Обработка стали синтетическими шлаками

Попробуем рассчитать значения L_S и при обработке стали синтетическим шлаком в сталеразливочном ковше с различной огнеупорной футеровкой.

Задание № 1: Рассчитать величины L_S и при обработке стали в ковше синтетическим шлаком состава: CaO = 55 %, Al₂O₃ = 35 %, SiO₂ = 5 %, MgO = 5 %, FeO = 1 %. Расход синтетического шлака равен 40 кг/т. Концентрация алюминия в стали Al = 0,05 %. Расчеты провести для двух вариантов: а) обработка металла в ковше с шамотной футеровкой, K_Al = 10^-12

б) обработка металла в ковше с высокоглиноземистой футеровкой, K_Al = 10^-13. Температура металла в обоих случаях равна 1600^OC

Вариант а). Рассчитаем активность кислорода в расплаве K_Al=[Al]²×[a_O]³=10^-12, при этом = 0,00075 %. В этом случае: lg L_S = ; L_S=160 .

Вариант б). Рассчитаем активность кислорода в расплаве K_Al=[Al]²×[a_O]³=10^-13, при этом = 0,00034 %. В этом случае имеем: lg L_S = -2,78 + 1,65 + 3,79 = + 2,56.

L_S=330, т. е. еще более высокие степени десульфурации, практически недостижимые на практике.

В обоих случаях расчетов получили очень высокие значения L_S, однако недостигаемые на практике.

Причиной столь значительного расхождения значений L_S и , рассчитанных по ур-нию (7) и наблюдаемых на практике, по нашему мнению, заключается в том, что в проведенных расчетах не учитывается процесс заметного разбавления состава рафинировочного шлака за счет попадания в него продуктов реакции раскисления стали, разрушения футеровки ковша, а в ряде случаев и попадания печного шлака при выпуске металла. Полный баланс шлака при рафинировании металла в сталеразливочном ковше можно записать так:

= M_{сил. шл.} + М_оксиды + М_{печной шлак} + М_{футеровка}

Ниже сделана попытка показать влияние разбавления рафинировочного шлака на коэффициенты L_S и .

Задание № 2: Рассчитать значения L_S и при обработке стали в сталеразливочном ковше синтетическим шлаком предыдущего состава в кол-ве 40 кг/т. Условно задаемся, что в ковш попадает 5 кг/т печного шлака состава CaO = 45 %, SiO₂ = 15 %, MnO = 25 %, Al₂O₃ = 5 % и из футеровки ковша состава SiO₂ = 50 % и Al₂O₃ = 30 % переходит в процессе обработки 2 кг/т материала футеровки в рафинировочный шлак. Расчет количества оксидов, переходящих в рафинировочный шлак в результате процесса раскисления металла ведем исходя из следующих условий проведения процесса: раскисление марганцем проводим исходя из условий получения в стали 0,4 % Mn, угар Mn принимаем равным 15 %; содержание кремния в стали задаем равным 0,45 % Si, угар кремния задаем 20 %, алюминия = Al = 0,05 %, угар алюминия задаем 80 %. Результаты расчетов представлены в таблице № 2.

Таблица № 2

Количество оксидов, образующихся при раскислении (расчет на 1 т. стали)

Элемент	Концентрация в стали, %	Вводится в металл с учетом угара, %	Угар элемента, %	Образуется оксидов, кг
Марганец, Mn	0,40	0,47	0,07	0,90
Кремний, Si	0,45	0,562	0,112	2,40
Алюминий, Al	0,05	0,250	0,20	3,70
Итого				7,00 кг

Изменение состава рафинировочного шлака к концу обработки представлено в табл. 3.

Таблица № 3

Изменение состава рафинировочного шлака.

Материал	Кол-во, кг	Состав материала, кг
		CaO	Al2O3	SiO2	MgO	MnO
1. Синтетический шлак		22,0	14,0	2,00	2,0	-
2. Оксиды - продукты раскисления	7,0	-	3,70	2,40	-	0,90
3. Печной шлак	5,0	2,25	0,25	0,75	-	1,25
4. Футеровка ковша	2,0	-	0,60	1,00	-	-
Итого:	54,0	24,25	18,55	6,15	2,0	2,15
Состав конечного рафинировочного шлака, %		45,0	35,0	12,0	4,0	4,0

Рассчитаем значения L_S и после разбавления синтетического шлака продуктами раскисления, попадания ковшевого шлака и футеровки ковша для двух вариантов футеровки

а) шамотной K_Al=10^-12

б) высокоглиноземистой K_Al=10^-13. *

Вариант а). Принимаем состав конечного рафинировочного шлака из табл. 3, a_O = 0,00075 % (футеровка шамотная)

, L_S=32,7

Вариант б). Состав конечного рафинировочного шлака принимаем так же, a_O = 0,00016 % (футеровка высокогл.)

