Теоретический анализ и разработка высокотемпературного варианта технологии окислительного периода плавки высоколегированной стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Шильников, Евгений Владимирович

• Шильников, Евгений Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шильников, Евгений Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Состояние технологии и теории. Постановка задач исследования.'.

1.1. Высокие технологии в электросталеплавильном производстве

1.2. Технологические схемы сталеплавильного производства [ 3 ].

1.3. Состояние и совершенствование технологии выплавки высоколегированной стали [13-15].

1.3.1. Технология плавки переплавом отходов в дуговой печи.

1.4. Теория и расчеты технологических процессов выплавки стали

1.4.1. Термодинамические модели и расчеты металлических растворов [3].

1.4.2. Использование параметров взаимодействия в термодинамических расчетах металлических растворов.

1.4.3. Термодинамика растворов кислорода в легированных расплавах.

1.4.4. Термодинамические модели и расчеты, металлургических шлаков.

ГЛАВА 2. Термодинамика растворов кислорода в жидких металлах: железе, хроме и никеле.

2.1. Термодинамика растворов кислорода в жидком железе. Система Геж-0-Ре0ж-02.

2.1.1. Растворимость кислорода в жидком железе.

2.1.2. Активность кислорода в растворе Реж — Опас.

2.1.3. Коэффициент активности и избыточный химический потенциал кислорода в растворе Реж - Онас.

2.1.4. Модель псевдорегулярного раствора для системы Реж - О.

2.2. Термодинамика растворов кислорода в жидком хроме. Система

Сгж - О - СгОж - 02.

2.2.1. Растворимость кислорода в жидком хроме.

2.2.2. Активность кислорода в Сгж — Онас.

2.2.3. Коэффициент активности и избыточный химический ~ потенциал кислорода в растворе Сг(Ж) — Онас.

2.2.4. Модель псевдорегулярного раствора для системы Сгж — О

2.3. Термодинамика растворов кислорода в жидком никеле. Система ж-0-№0ж-02.

2.3.1. Растворимость кислорода в жидком никеле.

2.3.2. Активность кислорода в растворе №ж - Опас.

2.3.3. Коэффициент активности и избыточный химический потенциал кислорода в растворе №ж - Онас.

2.3.4. Модель псевдорегулярного раствора для системы №ж - О

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Термодинамика растворов кислорода в расплавах Ре-Сг- № [ 37 ]. Система Ре - Сг - № - 0„ас - РеО - СЮ - МО.

3.1. Уравнения активности кислорода в металле и составов шлака

3.2. Переход от активности кислорода к его концентрации в жидких металлических растворах.

3.3. Термодинамические расчеты по приведенным уравнениям.

3.3.1. Расчеты активности кислорода и составов шлака в сложнолегированных расплавах применительно к стали Х18Н10, Х20Н80 и безуглеродистому феррохрому.

3.3.2. Расчеты равновесной концентрации кислорода в расплаве Ре

18% Сг - 10% № - Онас. при температуре 2000 °С.

3.4. Расчеты и сравнение равновесной и измеренной активности кислорода в легированном расплаве Бе - Сг -№ — О в конце окислительного периода плавки стали 08Х18Н10Т.

3.4.1. Расчет равновесной активности кислорода в стали.

3.4.2. Рет фактичой активни корода по результатам измерений температуры и э.д кородной ячейки.

3.5. Термодинамические пределы обезуглероживания легированных расплавов Бе - 18%Сг - 10%№ - Отах - СпиП.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Разработка высокотемпературного варианта технологии окислительного периода плавки легированной стали.

4.1. Технологические инновации окислительного периода плавки высоколегированной стали в дуговой печи.

4.2. Анализ окислительного периода плавок коррозионностойкой стали по технологии 2002 - 2005 годов.

4.3. Анализ окислительного периода плавок коррозионно-стойкой-стали, выплавленных в 2009-2010 годах по высокотемпературному варианту технологии окислительного периода.>.

4.4. Сравнение технологий окислительного периода и результатов окислительных процессов.

4.5. Термодинамический анализ окислительных реакций при высоких температурах (на уровне 2000 °С) [41 ].

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретический анализ и разработка высокотемпературного варианта технологии окислительного периода плавки высоколегированной стали»

Актуальность работы. За последние десятилетия для производства коррозионностойкой стали были разработаны и внедрены кислород-аргонное обезуглероживание легированных хромсодержащих расплавов в AOD-конвертерах и обезуглероживание под вакуумом этих расплавов в VOD-агрегатах. AOD- и VOD-процессы только смещают вправо равновесие реакции окисления углерода, но ни аргон, ни вакуум не влияют на равновесие реакции окисления хрома. Относительно низкие температуры металла и шлака в этих процессах способствуют повышенному окислению хрома во время обезуглероживания.

