Исследование закономерностей образования оксидных включений и совершенствование на этой основе технологии выплавки трубной котельной стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Клачков, Анатолий Александрович

• Клачков, Анатолий Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Клачков, Анатолий Александрович

1. Введение.

2. Аналитический обзор литературы.

2.1. Трубы и трубные стали.б

2.2. Неметаллические включения и их влияние на свойства стали.

2.3. Методы удаления неметаллических включений.

2.4. Модифицирование неметаллических включений кальцием.

2.5. Выводы по результатам литературного обзора и цели работы.

3. Описание методов анализа и расчетов, использовавшихся в работе.

3.1. Методика термодинамических расчетов взаимодействия компонентов в системе «металл-шлак-газ».

3.2. Рснтгеноспектральный микроанализ.

3.3. Газовый анализ.

3.4. Металлографический анализ.

3.5. Статистические методы анализа данных.

3.6. Базовая технология производства котельной стали.

4. Закономерности образования оксидных включений и совершенствование технологии выплавки трубной котельной стали.

4.1. Загрязненность стали 20К, выплавленной по базовой технологии, неметаллическими включениями.

4.2. Особенности базовой технологии.

4.3. Пути уменьшения загрязненности стали 20К неметаллическими включениями в условиях ЭСПЦ ВТЗ.

4.3.1. Описание технологии опытных плавок.

4.3.2. Анализ загрязненности НВ стали, выплавленной по различным вариантам опытной технологии.

4.4. Анализ неметаллических включений котельной стали.

4.4.1. Определение состава и типа включений.

4.4.2. Проверка гипотезы о шлаковой природе неметаллических включений.

4.4.3. Проверка гипотезы о преимущественном образование неметаллических включений из-за вторичного окисления металла во время разливки стали.

4.4.4. Анализ результатов металлографического анализа образцов котельной стали.

4.4.5. Возможный механизм влияния степени раскисления стали на содержание НВ

4.4.6. Анализ результатов фракционного газового анализа образцов котельной стали

4.4.7. Загрязненность металла включениями и свойства НВ.

4.5. Разработка алгоритма прогнозирования состава и количества алюминатов кальция в зависимости от параметров внепечной обработки.

5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование закономерностей образования оксидных включений и совершенствование на этой основе технологии выплавки трубной котельной стали»

Одной из основных задач, стоящих перед специалистами черной металлургии, является улучшение качества металла, которое неразрывно связано с чистотой стали по содержанию неметаллических включений (НВ). Особенно это актуально для сталей, предназначенных для ответственных деталей, например, частей котельных установок.

Значительное отрицательное влияние на свойства стали оказывают такие НВ, как алюминаты кальция. Но образования алюминатов кальция при существующей практике производства стали избежать нельзя. Наиболее распространенным раскислителем в настоящее время является алюминий. Образующиеся в результате раскисления оксиды алюминия оказывают отрицательное влияние на качество стали и на процесс ее разливки. Отложение на стенках погружного стакана-дозатора включений А12Оз, является основной причиной его затягивания. Наиболее эффективным, удобным и положительно зарекомендовавшим себя средством предотвращения зарастания погружного стакана-дозатора является модифицирование стали (включений АЬОз) кальцием, в результате чего образуются алюминаты кальция.

В настоящее время не существует общепризнанных моделей, по которым можно спрогнозировать тип, состав, количество и температуру плавления алюминатов кальция. Расход кальция определяют на основе практического опыта. При этом многие предприятия расходуют значительное количество алюминия и кальция, перестраховываются, не имея возможности точно прогнозировать процесс образования алюминатов кальция.

Необходимо более подробные описания процессов, происходящих при раскислении, модифицировании и удалении НВ, природы НВ; желательно разработать модели прогнозирования типа НВ и определения количества отдаваемого для модифицирования кальция.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Клачков, Анатолий Александрович

5. Выводы

В настоящей работе была рассмотрена текущая ситуация по снижению загрязненности НВ, раскислению стали и модифицированию алюминатов. Изучена практика работы с алюминатами кальция, применяемая на различных металлургических предприятиях. В ходе исследования было выяснено, что моделей, описывающих процессы модифицирования и позволяющих рассчитывать необходимое количество алюминия и кальция и прогнозировать тип, состав, количество и температуру плавления образующихся алюминатов кальция нет.

Изучили влияние различных металлургических параметров на процессы раскисления и модифицирования НВ в условиях выплавки котельной стали 20К в условиях ЭСПЦ ВТЗ.

