Введение

Ключевыми параметрами, определяющими эффективность раскисления и легирования стали, а также время ее обработки, являются механизм и скорость плавления ферросплавов в жидкой стали. Изучению процесса плавления легирующих добавок различных систем в железоуглеродистом расплаве посвящено большое количество как отечественных [1 – 6], так и зарубежных [7 – 11] исследований.

Согласно данным работ [1; 3] существует несколько экспериментальных подходов определения времени плавления, основанных на непрерывном или периодическом взвешивании ферросплава во время контакта его с обрабатываемым металлом. Например, метод вращающегося в расплаве диска с равнодоступной поверхностью. Главный недостаток этого метода: он пригоден только для материалов диска, имеющих температуру плавления больше, чем расплава.

Альтернативным является метод растворения неподвижных стержней в жидком железе с периодическим взвешиванием образцов. Для определения времени плавления этим способом также используют калориметрические измерения продолжительности температурного скачка в тигле. Однако использование данного метода сопряжено с нарушением гидродинамики жидкого расплава и не отражает реальную форму и характер движения ферросплавных частиц в ковше.

Распространенным способом определения времени плавления сплавов в стали является отбор ее проб после ввода в расплав ферросплава с последующим анализом образцов.

Существующие экспериментальные методы определения времени плавления и растворения ферросплавов сложны и недостаточно учитывают реальные условия растворения сплавов, обладают, как правило, невысокой точностью и воспроизводимостью. Кроме этого, отслеживание образования и растворения стальной корки в условиях, близких к промышленным, затруднительно. Именно поэтому достаточно актуальными являются математические подходы к изучению времени плавления материалов. Такие методы обладают по сравнению с экспериментальными меньшей сложностью и затратами, большей производительностью, а также возможностью изучения широкого спектра систем образцов (состав, размер, температура).

В большинстве работ [2 – 4; 8; 12] моделирование процесса плавления основано на решении уравнения теплопроводности Фурье. По мнению большинства авторов, процесс плавления включает два взаимосвязанных этапа: формирование стальной корочки и расплавление (растворение) ферросплава.

При контакте холодного ферросплава с жидкой сталью на его поверхности мгновенно образуется твердая металлическая оболочка («корка»). Определение времени ее плавления затруднительно из-за быстротечности процесса, особенно при малом размере добавки. Традиционные модели предполагают равномерный рост стальной корки и плавление с постоянным коэффициентом теплопередачи [13].

Однако в ходе более глубоких исследований образования оболочки и расплавления вокруг ферросплава, проведенных в работе [14], было установлено асимметричное изменение толщины намерзаемой оболочки вокруг частицы. При использовании постоянного коэффициента теплопередачи на границе раздела твердое тело/жидкость вокруг частицы образуется оболочка, имеющая симметричную толщину, которая равномерно увеличивается, а затем расплавляется. В данном исследовании установлено, что плавление оболочки начинается с верхней части, способствуя более высокой скорости роста намерзания в нижней, исходя из этого авторы делают вывод о влиянии коэффициента теплопередачи на процесс плавления ферросплава. Кроме того, изучение конвекции показало, что она может развиваться внутри частично расплавленных легкоплавких добавок внутри оболочки, влияя на процесс плавления этой оболочки. Благодаря точному учету внутренней конвекции наблюдалось сокращение времени плавления оболочки на 20 % в верхней части. Это указывает на необходимость использования сложных нестационарных моделей теплопереноса.

После проплавления корки начинается этап непосредственного плавления (растворения) ферросплава. Исследования [3; 14] показывают, что лимитирующая стадия процесса (теплоперенос или массоперенос) зависит от соотношения температур плавления ферросплава и ванны.

В работе [15] проведено сравнение механизма плавления ферромарганца в чугуне и стали в зависимости от температуры ванны жидкого металла. При температуре ванны ниже, чем температура плавления ферросплава, процесс контролируется массопереносом. Если температура ванны выше, то процесс плавления определяется теплопередачей.

Это подтверждается и для других систем, примером являются исследования скорости массопереноса ниобиевых ферросплавов в динамических условиях [16]. Экспериментально установлено, что массоперенос, происходящий в течение периода свободного растворения (после проплавления стальной корки), является экзотермическим, а лимитирующей стадией выступает диффузия жидкой фазы через слой границы раздела масс. На основе полученных данных авторами сделан прогноз полного растворения ниобия в условиях принудительной и естественной конвекции, показывающий, что при близкой температуре конвекция позволяет снизить время плавления примерно на 30 %.

Анализ влияния геометрических параметров легирующего материала был проведен в работе [8]. Для описания скорости плавления частиц ферромарганца, добавляемых в ковш, вводится функция распределения плавления, которая включает в себя время плавления отдельных частиц, их размер, скорость перемещения по жидкому расплаву, температуру и время. Анализ результатов показал, что главными факторами, влияющими на время плавления ферросплавов, являются размеры частиц, температура ванны и скорости перемещения в объеме расплава.

