Совершенствование технологии прямого легирования стали посредством восстановления оксидсодержащих материалов

В любой из нерядовых марок сталей содержится определенное количество легирующих элементов, которые в зависимости от выбранной технологии производства, вводятся на разных стадиях передела, начиная от первичных агрегатов для выплавки стали, таких как конвертер или электропечь, и заканчивая агрегатами внепечной обработки и разливки стали. Хотя количество и вид присаживаемых легирующих элементов в зависимости от марки стали сильно изменяется, общим является ввод легирующих элементов в сталь в металлической форме, часто в виде сплавов на основе железа. К наиболее распространенным сплавам, содержащим легирующий элемент, относятся ферросилиций, ферромарганец, феррованадий, феррохром и другие. Существуют также комплексные сплавы, содержащие более одного легирующего элемента. Все перечисленные сплавы в большинстве своем являются материалом удобным для транспортировки, обеспечивают высокую технологичность при вводе в металл и характеризуются достаточно стабильным усвоением, что определяет их повсеместное использование.

Несмотря на то, что ферросплавы и комплексные сплавы, содержащие легирующие элементы, имеют все перечисленные преимущества, их использование зачастую ставит перед металлургами серьезные задачи.

Первой проблемой при использовании ферросплавов является наличие посторонних примесей в ферросплавах и получение «чистых» ферросплавов в условиях ухудшения качества исходного сырья. Вследствие этого сплавы высокого качества представляют собой дорогой материал, и их использование негативно сказывается на себестоимости стали, и как следствие, ее конкурентоспособности.

Другая проблема заключается в обеспечении теплового режима плавки при введении значительных количеств легирующих элементов, вследствие эндотермичности процесса растворения ферросплавов.

Известны подходы, предназначенные для решения перечисленных выше проблем. Так для уменьшения тепловых потерь при плавлении ферросплавов используются «экзотермические ферросплавы», содержащие в своем составе элемент, обеспечивающий протекание экзотермических реакций окисления в металле. При применении экзотермических ферросплавов возникает неравномерность распределения ферросплавов в объеме ковша, но обеспечивается соблюдение теплового режима плавки при введении значительных количеств легирующих элементов. В качестве возможных экзотермических ферросплавов могут применяться смеси из обычного ферросплава и горючего компонента, за счет чего обеспечивается высокая термичность смеси, например, смеси феррохрома и селитры, металлического марганца и селитры и т. д.

Также известны процессы производства стали, в которых шихта содержит определенные легирующие элементы, чаще всего речь идет о природнолегированном чугуне, содержащем ванадий, марганец или другие элементы. В процессе передела такой шихты практически всегда учитывается наличие легирующих элементов и за счет этого осуществляется экономия ферросплавов. Вместе с тем, вследствие окислительного характера сталеплавильных процессов, переход легирующих элементов из шихты в окисленный металл сильно затруднен.

Другим вариантом решения проблем, связанных с удорожанием ферросплавов, являются технологии ввода легирующих материалов, позволяющие снизить угар легирующего элемента.

В данной работе рассматривается так называемая технология «прямого легирования», при которой легирующие материалы вводятся в сталь в неметаллической форме, в частности в виде оксидов легирующих элементов, а для обеспечения перехода легирующих элементов из неметаллического материала в металл создаются необходимые условия. В случае оксидных неметаллических материалов, такие условия обеспечиваются высоким восстановительным потенциалом системы, который регулируют посредством ввода в систему подходящего восстановителя.

Известны альтернативы прямому легированию, заключающиеся в использовании специальной шихты, которая в своем составе содержит оксидные материалы, легко восстановимые при плавлении, при этом восстановитель также может входить в шихту. Наиболее известным материалом в этом ряду является «Суперком» или «Синтиком», а также многочисленные варианты брикетов, содержащих восстановитель и различные отходы сталеплавильного производства, например, пыль или высушенный шлам. При этом процесс перехода легирующего элемента в металла осуществляется внутри брикета, который затем уже растворяется в расплаве. Как правило, для эффективного извлечения материала требуется достаточно дорогостоящая подготовка на предшествующем этапе.