Показано, что решающее значение для образования НВ в котельной стали имеет процесс окисления алюминия кислородом атмосферы в период ковшевой обработки, - высокая активность растворенного алюминия стимулирует поглощение кислорода металлом и приводит к повышенному загрязнению стали вредными глиноземистыми включениями в пределах 5 и более баллов.

Установлено, что в условиях варьирования технологических параметров плавки в ДСП в широких пределах и глубоком раскислении металла алюминием количество оксидных включений растёт с увеличением расхода силикокальция, т.е. модифицирование включений в таких условиях не приводит к их удалению из металла. Но присадки кальция положительно влияют на свойства НВ и на серийность разливки стали без замены стакана-дозатора.

Определено, что изменение порядка присадки раскислителей, от слабых к сильным, а также снижение расхода алюминия приводит к снижению уровня загрязнённости стали оксидными включениями, оцениваемого в баллах, на 25-30 %.

Установлена возможность снизить загрязнённость котельной стали оксидными неметаллическими включениями и получить включения с низкой температурой плавления при пониженных по сравнению с базовой технологией концентрациях алюминия и кальция в металле. Включения при этом состоят в основном из алюминатов кальция, а их середина по сравнению с оболочкой обогащена оксидом алюминия.

Показано, что для сравнения результатов применения базовой и опытной технологий в условиях варьирования технологических параметров плавки в ДСП в широких пределах эффективен метод сравнения выборок по t-критерию, который позволил объективно сравнить плавки котельной стали, выплавленной по двум технологиям.

Предложена методика проведения термодинамического расчёта состава системы метал-шлак-газ с адаптацией для реальных условий внепечной обработки стали с целью прогнозирования загрязненности стали неметаллическими включениями в условиях заданного технологического процесса. Методика, учитывающая перенос кислорода из атмосферы в металл во время ковшевой обработки и всплывание части включений в шлак, может быть легко использована для указанной цели и при изменении технологических условий.

Изучены и описаны: состав, тип, морфология и происхождение комплексных НВ в стали 20К. Проверены и опровергнуты гипотеза о шлаковой природе комплексных включений и гипотеза об образовании комплексных включений сложного состава в результате вторичного окисления во время разливки.

Разработана и внедрена технология внепечной обработки стали марки 20К, обеспечивающая сокращение загрязненности непрерывнолитой заготовки неметаллическими включениями с сохранением серийности разливки стали без зарастания погружного стакана и с получением механических свойств стали в пределах технических требований, имеющая следующие преимущества перед базовой технологией:

• Снижение загрязненности стали алюминатами кальция на 25-30%.

• Снижение расхода силикокальция в 4 раза.

• Появление возможностей для последующего сокращения времени внепечной обработки.

• Хорошая разливаемость стали на МНРС с использованием погружного стакана-дозатора.

В настоящее время данная технология успешно применяется на ОАО «ВТЗ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Клачков, Анатолий Александрович, 2009 год

1. Совершенствование производства стальных труб // Зимовец В. Г., Кузнецов В. Ю. М., МИСиС, 1996. - 480 с.

2. Стальные и чугунные трубы. Справочник // Стрижак В. И., Щепанский В. В., Сокуренко В. П. и др. М., Металлургия, 1982. - 360 с.

3. Технология производства труб // Потапов И. Н., Коликов А. П., Данченко В. Н. и др. М. Металлургия, 1994. - 528 с.

4. Производство и качество трубной заготовки // Беда Н. И., Кацнельсон Г. М., Коновалов В. С. Киев. Техника, 1966. - 243 с.

5. Производство трубной заготовки // Чекмарев А. П., Машковцев Р. А., Носенко О. П. и др. М. Металлургия, 1970. - 304 с.

6. Справочное руководство сталевара // Панфилов М. И. М. Металлургиздат, 1961.-121 с.

7. Современное состояние мирового производства труб // Кауфман Ю. Г., Ляховецкий А. С., Семенов О, А. и др. М. Металлургия, 1977. — 368 с.

8. Ishitsuka Т., Mimura Н., Matsumoto Т. Trends in power engineering and performance of steel tube materials // Current Advances in Materials and Processes. - 2003, № 16, p. 316-319.

9. Металл для паровых котлов и трубопроводов // Гинзбург-Шик JI. Д. М. Энергоатомиздат, 1983. - 64 с.

10. Ю.Кристаллическая структура неметаллических включений // Нарита К. / Пер. с япон. М., Металлургия, 1969. — 126 с.

11. Физико-химические свойства окислов // Под ред. Самсонова Г. В. Изд. Второе- М., Металлургия, 1979. 272 с.

12. Включения и газы в сталях // Явойский В. И., Близнюков С. А., Вишкарев А. Ф. и др. М. Металлургия, 1979. - 272 с.