С повышением температуры металла сродство' хрома к кислороду уменьшается гораздо резче, чем сродство углерода к кислороду. Предварительные расчеты и практика показывают, что при температурах на уровне 2000 °С возможно глубокое обезуглероживание до 0,04% легированных расплавов с высоким содержанием хрома на уровне марочного содержания в стали Х18Н10.

Становятся актуальными задачи теоретического анализа и технологических возможностей глубокого обезуглероживания легированных расплавов при высоких температурах на уровне 2000 °С.

Цель работы. Термодинамический анализ и разработка высокотемпературного варианта технологии окислительного периода плавки легированной стали на заводе ОАО "Электросталь".

Научная новизна.

1. Предложен и реализован новый подход к расчетам растворов кислорода в жидких металлах и в жидких растворах этих металлов системы Fe-Cr-Ni-Onac, основанный на том, что за стандартное состояние растворенного кислорода принят чистый газообразный кислород под давлением P¿2 = 1. Тогда активность кислорода в жидком металле равна равновесному парциальному давлению кислорода в степени - в газовой фазе 2 над металлом.

2. Получены уравнения избыточного химического потенциала кислорода в точке растворимости и энергии смешения кислорода и металла вида Qmc-o = А+В-Т (Me = Fe, Cr, Ni) из уравнений растворимости кислорода в жидком металле и стандартных энергий Гиббса реакций окисления жидких металлов газообразным кислородом с образованием низших оксидов.

3. Получены уравнения равновесной активности кислорода в металлических растворах и равновесных составов оксидных растворов системы Fe-Cr-Ni-0Hac-Fe0-Cr0-Ni0 в предположении, что металлический и оксидный растворы близки к совершенным.

4. Получено уравнение активности кислорода в реальных металлических растворах по составам металла и шлака с использованием активностей компонентов в металле и в шлаке и РСо в газовой фазе.

5. Предложен способ расчета растворимости кислорода в расплавах системы Fe-Cr-Ni-0 по уравнениям модели псевдорегулярного раствора с использованием установленных в работе температурных зависимостей энергий смешения QMe-o

Практическая значимость работы.

- Разработан высокотемпературный вариант технологии окислительного периода плавки легированной стали с содержанием хрома на уровне марочного состава стали 08Х18Н10Т и получением низкого содержания углерода на уровне 0,04%.

- Полученные уравнения активности и концентрации кислорода в равновесии с компонентами металла, шлака и газовой фазы могут быть использованы в термодинамических расчетах окислительных процессов в учебных дисциплинах кафедры.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи в журналах «Электрометаллургия», статья в журнале «Сталь» и монография «Электрохимический контроль и расчеты сталеплавильных процессов».

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 93 страницах машинописного текста, состоит из четырех глав, выводов, библиографического списка, включающего 41 наименование, содержит 14 таблиц, 10 рисунков и 2 приложения.

Структура работы

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Шильников, Евгений Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что за стандартное состояние кислорода, растворенного в многокомпонентных легированных расплавах Fe — Cr — Ni — О, удобно принять чистый газообразный кислород под давлением P¿2 =1. В этом случае активность растворенного в металле кислорода равна равновесному парциальному давлению кислорода в газовой фазе в степени —. 2

2. Такое стандартное состояние в термодинамике растворов кислорода в жидких металлах позволило получить температурные зависимости избыточных химических потенциалов кислорода в железе, хроме и никеле по модели псевдорегулярного раствора и температурные зависимости энергий смешения этих металлов с кислородом с использованием двух известных в литературе температурных функций: растворимости кислорода в. жидком металле и стандартной энергии Гиббса реакции окисления этого- металла газообразным.кислородом с образованием низшего жидкого оксида.

3. Получено расчетное уравнение активности кислорода в легированных расплавах заданного состава и уравнения для расчетов равновесного состава оксидной фазы (шлака) в системе Fe-Cr-Ni-0Hac-Fe0-Cr0-Ni0 в предположении, что металлический и оксидный растворы близки к совершенным.

4. Получено расчетное уравнение активности кислорода в легированном расплаве Fe-Cr-Ni-C-O в равновесии со всеми компонентами в металле и соответствующими оксидами в шлаке и в газовой фазе, выраженное через активности компонентов в металле, в шлаке и Рсо в газовой фазе в окислительный период плавки.

5. Показано, что равновесная со шлаком и с газовой фазой активность кислорода в легированном расплаве в конце окислительного периода плавки коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10Т и фактическая активность кислорода, рассчитанная по результатам электрохимического измерения э.д.с. кислородным датчиком, являются, величинами одного порядка с некоторым превышением фактической активности над равновесной.

6. Показана возможность рассчитывать термодинамическую движущую силу окислительных реакций в объеме металла и на поверхности взаимодействия «металл — газообразный кислород» как разность фактического и равновесного химических потенциалов кислорода.