Для осуществления прямого легирования необходимо создание условий перехода легирующего элемента из неметаллической формы в металлическую, то есть в раствор железа. При этом критерием успешности протекания процесса прямого легирования является «степень извлечения» легирующего элемента из неметаллического соединения.

Таким образом, одной из задач, решаемых в данной работе, является оценка возможности перехода легирующих элементов из неметаллических, в основном, оксидных соединений, без их затратной предварительной подготовки, в металлический расплав в различных окислительно-восстановительных условиях.

Другой задачей, решаемой в работе, является разработка подходов, позволяющих повысить степень извлечения легирующих элементов из неметаллических соединений при минимальных вмешательствах в технологию, то есть при минимальном изменении затрат по переделу.

В связи с тем, что наиболее часто встречающаяся в пирометаллургических процессах неметаллическая форма соединений представлена шлаковым расплавом, в работе рассматривается вопрос о проведении прямого легирования с учетом свойств и характеристик уже имеющегося шлака, практически всегда сопровождающего металлический расплав. 7.

3.5. Выводы по главе 3.

В данной главе описаны и проанализированы результаты лабораторных и промышленных экспериментов, относящихся к восстановлению марганца из оксидных или шлаковых материалов в различных условиях.

В лабораторных условиях была опробована схема прямого легирования, в основе которой лежит представление о том, что восстановитель и оксид марганца быстро переходят в жидкое состояние, при этом восстановитель образует реакционную зону для процесса жидкофазного восстановления, и не является растворенным в расплаве. Продукт реакции прямого восстановления переходит в металл не лимитируя реакцию прямого восстановления в целом.

Было установлено, что процесс восстановления лимитируется поступлением оксида марганца в зону реакции. Также установлено, что с ростом концентрации вводимого марганца, необходимо принятие мер по усреднению расплава, однако собственно реакция восстановления не замедляется.

Анализ восстановления марганца в условиях кислородного конвертера показал, что возможен переход марганца в металл в третьей четверти продувки при высокой скорости окисления углерода, т. е. при наименьшем содержании С02 в отходящих газах, и при наличии жидкоподвижного шлака. При этом дальнейшее загущение шлака, вследствие роста концентраций в нем тугоплавких оксидов СаО и прежде всего MgO, приводит, к повышения вязкости конечного шлака, и замедлению обменных процессов металл-шлак, то есть ведет к фиксированию марганца в металле. Подобное ведение процесса шлакообразования в конвертере позволяет незначительно повысить извлечение марганца в металл в конвертерной плавке. Однако прямое восстановление марганца в условиях кислородного конвертера связано с преодолением большого количества свойственных данному процессу ограничений, и не представлется оптимлаьным технологическим решением.

Наиболее целесообразной является реализация процесса прямого легирования в восстановительных условиях, которые могут быть созданы в электропечи или в ковше при обработке плавки на агрегатах внепечной металлургии.

При реализации прямого легирования в восстановительных условиях, следует учитывать жидкофазный характер протекающих процессов и необходимость отвода образующихся тугоплавких оксидных продуктов реакции, следовательно при выборе типа присаживаемых материалов следует учитывать прежде всего вязкость имеющегося шлака и обеспечивать наличие достаточного количества флюсующих компонентов для связывания тугоплавких продуктов реакции.

Помимо подвода в зону реакции оксида марганца, что лимитируется характеристиками его плавления, необходима также организация подвода восстановителя. Для процесса прямого легирования в восстановительных условиях (сталеразливочный ковш) рекомендуется схема, при которой формируются обогащенные восстановителем, например алюминием, объемы металла — «волна», перемещающиеся в расплаве и периодически поступающие на поверхность раздела металла шлак, что приводит к восстановлению компонентов оксидной фазы.

Заключение

.

В работе рассмотрены процессы, легирования стали в разлиных металлургических агрегатах (конвертер и сталеразливочный ковш) с использованием неметаллических, в том числе оксидных соединений легирующих элементов.