13. Неметаллические включения и качество стали // Бельченко Г. И., Губенко С. И. Киев. Техника, 1980. - 168 с.

14. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации // Шпис X. / Пер. с нем. М., Металлургия, 1971. - 125 с.

15. Общая металлургия // Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. — М. Металлургия, 1985. 480 с.

16. Неметаллические включения в электростали // Шульте Ю. В. — М. Металлургия, 1964. 207 с.

17. Включения в легированных сталях и сплавах // Виноград М. И., Громова Г. П.- М. Металлургия, 1972. 214 с.

18. Неметаллические включения в стали // Кислинг Р., Ланге Н. М. Металлургия, 1968.- 121 с.

19. Кристаллическая структура неметаллических включений в стали // Нарита Н.- М. Металлургия, 1969. 191 с.

20. Петрография неметаллических включений // М. Металлургия, 1972. - 184 с.

21. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации // Шпис X. И. М. Металлургия, 1971. — 126 с.

22. Рафинирование и кристаллизация стали // Явойский В. И., Близнюков С. А., Горохов Л. С., Вишкарев А. Ф. М. Наука, 1974. - 326 с.

23. Теория и практика непрерывного литья заготовок // Смирнов А. Н., Глазков А. Я., Пилюшенко В. Л. И др. Донецк. ДонГТУ, 2000. - 371 с.

24. Раскисление стали и модифицирование неметаллических включений // Ицкович Г. М. М. Металлургия, 1981. - 296 с.

25. Kiessling R. // Jornal of Metals, 1969, v. 21, № 10, p. 48 53.

26. Malkievicz Т., Rudnic S. // Journal Iron and Steel Institute, 1963, v. 201, № 1, p. 33-38.

27. Pickering F. // Journal Iron and Steel Institute, 1958, v. 189, № 3, p. 148 156.

28. Baker Т., Charles J. // In: Effect of Second-phase Particles on Mechanical Properties of Steels. L., Iron and Steel Institute, 1971, p. 79 87.

29. Brooksbank D., Andrews K. // In: Production and Application of Clean Steels. L., Iron and Steel Institute, 1972, p. 186 196.

30. Куслицкий А. В. Доклады АН СССР, 1969, т. 187, № 1, С. 79 82.

31. Холодностойкие стали // Шульте Ю. А. — М. Металлургия, 1970. — 224 с.

32. Электрометаллургия стального литья // Шульте Ю. А. М. Металлургия, 1970. -223 с.

33. Неметаллические включения и усталость стали // Куслицкий А. Б. — Киев, Техника, 1976.- 125 с.

34. Harkegard G. А. // Jernkontorets Annaler, 1971, v. 155, № 6, p. 289 297.

35. Виноградов С. В., Кромм В. В., Жучков В. И. Эффективность различных способов раскисления стали при внепечной обработке // Электрометаллургия. 2004. № 6 С. 21-23.

36. Выплавка электростали для непрерывной разливки // Чегринов М. Г. М. Металлургия, 1964. - 84 с.

37. Karbowniczek М., Kawecka-Cebula Е., Pytel К., Reichel J. Model of Desulphurization of Steel Melts in Ladles Deoxidation and Slag Formers Calculacion // Steel Research, 2003, v. 74, № 10, p. 610 - 616.

38. Аксельрод JT. M., Барановский М. Р., Мельникова Г. Г. и др. Затягивание графитсодержащих погружных стаканов при разливке стали на MHJT3 // Огнеупоры. 1991. №12 С. 29-33.

39. Износ погружных стаканов и образование отложений глинозема при непрерывной разливке стали. Гаук Ф., Петшке Ю. // Огнеупоры для MHJI3: Тр конф. -М. Металлургия, 1986. С. 62-75.

40. Dekkers R., Blanpain В., Wollants Р. е. t. с. A Morphological Comparison between Inclusions in Aluminium Killed Steels and Deposits in Submerged Entry Nozzle // Steel Research, 2003, v. 74, № 6, p. 351 -355.

41. Горбовский С. А., Казаков С. В., Ефимов С. В. и др. Предотвращение зарастания каналов сталеразливочных ковшей // Сталь. 2003 № 12 С. 16—18.

42. К.Х. Бауэр. Влияние раскисления на разливаемость стали / Непрерывное литье стали // Материалы международной конференции. Лондон. М.: Металлургия, 1982.

43. Предотвращение зарастания каналов сталеразливочных ковшей / Горбовский С. А., Казаков С. В., Ефимов С. В. и др. Сталь. - 2003. - № 12.