Эти выводы подтверждают результаты исследований работы [17]. Отмечено, что увеличение размера частицы алюминия приводит к росту времени плавления за счет роста массы, при этом доля времени, расходуемая на плавление намерзаемой корки, снижается. Для интенсификации времени плавления необходимо перемешивание расплава, например газом, что сокращает время процесса до 50 %.

В работах [18; 19] изучена кинетика растворения ферросилиция в жидкой стали. Для этого в расплав металла погружали твердый образец ферросилиция цилиндрической формы. В ходе экспериментов авторами установлено, что экзотермическое растворение эвтектики Fe2Si на внутренней границе стальной оболочки вызывает эрозию последней, вследствие чего время растворения оболочки сокращается. На основе полученных данных тепло- и массопереноса авторами предложена математическая модель растворения ферросплавов, отличительной особенностью которой является учет влияния эвтектики Fe2Si на процесс плавления.

В работах [11; 20] предложено модельное уравнение времени плавления, основанное на определении степени отклонения химического эквивалента состава и структурного параметра для конкретных составов расплавов от вычисляемых для идеальных смесей исходных компонентов. Главным недостатком данного способа является отсутствие учета гидродинамики и свойств обрабатываемого расплава, что значительно снижает точность моделирования.

Несмотря на достаточно большой ряд моделей для определения времени плавления ферросплавов в отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют сведения о применимости их к промышленным данным. В связи с этим в работе проведено моделирование времени плавления сплавов-раскислителей, применяемых в реальных условиях производства ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (ПАО «НЛМК»).

Материал и методы исследования

Для изучения процессов плавления ферросплавов была использована математическая модель, разработанная учеными Института металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН (ИМЕТ УрО РАН) и Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ) [3], реализованная в виде программного комплекса. Эта модель основана на решении интегральным методом системы дифференциальных уравнений, учитывающих коэффициенты тепломассопереноса. Тепловая часть модели базируется на классификации ферросплавов (в зависимости от соотношения температур ванны (Тв ), начала кристаллизации ферросплавов (Тк ) и железоуглеродистого расплава (Тс )) на легкоплавкие (Тк ≤ Тс ), тугоплавкие (Тс < Тк < Тв ) и сверхтугоплавкие (Тк ≥ Тв ). Модель включает в себя решение дифференциального уравнения теплопроводности Фурье для каждой из фаз (корки, твердого ядра, жидкого слоя ферросплава), количество которых зависит от периода плавления, типа ферросплава и граничных условий, определяемых конвективным теплообменом и процессом плавления. Окончанием процесса плавления является полное расплавление ферросплава.

Модель использовали ранее для изучения времени плавления сплавов различных систем с подтверждением достоверности полученных результатов.

В настоящей работе изучено влияние на время плавления ферросплавов не только их состава, крупности, но и марки обрабатываемой стали (ее теплофизических характеристик). Полученные в ходе математического моделирования данные времени плавления ферросплавов были использованы при разработке технологических особенностей выплавки сталей в условиях ПАО «НЛМК».

В качестве исходных для математического моделирования были приняты следующие параметры: температура ванны постоянна и составляет 1650 °С, что соответствует реальным условиям обработки стали исследуемых марок ферросплавами. Температура кристаллизации стали в зависимости от марки находится в диапазоне 1500 – 1535 °С.

В качестве ферросплавов использованы ферромарганец марок ФМн78 и ФМн88, ферросиликомарганец (МнС17), ферросилиций (ФС65 и ФС75), силикокальций (СК15) и вторичный алюминий (АВ87).

В качестве допущения принято, что куски ферросплавов имеют сферическую форму (диаметр 2 – 100 мм) и начальную температуру 20 °С. Теплофизические и физико-химические свойства ферросплавов, используемые для моделирования, были получены экспериментально и на основе литературных данных (см. таблицу).

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты математического моделирования времени плавления рассматриваемых ферросплавов в расплаве стали марок 08Ю, 3сп, Э3А и S355MC представлены в виде графических зависимостей на рис. 1 – 4.

Фракция ферросплавов оказывает большое влияние на изменение времени их плавления (растворения). При увеличении размера куска возрастает масса ферросплава, что приводит к росту толщины намерзаемой стальной корки и, как следствие, к увеличению его теплосодержания. С увеличением диаметра куска общее время плавления ферросплава увеличивается в соответствии с зависимостями, представленными на рис. 1 и 2.

При производстве углеродистых сталей ферросплавы присаживают в первой половине выпуска металла из конвертера, то есть до 50 % наполнения сталеразливочного ковша. При этом куски ферросилиция ФС65 диаметром 70 мм расплавляются за 40 с, а диаметром 100 мм – за 60 с (рис. 1). Наибольшее время плавления у марганецсодержащих ферросплавов: ферромарганца, ферросиликомарганца. Куски высокоуглеродистого ферромарганца Фмн78 размером не более 70 мм успевают раствориться в течение 100 с, тогда как куски диаметром 100 мм растворяются за 160 с. Время плавления остальных сплавов значительно меньше, например, для ферросилиция во всем фракционном диапазоне время не превышает 60 с. Алюминий, являясь самым легкоплавким материалом, расплавляется за 16 с при диаметре куска 100 мм. На основании полученных данных для обеспечения полного расплавления ферросплавов даже при минимальной регламентированной продолжительности выпуска 240 с был ограничен максимальный размер куска ферросплава до 70 мм.