Процесс восстановления оксидных соединений легирующих элементов в сталеплавильном агрегате и сталеразливочном ковше, протекает в жидкофазном режиме и зависит от согласования процессов плавления материала, порядка ввода в расплав исходных материалов, процессов образования в шлаке комплексных шлаковых соединений и перемешивания металлической и шлаковой фазы.

В работе при оценке процессов плавления неметаллических соединений, учтены локальные выделения тепла вследствие протекания экзотермических реакций восстановления.

Предложена модель определения порядка плавления неметаллических легирующих материалов и проанализирована практики проведения технологического процесса с этих позиций.

С помощью модели установлены характеристики плавления ряда материалов, содержащих соединения легирующих элементов. Показано, что в случае материалов содержащих соединения марганца, наиболее легко плавятся соединения, содержание флюсующие добавки, например оксид кальция.

Результатами лабораторных и промышленных экспериментов показана роль жидкого шлака в процессе прямого легирования стали, который в том числе играет роль фазы, в которую отводятся продукты реакции восстановления, количество и состав которой регламентирует процесс легирования.

Исходя из влияния флюсующих компонентов на характеристики плавления неметаллических материалов, предложено использовать в качестве флюсующего компонента, нормированные по составу и количеству присадки металлургического шлака, которые, в этом случае, проявляют способность образовывать нужные легкоплавкие, соединения с продуктами реакции восстановления и пустой породой, содержащейся в неметаллических материалах.

Лабораторными экспериментами показано, что скорость протекания процесса восстановления, определяется скоростью отвода продуктов реакций восстановления из реакционной зоны, свойства которой зависят от вязкости шлака. Снижение вязкости шлака, достигаемое контролируемыми присадками флюсующих добавок, повышает скорость реакции.

Разработана технология, предусматривающая активное воздействие нормированными флюсующими присадками на шлаковую фазу в кислородном конвертере и в сталеразливочном ковше при выпуске стали.

Проанализирована термодинамика процесса прямого легирования стали марганцем и показана принципиальная возможность его реализации в системах различной степени окисленности с использованием различных восстановителей.

Разработана термодинамическая модель процесса прямого легирования металла марганцем в системах с различной степенью окисленности при использовании в качестве восстановителя алюминия, как многофазного процесса с участием металлической и шлаковой фаз, что отличается от традиционного описания процесса прямого легирования только с учетом металлотермической реакции восстановления.

В лабораторных и промышленных условиях доказано лимитирование скорости процесса прямого восстановления процессами массопереноса в оксидной фазе.

Разработана кинетическая модель процесса прямого легирования, учитывающая скорость плавления марганецсодержащих материалов и восстановителей и определены ее параметры.

Разработана технология прямого легирования металла в конвертере за счет регулирования физических свойств шлакового расплава, позволяющая на 6% повысить степень извлечения марганца из шихты без применения дополнительного количества восстановителей, обеспечивающая перед выпуском из большегрузного конвертера не менее 0,15% Мп и повышающая стойкость футеровки для условий ОАО «Северсталь» и «ЭКО-Шталь» не менее, чем на 200 плавок.

Разработана и опробована технология прямого легирования стали марганцем в ковше посредством восстановления марганца из марганцевого агломерата, которая обеспечивает получение стали с содержанием марганца до 0,4−0,45% без использования ферросплавов.

Разработана технология прямого легирования стали на всех стадиях металлургического передела от выплавки до внепечной обработки, позволяющая достичь степени извлечения марганца из нетрадиционных руд, то есть руд, плохо поддающихся переработке традиционными методами, сопоставимой с уровнем извлечения марганца при использовании обычных руд и традиционных ферросплавов. Разработанная технология не требует специальной предварительной подготовки марганецсодержащих материалов и базируется на регулировании химического и фракционного составов смеси, а также на использовании особенностей гидродинамики металлургических систем.

Элементы разработанной технологии были опробованы в промышленных условиях — для легирования стали марганцем в кислородно-конвертерном цехе в условиях ОАО «Северсталь» и показали возможность получения стали с содержанием марганца на уровне 0,4−0,45% без применения марганцевых ферросплавов.