44. Процессы непрерывной разливки стали // Смирнов А. Н., Пилюшенко В. Л., Минаев А. А. и др. Донецк: ДонНТУ, 2002.

45. Катаока С. Развитие огнеупоров для сталеплавильного производства в Японии // Тайкабуцу. 1996. Т. 48. № 5. С. 212 227.

46. Виноградов С. В., Фетисов А. А., Жучков В. И. Улучшение качества и разливаемое™ металла путем совершенствования технологии его раскисления при внепечной обработке // Металлург. 2003. №10 С. 45 47.

47. Применение силикокальциевой порошковой проволоки в фирме «Топи индастриз, Лтд». Сборник трудов международного симпозиума по обработке стали кальцием // Исихара К., Суда О., Мацубара К. и др. Киев. ИЭС им. Е.О. Патона, 1989. -С. 88- 107.

48. Металлургические последствия усвоения кальция жидкой и затвердевшей сталью. Сборник трудов международного симпозиума по обработке стали кальцием // Туркдоган. Е. Т. Киев. ИЭС им. Е.О. Патона, 1989. - С. 19 - 44.

49. Dressel G. L. High carbon silicon-killed steels nozzle clogging // Iron and Steelmaking. 2003. № 12. p. 26 29.

50. Fuhr F., Cicutti C., Walter G. Relationship between nozzle deposits and inclusions composition in the continuous casting of steels // Iron and Steelmaking. 2003. № 12. p. 53 -58.

51. Клачков А. А., Еланский Д. Г., Кац Я. Л. и др. Результаты применения железокальциевой порошковой проволоки при внепечной обработке // Бюллетень «Черная металлургия». 2006. № 11. С. 43 46.

52. Внепечная обработка стали порошковой проволокой // Каблуковский А. Ф., Зинченко С. Д., Никулин А. Н. и др. М: Металлургиздат, 2006. - 288 с.

53. Головкова Е. Н., Котельников Г. И., Тостолуцкий А. А. и др. Анализ процессов рафинирования стали от коррозионно-активных неметаллических включений применительно к условиям ОАО «Тагмет» // Металлург 2005. № 5. С. 51 54.

54. Рафинирование стали инертным газом// Баканов К. И., Бармотин И. П., Власов Н. Н. и др. М: Металлургия, 1975. - 232 с.

55. Рафинирование стали синтетическими шлаками // Войнов С. Г., Шалимов А. Г., Косой J1. Ф. и др. М: Металлургия, 1970. - 461 с.

56. Гудим Ю. А., Зинуров И. Ю. Обработка основными шлаками при внепечном рафинировании металла и ее влияние на неметаллические включения в стали // Электрометаллургия. 2006. № 6. С. 5 11.

57. Шахпазов Е. X., Зайцев А. И., Зинченко С. Д. и др. К проблеме неметаллических включений в стали // Бюллетень «Черная металлургия». 2006 № 6. С. 43 47.

58. Мельник С. Г., Носоченко JI. С., Лепихов О. Б. Снижение содержания неметаллических включений в стали для толстолистового проката // Металлург. 2003. №8 С. 42-43.

59. Эндерс В. В., Якшук М. П., Гуляев В. В. Оптимизация технологии внепечной обработки высокоуглеродистой качественной стали с целью снижения содержания оксидных неметаллических включений // Металлург. 2003. №8 С. 42-43.

60. Казаков С. В., Гуненков В. Ю., Кушнерев И. В., Влияние внепечной обработки на количество неметаллических включений в стали // Бюллетень «Черная металлургия». 2006. № Ю. С. 37-40.

61. Бать, С. Ю., Андрианов Н. В., Дюдкин Д. А. и др. Развитие технологии внепечной обработки стали порошковыми проволоками на Белорусском металлургическом заводе // Бюллетень «Черная металлургия». 2006. № 9. С. 41 42.

62. Внепечная обработка стали // Поволоцкий Д. Я., Кудрин В. А., Вишкарев А. Ф. М.: МИСиС, 1995.-256 с

63. Scamarda A., Maccio G. Effect of calcium in Al-killed "clean" steels // 7 European Electric Steelmaking Conference, Venice, 26-29 May, 2002: Proceedings. Vol. 2 Milano, 2002,2/101-2/ 110.

64. Каваути Ю., Кадзусима M. и др. Технология обработки специальных сталей кальцием // Новости черной металлургии за рубежом. 1996. № 1. С. 64 — 66.

65. Зазян А. С. Управление количеством и составом неметаллических включений при проведении внепечной обработки высокоуглеродистой стали // Бюллетень «Черная металлургия». 2006. № 10. С. 40 44.

