СПОСОБ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ СТАЛЬНОГО РАСПЛАВА Российский патент 1999 года по МПК C21C7/68 C21C5/30 

Изобретение относится к способу обезуглероживания стального расплава для производства сталей с высоким содержанием хрома при продувке кислородом, в котором скорость обезуглероживания непрерывно измеряют и, в зависимости от замеренных значений, регулируют количество вдуваемого кислорода, причем скорость обезуглероживания определяют на основе содержания CO или CO₂ в отходящем газе и потока отходящего газа.

Из DE 33 11 232 C2 известен способ обезуглероживания стального расплава, в котором на основе теоретической модели, описывающей ход обезуглероживания в расплаве стали, рассчитывают параметры процесса, на основе которых следует управлять процессом обезуглероживания. При этом в расплав вдувают кислород и разбавляющий газ и регулируют вдуваемое количество в соответствии с ходом обезуглероживания с помощью регулируемых средств контроля за потоком газа. Регулирование вдуваемого количества осуществляется таким образом, что величина обезуглероживания и содержание кислорода в расплаве во время процесса расплавления рассчитывают на основе модели и сравнивают с заданными значениями. В тот момент, когда рассчитанное и заданное значение не совпадают, изменяют заранее определенным образом содержание разбавляющего газа и количество газа, вдуваемого в расплав. Таким образом, в способе осуществляют сравнение параметров, введенных в модель, то есть в вычислительную программу, и действительных параметров и путей сравнения заданных параметров, а также зарегистрированных фактических значений предпринимают такое управление процессом обезуглероживания, чтобы фактическое течение процесса как можно больше соответствовало процессу, заложенному в вычислительную машину. С помощью этого способа обезуглероживания, управляемого вычислительной машиной, можно точно управлять процессом обезуглероживания.

Хотя этот способ подходит для обезуглероживания стального расплава, однако этот способ на основе применяемой модели не позволяет точно определить момент достижения точки перехода от реакции обезуглероживания к окислению металла.

Следствием этого является повышенная потеря хрома, и поэтому дополнительно необходимое количество восстановителей, например феррокремния и извести в качестве основных нейтрализаторов содержания кремния в шкале, а также не в последнюю очередь уменьшенная стойкость емкости или конвертера.

Задачей изобретения является такое точное управление обезуглероживанием расплава стали для производства сталей с высоким содержанием хрома вдуванием кислорода в расплав, чтобы предотвратить нежелательное окисление хрома и вместе с тем обеспечить высокое обезуглероживание расплава и минимальное ошлакование металла.

Решение этой задачи в способе согласно изобретению отличается признаками, содержащимися в пункте 1 формулы изобретения. Отличительные признаки пунктов 2-3 формулы изобретения позволяют предпочтительным образом усовершенствовать способ.

Согласно изобретению с помощью вычислительной машины на основе замеренных или заданных значений рассчитывают следующие параметры регулирования: продолжительность фазы окисления Al-Si к началу процесса обезуглероживания, продолжительность непосредственно примыкающей к фазе окисления Al-Si фазы основного обезуглероживания, вплоть до достижения точки перехода от реакции обезуглероживания к окислению металла, скорость обезуглероживания в основной фазе обезуглероживания, причем скорость обезуглероживания определяется содержанием CO или CO₂ в отходящем газе и потоком отходящего газа.

Способ осуществляется таким образом, что вдуваемое количество кислорода, непосредственно следующее за фазой окисления Al-Si, ускоренно доводится до такого уровня, чтобы установилась рассчитанная скорость обезуглероживания. В последующем скорость обезуглероживания, преимущественно, поддерживается постоянной в течение фазы основного обезуглероживания за счет изменения вдуваемого количества кислорода. В посткритической фазе, следующей непосредственно за основной фазой обезуглероживания, вдуваемое количество кислорода непрерывно уменьшают таким образом, что скорость обезуглероживания непрерывно по времени уменьшается с заданной постоянной времени.

За счет этого при заданных условиях достигается максимальное обезуглероживание и минимально ошлакование металла, в частности, минимальное нежелательное окисление хрома. Способ согласно изобретению производства сталей с высоким содержанием хрома позволяет использовать тот факт, что в ходе процесса достигается критическое состояние обезуглероживания, то есть точка перехода от реакции обезуглероживания к окислению металла, которая может быть достаточно точно рассчитана заранее с помощью специальной модели, и оптимальное проведение процесса зависит от своевременного выявления этого состояния, после перехода за которое окисление металла, в частности окисление хрома в расплаве, улучшается за счет уменьшения реакции обезуглероживания.

Только определение критического состояния обезуглероживания обеспечивает при проведении процесса возможность предсказаний временного протекания процесса. При известности данных об исходном металле, в частности химического состава, температуры и веса, и задании желаемых окончательных данных в той же форме, как и начальные данные расплава, с помощью модели можно заранее рассчитать важнейшие технологические параметры регулирования хода процесса.

Конкретное выполнение модели для определения критического состояния обезуглероживания позволяет определить продолжительность фазы t_Al-Si окисления Al-Si, продолжительность основной фазы обезуглероживания Δt_kr и скорость обезуглероживания в основной фазе обезуглероживания, что описывается уравнениями (1)-(5). Эта модель исходит из того, что во время основной фазы обезуглероживания имеется, приблизительно, постоянная скорость обезуглероживания, переходящая после достижения точки перехода от реакции обезуглероживания к окислению металла в непосредственно примыкающую посткритическую фазу. При этом подвод кислорода, умноженный на КПД кислородподводящей трубки, является постоянным в фазе основного обезуглероживания.

Очень небольшое выгорание хрома достигается за счет того, что при уменьшающейся скорости обезуглероживания непрерывно по времени уменьшается подвод кислорода на основе постоянной времени τ_kr, рассчитанной посредством уравнений (1) - (5).

Управление очень просто можно реализовать путем вдувания кислорода с помощью регулируемых средств контроля за протеканием газа.

При осуществлении способа обезуглероживания предусмотрено, что для продолжительности фазы окисления Al-Si количество вдуваемого кислорода следует отрегулировать на заранее определенное значение, чтобы не превысить определенного уровня вспенивания шлака.

Ниже изобретение поясняется более подробно на примере осуществления, показанном на чертеже.

На фиг. 1 показана клиническая кинетика обезуглероживания в модели, взятой за основу, и
фиг. 2 - кислородный баланс в кинетике обезуглероживания по фиг. 1.

На фиг. 1 схематически показана кинетика обезуглероживания модели, взятой за основу. При этом по оси y откладывается скорость обезуглероживания, а по оси x - содержание углерода в расплаве. Фаза основного обезуглероживания характеризуется, как это показано на фиг. 1, постоянной скоростью обезуглероживания, которая, после достижения критической точки перехода от реакции обезуглероживания к окислению металла, непрерывно переходит в посткритическую фазу. С этой точки зрения критическая точка перехода относится как к фазе основного обезуглероживания, так и к посткритической фазе. В соответствии с этим, для обеих фаз действующая различная кинетика реакции обезуглероживания одинакова, то есть:
ΔC_kr/Δt_kr= C_kr/τ_kr, (1)
где ΔC_kr - выгорание углерода до критической точки в %,
Δt_kr - продолжительность фазы основного обезуглероживания,
C_kr - критическое содержание углерода в %,
τ_kr - постоянная времени рабочей реакции в мин.

Собственно обезуглероживание происходит во время фазы основного обезуглероживания, то есть после выгорания Al, Si, вплоть до достижения критической точки перехода. Параллельно с окислением углерода происходит, известным образом, окисление металла, прежде всего хрома, марганца и железа. Отсюда кислородный баланс определяется следующим уравнением:
ΔO_2,c+ΔO_2,Mе= η_н•Q_02,н•Δt_kr, (2)
где ΔQ_2,c - потребность в кислороде для выгорания углерода, вплоть до критической точки в Нм³/мин.

ΔO_2,Mе - потребность в кислороде для выгорания металла, вплоть до критической точки в Нм³/мин.

η_н - КПД кислородного баланса в фазе основного обезуглероживания
Q_02,H - количество выдуваемого кислорода в фазе основного обезуглероживания, в Нм³/мин.

