Журнал «Сталь»  8/2011

Применение алюмошлаковых брикетов при внепечной обработке стали

на Ашинском металлургическом заводе

       На ОАО «Ашинский металлургический завод» при внепечной обработке сталей Ст3сп и 09Г2С на агрегате ковш-печь (АКП) для наведения рафинировочного шлака традиционно использовали шлакообразующую смесь: известь, плавиковый шпат, смесь гранулированная глиноземсодержащая (СГГ) и раскислители шлака, в качестве которых применяли гранулированный алюминий и так называемый «алюминиевый концентрат». СГГ содержит оксиды алюминия, кремния, кальция, алюминий металлический до 10 мас.% и оксиды щелочных металлов в сумме до 6 мас.%. Алюминиевый концентрат представляет собой твердошлаковые отходы переплава алюминиевых сплавов и содержит оксиды алюминия, кремния, кальция, а также хлориды щелочных металлов и металлический алюминий. Содержание металлического алюминия в разных партиях концентрата меняется от 7 до 45 мас.%., что нарушает стабильность процесса внепечной обработки, ведет к перерасходу гранулированного алюминия и силикокальция. Кроме того, применение алюминиевого концентрата и СГГ ухудшает санитарное состояние в рабочей зоне АКП – из-за испарения хлоридов наблюдается сильное задымление и пылевынос. Также значительно ухудшается работа системы газоочистки АКП.

       Цель данной работы - улучшение технологических характеристик рафинировочного шлака, повышение стабильности результатов десульфурации и улучшение санитарного состояния воздуха в рабочей зоне АКП. Авторами статьи предложена шлакообразующая добавка – алюмошлаковый брикет (АШБ), – вместо СГГ, алюминиевого концентрата и гранулированного алюминия. Основу алюмошлакового брикета составляют оксидные отходы техногенного характера и измельченные отходы металлических алюминийсодержащих материалов. Состав брикетов по основным компонентам в соответствии с ТУ 17 1311-043-31178039-2008, мас.%: 15–30 CaO; 15–35 Al₂O₃; 15–25 SiO₂; 2–8 MgO; 15–20 Al металлический. Брикет содержит небольшое количество технологических добавок и аналог жидкостекольного связующего на водной основе. Прочность брикетов на раздавливание составляет 195 кгс/брикет (по ГОСТ 21289-75), что обеспечивает механическую целостность брикетов и отсутствие мелочи и пыли при перегрузках и транспортировке. Влагопоглощение при хранении в условиях 100 %-ой влажности не превышает 2,0–2,5 %, при этом механическая прочность брикетов сохраняется. В лабораторных условиях методом дифференциального термического анализа установлено, что при нагреве брикет плавится в широком интервале температур от 1050 до 1300 °С, что объясняется многокомпонентным минеральным составом брикета. Для сравнения: плавиковый шпат плавится в интервале температур 1370-1420 °С.

       Таким образом, АШБ совместно с плавиковым шпатом создают легкоплавкий первичный шлак, в котором затем растворяется известь, и формируется конечный рафинировочный шлак. Металлический алюминий поддерживает шлак в постоянно раскисленном состоянии.

       В течение 2009 года на АКП проведено более 5000 плавок с заменой СГГ и алюминиевого концентрата на АШБ. Сталь плавили в мартеновской печи, сливали в ковш и передавали на АКП. Рафинировочный шлак формировали порционными добавками плавикового шпата, АШБ и извести в течение всего периода обработки плавки на АКП. Металл продували аргоном через днище ковша, нагревали и по ходу обработки отбирали пробы металла на химанализ и измеряли его температуру. Длительность обработки в основном определялась достижением остаточной концентрации серы в стали в пределах 0,025-0,005 мас.%, после чего ковш передавали на разливочный стенд МНЛЗ, где отбирали конечные пробы металла и шлака.

       Установлено, что составы шлака плавок с АШБ и сравнительных плавок с алюминиевым концентратом и СГГ практически одинаковы (табл.1), в плавках с АШБ чуть больше основность шлака и его раскисленность.

Таблица 1

Химический состав шлаков опытных и сравнительных плавок

по основным компонентам (среднеарифметические значения)

       Из сопоставления технологических параметров сравниваемых вариантов обработок стали (табл. 2) следует, что при одинаковом конечном содержании серы в металле применение АШБ позволило значительно снизить расход извести и плавикового шпата. На опытных плавках сократилась длительность обработки стали и снизился расход электроэнергии. Замена СГГ и алюминиевого концентрата на АШБ привела к резкому уменьшению содержания хлоридов в шлаках - в среднем от 0,108 до 0,0062 мас.% Cl. В результате значительно снизилось дымовыделение из-под свода АКП и пылевынос в систему газоочистки.

За счет снижения расхода плавикого шпата и общего количества шлака на плавках с АШБ снизилось агрессивное воздействие рафинировочного шлака на огнеупоры шлакового пояса сталеразливочного ковша. Это подтверждается снижением фактического расхода ковшевых огнеупоров: в 2009 году расход огнеупоров уменьшился на 10,8% на тонну стали по сравнению с 2008г.

Таблица 2

Средние технологические параметры опытных и сравнительных плавок

*⁾ - из расчета 20 мас.% Al в АШБ и 20 мас.% Al в алюминиевом концентрате

       В улучшении технологических параметров опытных плавок и повышении стабильности результатов обработки, на наш взгляд, лежат три основные причины.

       Первая причина - созданы условия для быстрого формирования жидкого рафинировочного шлака. Сталь приходит на обработку с температурой, близкой к температуре начала затвердевания - около 1525 °С. Чем раньше при более низких температурах сформируется рафинировочный шлак, тем эффективнее процесс нагрева и обработки металла. Как отмечалось ранее, АШБ совместно с плавиковым шпатом уже при 1300-1400 °С дают жидкий первичный шлак, в котором затем растворяется известь и формируется активный рафинировочный шлак. Связь между температурой и снижением концентрации серы в металле выявляется однозначно (рис.1) - чем выше температура металла, тем активнее шлак, тем быстрее идет десульфурация. На рис.1.а) показано, что нагреву металла с постоянной скоростью 1,7 °С/мин соответствует линейное снижение концентрации серы также с постоянной скоростью 0,91×10^-3 мас.% S/мин. На рис.1.б) нелинейное увеличение скорости нагрева ведет к нелинейному росту скорости десульфурации от 0,30×10^-3 до 1,40×10^-3 мас.% S/мин. На рис.1.в) отражена ситуация, когда по техническим причинам температуру металла не увеличивали в течение 80 минут, при этом десульфурации металла практически не было. Быстрый нагрев в течение последующих 30 минут сопровождался успешной десульфурацией с высокой скоростью 1,25×10^-3 мас.% S/мин.

                             а)                                           б)                                                    в)

Рис.1. Связь увеличения температуры металла с уменьшением концентрации серы в стали при внепечной обработке стали с применением АШБ (пояснения в тексте)

       Вторая причина - рафинировочный шлак постоянно находится в раскисленном состоянии. На рис.2 приведены данные, подтверждающие связь раскисленности шлака (по остаточному содержанию железа в шлаке) с показателями десульфурации. При уменьшении концентрации железа в шлаке (Fe)_шлак менее 1 мас.% концентрационный коэффициент распределения серы между шлаком и металлом L = (S)_шлак/[S]_ме возрастает от 40 до 140, а зависимость имеет обратнопропорциональный характер: L = 56,0/(Fe)_шлак. При этом отсутствует влияние основности шлака CaO/SiO₂ в диапазоне от 3,0 до 3,6 на показатели десульфурации.

Рис.2. Влияние остаточного содержания железа в шлаке на коэффициент распределения серы между шлаком и металлом при внепечной обработке с применением АШБ.

Третья причина – снижение количества шлакообразующих и ускорение процесса нагрева металла и шлака.

Выводы.

       1. Изменена штатная технология обработки стали.

       2. Применение алюмошлаковых брикетов вместо алюминиевого концентрата и СГГ для наведения рафинировочного шлака при внепечной обработке стали на АКП способствует:

       – повышению десульфурирующей способности шлака;

       – ускоренному наведению рафинировочного шлака, тем самым позволяет быстрее изолировать горение дуги и стабилизировать электрический режим плавки;

       – уменьшению длительности обработки стали;

       – снижению расхода шлакообразующих материалов и электроэнергии.

       3. Применение АШБ способствует увеличению стойкости футеровки шлакового пояса ковшей и снижению расхода ковшевых огнеупоров.

4. Применение алюмошлаковых брикетов вместо алюминиевого концентрата и СГГ улучшает санитарное состояние воздуха в рабочей зоне агрегата внепечной обработки.