66. Павлов В. В., Данилов А. П., Козырев Н. А. и др. Освоение производства трубной заготовки из стали 20 в ОАО НКМК // Сталь. 2006. № 10. С 30 31.

67. Фарук С., Кодак А. В., Касьян Г. И. и др. Влияние внепечной обработки стали при выпуске ее из ДСП на качество металлопродукции // Сталь. 2006. № 2. С. 28 30.

68. Голубцов В. А., Шуб JI. Г., Усманов Р. Г. Внепечная обработка и модифицирование стали // Бюллетень «Черная металлургия». 2006. № 11. С. 47 51.

69. Beskow К., Jia J., Lupis С. Н. P. Chemical characteristics of inclusions formed at various stages during the ladle treatment, of steel // Ironmaking and Steelmaking. 2002, vol. 29, №6 p. 427-435.

70. Igarashi M. R&D of advanced heat-resistant steels for fossile fired power plantboilers and their future development // CAMP ISIJ. 2003, №16, p. 332-335.

71. Fujio A. R&D of high-strength 9 Cr heat resistant steels for 650 °C USC boilers // CAMP-ISIJ. 2003, №16, p. 320-323.

72. Пискаленко В. В., Целлермаер В. Я., Громов В. Е. Эволюция тонкой структуры котельной стали при эксплуатации // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2003. №6 С. 25-27.

73. Толстолуцкий А. А. Анализ и оптимизация технологии выплавки и внепечного рафинирования стали с использованием обобщенной термодинамической модели сталеплавильных процессов // Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. М.: 2004.

74. Григорян В.А., Белянчиков Л.Я., Стомахин А.Е., Теория электросталеплавильных процессов, М: Металлургия. 1987. - 256 с.

75. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, - 1988. - 288 с.

76. Рузинов Л.П., Гуляницкий Б.С. Равновесные превращения металлургических реакций. М.: Металлургия, - 1975. - 416 с.

77. Birks L. Electron probe microanalysis. 2 ed. Chem. Anal. N. Y.: Wiley, 1971, v. 17.190 p.

78. Браун Л., Треш X. В кн.: Приборы и методы физического металловедения. Вып. 2. М.: Мир, 1978. 656 с.

79. Кальнер В. Д., Зильберман А. Г. Практика микрозондовых методов исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. 214 с.

80. Б. А. Клыпин, А. 3. Меньшиков, А. Т. Рахштадт. Методы испытаний и исследований, т.— 1, кн.- 1.-М.: Металлургия, 1991. — 352 с.

81. А. А. Боровков. Математическая статистики: оценка параметров, проверка гипотез.- М.: Металлургия, 1984. 237 с.

82. Дж.Тейлор. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985. - 272 с.

83. Родионова И. Г., Бакланова О. Н., Филиппов Г. А. и др. Роль неметаллических включений в ускорении процессов локальной коррозии металлоизделий из углеродистых и низколегированных сталей // Металлург 2005. № 4. С. 58-61.

84. Родионова И. Г., Бакланова О. Н., Шаповалов Э. Т. и др. О методах оценки коррозионной стойкости углеродистых и низколегированных трубных сталей в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов // Металлург 2005. № 5. С. 44-50.

85. Голованов А. В., Меньшикова Г. А., Зинченко С. Д. и др. Освоение производства проката и труб из стали 20 — КСХ с гарантированной чистотой по коррозионно-активным неметаллическим включениям // Металлург 2005. № 6. С. 43 -48.

86. Wang Y., Valdez М., Sridhar S. Formation of CaS on A1203-Ca0 Inclusions during Solidification of Steels // Metallurgical and Materials Transactions B. 2002, vol. 33. № 8, p. 625 632.

87. Wang Y., Sridhar S. The Behavior of Al203-Ca0 Inclusions in Low-Carbon Al-Killed Steel During Solidification. Electric Furnace Conference Proceedings. The Iron and Steel Society.: San Antonio 2002, p. 275 285.

88. Levin E. M., Robbins C. R., McMurdie H. F. Phase Diagrams for Ceramists -Columbus: The American Ceramic Society, 1964. 601 p.

89. Scott R Story, Samuel M. Smith, Richard J. Fruehan, e.t.c. Application of Rapid inclusion Identification and Analysis // Iron and Steel Technology, 2005 № 9, p. 41 49.

90. Уманский А. А. Управление качеством заготовок углеродистых конструкционных кипящих сталей по ГОСТ 10702-78 методами математического моделирования // Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. Новокузнецк.: 2007.

91. К.Люпис. Химическая термодинамика материалов. М.: Металлургия, 1989.503 с.