Внепечная обработка и модифицирование стали (Выступление на Международной конференции. Москва. 25-26 октября 2005 г.)

Внепечная обработка и модифицирование стали (Выступление на Международной конференции. Москва. 25-26 октября 2005 г.)

Внепечная обработка и модифицирование стали

В.А.Голубцов, Л.Г.Шуб, Р.Г.Усманов - Компания НПП  (г.Челябинск)

(Выступление на   Международной конференции/ Москва. 25-26 октября 2005 г.)

В настоящее время в печати дискутируется вопрос о преобразованиях в металлургической промышленности, связанных с применением внепечной обработки. В одной из последних публикаций в журнале ”Металлург” 2005, №8, под названием ”Аварийность на промысловых трубопроводах и качество труб” утверждается, что ”известны случаи низкой аварийности и высокой долговечности некоторых участков трубопроводов при строительстве которых применялись трубы отечественных производителей задолго до существенных преобразований в металлургическом и трубном производствах, связанных с реализацией выплавки в электропечах, внепечной обработкой (продувкой аргоном, вакуумированием и т.п.), непрерывной разливкой и т.д.” Поэтому вопрос о методах внепечной обработки и необходимости вакуумирования стали для труб требует обсуждения, изучения и корректировки.

Обработка металла вне печи направлена на снижение в нём концентрации вредных примесей, загрязнённости неметаллическими включениями, улучшение механических   и специальных свойств, уровень которых выявляется в ходе эксплуатации металлоизделий (жаропрочность, усталостная выносливость, хладостойкость, коррозионная стойкость и т.п.).   Вместе с тем, при использовании комплексов по внепечной обработке, не всегда успешно решаются некоторые вопросы, связанные с качеством металла: с ликвидацией трещин на заготовках, слитках и прокате, снижением химической неоднородности металлопроката и изделий из него, а при производстве стали для труб - с обеспечением высокой коррозионной стойкости и др.

Сокращение цикла плавки в плавильных агрегатах наряду с разливкой плавок сериями на установках непрерывной разливки приводят к тому, что на ряде заводов продолжительность обработки металла вне печи часто превышает длительность плавки в современных дуговых печах или кислородных конвертерах, а внепечная обработка стали становится узким местом в общем цикле производства металла в сталеплавильных цехах.

Дальнейшее развитие методов внепечной обработки металла должно идти, по нашему мнению, следующими путями:

Первое - по пути снижения продолжительности обработки металла вне печи за счёт отказа от глубокой десульфурации (например, при производстве стали для нефте- и газопромысловых труб).

В связи с развитием ликвационных процессов в слитках и непрерывнолитых заготовках низкое (до 0,001…0,003%) содержание серы в ряде случаев не гарантирует достижение полной изотропности механических свойств стали. Наиболее эффективным методом повышения качества металла является модифицирование жидкого расплава, изменение на более благоприятную морфологию неметаллических   включений. Подсчитано, что минимальная стоимость обработки (десульфурация + ввод редкоземельных металлов) достигается при содержании в металле 0,009…0,012%S, а нейтрализация отрицательного влияния серы осуществляется путём модифицирования стали, в первую очередь, РЗМ.

Снижение концентрации серы в ряде случаев оказывает негативное влияние на некоторые свойства стали – ухудшается обрабатываемость резанием, возрастает балл зерна аустенита, растёт склонность стали к образованию камневидного излома и др. Поэтому серу, также как и азот, неправильно было бы всегда   относить к числу вредных примесей.

Целесообразность снижения содержания серы в металле подвергают сомнению результаты работы сотрудников ЦНИИЧМ. Ими были получены данные, что   срок эксплуатации труб (в приблизительно одинаковых условиях), выполненных из стали 20   с содержанием серы S=0,024%, составил 12 лет (скорость коррозии 0,5 мм/год), а   труб из этой же стали с S=0,005% - 3 месяца (скорость коррозии ~40 мм/год). Авторы работы делают вывод, что, достижение низкого содержания серы не является достаточным условием обеспечения высокого уровня коррозионной стойкости углеродистой стали.

С операцией десульфурации стали тесно связаны вопросы содержания водорода   в металле, т.к. при длительной и интенсивной обработке металла в ковше усиливается переход в него водорода из высокоосновных рафинировочных шлаков.

  Целесообразность проведения обязательного глубокого обезводороживания металла, по крайней мере, при производстве стали для труб, эксплуатирующихся в контакте с водородсодержащими средами (нефтью, нефтепродуктами, природным газом), мы также подвергаем сомнению.

Следовательно, оптимизация вакуумирования или отказ от этой операции при производстве стали для труб - это второй путь повышения экономической эффективности внепечной обработки стали.

Анализ содержания водорода в металле, прошедшем эксплуатацию,   показал значительное повышение его содержания по сравнению с металлом, отобранным от той же трубы до её эксплуатации. Концентрация, так называемого, “металлургического” водорода, имеющегося в металле (в стали 20, 17Г1С, 12ГБЮ) после завершения всех операций металлургического передела, составляла 1,7…4,5ppm, а в металле после его эксплуатации – 4,4…15,6ppm. Так стоит ли вакуумировать жидкую сталь? Более рационально, по-видимому, связывать водород   в стойкие гидриды за счёт введения в металл гидридообразующих элементов (например, редкоземельных металлов), нежели добиваться низких (менее 2 ppm) концентраций водорода в металле за счёт проведения длительного и дорогостоящего процесса вакуумирования жидкой стали.