Энергетический баланс расплава выглядит таким образом, что мгновенное содержание энергии расплава складывается из начального содержания энергии исходного металла и накопленной энергии, которая равна разности между подводом энергии и потерей энергии. Далее, исходя из того, что заданная температура расплава, достигнутая однажды в критической точке, лишь немного повышается во время дальнейшей обработки в посткритической фазе. На этом предположении основано предлагаемое управление процессом, в котором во время посткритической фазы еще происходит лишь незначительное ошлакование хрома. Выделение энергии при выгорании углерода и хрома компенсируется, по большей части, происходящими потерями энергии. Энергетический баланс можно представить таким образом:
(3)
где G_A - вес расплава, в кг
ΔSi - выгорание Si с Пост.1=25-40 K/0,1% выгорания Si
ΔAl - выгорание Al с Пост.2=25-45 K/0,1% выгорания Al
ΔC_kr - выгорание C с Пост.3=5-20 K/0,1% выгорания C и λ часть (Пост.4= 20-40) дожигания CO
ΔCr_kr - выгорание Cr с Пост.5=5-20 K/0,1% выгорания Cr
ΔFe_kr - выгорание Fe с Пост.6=1-10 K/0,1% выгорания Fe
ΔMn_kr - выгорание Mn с Пост.7=5-20 K/0,1% выгорания Mn
CTP - удельная теплоемкость расплава в кВтч/К/т
λ - содержание CO в отходящих газах после дожигания в котле,
CGP - удельная теплоемкость выделяющегося газа в кВтч/Нм³/К
Q_Ar,Al;Si, Q_Ar,H - расход инертного газа в фазе окисления Al-Si и в фазе основного обезуглероживания соответственно в Нм³/мин,
ΔAl-Si - продолжительность фазы окисления Al-Si,
CWP - удельная теплоемкость охлаждающей воды в кВтч/л/К
ΔTw - разница температур охлаждающей воды: вход/выход в К
ΔQw - средний поток охлаждающей воды в л/мин.

CSP - мощность излучения стенок, в кВт
Gi - подача "i", в кг
Ci - энтальпия сплава, в кВтч/т
T₀ - температура исходного металла, в ^oC.

ΔT_зад - заданный рост температуры расплава в критической точке, в ^oC.

Правая сторона управления (3) энергетического баланса имеет несколько членов с положительным знаком, которые определяются тепловой энергией, выделяющейся при выгорании металла (окисление металла). Интенсивность выгорания металла для отдельных металлов характеризуется постоянными от Пост.1 до Пост.7. При этом речь идет о типичных параметрах плавильной печи и расплава. Члены уравнения (3) с отрицательным знаком относятся к потерям энергии при отводе отходящего газа, на водоохлаждение, теплоизлучение и потребность в энергии на расплавление сплавов и шлаков.

Взаимосвязь температур, относящихся к процессу, получается из уравнения:
ΔT_зад= T_skr-T_o (4)
где T_skr - заданная температура расплава в критической точке, в ^oC
ΔT_зад - заданный рост температуры расплава в критической точке, в ^oC
T₀ - температура расплава в начале обработки, в ^oC
Существенный параметр, получающийся при решении системы уравнений (1), (2) и (3), представляет собой критическое выгорание углерода ΔC_kr. Вместе с ним получают критическое содержание углерода ΔC_kr, которое представляет собой содержание углерода в точке перехода расплава согласно фиг.1 из следующего уравнения:
C_kr= C_A-ΔC_kr (6)
где C_A - начальное содержание углерода в расплаве.

Скорость обезуглероживания можно рассчитать с учетом следующего уравнения согласно фиг.1:
(-dC/dt) = ΔC_kr/Δt_kr= C_kr/τ_kr (5) (5)
Дополнительно к критическому содержанию углерода C_kr при решении системы уравнений (1) - (4) получают очень важные, с точки зрения технологии регулирования, время процесса t_kr и t_Al-Si. В качестве четвертого неизвестного в системе уравнений является параметр

Если ввести это значение в уравнение (4), получают T_Skr - заданную температуру расплава в критической точке.

Модель для определения критического состояния обезуглероживания однозначно описывается уравнениями (1) - (5) и позволяет сделать это для параметров регулирования, относящихся к процессу обезуглероживания: продолжительность фазы окисления Al-Si Δt_Al-Si, продолжительность фазы основного обезуглероживания t_kr и скорость обезуглероживания следует определять в фазе основного обезуглероживания.