7. Выполнен анализ реакций окисления углерода, хрома, кремния и марганца и расхода кислорода на каждую реакцию в окислительный период по 16 плавкам стали 08Х18Н10Т по-технологии 2003.2005 годов* и по-16 плавкам этой стали по, высокотемпературному варианту окислительного периода с технологическими инновациями 2009-2010 годов.

8. Получены статистические зависимости* количества каждого окисленного компонента и расхода кислорода на* его окисление- в зависимости от общего расхода-кислорода на окисление всех компонентов (С, 81, Мп, Сг) по прежней и новой технологии окислительного периода.

9. Сравнение результатов окисления1 углерода и хрома и расходов кислорода на их окисление по двум технологиям окислительного периода показывает, . что внедрение технологических инноваций привело - к уменьшению угара хрома и увеличению количества окисленного углерода в зависимости от общего расхода кислорода на их окисление. Произошло заметное перераспределение потребленного кислорода: увеличился расход кислорода на окисление-углерода и уменьшился - на окисление хрома.

10. Внедрение высокотемпературного варианта технологии окислительного периода с концентрацией хрома в расплаве на уровне марочного состава стали 08Х18Н10Т привело к значительному уменьшению расходов низкоуглеродистого феррохрома на плавку.

11. Таким образом, решена поставленная в работе актуальная задача — выполнен термодинамический анализ возможности глубокого обезуглероживания до 0,04 %С легированных расплавов с высоким содержанием хрома на уровне марочного содержания стали 08Х18Н10Т, разработан и внедрен высокотемпературный вариант технологии окислительного периода плавки этой стали на заводе ОАО «МЗ «Электросталь».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДЕССЕРТАЦИИ

1. Е.В. Шильников, С.Н. Падерин. Термодинамика растворов кислорода в жидких металлах: железе, хроме и никеле и в растворах этих металлов. Часть I. Журнал «Электрометаллургия» № 8, 2010 г., с. 35 -40.

2. Е.В. Шильников, С.Н. Падерин. Термодинамика растворов кислорода в жидких металлах: железе, хроме и никеле и в растворах этих металлов. Часть II. Журнал «Электрометаллургия» № 10, 2010 г., с. 41 -44.

3. Е.В. Шильников, С.Н. Падерин. Термодинамический анализ окислительных реакций при выплавке легированной стали. «Электрометаллургия» № 12, 2010 г., с. 29-34.

4. Электрохимический контроль и расчеты сталеплавильных процессов. Монография / С.Н. Падерин, Г.В. Серов, Е.В. Шильников и др. -Издательский дом МИСиС, Москва 2011 г., 283 с.

5. Электрохимический контроль процесса окислительного рафинирования сплава на основе никеля / М.П. Мигачев, С.Н. Падерин, Г.В. Серов, Е.В. Шильников. - Журнал «Сталь» № 12, 1986 г, с. 48-49.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шильников, Евгений Владимирович, 2011 год

1. Г.А. Лопухов, Е.З. Кацов. Производство стали в дуговых печах. Итоги науки и техники. Серия: Производство чугуна и стали. Том 11. ВИНИТИ, Москва, 1989 г., с. 3-88.

2. А.Н. Морозов. Современное производство стали в дуговых печах. 2 изд., Челябинск, Металлургия, 1987 г.

3. С.Н. Падерин, В.В. Филиппов. Теория и расчеты металлургических систем и процессов. Издательство МИСиС, Москва, 2002 г., 333 с.

4. В.И. Явойский. Теория процессов производства стали. М.: Металлургия, 1967, 792 с.

5. С.И. Филиппов. Теория процесса обезуглероживания стали. М.: Металлургия, 1956, 165 с.

6. С.И. Филиппов. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1967, 279 с.

7. Richardson F.D. Physical Chemistry of Melts in Metallurgy. Volume 1. Academic Press Inc., New York, London, 1974, 289 p.

8. Richardson F.D. Physical Chemistry of Melts in Metallurgy. Volume 2. Academic Press Inc., New York, London, 1974, p. 293 537.

9. С.И. Попель, А.И. Сотников, B.H. Бороненков. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986, - 462 с.

10. Е.Т. Туркдоган. Физическая химия высокотемпературных процессов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985, - 344 с.

11. Металлургия стали. В.И. Явойский, Ю.В. Кряковский, В.П. Григорьев и др. М.: Металлургия, 1983, - 585 с.

12. A.M. Бигеев. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. М.: Металлургия, 1988, - 480 с.

13. В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, A.M. Якушев. Общая металлургия. Учебник для вузов. Издание 5-е переработанное и дополненное. М.: Металлургия, 1988, - 768 с.