Сделанный вывод подтверждается и нашими опытами на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе, которые показали, что качество невакумированного, но модифицированного металла не уступает, а часто и превосходит качество вакуумированного, но не модифицированного металла. (Рис.1, Табл.1)

Рисунок 1. Внешний вид образцов нефтегазопроводных труб производства ОАО “НТЗ” после выдержки в сероводородной среде, х2

A
А и Б – не вакуумированный металл, сталь 20ХФ
Б
А и Б – не вакуумированный металл, сталь 20ХФ
В
В - вакуумированный металл, сталь 20ХФ
Г
Г – не вакуумированный металл, модифицированный на разливке комплексным модификатором, сталь 20ХФ
Д
Д и Е – образцы свидетели (Д - сталь 09Г2С, Е – сталь 13ХФА)
Е
Д и Е – образцы свидетели (Д - сталь 09Г2С, Е – сталь 13ХФА)

А и Б – не вакуумированный металл, сталь 20ХФ

В -   вакуумированный металл, сталь 20ХФ

Г – не вакуумированный металл, модифицированный на разливке комплексным модификатором, сталь 20ХФ

Д и Е – образцы свидетели (Д - сталь 09Г2С, Е – сталь 13ХФА)

Таблица 1. Результаты механических и коррозионных (ВР) испытаний металла нефтегазопроводных труб из стали марки 20ХФ производства ОАО “НТЗ”.

 Вариант технологии

Механические характеристики

Стойкость к водородному растрескиванию

Предел прочности, ?в,Н/мм2

Предел текучести, ?т, Н/мм2

Относительное удлинение, ?,%

Ударная вязкость, KCV-60, Дж/см2

Коэфф. длины трещины, CLR,%

Коэфф. толщины трещины, CTR,%

Не вакуумированный металл

560,4

456,0

25,4

247,6

17,5

7,1…11,9

С   вакуумированием

583,8

477,6

24,2

253,4

0

0

Не вакуумиров., с модифцированием

570,6

465,7

25,0

270,0

 0

0

Третий путь развития внепечной обработки стали   связан с повышением эффективности проведения процесса микролегирования и модифицирования металла в ковше и на разливке с использованием комплексных модификаторов.

Жидкая сталь, прошедшая   обработку в ковше однородна по химическому составу и отличается высокой чистотой по неметаллическим включениям. Однако, в последующем ситуация изменяется. Из-за вторичного окисления при разливке эффект рафинировочных операций, проведённых в ковше, в некоторой степени снижается. Кроме того, при   затвердевании металла протекают ликвационные процессы перераспределения в структуре слитка углерода, серы и фосфора; при затвердевании металла происходит трансформация существующих неметаллических выделений, зародышеобразование   и рост новых НВ. Таким образом, формирование качества конечной продукции в определяющей степени зависит   не только от тех операций, которые были проведены с металлом в печи и ковше, но, в значительной мере, и от   технологии разливки и методов обработки металла в её ходе.

Идеология получения жидкой стали, следовательно, состоит в активном вмешательстве в процессы, протекающие в жидком металле не только в ходе его выплавки в сталеплавильном агрегате и обработки в ковше, но и при переходе металла из жидкого в твёрдое состояние.

Основной путь, по которому необходимо, по нашему мнению идти состоит в перенесении операции микролегирования и модифицирования стали из сталеразливочного ковша на разливку. Как показывает опыт комбината ”Азовсталь”, целесообразно проводить эту завершающую операцию в промежуточном ковше или кристаллизаторе (Рис.2,3), а при разливке металла на слитки, как следует из нашего опыта, – на струю стали, поступающую из ковша в центровую (Рис. 4,5

При этом повышается усвоение легкоокисляющихся элементов (Табл.2,3), увеличивается их концентрация в неокисленном состоянии, усиливается   микролегирующее действие “полезных” примесей в твёрдом металле. Получаемые изделия отличаются более высокими механическими характеристиками, пониженной трещиночувствительностью и другими полезными свойствами,   значения которых не достижимы при ранней присадке модификаторов -   в разливочные ковши.   Кроме того, введение РЗМ (или комплексных лигатур, содержащих РЗМ) в ходе разливки металла исключает затягивание сталевыпускных каналов разливочных ковшей.

Таблица 2. Результаты модифицирования металла в процессе разливки

Место ведения добавок

Расход ПП, кг/т

Скорость ввода, м/с

Содержание элементов в металле, ppm.

Усвоение элементов, %

Ca

Ce

Ca

Ce

В промковш - под струю

1,3…1,4

0,6…0,7

1…2

4…5

9…18

26…33

В промковш – под стопор

1,3…1,4

0,6…0,7

2…3

6…7

18…27

40…47

В кристал-лизатор

0,33

0,1…0,2

1…1,5

2…3

28…32

50…75

При получении крупных слитков также эффективна “поздняя” обработка   металла модификаторами – после окончания разливки.

