СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОСФОРАЦИИ СТАЛИ В ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты совершенствования технологии выплавки стали в индукционных тигельных печах, процесс удаления фосфора из металла с использованием твердых шлаковых смесей. Показано влияние температуры металла на содержания фосфора в металле и шлаке, а также на коэффициент распределения фосфора. Проведен сравнительный анализ теоретических расчетов с экспериментальными результатами.

ABSTRACT

The paper presents the results of improving the technology of steel smelting in induction crucible furnaces, the process of removing phosphorus from metal using solid slag mixtures. The effect of metal temperature on the phosphorus content in metal and slag, as well as on the distribution coefficient of phosphorus, is shown. A comparative analysis of theoretical calculations with experimental results has been carried out.

Ключевые слова: дефосфорация, индукционная тигельная печь, шихта, фосфор, сера, температура.

Keywords: dephosphorization, induction crucible furnace, charge, phosphorus, sulfur, temperature.

В процессе производства стали, роль шлака является одним из определяющих факторов. Удаление из металла фосфора основано на переводе его из состава металла в шлак. Изменяя состав, количество и температуру шлака, можно влиять на процесс дефосфорации металла. Получение шлака необходимого состава, обладающего соответствующими физико-химическими свойствами, является одной из важных задач при выплавке стали.

Процесс удаления фосфора в дуговых сталеплавильных печах происходит в конце периода расплавления и при обезуглероживании расплава, а в конвертере этот процесс начинается сразу после начала продувки, что объясняется быстрым началом формирования окислительного шлака. В индукционных тигельных печах (ИТП) это не является основной задачей, так как эти печи предназначены для расплавления и нагрева металла.

Обычно шлаки в ИТП не выполняют таких функций, как окисление и дефосфорация. В процессе плавки металла в печи образуются шлаки в ре­зультате окисления компонентов шихты и футеровочных материалов тигля. Эти шлаки обычно удаляют в конце плавки и добавляют твердые шлакообразующие смеси из боя стекла и кварцевого песка для кислых печей, из свежеобожженной извести и плавикового шпата – для печей с основной футеровкой. Основными функциями этих шлаков являются защита жидкого металла от взаимодействия с атмосферой и уменьшение потери энергии, излучаемой поверхностью зеркала металла.

Шлаки как рафинирующая фаза в процессе плавки металла в ИТП до настоящего времени не нашли широкого применения в металлургической практике. Это обусловлено малой реакционной способностью шлаков, разогрев которых происходит только в зоне контакта с поверхностью металла, и охлаждением шлаков футеровкой тигля. В ИТП предъявляют повышенное требование к металлошихте по содержанию фосфора.

О назначении шлака, образующегося в ИТП, существуют разные мнения: одни авторы считают, что роль шлака в ИТП нейтральна к процессам рафинирования [1]; другие считают, что шлак может участвовать в процессе рафинирования [2; 4–6].

При создании определенных условий возможно эффективное использование шлаков для дефосфорации металла.

По сравнению с вышеприведенными методами нами предлагается технология, отличающаяся применением твердых шлаковых смесей (ТШС) для снижения содержания фосфора в металле.

Вредное влияние фосфора наблюдается в зернограничной хрупкости, которое снижает ударную вязкость, но в разных марках сталей фосфор себя проявляет по-разному. В низкоуглеродистой стали происходит охрупчивание в зоне сварки, при хладноломкости из-за сегрегации излом зернограничный, а не по объему зерна. В агрессивных средах фосфор усиливает водородную хрупкость. Фосфор, содержащийся в стали, упрочняет ее и повышает сопротивление атмосферной коррозии. Однако чаще всего он оказывает отрицательное влияние на качество стали. В связи с этим требования по содержанию фосфора в качественных сталях постоянно повышаются. В настоящее время считают, что фосфор оказывает отрицательное влияние при содержании более 0,005% [3].

При плавке металла процесс дефосфорации наиболее благоприятен в период расплавления шихты, характеризующийся низкой температурой металла. Снижения содержания фосфора в металле можно добиться путем его окисления и перевода в шлак. Компонентом шлака для понижения активности продуктов реакции и образования с пентаоксидом фосфора (P₂O₅) прочных фосфатов является известь (CaO). Поэтому удаление фосфора в стали в печах проводят с высоким содержанием извести в шлаке. Уравнение реакции удаления фосфора из металла имеет следующий вид:

Экспериментальные данные о равновесии реакции, полученные Уинклером и Чипманом, имеют следующий вид:

где X_(СaО)' представляет мольную долю «свободной» СаО (не связанную в соединения с кислотными оксидами):.

Анализ влияния температуры на константу равновесия реакции показывает, что с увеличением температуры реакции константа уменьшается, т.е. процесс дефосфорации протекает хуже (значение энтальпии реакции (∆H) равно –76600 Дж/моль, реакция идет с выделением тепла).

Удаление фосфора в металле по упрощенной реакции окисления описывается следующим уравнением

Выражение логарифма константы равновесия имеет вид:

Важнейшим параметром дефосфорации является коэффициент распределения фосфора (L_P) между шлаком и металлом. Чем больше коэффициент распределения, тем большее количество фосфора перейдет в шлак. После преобразования выражения (4) можно получить формулу для равновесного значения коэффициента распределения фосфора между металлом и шлаком:

Из приведенных реакций (1) и (3) видно, что для повышения полноты протекания процесса дефосфорации необходимо иметь повышенное содержание оксидов железа и кальция в шлаке. Рекомендуемое отношение (СаО)/(FeO) около 2–4 (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость коэффициента распределения L_P от основности и % FeO (цифры у кривых – основность шлака В = (%CaO)/(%SiO₂))

Проведено исследование процесса рафинирования стали от фосфора с использованием твердых шлаковых смесей в ИТП вместимостью 6 т.

Для ускорения процесса окисления после расплавления каждой порции шихты в печь загружали металлический лом с твердыми шлаковыми смесями, состоящий из железорудного концентрата, извести и плавикого шпата.

Для улучшения взаимодействия между металлом и шлаком был увеличен уровень жидкого металла выше верхнего витка индуктора, что позволило уменьшить мениск зеркала ванны и тем самым уменьшить возможность «сползания» шлака к стенке тигля.

Толщина шлака массой 202 кг и плотности 3400 кг/м³ составляла примерно 9 см при внутреннем диаметре тигля 920 мм.

В производственных условиях проведено исследование влияния температуры ванны на процесс дефосфорации при выплавке стали марки 20ГЛ. При этом температуру расплава изменяли в пределах от 1525 до 1650 ℃ и после выдержки в течение 5 мин отбирали пробу металла на полный химический анализ (таблицы 1–3). При этом масса металла и шлака составляла 6250 и 200 кг соответственно.

Таблица 1.

Химический состав металла на конец периода расплавления

Таблица 2.

Химический состав шлака на конец периода расплавления

Таблица 3.

Влияние температуры металла на содержания фосфора в шлаке и в металле

На рис. 2 и 3 представлены влияние температуры металла на содержание фосфора в металле, в шлаке и коэффициент распределения фосфора между шлаком и металлом.

Рисунок 2. Влияние температуры металла на содержание фосфора в металле и в шлаке (экспериментальные точки содержания фосфора:

 – в металле;  – в шлаке)

Рисунок 3. Влияние температуры металла на коэффициент распределения фосфора (штриховая линия – расчетные данные)

Как видно из рис. 2 и 3, с увеличением температуры металла содержание фосфора в металле возрастает, в шлаке снижается, а коэффициент распределения фосфора уменьшается. Наилучшие результаты были получены при температуре 1525 ℃. При этой температуре скачивание шлака приводило металл к замораживанию на стенке тигля, поэтому такую технологическую операцию, как удаление шлака, целесообразно проводить при температуре выше этой температуры.

Заключение. Таким образом, при соблюдении условий подбора состава специальных шлаков, придании им активности при взаимодействии с металлической ванной, например уменьшение высоты мениска, можно добиться существенной дефосфорации стали. Данный технологический прием широко используется в промышленных условиях.

Список литературы:

1. Бигеев А.М., Бигеев В.А. Теория и технология плавки стали. – Магнитогорск : МГТУ, 2000. – 544 с.
2. Егоров А.В. Электрометаллургия стали и спецэлектрометаллургия. Электроплавильные печи черной металлургии. – М. : МИСиС, 2007. – 428 c.
3. Лунев В.В., Аверин В.В. Сера и фосфор в стали. – М. : Металлургия, 1988. – 256 с.
4. Турсунов Н.К., Семин А.Е., Саидирахимов А.А. Теоретический и экспериментальный анализ процесса перевода индукционной тигельной печи из разряда переплавной установки в активный рафинирующий сталеплавильный агрегат // Физико-химические основы металлургических процессов. – 2017. – С. 62.
5. Турсунов Н.К., Семин А.Е., Санокулов Э.А. Исследование в лабораторных условиях и индукционной тигельной печи вместимостью 6 тонн режимов рафинирования стали 20ГЛ с целью повышения ее качества // Тяжелое машиностроение. – 2017. – № 1–2. – С. 47–54.
6. Турсунов Н.К., Семин А.Е., Санокулов Э.А. Исследование процессов дефосфорации и десульфурации при выплавке стали 20ГЛ в индукционной тигельной печи с дальнейшей обработкой в ковше с использованием редкоземельных металлов // Черные металлы. – 2017. – № 1. – С. 33–40.
7. Using of exothermic inserts in the large steel castings production of a particularly / O.T. Toirov, N.Q. Tursunov, D.I. Nigmatova, L.A. Qo’chqorov // Web of Scientist: International Scientific Research Journal. – 2022. – № 3 (1). – P. 250–256.