,L_S=151

Усредненные значения коэффициента L_S при обработке синтетическим шлаком составили . Следовательно, величины, характеризующие десульфурирующую способность синтетического шлака - L_S и существенно снижаются к концу обработки за счет заметного обогащения шлака кислыми (SiO₂) и полукислыми (Al₂O₃) компонентами и значения L_S и приближаются к практическим данным, что и является подтверждением необходимости расчета значений L_S и по ур-нию (7) с учетом протекания процессов разбавления исходного синтетического шлака оксидами - продуктами раскисления металла, печным шлаком и продуктами эрозии футеровки. Влияние процесса разбавления исходного рафинировочного шлака за счет указанных выше источников должно еще более сильно проявиться при использовании ТШС - твердошлаковых смесей для десульфурации стали. Связано это с тем обстоятельством, что расход ТШС обычно составляет в пределах 8 - 17 кг/т. стали, что примерно в 3 - 5 раз меньше, чем расход синтетического шлака из-за сильного охлаждающего эффекта.

2. Обработка стали ТШС.

В последнее время для внепечной обработки стали с целью десульфурации вместо синтетического шлака все чаще используют так называемые ТШС - твердо - шлаковые смеси.

Основным требованием к выбираемому составу ТШС является обеспечение таких составов шлаковой рафинировочной смеси, чтобы после присадки ТШС в ковш она как можно быстрее переходила в жидкое состояние т. е. чтобы T_пл образующейся шлаковой смеси была ниже температуры металла в сталеразливочном ковше, что повышает кинетические возможности развития процесса десульфурации, что особенно важно при обработке ТШС.

Составы и способы ввода ТШС на различных металлургических заводах сильно различаются в зависимости от конкретных условий работы.

Так на Руставском металлургическом комбинате комплексная технология обработки стали в ковше включает продувку металла инертным газом и одновременно подачу ТШС.

Шихтовые материалы ТШС включали известь (45 - 65 %), отходы ПВА (производство вторичного алюминия) (20 - 45 %), вулканический шлак (10 - 20 %), доломит (10 - 20 %). В результате расплавления получали усредненный состав рафинировочного шлака: CaO = 50 %, SiO₂= 10 %, Al₂O₃ = 36 %, MgO = 3 %, FeO = 1 %. Температура плавления этого шлака составляла 1350^O С. Время плавления навески массой 1 % от массы металла составляла 5 мин. [2]

На комбинате «Азовсталь» сравнивали различные режимы раскисления трубного металла алюминием при обработке ТШС и синтетическими шлаками. В результате экспериментов установили, что с точки зрения экономии расхода алюминия наиболее оптимальными являются технологии с раскислением металла алюминием не в сталеразливочном ковше, а на УДМ. Однако, степень десульфурации металла в ковше при обработке ТШС при этом уменьшается, т. е. еще раз подтвердился тезис о лучшей десульфурации глубоко раскисленной стали. [3]

Задание: Рассчитать значения L_S и при обработке стали смесями Руставского металлургического комбината т. е. CaO = 50 %, Al₂O₃ = 36 %, SiO₂ = 10 % и MgO = 3 %. Обработку стали проводили в ковше с шамотной футеровкой т. е. принимали K_Al=10^-12, расход ТШС принимали равным 10 кг/т.

Решение: Рассчитываем значение L_S - коэф. распределения серы при обработке ТШС в сталеразливочном ковше:

L_S = - 2,78 + 0,86 - lg a_O = - 2,78 + 1,36 + 3,125 = 1,68; Величина = 48,5 и = 32 %. Полученные расчетные значения и достаточно хорошо совпадают с практическими результатами, полученными на Руставском металлургическом заводе. Технология операции внепечной обработки при этом была следующей: продувку металла инертным газом через дно начинали сразу с момента появления металла на желобе. После наполнения металлом 1/5 - 1/4 высоты ковша производили присадку ферросплавов, а затем вводили ТШС в кол-ве 10 кг/т. Величины на отдельных плавках при этом изменялись от 29,4 до 40,2 % при среднем значении, равном = 34,8 %. Если бы обработка стали ТШС указанного состава проводилась бы в высокоглиноземистых ковшах или в ковшах со смолодоломитовой футеровкой, расчетная величина L_S составила бы:

L_S = - 2,78 + 1,36 + 3,79 = + 2,37; L_S = 234 и = 0,7 (70%).