Наивысшая эффективность проведения процесса микролегирования и модифицирования металла, а вместе с тем и всего процесса обработки металла вне печи (в ковше и на разливке), по нашему мнению, возможна при условии применения не одинарных, а многокомпонентных -   комплексных и комбинированных микролигатур.

Метод модифицирования на разливке в слитки в 70…80-тые годы прошлого века широко обсуждался в литературе, но из-за отсутствия надёжных устройств для ввода модификаторов и баз по производству модификаторов мелких (1…20мм) фракций не получил заметного развития в практике металлургических предприятий.

Таблица 3. Усвоение легкоокисляющихся элементов при микролегировании стали, %

Способ присадки

Наименование раскислителей и микролегирующих элементов

Ca

РЗМ(Cе)

Al

Zr

Ti

В

Nb

V

  Кусками в сталеразлив. ковш в ходе выпуска   металла

3…14

9

3…30

~10

15…37

21

 

5…33

22

30…60

42

37…54

48

40…93

77

82…89

85

  Кусками в ковш на УДМ

-

10…50

~20

45

63

25…80

58

50…55

52

-

-

  Вдуванием в ковш

3…25

13

30

45…55

50

45

60…80

68

-

-

-

ПП в сталеразливочный ковш

7...40

~20

87

28…80

54

-

66…97

90

76…94

85

-

93...99

96

ПП в промковш

при непрер. разливке

10…27

~16

10…47

24

-

-

70

-

-

-

ПП в кристаллизатор

при непрер. разливке

10…35

22

30…90

~65

80…85

82

-

-

-

-

-

На струю в центровую в ходе разливки сифоном

15…28

~22

45…90

~60

-

52…57

54

80…90

84

70…92

79

58…86

72

-

На струю при разливке сверху

6…8

7

25…80

55

-

40…42

41

 

 

-

92…99

95

90…98

94

В настоящее время:

Во-первых, создана аппаратура, позволяющая вводить в металл точно дозируемые количества реагентов. При организации работы по методу “Модинар” могут быть использованы недорогие и компактные механические аппараты-дозаторы, которые просты в изготовлении и эксплуатации. Аппарат-дозатор навешивается на ковш или устанавливается на сталевозную тележку. Подающая труба, закреплённая на устройстве, подводится к месту выхода струи   металла, вытекающую из ковша. Для обслуживания процесса модифицирования не требуется подвод коммуникаций (электроэнергии или сжатого воздуха) и сама операция не вызывает затруднений   у обслуживающего персонала. Расход комплексных модификаторов, содержащих в разных композициях магний, кальций, барий, редкоземельные металлы (РЗМ), алюминий, титан и другие элементы составляет 0,5…1,5 кг на 1 т получаемой стали, т. е. 50…150 руб.   Заметьте –   расходы модификаторов при осуществлении нашей технологии в 2…3 раза ниже тех, которые фигурируют в технологических инструкциях многих предприятий. Экономический эффект может быть получен за счёт снижения брака, улучшения качества металлопродукции исключения из схемы производства операции вакуумирования (расходы составляют 25$ на 1 т) и снижения затрат при обработке металла на “ковше-печи”.

Во-вторых, накоплен практический опыт модифицирования   стали широкого сортамента, разливаемой на слитки. Список наших публикаций по выполненным работам можно найти в Интернете на сайте www.npp.ru.

В-третьих,  Компания НПП (Челябинск) обладает производственными мощностями, позволяющими обеспечить заводы и комбинаты порошковой проволокой или фракционированными комплексными модификаторами любого состава, при этом полученными принципиально новым способом – методом мгновенной закалки из расплава. Получение модификаторов таким способом исключает ликвацию элементов в лигатуре, обеспечивает физико-химическую изотропность модификаторов и стабильность получаемых результатов.  

Таким образом, рациональное проведение операции модифицирования позволяет в ряде случаев отказаться от глубокой десульфурации металла или обязательного проведения   его вакуумирования. Только максимальное приближение момента присадки легкоокисляющихся примесей к температурам металла, близких к солидусу, т.е. на разливку, в условиях исключения их контакта с футеровкой ковша и ограничения развития процессов вторичного окисления позволяет в максимальной степени получить нам более эффективные и устойчивые результаты по улучшению качества металла.

В настоящее время Компания НПП осуществляет:

  • предварительное обследование производства;
  • разработку технологии модифицирования;
  • поставку комплексных модификаторов и аппаратов-дозаторов для их ввода в сталь;
  • поставку оборудования для ввода порошковой проволоки (трайб-аппаратов, пультов управления и другое оборудование) 
  • совместно с заказчиком осуществляет проектирование инфраструктуры   производства модифицированного металла (от разгрузки биг-бэгов с модификатором до подачи его в жидкий расплав);
  • обучение персонала с работой по новой схеме производства.

Компания НПП  приглашает к сотрудничеству все предприятия, заинтересованные в улучшении качества стали за счёт её модифицирования и микролегирования.


Другие Сталь: