Исследование и разработка техники и технологии вакуумной обработки стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Себякин, Сергей Владимирович

• Себякин, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Себякин, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОСНОВ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И СПОСОБОВ ИХ

ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ.

1.1. Теоретические основы кинетики взаимодействия газов с расплавами на основе железа

1.2. Растворимость газов в расплавах на основе железа.

1.3. Кинетика взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в металлическом расплаве.

1.4. Химическая кинетика реакций.

1.5. Сравнение основных способов промышленной реализации вакуумной обработки стали.

1.6. Основные конструктивные особенности оборудования циркуляционного вакууматора.

1.7. Анализ существующей технологии обработки расплава с вакуумным обезуглероживанием на агрегате циркуляционного вакуумирования Конвертерного цеха№1 ОАО «НЛМК».

1.8. Краткие выводы и определение направлений дальнейшего исследования.

2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ВЕРОЯТНОСТНОЙ КИНЕТИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКИХ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.

2.1. Основные положения вероятностной кинетики реакций.

2.2. Описание условий проведения экспериментов исследования удаления азота из жидкого железа.

2.3. Применение методов вероятностной кинетики для описания процессов удаления азота из жидкого железа.

2.4. Краткие выводы по результатам исследования.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ И

МОНИТОРИНГА ОБОРУДОВАНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМАТОРА.

3.1. Условия промышленной реализации системы контроля вакуумной обработки и методика проведения экспериментов.

3.1.1. Требования к построению и промышленной реализации алгоритмов системы контроля.

3.1.2. Общая характеристика контрольно-измерительного оборудования АЦВ КЦ

ОАО «НЛМК».

3.1.3. Методика проведения опытно-промышленных экспериментов.

3.2. Разработка математических моделей системы мониторинга оборудования АЦВ и контроля вакуумной обработки стали.

3.2.1. Расчет величины подсосов воздуха в вакуум-камеру и систему газоотводящего тракта.

3.2.2. Расчет изменения температуры расплава.:.

3.2.3. Расчет изменения концентрации углерода и кислорода с учетом данных газового анализа.

3.5. Краткие выводы.

4. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИЙ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ РАСПЛАВА В ПРОЦЕССЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ.

4.1. Анализ работы пароэжекторного насоса.

4.2. Методика теоретического расчета изменения концентрации углерода и кислорода.

4.3. Исследование кинетических закономерностей обезуглероживания расплава на 160-тонном циркуляционном вакууматоре.

4.4. Оптимизация технологии обезуглероживания расплава.

4.5. Краткие выводы по результатам исследования.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМАТОРА.

5.1. Исследование особенностей образования металлических настылей в вакуум-камере и газоходе.

5.2. Изменение конструкции вакуум-камеры циркуляционного вакууматора для снижения интенсивности образования металлических настылей в газоотводящем тракте. 115.

5.3. Повышение стойкости патрубков циркуляционного вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК».

5.4. Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка техники и технологии вакуумной обработки стали»

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 ЛРТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ 07-08-96438Рцентра.

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 протекания1 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-1 ОАО «НЛМК».

2. Разработана технология* интенсификации процесса обезуглероживания расплава и стабилизации условий» внепечной обработки с применением твердого окислителя. Она успешно опробована при производстве особонизкоуглеро-дистых 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 опытно-промышленными 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, 3 приложений: Включает 79 страниц текста, содержит 60 рисунков и 19 таблиц.

В первой, главе выполнен'анализ современных физико-химических основ взаимодействия газов (Н2, N2) с металлическими расплавами на основе железа. Рассмотрены- основные способы промышленной реализации- вакуумной обработки расплава и особенности существующей технологии внепечной обработки на агрегате циркуляционного вакуумирования стали Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК». Определены направления дальнейшего исследования.

Во. второй главе предложена методика исследования высокотемпературных реакций взаимодействия газов с металлическими расплавами в условиях резко меняющихся давлений с позиций вероятностной кинетики. На основании данной методики проведено исследование дегазации жидкого железа (удаление азота) с учетом данных лабораторных исследований с интерпретацией полученных результатов.

В третьей главе представлены результаты изучения- качественных и количественных характеристик процесса внепечной обработки стали на агрегате циркуляционного вакуумирования Конвертерного цеха №1 ОАО* «НЛМК». По данным проведенного исследования представлено описание предложенных алгоритмов расчета величины подсосов воздуха в систему газоотводящего тракта, изменения температуры расплава, концентрации растворенного углерода и кислорода в процессе внепечной обработки.

В четвертой главе представлены результаты исследования параметров работы пароэжекторного насоса и кинетики протекания реакций обезуглероживания в процессе внепечной обработки, полученные с использованием предложенных алгоритмов и теоретического математического моделирования.

В пятой главе на основе анализа работы промышленного оборудования циркуляционного вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК» разработаны технические решения эффективного снижения скорости образования металлических настылей в газоотводящем тракте при одновременном снижении высоты металлургического агрегата. Предложены технические решения повышения стойкости погружных патрубков, обеспечивающие снижение затрат на производство стали и увеличивающие пропускную способность агрегата в результате снижения технологических простоев, связанных с заменой и подготовкой вакуум-камеры к работе.

В заключении приведены основные результаты работы.

За оказанную помощь в подготовке материалов диссертации выражаю искреннюю благодарность не дожившему до сегодняшнего дня к.т.н., доценту кафедры металлургии Липецкого государственного технического университета Ю.Н. Петрикину, внесшему огромный вклад в теоретическое описание исследуемых процессов; специалистам Инженерного центра ОАО «НЛМК» Е.Н. Тю-леневу и И.А. Некрасову, оказавшим помощь при проведении опытно-промышленных плавок; ведущему инженеру-программисту Дирекции по информационным технологиям ОАО «НЛМК» И.А. Гельд, реализовавшей разработанные алгоритмы математических программ в Системе управления вакууматора Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК»; специалистам лаборатории аналитического контроля и лаборатории металловедения и металлофизики ОАО «НЛМК» за проведение исследований образцов стали с опытно-промышленных плавок; технологическому персоналу агрегата циркуляционного вакуумирования стали Конвертерного цеха №1 ОАО «НЛМК», оказавшему помощь при проведении опытно-промышленных плавок.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Себякин, Сергей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих подходов описания кинетики взаимодействия газов (Н2, N2) с металлическими расплавами на основе железа показал, что при описании химического акта трансформации газа общепринятым является вероятностный подход, однако решение задачи теоретического описания вероятностного взаимодействия частиц встречает ограничения при увеличении их количества. В связи с этим возникает необходимость разработки других подходов, позволяющих исключить усложнение теоретических расчетов вероятностного взаимодействия молекул и атомов частиц в условиях высоких температур и меняющегося давления.

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

3. 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.

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

5. 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).

6. 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.

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

8. 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%).

9. 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.

10. 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 RH-вакууматора. На это решение получен патент.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Себякин, Сергей Владимирович, 2009 год

1. Siverts A. u. a. Z. physic. Chem. 1911, -PP. 591-613.

2. Морозов А.Н. Водород и азот в стали / Изд. 2-е, переработанное. М.: Металлургия, 1968. - С. 283.

3. Морозов А.Н., Стрекаловский М.М., Чернов Г.И. и др. Внепечное вакуумирование стали. М.: Металлургия, 1975 г. - С. 288.

4. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф. и др. Включения и газы в сталях. М.: Металлургия, 1979г. - С. 272.

5. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974г.-С. 270.

6. Аверин В.В., Ревякин А.В., Федорченко В.И., Козина JI.H. Азот в металлах. М.: Металлургия, 1976. - С. 224.

7. Самарин A.M. Вакуумная металлургия. М.: Металлургиздат, 1962. С. 516.

8. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1986г. С. 463.

9. Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физико-химия в металлургии / Термодинамика, гидродинамика, кинетика. М.: Миссис, 2001. - С. 320.

10. Линчевский Б.В. Вакуумная металлургия стали и сплавов. М.: Металлургиздат, 1970. - С. 258.

11. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали / Часть. I. Термодинамические и кинетические закономерности / Пер. с немецкого. -М.: Металлургия, 1973г. С. 312.

12. Григоренко. Г.М., Ю.М. Помарин и др. Особенности механизма поглощения азота высокореакционными металлами / Современная электрометаллургия. №3, 2004. - С. 22-26.

13. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975. - С. 592.

14. Кунин Л.Л. Поверхностные явления в металлах / Под редакцией Кляч-ко Ю.А. М.: Металлургиздат, 1955. - С. 304.

15. Минаев Ю.А. Поверхностные явления в металлургических процессах. М.:

16. Металлургия, 1984.-С. 152.

17. Najafabadi M.A.,„Kanegawa S., Maeda M., Sano M. Simultaneous decarburiza-tion and denitrogenization of molten iron with vacuum- suction degassing method / ISIJ International, Vol. 36. № 10, 1996. - PP. 1229-1236.

18. Свяжин А.Г. Азот при производстве стали. Теория и технология / Международная конференция-диспут «Металлургия и металлурги XXI века». — Москва, 2001. Стр. 305-320.

19. Каваи Я. Поверхностное натяжение жидких сплавов железа в связи с реакциями газ металл / ТрудыТИ советско-японского симпозиума по физико-химическим основам металлургических процессов'.«Взаимодействие газов, с металлами». -М.: Наука, 1973. - Стр. 69-75;

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика / Том VI. Гидродинамика. Издание 3-е, переработанное; М.: Наука, 1986. - С. 736:

21. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия / Издание 5-е, стереотипное. М.: Металлургия, 2001. - С. 688.

22. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия / Том I. — М:: Советская энциклопедия, 1988.-С. 704.