Однако, при обработке стали ТШС, также как и при обработке синтетическим шлаком, одновременно проходит процесс разбавления рафинировочного шлака продуктами раскисления, что также должно приводить к снижению L_S, причем более резкому, чем при обработке синтетическим шлаком, так как расход ТШС примерно в 4 раза меньше чем синтетического шлака.

Задание: Рассчитать изменение величины L_S при обработке ТШС заданного состава и при условии, что раскисление стали проводится теми же раскислителями и с такими же угарами, как и в случае обработки металла синтетическим шлаком.

Решение: Полный баланс разбавленного рафинировочного шлака представлен в табл. 4.

Таблица № 4

.

Материал	Количество, кг	Количество оксидов, кг
		CaO	Al2O3	SiO2	MgO	MnO
1. ТШС	10 кг		3,6	1,0	0,3	-
2. Оксиды - продукты раскисления	7 кг	-	3,7	2,40	-	0,90
3. Печной шлак (CaO = 45%, SiO2 = 15%, MnO = 25%, Al2O3 = 5%)	5 кг	2,25	0,25	0,75	-	1,25
4. Футеровка ковша (SiO2 = 50%, Al2O3 = 30%)	2 кг	-	0,60	1,00	-	-
Итого:	24 кг	7,25	8,15	5,15	0,3	2,15
Конечный состав рафинировочного шлака.	100 %	31,0	35,0	22,0	3,0	9,0

Рассчитаем значения L_S и для периода окончания обработки металла ТШС с разбавлением рафинировочного шлака при а_O = 7,5×10^-4 (шамотная футеровка)

Вариант 1. (шамотная футеровка)

Вариант 2. - высокоглиноземистая футеровка

Для варианта обработки стали ТШС в высокоглиноземистом ковше имеем следующие значения при а_O = 0,00016 %

Усредненные значения коэффициентов распределения L_S при обработке металла ТШС (10 кг/т) в шамотном ковше составят

При обработке металла в высокоглиноземистом ковше ТШС (10 кг/т) величина

Полученные расчетные результаты можно сравнить с данными, полученными О. К. Токовым с соавторами [4] при обработке конвертерной стали ТШС состава (CaO: CaF₂ = 3: 1) с расходом ТШС от 8 до 19 кг/т стали.

Степень десульфурации стали на плавках без продувки аргоном изменяется в пределах 21 - 30 %, с продувкой аргоном 41 - 50 %, что совпадает с результатами расчетов в ковшах с шамотной футеровкой. С увеличением расхода ТШС с 7 до 18 кг/т, величина возрастала с 30 до 45 %. Содержание алюминия в стали оказывало заметное влияние на при обработке ТШС. Так увеличение Al в стали с 0,004 до 0,012 % приводило к росту с 35 % до 48 - 50 %. При обработке низкоуглеродистых («передутых») плавок степень десульфурации заметно падала:

[C%]	< 0,04	0,04 - 0,06	0,07 - 0,09	> 0,09
,%	24,3	38,6	41,3	42,8

В работе Токового О. К. [4] было установлено заметное изменение состава рафинировочного шлака в процессе слива металла. (табл. 5)

Таблица № 5.

Время отбора пробы	MnO	SiO2	S	CaO
Середина	0,45	9,14	0,54	52,9
слива	0,24-0,85	4,90-13,90	0,43-0,70	48,3-58,5
Окончание	3,31	17,5	0,39	50,75
слива	0,94-5,4	15,2-18,5	0,32-0,56	48,5-54,2

Время отбора пробы	å FeO	CaF2	Al2O3
Середина	1,19	13,2	16,2
слива	0,85-1,15	3,6-20,1	8,9-37,9
Окончание	6,56	5,97	10,67
слива	1,91-15,1	2,28-10,45	5,68-16,00

Эффективность десульфурации стали ТШС уменьшалась с понижением исходного содержания серы в металле, так при [S]_нач = 0,030 %, = 40 %; при [S]_нач = 0,020 %, = 35 %; и при [S]_нач = 0,10 %, = 30 %.

Литература:

1. Кислородные зонды в сталеплавильном производстве. Изд-во «Металлургия», 1989 г. с. 142.

2. Г. В. Кашакашвили, Н. О. Гвамберия. «Разработка комплексной технологии внепечной обработки стали для бесшовных труб». Труды 3 конгресса сталеплавильщиков, Москва, 1996 г.

3. С. Г. Мельник, О. В. Носоченко и др. Внепечное рафинирование и модифицирование конвертерной стали. Там же стр.232.

Токовой О. К., Поволоцкий Д. Я. и др. «Повышение степени десульфурации конвертерной стали путем обработки в ковше твердошлаковыми смесями». Сталь № 6, 1996 г. стр. 27 - 30.
Приложение № 1