИСТО1 СТАЛ1 В АКП
Приведенi результати лабораторних експеримент1в по досл1дженню можливост1 проттан-ня в умовах агрегату ювш-тч процеав алюмiно- i карботермiчного вiдновлення кремтю з SiO2 рафтувального шлаку. Визначена доля креммю, вiдновлюваного з кремнезему шлаку при отри-мант в агрегатi ювш-тч низьковуглецевог малокременистог розкисленог алюмШем сталi, яка для процесу карботермИ' креммю вуглецем графтованих електродiв складае 87-93%, а для про-цесу алюмiнотермil кремтю алюмiнiем, розчиненим в металi, - 7-13%.
Ключовi слова: кремтй, малокремениста сталь, агрегат ювш-тч, шлак, карботермiя, алю-мiнотермiя.
Kuznetsov D. Y. Candidate of Technical Sciences (DonSTU, Alchevsk, Ukraine)
SILICON RECONDITIONING IN METAL-SLAG SYSTEM UNDER SECONDARY
REFINING OF LOW-SILICA STEEL IN LADLE FURNACE
The results of laboratory experiments as to the research of possibility of aluminum and carbother-mic silicon reconditioning from SiO2 (refining slag) in ladle furnaces are introduced. The proportion of silicon, reconditioned from silica slag, obtained in ladle furnace from low-silica and carbon aluminum deoxided steel, which for the process of karbothermy of silicon by carbon of graphite electrodes is 8793%, and for the process of aluminothermy of silicon by aluminum dissolved in the metal - 7-13% is determined.
Key words: silicon, low-silica steel, ladle furnace, slag, carbothermy, aluminothermy.