14. В.А. Кудрин, В.А. Шишимиров. Металлургия стали. Учебное пособие. М.: МГМИ, 2003, - 254 с.

15. Д.Я. Поволоцкий, В.Е. Рощин, Н.В. Мальков. Электрометаллургия стали и ферросплавов. 3-е издание, переработанное и дополненное. -М.: Металлургия, 1995, 592 с.

16. A.B. Алпатов, С.Н. Падерин. Термодинамические модели жидких многокомпонентных металлических растворов. Журнал «Электрометаллургия» № 9, 2009 г., с. 28-36.

17. Wagner С. Thermodynamics of Alloys. Addison — Wesley Publ. Co., Massachusetts, 1952, p. 163.

18. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. Пер с англ. М.: Металлургия, 1989, 501 с.

19. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов / Пер с англ. М.: Металлургия, 1969, 252 с.

20. Sigworth O.K., Elliott J.F. Metal Science, 1974, v.8, p.298 310.

21. Самарин A.M. Физико-химические основы раскисления стали. :М. Изд-во АН СССР, 1956, 164 с.

22. Линчевский Б.В., Самарин A.M. Растворимость кислорода в расплавах железо-хром и железо-хром-никель // Изв. АН СССР. ОТН. 1953. №5. с. 691-704.

23. Дашевский В.Я., Макарова H.H., Григорович К.В. и др. Влияние хрома на растворимость кислорода в расплавах Fe-Ni // Металлы. 1998, № 4, с. 3-9.

24. Дашевский В.Я., Макарова H.H., Григорович К.В. и др. Растворимость кислорода в расплавах железо — никель хром // Сталь, 1998. № 10, с. 23-25.

25. Dashevsky V.Ya., Kanevsky A.G., Makarova N.N., et al. Deoxidation equilibrium of chromium in liquid iron-nickelnalloys // ISIJ Intern, 2005, v. 45, № 12, p. 1783-1788.

26. Дашевский В.Я., Григорович K.B., Красовский П.В. и др. Влияние хрома на растворимость кислорода в никеле // ДАН, 1998, т.359, № 2, с. 212, 213.

27. Дашевский В.Я. Термодинамика растворов кислорода в железоникелевых расплавах // Металлы, 2009, № 1, с. 3 11.

28. Дашевский В.Я., Макарова H.H., Григорович К.В. и др. Совместное раскисление расплавов Fe Ni — Cr алюминием и кремнием. // Металлы, 2000, № 6, с. 9 - 13.

29. Дашевский В.Я., Григорович К.В. Растворимость кислорода в металлических расплавах бинарных систем // Электрометаллургия, 2007, № 7, с. 5 22.

30. O.A. Есин, П.В. Гельф. Физическая химия пирометаллургических процессов. 4.2. М.: Металлургия, 1966, с. 291 - 302.

31. В.А. Кожеуров. Термодинамика металлургических шлаков. Свердловск : Металлургия, 1965, - 163 с.

32. С.Н. Падерин, A.B. Алпатов. Энергетические параметры в модели регулярных ионных растворов применительно к металлургическим шлакам. Журнал «Электрометаллургия» № 9, 2008 г., с. 34-41.

33. Е.В. Шильников, С.Н. Падерин. Термодинамика растворов кислорода в жидких металлах: железе, хроме и никеле и в растворахэтих металлов. Часть I. Журнал «Электрометаллургия» № 8, 2010 г., с. 35 40.

34. Steelmaking Data Sourcebook. Revised Edition by the Japan Society for the Promotion of Science. New York, London, Paris, Montreux, Tokyo, Melbourne, 1988, 153 p.

35. Куликов И.С. Раскисление металлов. M.: Металлургия, 1975, 504 с.

36. Белов Б.Ф., Новохатский И.А., Лобанов Ю.А. // Изв. АН СССР. Отдел техн. наук., 1967, № 3, с.53.

37. Е.В. Шильников, С.Н. Падерин. Термодинамика растворов кислорода в жидких металлах: железе, хроме и никеле и в растворах этих металлов. Часть II. Журнал «Электрометаллургия» № 10, 2010 г., с. 41 -44.

38. Kaufman L., Nesor Н. Z Metallkunde. 1973, v.64. № 4. р.249-257.

39. Д.И. Рыжонков, С.Н. Падерин, Г.В. Серов. Твердые электролиты в металлургии. М.: Металлургия, 1992, 248 с.

40. С.Н. Падерин, Г.В. Серов, Е.В. Шильников и др. Электрохимический контроль и расчеты сталеплавильных процессов. Монография. М.: Издательский дом МИСиС, 2011 г., 283 с.

41. Е.В. Шильников, С.Н. Падерин. Термодинамический анализ окислительных реакций при выплавке легированной стали. «Электрометаллургия» № 12, 2010 г., с. 29-34 .