Развитие теоретических основ, разработка и внедрение комплекса ресурсосберегающих технологий внепечной обработки стали

На правах рукописи

Гизатулин Ринат Акрамович

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ,
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ
КОМПЛЕКСА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных,
цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание
ученой степени доктора технических наук

Новокузнецк
2009

Работа выполнена на кафедре электрометаллургии, стандартизации и сертификации ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Шакиров Ким Муртазович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стомахин Александр Яковлевич,

ГОУ ВПО «Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет)», (г. Москва);

доктор технических наук, профессор Рощин Василий Ефимович,

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», (г. Челябинск)

доктор технических наук, профессор Якушевич Николай Филиппович,

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», (г. Новокузнецк)

Ведущая организация

Учреждение Российской академии наук «Институт металлургии Уральского отделения РАН», г. Екатеринбург.

Защита состоится «_15 »_декабря _ 2009 г. в 10 часов в аудитории 3П,

на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при ГОУ ВПО
«Сибирский государственный индустриальный университет»

по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42, ГОУ ВПО «СибГИУ». Факс: (3843)-46-57-92. e-mаil: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан «_19_»_ октября_ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.252.01 д.т.н., профессор

Нохрина О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Разработка прогрессивных технологий, обеспечивающих повышение качества и увеличение объемов выпускаемой металлопродукции, а также снижение материалоемкости, является приоритетным направлением развития сталеплавильного производства в современных условиях. Уровень достигаемых показателей улучшения служебных свойств выплавляемого металла во многом зависит от технологических приемов, выполняемых на заключительных этапах процесса получения стали, к которым относится внепечная обработка.

Необходимость совершенствования технологии внепечной обработки стали требует осуществления обширных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку физических и математических моделей изучаемых процессов, обеспечивающих их успешное практическое применение. Поэтому разработка теоретических и технологических основ внепечной обработки стали является в настоящее время актуальной задачей.

Наряду с увеличением объемов производства важнейшей задачей, стоящей перед черной металлургией, является повышение эффективности производства за счет снижения расхода дефицитных и дорогостоящих материалов, а также повышение качества металлопродукции за счет обработки металла высокоактивными элементами (прежде всего кальцием, алюминием и титаном), которые обеспечивают минимальное содержание нежелательных примесей – кислорода, азота и серы.

Между тем, физико-химические закономерности, объясняющие качественное и особенно количественное влияние высокоактивных элементов на свойства готовой стали, малоизученны и противоречивы.

В вопросе улучшения технико-экономических показателей металлургического производства большое внимание должно быть обращено на рациональное и экономное использование материалов. Решающим способом экономии материалов является разработка новых методов проведения производственных операций и совершенствование таким путем технологий с целью более полного использования заложенных в них резервов. Это, в частности, в полной мере относится к производству коррозионностойких марок стали.

Производство высоколегированных коррозионностойких марок стали делает весьма актуальной задачу уменьшения расхода основных легирующих компонентов (хрома, никеля, титана) при выплавке этих сталей. Поэтому в данной работе большое внимание уделено разработке ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих минимальные потери хрома, никеля и титана при выплавке коррозионностойких марок стали в дуговых электропечах с использованием внепечной обработки.

Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации, раздел «Металлы и сплавы со специальными свойствами», утвержденным Президентом Российской Федерации 30.03.2002 г, и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации, раздел «Производственные технологии», утвержденными Президентом РФ 30.03.2002 г., при поддержке трех грантов Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области металлургии и технических наук, планом госбюджетных и хоздоговорных работ Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы.

Разработка, совершенствование и внедрение ресурсосберегающих технологий внепечной обработки стали с целью повышения качества металлопродукции и повышения технико-экономических показателей производства металла.

Основные задачи:

1. Разработка теоретических и технологических основ и исследование процессов, протекающих при внепечной обработке стали.

2. Исследование механизма обработки стали газовосходящими потоками при барботировании ванны нейтральными газами.

3. Разработка математических моделей для оценки гидродинамики ванны, позволяющих определить оптимальную длительность перемешивания расплава для усреднения его по химическому составу и температуре при продувке металла инертными газами.

4. Разработка оборудования для физического моделирования процессов, позволяющего оценить гидродинамические процессы, протекающие в металлической ванне при продувке инертными газами.

5. Разработка теоретических и технологических основ внепечной обработки стали газообразным азотом.

6. Изучение влияния технологических параметров на степень извлечения легирующих элементов в металлический расплав при внепечной обработке металла.

7. Разработка и исследование ресурсосберегающей технологии выплавки коррозионностойкой стали одношлаковым процессом в электродуговых печах с доводкой металла по химическому составу в сталеразливочном ковше.

8. Разработка математической модели для оптимизации процесса обработки стали в агрегате ковш-печь, обеспечивающей глубокое рафинирование металла от вредных примесей и максимальное извлечение полезных элементов из шлака в металлический расплав.

