На правах рукописи

Себякин Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И

ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Специальность 05.16.02

«Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк 2009 2

Работа выполнена на кафедре «Металлургия» ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дубровский С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Меркер Э.Э.

кандидат технических наук, доцент Манюгин А.П.

Ведущая организация: ФГУП ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина.

Защита состоится « 02 » июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.108.02 при ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, зал Ученого совета.

E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан «_» апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.108.02 Ведищев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Для современного этапа развития сталеплавильного производства при постоянно повышающихся требованиях потребителей к качеству стали неотъемлемым условием является применение в технологической цепочке установок внепечной обработки стали. Из их многообразия в особую группу выделилась вакуумная обработка металла, ставшая обязательной частью современных сталеплавильных комплексов, производящих сталь с высоким уровнем потребительских свойств, нашедших своё применение в автомобилестроении, в магистральных нефте- и газопроводах, в несущих конструкциях зданий, а также в судостроении. Производство особонизкоуглеродистых марок стали типа IF и низколегированных сталей с регламентированным содержанием газов невозможно без обработки расплава вакуумом. Одним из перспективных направлений производства электротехнических изотропных марок стали с пониженными электромагнитными потерями является технология получения остаточной концентрации углерода менее 0,005% непосредственно в сталеплавильном производстве, что не требует проведения обезуглероживающего отжига проката. Благодаря своим преимуществам, реализуемым в процессе вакуумной обработки, наибольшее распространение получил циркуляционный способ.

Все сказанное выше предопределяет актуальность работы, которая выполнена в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ 07-08-96438Р_центр_а.

Целью настоящей работы является определение возможности исследования высокотемпературных металлургических реакций с применением методов вероятностной кинетики; разработка научно обоснованных технологических решений производства особонизкоуглеродистых марок стали с применением циркуляционного вакуумирования, а также методов контроля технологического процесса внепечной обработки и состояния оборудования вакууматора.

Научная новизна:

1. Впервые в металлургии на основе анализа данных дегазации жидкого железа проведено исследование взаимодействия разреженных газов с высокотемпературными расплавами в условиях резко меняющихся внешних давлений с применением вероятностных методов химической кинетики.

2. Установлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава от времени циркуляции в процессе обработки на RH-вакууматоре.

3. Получено соотношение доли реакций обезуглероживания, протекающих в объеме расплава на поверхности всплывающих пузырьков и межфазной поверхности «расплав – газовая фаза вакуум-камеры».

4. Предложен критерий обнаружения прогаров вакуум-камеры.

5. Установлены кинетические особенности протекания реакций обезуглероживания в процессе RH-обработки на 160-тонном вакууматоре.

Практическая ценность и реализация работы:

1. Предложены методика и технологические алгоритмы контроля процесса вакуумной обработки стали и состояния оборудования агрегата, которые реализованы в системе верхнего уровня АСУ ТП RH-вакууматора КЦ- ОАО «НЛМК».

2. Разработана технология интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий внепечной обработки с применением твердого окислителя. Она успешно опробована при производстве особонизкоуглеродистых марок сталей в Конвертерном цехе №1 ОАО «НЛМК».

3. Предложен способ снижения интенсивности образования металлических настылей в газоходе RH-вакууматора, позволяющий уменьшить его габаритные размеры по высоте. На это решение получен патент.

4. Разработаны технические решения повышения стойкости погружных патрубков циркуляционного вакууматора.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается опытнопромышленными плавками и теоретическим анализом основных параметров исследуемого процесса с последующей технологической интерпретацией на основе современной теории металлургических процессов.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях: второй (г. Липецк, 2005), третьей (г. Липецк, 2006), четвертой (г. Липецк, 2007) и пятой (г. Липецк, 2008) международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»; международной научно-технической конференции молодых специалистов в преддверии 110-летия ОАО “Ашинский металлургический завод“ (г. Аша, 2007); девятом (г. Старый Оскол, 2006) и десятом (г. Магнитогорск, 2008) конгрессе сталеплавильщиков.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 9 работ в отечественных изданиях, в том числе 3 статьи в периодических журналах, входящих в список ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, библиографического списка из 126 наименований, заключения, приложений. Включает 79 страниц текста, содержит 60 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены теоретические основы взаимодействия газов (Н2, N2) с металлическими расплавами на основе железа, существенный вклад в развитие которых внесли работы В.В. Аверина, А.Н. Морозова, А.М._Самарина, В.И._Явойского, А.Г. Свяжина. Представленные литературные данные показывают, что при описании химического акта трансформации газа при переходе из атомарного (расплав) в молекулярное состояние (газовая фаза) общепринятым является вероятностный подход протекания реакций, однако решение задачи теоретического описания взаимодействия частиц в его рамках затруднено при увеличении их количества. В связи с этим возникает необходимость применения других подходов, позволяющих упростить теоретические расчеты вероятностного взаимодействия реагирующих частиц.

В данной главе выполнен многосторонний сравнительный анализ технико-экономических показателей основных промышленных способов вакуумной обработки стали. Наиболее эффективными по техническим возможностям являются порционные способы вакуумирования, среди которых основное распространение получили RH-вакууматоры. Процесс характеризуется высокой производительностью при выполнении обезуглероживания и дегазации стали, сводит к минимуму химическое влияние ковшевого шлака, позволяет выполнять точное легирование и/или корректировку химического состава стали в узких пределах, чему способствует высокая степень контроля технологического процесса. К недостаткам данного способа отнесены следующие: повышенные требования к габаритным размерам установки, особенно по высоте; увеличенные затраты на обслуживание вакуум-камеры и энергоносители в процессе внепечной обработки; повышенные требования к качеству огнеупоров и уходу за футеровкой. Менее эффективной является вакуумная обработка объема расплава (ковшовое вакуумирование). Ее преимуществами являются низкие затраты на закупку оборудования, менее сложный состав оборудования, не требующий высоких пролетов сталеплавильных цехов и сложного технического обслуживания при эксплуатации. Среди основных недостатков способа выделяются: необходимость увеличения свободного борта сталеразливочных ковшей; большая длительность обработки по сравнению с порционными способами; более сложный контроль технологического процесса. Наименьшими технологическими возможностями обладает струйное вакуумирование стали. К основным недостаткам данного способа относятся: большие потери температуры при переливе из ковша в ковш, низкая степень контроля процесса обработки. Основным преимуществом данного способа по сравнению с другими является максимальная степень дегазации стали и минимальные затраты на внепечную обработку.

В данной главе также выполнен анализ существующей технологии внепечной обработки расплава на агрегате циркуляционного вакуумирования стали (АЦВ) Конвертерного цеха №1 ОАО_«НЛМК», по результатам которого выявлены ее основные недостатки.

Во второй главе проведено исследование кинетики удаления азота из жидкого железа с применением основных положений вероятностной кинетики химических реакций. При вероятностном подходе предполагается, что концентрации прореагировавших и образовавшихся веществ зависят только от их значений в предыдущий момент времени и подчиняются определённым законам распределения вероятностей, вид и форма которых изменяются по ходу реакции. Поведение случайной величины х() – в рассматриваемом случае количество атомов растворенного азота – определяется уравнением производящей функции моментов Бейли:

где – некоторый положительный параметр; – время; Е – оператор математического ожидания; fj – функции, порождённые спецификой химической реакции; j – ненулевое целое число.

Дифференциальное уравнение (1) для реакции дегазации легко преобразуется в выражение с производящей функцией семиинвариантов за счёт их логарифмической связи с моментами, которое в свою очередь после разложения в ряд Тейлора по степеням распадается на систему нелинейных дифференциальных уравнений (СДУ) первого порядка, характеризующую динамику изменения каждого из выбранных семиинвариантов:

где и – вероятности прямой и обратной реакции соответственно; а0 = k при =0 – исходное число атомов газа в металлическом расплаве; b0 – исходное количество молекул азота, находящихся в газовой фазе; A = ( k 1 + k 2 ) ;

При выполнении исследования ограничились рассмотрением первых четырёх моментов, так как именно они широко используются в статистических исследованиях и имеют понятную интерпретацию, характеризуя положение случайной величины k1, разброс k2, асимметрию k3 и эксцесс k4. При дальнейшем решении СДУ множителем с ki>4 пренебрегали.

Очевидно, что первое уравнение системы дифференциальных уравнений, характеризующее изменение числа атомов растворённого газа во времени, отличается от дифференциального уравнения классической кинетики лишь на величину, пропорциональную дисперсии числа растворённых атомов (–·k2).

Рис. 1. Массообменные процессы в исследуемой системе (а) и геометрическое приближение системы “жидкое железо–газ” (б) Переход от концентраций реагирующих веществ к числу атомов и молекул потребовал введения дополнительных граничных условий:

– для упрощения расчетов предположили, что все массообменные процессы в системе «жидкий металл – газ» идут через газовую фазу (рис. 1, а), а изменение концентрации растворенного газа в поверхностном слое соответствует изменению его концентрации по всему объему – условие протекания реакций в кинетическом режиме;

– в поверхностном слое расплава толщиной и слое газа над его поверхностью выделили элементарные объемы (рис. 1, б), при этом все процессы, протекающие в каждом объеме, не зависят от его положения в плоскости раздела фаз и полностью описывают изменение параметров всей системы;

– все молекулы азота в газовой фазе, непосредственно контактирующие с поверхностью металлического расплава, находятся в элементарном объёме, представляющем собой куб, длина граней которого равна длине свободного пробега одной молекулы газа (l).

Концентрация азота, % Рис. 2. Опытное и расчетное изменение концентрации азота в период дегазации расплава после его предварительного азотирования:

Исследование проводили по лабораторным данным1, результаты которых представлены на рис. 2. При проведении дегазации в лабораторных опытах область концентраций растворенного азота соответствовала кинетическим условиям, т.е. была меньше критической концентрации, а изменение концентрации растворенного азота определялось скоростью протекания химических реакций.

На рис. 2 также представлены расчетные кривые дегазации расплава, полученные при решении линейного дифференциального уравнения (внутридиффузионный режим), нелинейного (кинетический режим), а также СДУ (3).

Следует отметить тот факт, что изменение математического ожидания (концентрации растворенного азота) с точностью до погрешности расчета совпадает со значениями, полученными по классическому уравнению, описываюNajafabadi, M.A. Simultaneous decarburization and denitrogenization of molten iron with vacuum suction degassing method / M.A. Najafabadi, S. Kanegawa, M. Maeda, M. Sano // ISIJ International. – 1996. – Vol. 36. – № 10. – РР. 1229-1236.

щему дегазацию в кинетическом режиме, что свидетельствует о незначительном влиянии величины дисперсии на ход протекающих реакций в рассматриваемой области концентраций растворенного газа и при принятых допущениях.

Рис. 3. Численное решение СДУ методом Рунге-Кутты 4-го порядка Расчетное изменение первых четырех семиинвариантов представлено на рис. 3. Для предложенных граничных условий с учетом лабораторных опытов, заключающихся в расплавлении, азотировании и последующей дегазации электролитического железа, при начальных условиях а0=8,47·1010; b0=1,79·106, соответствующих равновесной области концентраций растворенного газа перед проведением дегазации, значения вероятностей прямой и обратной реакций составили =1,84·10-14, =0,63. Полученные расчетные кривые показывают отсутствие “нормального“ закона распределения вероятностей во всем исследуемом интервале концентраций азота. При этом с увеличением концентрации растворенного газа распределение атомов становится более асимметричным, что свидетельствует о наличии в выделенном объеме расплава областей или слоев с повышенной концентрацией азота.

Третья глава посвящена разработке систем контроля вакуумной обработки стали и мониторинга оборудования циркуляционного вакууматора, при построении которых исходили из условия их полной автоматической работы, не требующей участия сталевара, за счет непрерывного отслеживания характерных (значимых) сигналов – масса стальковша, расход пара на эжекторы вакуумного насоса, разрежение перед главным вакуумным клапаном, окисленность расплава перед обработкой.

Необходимость разработки системы мониторинга оборудования была вызвана следующими причинами:

– недостижением гарантийных показателей по остаточному давлению;

– неконтролируемой работой пароэжекторного насоса: многократное включение и отключение эжекторов при переходе с пусковых ступеней на ступени низкого вакуума.

Для количественной оценки подсосов воздуха был предложен расчет, основанный на следующих допущениях: 1) атмосферный воздух имеет двухкомпонентный состав и представляет собой смесь из 21% О2 и 79% N2; 2) единственным источником газообразного кислорода в отходящих газах является воздух, поступающий в вакуум-камеру и газоход в результате подсосов. При вдувании газообразного кислорода через фурму данное допущение не выполняется и соответственно расчет подсосов не производится. При этом для получения достоверных данных расчет выполняется спустя 2 минуты после окончания продувки. Кроме того, расчет выполняется при остаточном давлении в вакуумкамере менее 50 mbar (включение последней ступени вакуумного насоса), а также объемной доле СО в отходящих газах менее 5%. Подсосы воздуха определяли по следующей зависимости:

где Qвозд – расчетная величина подсосов воздуха, м3/ч; {%О2} – объемная доля кислорода в отходящих газах, %; Qотх.газ. – расход отходящих газов, м3/ч; 21 – массовая доля кислорода в атмосферном воздухе, %.

Подсос воздуха, м /ч Выбор методики расчета по кислороду вызван отсутствием данных о концентрации азота в отходящих газах. Кроме текущей расчетной величины подсосов воздуха предложен расчет величины среднего накопительного значения данного параметра, который выполняется при допустимом отклонении текущей величины подсосов воздуха от средней величины данного показателя на предыдущем шаге, что обеспечивает отсортировку скачкообразных изменений данного показателя при открытии вакуумного бункера (рис. 4).

Предложенный метод расчета величины подсосов воздуха был реализован в системе управления АЦВ с возможностью визуализации расчетной величины подсосов воздуха в графическом и цифровом виде.

Для получения дополнительных данных о ходе внепечной обработки были разработаны технологические алгоритмы расчета температуры стали и концентрации растворенного кислорода и углерода. При изучении изменения температуры расплава в результате теплообменных процессов с футеровкой вакуум-камеры и сталеразливочного ковша по данным фактических замеров температуры стали в период вакуумного обезуглероживания была выявлена логарифмическая зависимость изменения данного параметра (рис. 5). Предложенная зависимость позволяет существенно упростить расчеты и вносить необходимые корректировки при выполнении промежуточных замеров.

Температура расплава, С Рис. 5. Изменение температуры расплава при обработке плавок (t0 – температура стали перед обработкой, оС):

В основу расчета изменения концентрации углерода (кислорода) был положен материальный баланс по углероду, поступающему растворенным в металлическом расплаве и расходуемому с отходящими газами в составе СО и СО2. При этом исходили из допущения, что в исследуемой системе «пузырек газа – металлический расплав – газовая фаза вакуум-камеры – газоход» имеют место следующие реакции:

где индекс b соответствует реакциям, протекающим на поверхности раздела «пузырек газа – расплав»; индекс s соответствует реакциям, протекающим на поверхности раздела «расплав – газовая фаза вакуум-камеры»; индекс g соответствует реакциям, протекающим в газовой фазе вакуум-камеры или системе газоотводящего тракта.

Продуктом реакций (5), (6), отражающих взаимодействие углерода и кислорода, растворенных в расплаве, является монооксид углерода. Реакция (7) имеет место при вдувании газообразного кислорода на поверхность циркулирующего расплава. В данном случае протекают промежуточные реакции окисления железа кислородом, диссоциация оксида железа с последующим переходом кислорода в расплав и его взаимодействие с растворенным углеродом. Образование диоксида углерода по реакции (8) происходит только в результате окисления СО до СО2 газообразным кислородом в вакуум-камере и газоходе.

Для оценки влияния других факторов на результаты расчетов дополнительно определили количество кислорода, переходящего в расплав в результате взаимодействия металла с ковшевым шлаком и футеровкой вакуум-камеры.

Переход кислорода из шлака в процессе обезуглероживания определяли по изменению концентрации оксидов железа в шлаке (FeO и Fe2O3), табл. 1. Поступление кислорода из футеровки рассчитывали по изменению концентрации хрома в стали в период обезуглероживания. На опытных плавках концентрация хрома в среднем изменялась с 0,0097% до 0,0115%, а расчетное изменение концентрации растворенного кислорода составляло 0,0005%.

Изменение содержания оксидов железа в ковшевом шлаке До обработки 17,50 10,47 20,94 10, В конце периода обезуглероживания Примечание. Вес шлака определяли расчетным путем с учетом замера его толщины стальной трубкой после установки ковша в позицию обработки.

В результате незначительного прироста кислорода в период обезуглероживания (0,0045% при начальном его содержании 0,040,10%) влиянием данного фактора при выполнении расчетов пренебрегали.

При построении балансовых уравнений дополнительно учитывали влияние 40-секундного запаздывания получения данных газового анализа. Согласно данным газового анализа (рис. 6) началу протекания реакций соответствует момент времени 2, сопровождаемый появлением оксидов углерода. На данном рисунке также отмечена заштрихованная область, ограничивающая остаточное давление в вакуум-камере величиной 2025_кПа и соответствующая барометрической высоте подъема расплава выше уровня огнеупоров днища камеры, при которой возникает циркуляция стали. Данному моменту времени 1, исходя из теоретических предположений, и должно соответствовать начало интенсивного обезуглероживания расплава. Кроме того, в балансовое уравнение вносили корректировки на погрешность определения газового анализа (СО и СО2) и расхода отходящих газов.

Рис. 6. Характерное изменение состава отходящих газов (СО, СО2) в процессе вакуумной обработки стали на АЦВ Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК»:

В четвертой главе представлены результаты исследований, выполненных с применением разработанных технологических алгоритмов.

Анализ результатов промышленной эксплуатации предложенной методики определения подсосов воздуха показал 3-кратное (рис. 4), а в некоторых случаях и 20-кратное превышение данного показателя относительно гарантированных значений, что и является основной причиной повышенного остаточного давления в вакуум-камере в процессе обработки. Несмотря на положительные результаты применение данной методики расчета возможно только после окончания периода обезуглероживания в условиях отсутствия вдувания кислорода.

Для оперативного определения прогаров корпуса вакуум-камеры было предложено использовать следующий комбинированный критерий, позволяющий полностью исключить влияние других факторов (рис. 7):

где Pост – остаточное давление в текущий момент времени, mbar; Рi – параметр, используемый для определения повышения давления в вакуум-камере, mbar;

Qотх.газ и Qотх.газ – соответственно расход отходящих газов в предыдущий и теi кущий моменты времени, м3/ч; Qпар и Qпар – соответственно расход пара в преi дыдущий и текущий моменты времени, т/ч.

Сигнал наличия прогара Рис. 7. Визуализация работы алгоритма определения прогара вакуум-камеры:

Исследование кинетических закономерностей обезуглероживания расплава проводили с учетом данных обработки промышленных плавок, в процессе которых в период обезуглероживания выполняли серию замеров окисленности расплава с помощью системы «Multi Lab Celox III» (рис. 8). По данным газового анализа, в момент начала реакций обезуглероживания 2 фактическое изменение концентрации растворенного кислорода уже составило около 42% от общего изменения. Близость расчетных и фактических значений концентрации растворенного кислорода, полученных по балансовому уравнению, подтверждает справедливость предложенных допущений.

Концентрация кислорода в Рис. 9. Расчетное изменение концентрации растворенного углерода:

При изучении кинетики протекания реакций дополнительно выполнили теоретический расчет изменения концентрации растворенного углерода (рис. 9) с учетом результатов расчетов, полученных по балансовому уравнению. Анализ изменения скорости обезуглероживания расплава в процессе вакуумной обработки на 160-тонном RH-вакууматоре различных плавок с учетом теоретических расчетов выявил наличие 3-х устойчивых характерных периодов обработки (рис. 10).

Доля реакций обезуглероживания, % Несмотря на достижение минимального давления в вакуум-камере в III периоде обработки, наблюдается постепенное замедление суммарной скорости протекания реакций. Результаты теоретического моделирования показывают, что в области концентраций углерода более 0,0050,008% (период I и II) основная доля реакций протекает в объеме расплава на межфазной поверхности «пузырек газа – расплав», тогда как в области особо низких концентраций углерода (менее 0,003%) преобладают реакции, протекающие на поверхности раздела «расплав – газовая фаза вакуум-камеры».

Если в I и II периоды обезуглероживания существуют эффективные способы воздействия на скорость протекающих реакций за счет изменения расхода транспортирующего газа или изменения скорости набора вакуума, то в III периоде единственным способом воздействия на скорость обезуглероживания является изменение равновесной концентрации растворенного углерода за счет изменения концентрации растворенного кислорода. При выполнении теоретического моделирования были определены необходимые концентрации кислорода в конце периода обезуглероживания, обеспечивающие получение остаточных концентраций углерода на уровне 0,00100,0012% и 0,00130,0015%, которые соответственно составили 0,085±0,005% и 0,075±0,005% при остаточном давлении 200 Па. Для получения данной концентрации кислорода было предложено вводить в расплав требуемое количество твердого окислителя (железорудные окатыши) и при необходимости выполнять продувку газообразным кислородом. Расход окатышей был ограничен 500 кг на плавку (вес плавки 150 т) из-за достаточно низкого усвоения кислорода расплавом (~46%) для предотвращения значительного прироста оксидов железа в ковшевом шлаке и соответственно снижения угара легирующих элементов (алюминий, титан, кремний) при проведении усреднительного перемешивания расплава на установке доводки металла. Усвоение газообразного кислорода для условий АЦВ ОАО «НЛМК» составляет 40%. По предложенной технологии было обработано плавок автолистовых особонизкоуглеродистых марок стали типа IF. Основные параметры двух сравнительных плавок приведены в табл. 2. Расчетное изменение концентрации растворенного кислорода и скорости обезуглероживания с учетом данных газового анализа представлено на рис. 11.

Основные параметры вакуумной обработки опытных плавок 822050 (сталь марки 01ЮТ) * – Неконтролируемый прирост углерода после обезуглероживания связан с применением периклазоуглеродистых огнеупоров различных поставщиков в рабочем слое футеровки сталеразливочных ковшей.

Время присадки окатышей (с 3 по 4 минуту обезуглероживания) соответствует окончанию интенсивного обезуглероживания (период I, рис. 10). Расчеты показывают кратковременное увеличение скорости обезуглероживания расплава после ввода окатышей (с учетом времени запаздывания данных газового анализа), что, по нашему мнению, объясняется наличием углерода в железорудных окатышах, который, взаимодействуя с кислородом твердого окислителя, приводит к увеличению межфазной поверхности пузырьков и положительно сказывается на скорости удаления растворенного углерода. Кроме того, в результате разложения окатышей образуется дополнительная межфазная поверхность (твердые частицы), наблюдается увеличение концентрации водорода в отходящих газах из-за наличия в них влаги, что также способствует протеканию реакций обезуглероживания за счет снижения парциального давления СО в газовой фазе.

Концентрация кислорода, % Рис. 11. Изменение концентрации кислорода и скорости обезуглероживания:

Анализ результатов опытно-промышленных плавок показал, что кроме положительного влияния на скорость обезуглероживания, технология стабилизации окисленности расплава с применением твердого окислителя обладает дополнительным преимуществом: практически мгновенное увеличение концентрации растворенного кислорода. Это позволяет своевременно выполнять корректирующие действия при обезуглероживании расплава с повышенной начальной концентрацией углерода и недостатком растворенного кислорода без увеличения времени обработки и снижения степени удаления углерода.

В пятой главе на основе данных видеосъемки поверхности циркулирующего расплава, а также анализа топографии металлических настылей в вакуум-камере и газоходе RH-вакууматора были определены основные источники их образования. В нижней и средней частях вакуум-камеры (определяется высотой подъема металл-газовой смеси) образование настылей связано с интенсивными выплесками расплава, возникающими в результате соударения порций циркулирующего расплава со стеками камеры. При этом попавший на футеровку расплав кристаллизуется на ней, приводя к образованию настылей. Высота образования таких настылей над поверхностью расплава составляет 0,50,7 м.

Рис. 12. Капли металла, образующиеся в процессе циркуляционного (а) и струйного (б) вакуумирования стали; частицы металлической пыли (в) и образец настыли (г) с футеровки вакуум-камеры Образование большого количества мелких частиц металла (рис. 12, а, в) является результатом взрывообразного расширения пузырьков газа в поверхностном слое. Эти частицы подхватываются потоком газа и увлекаются в газоход, приводя к его постепенному зарастанию. Для изучения этих частиц металла произвели отбор образцов настылей. Первая группа образцов отбиралась из патрубка, предназначенного для установки дополнительной верхней продувочной фурмы (расстояние до раскисленного металла 7,8 м), в который устанавливалась специальная ловушка, выполненная из огнеупорного материала в виде выступа. Значительное удаление данной точки от расплава предотвратило спекание частиц металла. Вторая группа образцов отбиралась с поверхности футеровки на расстоянии 4 м от поверхности циркулирующей стали. Из-за меньшего расстояния от точки отбора до расплава во время обработки, а также до газокислородного пламени во время операции оплавления настылей в данной области происходит практически полное спекание частиц металла с образованием сплошного металлического конгломерата толщиной 35 см.

Классификация полученной выборки частиц (рис. 12) осуществлялась по следующему принципу:

к каплям относились частицы закристаллизовавшегося металла, имеющие определённую геометрическую форму (шар, эллипсоид);

к пыли относились частицы металла, не имеющие строго определённой геометрический формы.

Полученные данные показывают, что в процессе RH-обработки образуются капли различного диаметра: от 0,75 до 4,0 мм, что больше диаметра капель, полученных Г.А. Соколовым при струйном вакуумировании стали (0,5-1,5 мм). Увеличенный размер капель при RH-обработке, по нашему мнению, объясняется большей разницей между давлением в полости взрывающихся пузырьков и давлением в вакуум-камере, чем при струйном вакуумировании.

Количественное соотношение между металлической пылью и каплями, образующимися при RH-обработке, ориентировочно составляет (9,09,7):1. Неправильная форма пылинок металла свидетельствует о высокой скорости их кристаллизации. Обращает на себя внимание тот факт, что диапазон размеров металлических пылинок, образующихся в RH-процессе, совпадает с размерами капель, образующихся при струйном вакуумировании.

Для снижения интенсивности зарастания газохода RH-вакууматора и снижения высоты вакуум-камеры предложено устанавливать внутри вакуумкамеры экран на расстоянии h от поверхности металл-газовой смеси (рис. 13).

Экран предназначен для ассимиляции основного объема металлической пыли и капель. Расстояние h от поверхности металл-газовой смеси (максимальной высоты подъема, которая для 160-тонного RH-вакууматора ОАО «НЛМК» составляет 2,290 м от дна камеры) предложено выбирать в диапазоне 3001500 мм. При этом увеличение расстояния от экрана до расплава выполняется в зависимости от вида внепечной обработки: дегазация расплава (минимальное расстояние), вакуум-углеродное раскисление частично раскисленного металла (среднее расстояние) и глубокое обезуглероживание (максимальное расстояние). Настыли в газоходе Рис. 13. Существующая конструкция вакуум-камеры RH-вакууматора ОАО «НЛМК» с нанесенной топографией износа футеровки и настылей (а) и предлагаемая конструкция камеры с экраном (б) Экран состоит из металлического каркаса, футерованного сверху и снизу огнеупорным материалом на основе высокоглиноземистых бетонов, грузозахватных механизмов для выполнения его установки и демонтажа. Экран устанавливается на огнеупорном выступе без жесткой фиксации, что позволяет предотвратить его повреждение и повреждение футеровки вакуум-камеры в результате его температурного расширения, а также позволяет ему свободно перемещаться при подъеме расплава выше уровня его установки (например, в аварийных случаях при засасывании воздуха через погружные патрубки). Дополнительно для снижения общей высоты камеры предложено выполнять боковое соединение газоотводящего тракта с вакуум-камерой.

Также были разработаны конструктивные решения, направленные на повышение стойкости погружных патрубков. Анализ затрат на вакуумную обработку расплава в условиях Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» показывает, что на долю огнеупорных материалов приходится около 50 % затрат на внепечную обработку вакуумом, при этом на ремонт зоны металла приходится до 37,6% всех затрат. Стойкость патрубков определяется безаварийными условиями их эксплуатации, что обеспечивается выполнением условия вывода камеры на перефутеровку при достижении остаточной толщины огнеупоров, которая в среднем составляет 100_мм с локальным износом до 80_мм и менее – около 5256% исходной толщины кирпичной футеровки (180190 мм в зависимости от схемы футеровки). С целью повышения стойкости патрубков предложено увеличить толщину расходуемого слоя кирпичной футеровки патрубков за счет уменьшения их начального внутреннего диаметра с 600 мм до 540 мм, что позволит увеличить расчетную стойкость камеры на 3537%. Дальнейшее уменьшение внутреннего диаметра патрубков невозможно из-за нежелательного снижения скорости циркуляции расплава через вакуум-камеру. Снижение скорости циркуляции при увеличении толщины футеровки компенсируется повышением расхода транспортирующего газа в начальный период эксплуатации камеры. Для усиления днища вакуум-камеры предложено также увеличить его толщину с 250 до 350 мм.

Предложенная схема футеровки днища вакуум-камеры и внутренней футеровки погружных патрубков запланирована к опытно-промышленному опробованию в условиях Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Применение вероятностных методов химической кинетики позволяет изучать металлургические реакции на уровне законов распределения вероятностей.

2. Показано, что для реакции дегазации металлического расплава при переходе в области равновесных с газовой фазой концентраций растворенного азота значения первых четырех моментов стабилизируются на ненулевом уровне, что соответствует присутствию в системе динамического равновесия, вызванного наличием встречных потоков: из газовой фазы в расплав и из расплава в газ.

3. Для условий циркуляционного вакуумирования выявлена логарифмическая зависимость изменения температуры расплава в процессе внепечной обработки от времени циркуляции стали.

4. Определено количество кислорода, переходящего из ковшового шлака и огнеупоров вакуум-камеры RH-вакууматора в расплав в период обезуглероживания, которое в среднем составляет 0,0045% (в том числе 0,004% из ковшового шлака и 0,0005% из огнеупоров вакуум-камеры).

5. Для условий работы RH-вакууматора предложены алгоритмы расчета величины подсосов воздуха в систему газоотводящего тракта, изменения концентрации растворенного углерода и кислорода в период вакуумного обезуглероживания расплава, температуры расплава в процессе внепечной обработки.

6. Разработанные технологические алгоритмы реализованы в составе подсистемы верхнего уровня АСУ ТП агрегата циркуляционного вакуумирования стали КЦ-1 ОАО «НЛМК».

7. На основе исследования кинетических закономерностей обезуглероживания расплава на 160-тонном циркуляционном вакууматоре определено соотношение между реакциями, протекающими в объеме расплава и на поверхности циркулирующего расплава в вакуум-камере, позволившее определить условия получения особо низких концентраций углерода (менее 0,0015%).

8. Предложена технология интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий внепечной обработки за счет порционного ввода в расплав твердого окислителя (железорудные окатыши), позволяющая гарантированно получать остаточную концентрацию растворенного углерода в конце периода обезуглероживания менее 0,0015% на всем объеме обрабатываемых плавок.

9. Выполнен анализ причин образования металлических настылей в верхней части вакуум-камеры и П-образном газоходе на основе данных работы циркуляционного вакууматора ОАО «НЛМК», позволивший разработать технические решения снижения интенсивности зарастания газоотводящего тракта RHвакууматора. На это решение получен патент.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Себякин, С.В. Изучение кинетических закономерностей обезуглероживания расплава в условиях циркуляционного вакуумирования стали / С.В. Себякин, И.А. Гельд // Известия ВУЗов. Черная металлургия. – 2008. – 2. Дубровский, С.А. Применение методов вероятностной кинетики для описания процессов дегазации жидких расплавов на основе железа / С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин, С.В. Себякин // Известия ВУЗов. Черная металлургия. – 2008. – №2. – С. 3-7.

3. Емельянов, С.С. Исследование и улучшение техники и технологии вакуумной обработки стали / С.С. Емельянов, С.В. Себякин, А.В. Добродон [и др.] // Электрометаллургия. – 2007. – №4. – С. 24-28.

4. Циркуляционный вакууматор с экраном для подавления капель металла / С.А. Дубровский, С.В. Себякин, Ю.Н. Петрикин, В.Н. Вечер; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЛГТУ. – №2331673 РФ, МПК С21С 7/10. – заявлен 26.10.2006. опубликован 20.08.2008. Бюл. №23. – 6 с.

1. Вечер, В.Н. Компьютерное моделирование обезуглероживания и дегазации при циркуляционном и струйном вакуумировании стали / В.Н. Вечер, Ю.Н. Петрикин, С.В. Себякин // Современная металлургия нового тысячелетия. Ч. 2: сборник научных трудов. – Липецк. – 2005. – С. 30-33.

2. Дубровский, С.А. Совершенствование конструкции вакуум-камеры циркуляционного вакууматора / С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин, С.В. Себякин, В.Н. Вечер // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов. – Липецк. – 2006. – Ч. 2 – С. 54-58.

3. Себякин, С.В. Исследование, развитие и совершенствование техники и технологии вакуумной обработки стали на ОАО «НЛМК» / С.В. Себякин, А.В. Добродон, И.А. Ролдугин, Е.Н. Тюленев // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов. – Липецк. – 2006. – Ч. 2. – С.

4. Дубровский, С.А. Особенности образования пыли и капель металла в процессе циркуляционного вакуумирования стали / С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин, С.В. Себякин, В.Н. Вечер // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов. – Липецк. – 2006. – Ч. 2. – С.

163-168.

5. Себякин, С.В. Разработка модели динамического контроля вакуумной обработки стали на циркуляционном вакууматоре ОАО «НЛМК» / С.В. Себякин, И.А. Гельд, Е.В. Берестюков, С.А. Дубровский, Ю.Н. Петрикин // Современная металлургия нового тысячелетия: сборник научных трудов.– Липецк. – 2007. – Ч. 2. – С. 182-187.

6. Себякин, С.В. Изучение кинетических закономерностей обезуглероживания расплава в условиях циркуляционного вакуумирования стали конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» / С.В. Себякин, Е.В. Берестюков, А.В. Добродон // Современная металлургия начала нового тысячелетия:

сборник научных трудов. – Липецк. – 2008. – Ч. 1 – С. 203-210.

Подписано в печать 14.04.2009. Формат 6084 1/16.

Бумага офсетная. Ризография. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №.

Полиграфическое подразделение издательства ЛГТУ.