Технология производства трансформаторной стали Э3А предполагает раскисление и легирование стали на выпуске металла из конвертера. Из используемых в данном процессе ферросплавов (рис. 3) наибольшим временем плавления характеризуется ферросиликомарганец, при диаметре куска 70 мм его расплавление занимает около 70 с. Время плавления в жидкой стали алюминия во всем фракционном диапазоне менее 20 с.

При освоении этой технологии в конвертерном цехе присадка ферросилиция в количестве примерно 40 кг/т стали иногда приводила к образованию «коржей», которые располагались на границе раздела шлак – металл в сталеразливочном ковше. Это вызывало большие затруднения при дальнейшей обработке на установках доводки металла (УДМ), так как, во-первых, не позволяло погружать фурму для продувки аргоном, во-вторых, вызывало сложности с определением и, соответственно, с корректировкой химического состава стали. Увеличение продолжительности выдержки на 1 мин и равномерности присадки ферросилиция позволило исключить эту проблему.

Для снижения расхода алюминия при производстве стали 08Ю применяли предварительное раскисление металла на выпуске ферросилицием. Использование кусков диаметром до 70 мм обеспечило его расплавление в течении не более 20 с (рис. 2). То есть присадка ферросилиция в начале выпуска позволяет кремнию быстро и полностью прореагировать с кислородом в первый период выпуска, до наполнения половины сталеразливочного ковша. При этом достигается пониженная до 300 – 600 ppm окисленность металла при отсутствии прироста содержания кремния, что позволяет увеличить степень усвоения и снизить количество присаживаемого далее алюминия. Проведенные исследования и контроль окисленности металла после продувки в конвертере позволили дифференцировать порцию ферросилиция и, как следствие, снизить и стабилизировать расход алюминия.

Стали с содержанием кремния не более 0,03 и 0,04 % при концентрации марганца до 0,9 и 0,9 – 1,5 % соответственно, с содержанием серы не более 0,015 % условно выделены в группу низкокремнистых низкосернистых (НКНС) сталей (например, сталь марки S355MC). Производство их предполагает проведение десульфурации, в том числе в сталеразливочном ковше, так как в существующих условиях по содержанию серы в чугуне, загрузки установок десульфурации чугуна (УДЧ) и качеству металлического лома достичь необходимой массовой доли серы можно только за счет комплексного снижения ее содержания на всех технологических стадиях. Таким образом, необходимо было решить противоречащие задачи: с одной стороны, минимизировать степень усвоения кремния металлом из марганецсодержащих материалов (для этого надо обеспечить довольно высокую окисленность металла), с другой стороны, требуется полностью раскислить металл для удаления серы.

С началом выпуска из конвертера НКНС сталей присаживали науглероживатель (коксик), известь и плавиковый шпат для наведения шлака, марганецсодержащие ферросплавы. Требуемое время паузы после присадки марганецсодержащих ферросплавов в зависимости от используемой марки составляет до 100 с. Вводимый затем алюминий расплавляется достаточно быстро: менее чем за 19 с (рис. 4). В связи с полученными данными о времени плавления выдерживали паузу после ввода материалов, обеспечивающую расплавление ферросплавов и окисление кремния, вносимого этими добавками, затем присаживали алюминий AB87. Окончательное глубокое раскисление и, как следствие, создание условий для десульфурации обеспечивали на следующей технологической стадии при внепечной обработке стали.

Выводы

В результате математического моделирования времени плавления ферросплавов марок ФМн78, ФМн88, МнС17, ФС65, ФС75, СК15, а также АВ87 в расплаве стали марок 08Ю, 3сп, Э3А и S355MC изучены особенности механизма плавления кусковых ферросплавов. Для каждой марки ферросплава построены зависимости времени плавления ферросплавов и алюминия в жидкой стали от их фракционного состава. Показано, что основным фактором, влияющим на время растворения кускового ферросплава в жидкой стали, является его фракция. Наибольшим временем плавления из рассмотренных ферросплавов характеризуется ферромарганец марки ФМн78, общее время плавления куска ферросплава диаметром 100 мм в стали 08Ю может превышать 160 с при температуре ванны 1650 °С. Снижение диаметра куска данного ферросплава до 60 мм приводит к двукратному сокращению времени его плавления. На основании проведенных исследований разработаны рациональные условия, установлены технологические особенности присадки марганец- и кремнийсодержащих ферросплавов при производстве стали марок 08Ю, 3сп, Э3А и S355MC.