9. Исследование и разработка технологических основ внепечной обработки стали высокоактивными элементами с использованием защитных оболочек.

10. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в практику производства и внепечной обработки стали.

Научная новизна.

Заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании технологии производства стали, гарантированно обеспечивающей качество металлопродукции, соответствующей требованиям Государственных стандартов, а также технических условий.

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены оптимальные режимы продувки металла при внепечной обработке.

2. Впервые экспериментально исследовано распределение газовой фазы в восходящем газожидкостном потоке при продувке снизу через газопроницаемую вставку. Изучена структура газового потока.

3. Разработаны и предложены усовершенствованные варианты установок и методик «холодного» моделирования по изучению гидродинамических процессов в ковше.

4. Разработаны оптимальные режимы продувки, обеспечивающие эффективное поглощение азота металлом. Теоретически установлено и подтверждено практикой работы, что для эффективной продувки металла азотом в ковше необходимо обеспечение критических скоростей истечения газа из наконечника погружаемой фурмы. При этом насыщение стали азотом зависит от продолжительности и интенсивности продувки.

5. Установлены оптимальные параметры продувки стали в ковше инертным газом, обеспечивающие снижение уровня загрязненности стали неметаллическими включениями. Для положительного воздействия необходима длительность продувки под основным раскисленным шлаком не менее 15 мин.

6. На основе термодинамического анализа с использованием математической модели прогнозирования обоснованы параметры процесса внепечной обработки стали в агрегате ковш-печь, позволяющие обеспечить глубокую десульфурацию металла при высокой степени восстановления металлов из шлака.

7. Термодинамическим и кинетическим анализами процесса восстановления хрома из оксидов шлака в восстановительном периоде плавки и во время обработки расплава в ковше определены оптимальные технологические условия, при которых сквозное усвоение хрома металлом максимально.

8. Исследованы теоретические и технологические основы легирования коррозионностойкой стали титаном. Исследовано влияние атмосферы (воздуха и аргона) на угар титана при легировании коррозионностойкой стали в ковше.

9. Проведено комплексное исследование потерь легирующих элементов при выплавке коррозионностойкой стали и определены факторы, влияющие на потери.

10. Исследованы и разработаны технологические основы обработки стали высокоактивными элементами с использованием защитных оболочек из алюминия.

Практическая значимость диссертации и использование полученных результатов.

Основные научные положения диссертации являются теоретической основой для разработки рекомендаций по созданию новых и совершенствованию существующих технологий выплавки и внепечной обработки стали.

1. На основании выполненных исследований разработана научно-обоснованная концепция внепечной обработки стали с учетом поставленных технологических задач.

2. Разработаны, опробованы и внедрены в производство ресурсосберегающие технологические процессы, обеспечивающие существенное повышение сквозного коэффициента извлечения легирующих элементов из шихтовых материалов в металл, путем создания рациональной комбинации технологических решений (А.с. № 1126611, № 1282548, Патент РФ № 2204612).

3. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований режимов продувки использованы в комплексных программах, реализующих математическую модель процесса восстановления металлов из оксидов шлака и десульфурации металла при обработке стали в агрегате ковш-печь и позволяющие определить оптимальные технологические параметры внепечной обработки.

4. Исследовано влияние атмосферы (аргона и воздуха) на угар титана при легировании коррозионностойкой стали в ковше. На основании результатов экспериментальных исследований разработана оптимальная технология легирования титаном при внепечной обработке (А.с. № 1443408), позволяющая повысить усвоение титана на 14,4 %.

5. На основании результатов экспериментальных исследований разработана и внедрена в производство конструкция ковша для внепечной обработки металла шлаком, обеспечивающей снижение потерь легирующих элементов (хрома, никеля, титана) и стабилизацию содержания титана в коррозионностойкой стали (А.с. № 1526906).

6. На основании результатов экспериментальных исследований усовершенствована технология плавки, внепечной обработки и предложена новая марка жаростойкой стали, обеспечивающей высокие эксплуатационные свойства изделий (Пат. РФ № 2209845).

7. Разработаны оптимальные технологические режимы для внепечной обработки стали, обеспечивающие хорошую гомогенизацию стали по химическому составу и температуре, а также обеспечивающие эффективное поглощение азота металлом.

8. Разработаны оптимальные технологические режимы для внепечной обработки металлического расплава высокоактивными элементами на основе кальция, вводимого в ковш в алюминиевых контейнерах.

Разработанные в диссертационной работе технологии позволяют производить стали, имеющие высокую эксплуатационную стойкость, удовлетворяющие требованиям действующих Государственных стандартов и технических условий.