Проведение способа обезуглероживания осуществляется таким образом, что к началу обезуглероживания с помощью уравнений (1) - (5) рассчитывают относительные параметры управления. Дальнейший ход процесса схематически показан на фиг. 2. В фазе окисления Al-Si устанавливается предварительно определенный поток кислорода, предварительно определенный поток инертного газа (например, аргона) и подается через расплав. При этом заданные значения лежат в диапазоне, в котором не превышаются значения, допустимые для пенообразования металлических шлаков. Непосредственно вслед за фазой окисления Al-Si отключается подвод инертного газа, и подводимое количество кислорода ускоренно увеличивается до рассчитанной для фазы основного обезуглероживания скорости обезуглероживания, которое определяется содержанием CO и CO₂ в отходящем газе и потоком отходящего газа. Эта скорость обезуглероживания поддерживается, преимущественно, постоянной путем регулирования подвода кислорода во время фазы основного обезуглероживания. При достижении критической точки перехода t_kr уменьшается количество подводимого кислорода, пропорционально по времени с постоянной времени t_kr.

Особенность изобретения заключается в определенной компенсации химических элементов в металлической ванне, температуре металлической ванны в критической точке и моменте времени ее возникновения. В критической точке перехода рассчитываются, кроме того, химико-термодинамические соотношения химических реакций, происходящих в металлической ванне. Течение этих реакций действует оптимально в отношении максимального мгновенного обезуглероживания и минимального ошлакования металлов. Оптимальное течение реакций сохраняется в посткритической фазе обезуглероживания за счет того, что параметры процесса, рассчитанные на основе модели для критической точки перехода, привлекаются с целью управления посткритической фазой, благодаря чему могут значительно уменьшаться нежелательное окисление хрома, расход кислорода и расход восстановителей, прежде всего, кремния. Так же, как и во время фазы основного обезуглероживания, через скорость обезуглероживания осуществляется регулирование количества протекающего кислорода.

Определение с помощью модели критического состояния позволяет, кроме того, уточнить оптимальные входные данные расплава. Возможность использования способа распространяться, в принципе, на все процессы, происходящие при пониженном воздействии углерода на окисление хрома. Сюда относятся, как процессы вакуумного фришивания (VOD), так и конверторные процессы AOD (Argon Oxiden Decarburrzation) со всеми техническими модификациями.

Изобретение относится к способу обезуглероживания стального расплава для производства сталей с высоким содержанием хрома продувкой кислородом. Способ включает непрерывное измерение скорости обезуглероживания расплава стали. В зависимости от замеренных значений регулируют количество вдуваемого кислорода. Предварительно рассчитывают следующие параметры регулирования: продолжительность фазы окисления Al - Si к началу процесса обезуглероживания; продолжительность фазы основного обезуглероживания, следующей непосредственно за фазой окисления Аl - Si вплоть до достижения точки перехода от реакции обезуглероживания до окисления металлов, и скорость обезуглероживания во время фазы основного обезуглероживания. Количество вдуваемого кислорода непосредственно после фазы окисления Al - Si ускоренно увеличивают до такого количества кислорода в фазе основного обезуглероживания, пока не установится расчетная скорость обезуглероживания во время фазы основного обезуглероживания. Скорость обезуглероживания поддерживают преимущественно постоянной в течение фазы основного обезуглероживания за счет изменения количества вдуваемого кислорода. Непосредственно за фазой основного обезуглероживания количество вдуваемого кислорода непрерывно уменьшают таким образом, что скорость обезуглероживания непрерывно по времени уменьшается с заданной постоянной времени. Приведены расчетные формулы, позволяющие осуществить регулирование параметров способа. Изобретение позволяет обеспечить точное управление процессом обезуглероживания расплава стали с высоким содержанием хрома вдуванием кислорода в расплав и предотвратить нежелательное окисление хрома при достижении высокого обезуглероживания расплава и минимального ошлакования металла. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ обезуглероживания стального расплава для производства сталей с высоким содержанием хрома, включающий продувку расплава кислородом и инертным газом, регулирование процесса его обезуглероживания на основании предварительно рассчитанных технологических параметров, непрерывное измерение скорости обезуглероживания расплава, в том числе по ходу фазы окисления кремния и других металлических компонентов расплава и последующей фазы его основного обезуглероживания, и в зависимости от ее замеренных значений регулирование количества вдуваемого в расплав кислорода до установления расчетной скорости обезуглероживания, отличающийся тем, что рассчитывают следующие параметры регулирования: продолжительность фазы окисления Al-Si к началу процесса обезуглероживания, продолжительность непосредственно следующей за ней фазы основного обезуглероживания вплоть до достижения критической точки перехода от реакции обезуглероживания до окисления металлических компонентов расплава, при этом скорость обезуглероживания во время фазы основного обезуглероживания определяют по содержанию СО или СО₂ в отходящем газе и его потоку, причем непосредственно после фазы окисления Al-Si в фазе основного обезуглероживания ускоренно увеличивают количество вдуваемого кислорода до установления расчетной скорости обезуглероживания во время фазы основного обезуглероживания, в течение которой скорость обезуглероживания поддерживают, преимущественно, постоянной за счет изменения количества вдуваемого кислорода, а непосредственно за фазой основного обезуглероживания количество вдуваемого кислорода непрерывно уменьшают таким образом, что скорость обезуглероживания непрерывно по времени уменьшается с заданной постоянной времени. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что продолжительность фазы окисления Δt Al-Si, продолжительность фазы основного обезуглероживания Δt_kr и скорость обезуглероживания в фазе основного обезуглероживания определяют по следующим уравнениям:
ΔC_kr/Δt_kr= C_kr/τ_kr,
где ΔC_kr - выгорание углерода до критической точки, %;
Δt_kr - продолжительность фазы основного обезуглероживания,
C_kr - критическое содержание углерода, %;
τ_kr - постоянная времени рабочей реакции, мин,
ΔO_2,c+ΔO_2,ме= η_н•Q_02,н•Δt_kr,
где
ΔQ_2,c - потребность в кислороде для выгорания углерода, вплоть до критической точки, в Нм³/мин,
ΔO_2,ме - потребность в кислороде для выгорания металла вплоть до критической точки, в Нм³/мин;
η_н - КПД кислородного баланса в фазе основного обезуглероживания;
Q_02,H количество вдуваемого кислорода в фазе основного обезуглероживания, в Нм³/мин;

где G_A - вес расплава, кг;
ΔSi - выгорание Si с Пост. 1=25-40 К/0,1% выгорания Si;
ΔAl - выгорание Аl с Пост. 2=25-45 К/0,1% выгорания Аl;
ΔC_kr - выгорание С с Пост. 3=5-20 К/0,1% выгорания С и λ часть (Пост. 4= 20-40) дожигания СО;
ΔCr_kr - выгорание Cr с Пост. 5=5-20 К/0,1% выгораниях Cr;
ΔFe_kr - выгорание Fe с Пост. 6=1-10 К/0,1% выгорания Fe;
ΔMn_kr - выгорание Мn с Пост. 7=5-20 К/0,1% выгорания Mn;
СТР - удельная теплоемкость расплава, кВтч/К/т;
λ - содержание СО в отходящих газах после дожигания в котле;
CGP - удельная теплоемкость выделяющегося газа в кВтч/Нм³/К;
Q_Ar,Al-Si, Q_Ar,H - расход инертного газа в фазе окисления Al-Si и в фазе основного обезуглероживания соответственно, Нм³/мин;
ΔtAl-Si - - продолжительность фазы окисления Al-Si;
CWP - удельная теплоемкость охлаждающей воды, кВтч/л/К;
ΔTw - разница температур охлаждающей воды: вход/выход, К;
ΔQw - средний расход охлаждающей воды, л/мин;
CSP - мощность излучения стенок, кВт;
G_i - подача "i", кг;
C_i - энтальпия расплава, кВтч/т;
T_o - температура расплава в начале обработки, °С;
ΔT_зад - заданный рост температуры расплава в критической точке, °С, причем
ΔT_зад=T_skr - T_o,
где T_skr - заданная температура расплава в критической точке, °С,
а скорость обезуглероживания определяют из следующего уравнения:
(-dc/dt) = ΔC_kr/Δt_kr= C_kr/τ_kr
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что скорость обезуглероживания после достижения критической точки уменьшают непрерывно по времени с постоянной времени τ_kr.