Фундаментальные исследования физико-химических свойств экологически чистых бесфтористых шлаков и их использование в ковшевой металлургии стали

Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований зависимости вязкости, коэффициентов распределения серы и бора между шлаком и металлом, степени износа периклазоуглеродистого огнеупора от основности и содержания оксида бора в шлаке. Показано, что формируемые шлаки в диапазоне основности 2,0 – 5,0 характеризуются достаточно высокой жидкоподвижностью. Эти шлаки имеют повышенный до 5 – 20 равновесный межфазный коэффициент распределения серы, который обеспечивает пониженное до 0,001 – 0,005 % равновесное содержание серы в металле. Результаты фундаментальных исследований физико-химических свойств рафинировочных шлаков системы СаО – SiO₂ – В₂O₃ – Al₂O₃ – MgO легли в основу разработки состава экологически чистых бесфтористых ковшевых шлаков и технологических приемов их формирования на установке ковш – печь. Рекомендованный состав экологически чистых ковшевых шлаков низкой вязкости, обеспечивающих глубокую десульфурацию металла, прямое микролегирование стали бором и низкое агрессивное воздействие на периклазоуглеродистые огнеупоры, предусматривает формирование шлаков основностью 3,0 – 4,0, содержащих 1 – 4 % B₂O₃, 15 % Al₂O₃ и 8 % MgO. Формирование экологически чистых ковшевых шлаков рекомендованного состава осуществлен на установке ковш – печь загрузкой в сталеразливочный ковш извести, борсодержащего материала – колеманита (Турция), содержащего 39 – 41 % В₂О₃, 26 – 28 % СаО, не более 5 % SiO₂ и 3 % MgO, и пирамидального алюминия для раскисления шлака и восстановления бора. Внедрение разработанной технологии формирования ковшевых шлаков рекомендованного состава обеспечило производство экономно легированных низкоуглеродистых конструкционных борсодержащих сталей с низким содержанием серы, в том числе для производства труб большого диаметра с высокими прочностными свойствами.

1. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. В 3 т. Т. 3. Внепечная металлургия стали. М.: Теплотехник, 2010. 544 с.

2. Чумаков С.М., Ламухин А.М., Зинченко С.Д. и др. Концепция производства низкосернистых сталей на ОАО «Северсталь» с учетом технологических аспектов. В кн.: Труды VI конгресса сталеплавильщиков. М.: АО «Черметинформация», 2001. С. 63–66.

3. Takahashi D., Kamo M., Kurose Y., Nomura H. Deep steel desulphurisation technology in ladle furnace at KSC // Ironmaking and Steelmaking. 2003. Vol. 30. No. 2. P. 116–119. https://doi.org/10.1179/030192303225001711

4. Физические свойства расплавов системы CaO – SiO2 – Al2O3 – MgO – CaF2 / А.А. Акбердин, И.С. Куликов, В.А. Ким, А.К. Надырбеков, А.С. Ким. М.: Металлургия, 1987. 144 с.

5. Wamg H.-M., Li G.-R., Dai Q.-X., Li B., Zhang X.-J., Shi G.M. САS-OB refining: slag modification with В2О3 – CaO and СаF2 – CаО // Ironmaking and Steelmaking. 2007. Vol. 34. No. 4. P. 350–353. https://doi.org/10.1179/174328107X155277

6. Ko K.Y., Park J.H. Effect of CaF2 addition on the viscosity and structure of CaO – SiO2 – MnO slags // ISIJ International. 2013. Vol. 53. No. 6. P. 958–965. https://doi.org/10.2355/isijinternational.53.958

7. Демин Л.Б., Сорокин Ю.В., Смирнов Л.А., Щербаков Е.Н. Стабилизация распадающихся ферросплавных и сталеплавильных шлаков. В кн.: Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: тр. международной науч.-практ. конф. Екатеринбург, 2018. С. 342–345.

8. Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н. Разработка состава экологически чистых бесфтористых шлаков ковшевой металлургии стали. В кн.: Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований: сб. трудов V международного Конгресса ТЕХНОГЕН-2021. Екатеринбург, 2021. С. 349–350.

9. Грабеклис А.А., Демин Б.Л., Кайракбаев С.Н., Мусабеков Ж.Б., Каванов Б.О. Новое в технологии кристаллохимической стабилизации шлаков производства рафинированного феррохрома // Сталь. 2010. № 5. С. 78–83.

10. Демин Б.Л., Сорокин Ю.В., Шарафутдинов Р.Я., Мурзин А.В., Жилин А.М. Опробование технологии кристаллохимической стабилизации самораспадающихся сталеплавильных шлаков // Сталь. 2014. № 6. С. 102–106.

11. Акбердин А.А., Киреева Г.М., Медведовская И.А. Влияние B2O3 на вязкость шлаков CaO – SiO2 – Al2O3 // Известия АН СССР. Металлы. 1986. № 3. С. 55–56.

12. Hongming W., Tingwang Z., Hua Z. Effect of B2O3 on melting temperature, viscosity and desulfurization capacity of CaO – based refining flux // ISIJ International. 2011. Vol. 51. No. 5. Р. 702–708. https://doi.org/10.2355/isijinternational.51.702

13. Zhang L., Wang W., Xie S., Zhang K., Sohn I. Effect of basicity and B2O3 on the viscosity and structure of fluorine-free mold flux // Journal of Non-Crystalline Solids. 2017. Vol. 460. P. 113–118. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.01.031

14. Benavidez E., Santini L., Valentini M., Brandaleze E. Influence of different oxides on the viscosity of fluorine-free mold fluxes // Procedia Materials Science. 2012. Vol. 1. P. 389–396. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2012.06.052

15. Li W., Xue X. Effects of Na2O and B2O3 addition on viscosity and electrical conductivity of CaO – Al2O3 – MgO – SiO2 // ISIJ System International. 2018. Vol. 58. No. 10. P. 1751–1760. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-212

16. Liu L.X., Wang G., Wang Sh.J., Dong Y.C., Chai Y.F. Calculation of phase diagram of CaO − SiO2 − Al2O3 − MgO − B2O3 refining slag without CaF2 // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 512-515. P. 1558–1563. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.512-515.1558

17. Babenko A.A., Shartdinov R.R., Upolovnikova A.G., Smetannikov A.N., Mikhailova L.Yu. Effect of basicity and chromium oxide on the viscosity of boron-containing slags // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 966. Article 012012. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012012

18. Планирование эксперимента при исследовании физико-химических свойств металлургических шлаков / В.А. Ким, Э.Н. Николай, А.А. Акбердин, И.С. Куликов. Алма-Ата: Наука, 1989. 116 с.

19. Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G. Boron distribution between Fe − C − Si − Al melt and boron-bearing slag // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies. 2018. No. 12. P. 202–208.

20. Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G. Theoretical and experimental studies of sulfur and boron distribution between the slag of the CaO − SiO2 − B2O3 −MgO − Al2O3 system and the me­tal // Defect and Diffusion Forum. 2021. Vol. 410. P. 287–292. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.410.287

21. Babenko A.A., Smirnov L.A., Upolovnikova A.G. Fundamental research as a basis for the creation of new technologies in steel ladle metallurgy // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. P. 493–499. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.493

22. Физико-химические методы исследования металлургических процессов: учебник для вузов / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников и др. М.: Металлургия, 1988. 511 с.