Использование полученных результатов:

1. Освоена и внедрена в производство ресурсосберегающая технология внепечной обработки рельсовой стали марок Э76Ф, НЭ76Ф, Э73, Э83Ф в агрегате ковш-печь в электросталеплавильном цехе ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат». Экономический эффект от внедрения указанной разработки составил 18,3 миллиона рублей.

2. Разработана и внедрена технология внепечной обработки стали, обеспечивающая насыщение металла азотом в агрегате ковш-печь в электросталеплавильном цехе ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат». Экономический эффект от внедрения указанной разработки составил 4,8 миллиона рублей.

3. Внедрена ресурсосберегающая технология выплавки стали коррозионностойких марок в дуговой электропечи электросталеплавильного цеха Кузнецкого металлургического комбината с легированием металла при внепечной обработке в ковше. Экономический эффект составил 187,8 тысяч рублей в ценах 1990 г.

4. Разработана и внедрена в производство математическая модель для оценки процессов легирования и десульфурации стали в агрегате ковш-печь для системы «Советчик мастера» в электросталеплавильном цехе ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат». Экономический эффект от внедрения указанной разработки составил 1,5 миллиона рублей.

5. Разработана и внедрена в производство технология обработки металлического расплава высокоактивными элементами на основе кальция, вводимого в ковш в алюминиевых контейнерах. Экономический эффект от внедрения указанной разработки составил 6,0 миллионов рублей.

Результаты использования разработанных мероприятий подтверждены актами внедрения и расчетом экономического эффекта.

Совокупность теоретических разработок и практических приложений, выполненных в диссертации, является существенным вкладом в решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: совместным использованием современных методов теоретического анализа и экспериментальных исследований металлургических процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах (ковшах и агрегатах внепечной обработки) в условиях интенсивного перемешивания металла инертными газами, применением широко распространенных разнообразных и апробированных методов исследований; адекватностью разработанных математических моделей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний и внедрением в производство.

Предмет защиты и личный вклад автора:

На защиту выносится:

1. Физические и математические модели процессов, протекающих при внепечной обработке стали, позволяющие оценить гидродинамику ванны, установить параметры продувки, обеспечивающие оптимальное время перемешивания металла инертными газами для усреднения стали по температуре и химическому составу.

2. Методика расчета и режимы продувки стали в ковше через погружаемые фурмы, исключающие «заметалливание» канала фурмы.

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов десульфурации и восстановления полезных компонентов из шлака в металл при внепечной обработке.

4. Технология внепечной обработки рельсовой стали, в том числе режимы продувки, обеспечивающие эффективное поглощение азота металлом.

5. Новые технологии внепечной обработки коррозионностойких марок стали.

6. Новая технология внепечной обработки стали высокоактивными элементами.

Автору принадлежит:

постановка задач экспериментальных и теоретических исследований; разработка ключевых теоретических положений, разработка методик проведения лабораторных и промышленных экспериментов; теоретических основ и технологий выплавки и внепечной обработки стали; модели физического и математического описания процессов перемешивания металла инертными газами в ковше; обработка и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и рекомендаций.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на 23 конференциях и конгрессах, в том числе 15 Международных и 8 Всероссийских:

– Всесоюзный научно-технический семинар «Способы повышения эффективности применения легирующих, раскислителей и модификаторов для выплавки стали» (г. Челябинск, 1984 г.);

– Отраслевая молодежная научно-техническая конференция «Научно-технический прогресс в производстве ферросплавов и электростали (г. Челябинск, 1988 г.);

– V, VI и VII Всесоюзные научные конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г. Челябинск, 1984, 1987, 1990 г.);

– VIII, IX, Х, XI, XII и XIII Международные научные конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г. Челябинск, 1992, 1995, 1998, 2001, 2004, 2007 г.);

– V и VI Международные научно-технические конференции «Актуальные проблемы материаловедения» (г. Новокузнецк, 1997, 1999 г.);

– Международная научно-техническая конференция «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве» (г. Старый Оскол, 1999 г.);

– Международная научно-техническая конференция «Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология» (г. Новокузнецк, 1996 г.);

– Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути развития металлургии» (г. Новокузнецк, 1997, 1998 г.);

– Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы» (г. Новокузнецк, 1999 г.);

– Юбилейная Всероссийская научно-практическая конференция «Сталеплавильное производство: теоретические и научно-практические проблемы» (г. Новокузнецк, 2000 г.);

– Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы» (г. Новокузнецк, 2000 г.);

– Юбилейная Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы электрометаллургии стали и ферросплавов» (г. Новокузнецк, 2001 г.);

– Пятый (г. Рыбница, 1999 г.), шестой (г, Череповец, 2000 г.), девятый (г. Старый Оскол, 2006 г.) Международные конгрессы сталеплавильщиков;

– Международная научно-методическая конференция «Современные проблемы производства стали и управление качеством подготовки специалистов» (г. Мариуполь, 2002 г.);