23. Gavriljuk V.G., Berns Н. High nitrogen steel, 1999. P. 378.

24. Рыжонков'Д.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В. и др. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989. - С. 392.

25. Свяжин А.Г., Чурсин Г.М., Вишкарев А.Ф., Явойский В.И. Растворимость азота в жидком железе / Известия АН СССР. Металлы, 1974. №5. — Стр. 24-35.

26. Гельд П.В., Курочкин К.Т. Растворимость водорода в расплавах железа с алюминием / Известия АН СССР. Металлы, 1974. №2. - Стр. 43-48.

27. Pehlke R.D., Elliott J.F. Trans. AIME, 1960. -V. 218. P. 1088.

28. Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали. Металлургиздат, 1960.

29. Приходько Э.В., Мороз В.Ф. О влиянии межатомного взаимодействия в расплавах на растворимость в них газов и углерода. Часть 1. Методология исследования. Растворимость углерода и азота / Современная электрометаллургия, 2004. № 2. - Стр. 35-45.

30. Приходько Э.В., Мороз В.Ф. О влиянии межатомного взаимодействия в расплавах на растворимость в них газов и углерода. Часть 2. Растворимость водорода и кислорода. Общие выводы / Современная электрометаллургия, 2004.-№4. -Стр. 37-43.

31. Ригина Л.Г., Васильев Я.М., Дуб С.В. и др. Легирование стали азотом / Электрометаллургия, 2005. №2. - Стр. 14-21.

32. Соколов М.В., Ковальчук Л.А. О температурной зависимости азота в многокомпонентных расплавах на железной основе / Изв. АН СССР. Металлы, 1986.-№ 6.-Стр. 15-20.ч

33. Гасик М.М. Равновесие углерод кислород в жидком железе при вакуум-углеродном раскислении / Известия ВУЗов. Черная металлургия. - №10. -1991.-Стр. 9-13.

34. Гасик М.М., Гасик М.И. Термодинамическое исследование равновесия углерод кислород в жидком железе / Известия АН СССР. Металлы, 1985. -№3. - Стр. 22-30.

35. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. - С. 504.

36. Поволоцкий д.я., Кудрин В.А., Вишкарев А.Ф. Внепечная обработка стали. М.: МИСИС, 1995. С. 256.

37. Takahashi М., Matsumoto Н., Saito Т. Mechanism of decarburization in RH de-gasser / ISIJ International, 1995 Vol. 35. - № 12. - PP. 1452-1458.

38. Wei Ji-He, Yu Neng-Wen. Mathmatical modeling for RH refining process of molten steel / Ironmaking Conference Proceedings, 2002. PP. 775-792.

39. Inoue S., Furuno Y., Usui Т., Miyahara S. Acceleration of decarburization in RH vacuum degassing process / ISIJ International, 1992. Vol. 32. - № 1. - PP. 120-125.

40. Yamaguchi K., Kishimoto Y., Fujii T. et al. Effect of refining condition for ultralow carbon steel on decarburization reaction in RH degasser / ISIJ International, 1992. -Vol. 32.-№ 1.-PP. 126-135.

41. Kameyama K., Nishikawa H., Aratani M. et al. Mass production of ultra-low carbon steel by KTB method using oxygen top blowing in the vacuum vessel / Kawasaki steel technical report, June 1992. № 26. - PP. 92-99.

42. Yamaguchi K., Sakuraya Т., Hamagami K. Development of hydrogen gas injection method for promoting decarburization of ultra-low carbon steel in RH degasser / Kawasaki steel technical report, March 1995. № 32. - PP. 33-37.

43. Masanori N., Tada C., Nishikawa H. Optimized decarburization process for stainless steel with combination of refining in converter and RH degasser / Kawasaki steel technical report, March 1995. № 32. - PP. 38-44.

44. Кабаков 3.K., Кабаков П.З., Сумин C.H. Решение задачи обезуглероживания стали в ковше при вакуумировании / Известия ВЗУов. Черная металлургия, 2004. № 5. - Стр. 15-16.

45. Бородин Д.И., Фоменко В.А., Петушков И.А. Изучение процесса самопроизвольного кипения при глубоком обезуглероживании под вакуумом / Известия ВУЗов, 2005. № 4. - Стр. 17-20.

46. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. Гомогенные реакции / Издательство 2-е, исправленное и дополненное. М.: Высшая школа, 1969.-С. 432.

47. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ / Издание 3-е, исправленное и дополненное. М.: Химия, 1985. - С. 592.

48. Энтелис С.Г., Тигер Р.П. Кинетика реакций в жидкой фазе. Количественный учет влияния среды. -М.: Химия, 1973. С. 416.

49. Амис Э. Влияние растворителя на скорость и механизм химических реакций / Пре. с англ. Бубнов Н.Н., Бердников В.М., Зусман Р.И. М.: Мир, 1968.-328.

50. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Издание 2-е, дополненное и переработанное. М.: Наука, 1967. - С. 492.59