К вопросу совершенствования процессов выплавки стали на основе технологии ORIEN

УДК 621.745.4

К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ORIEN

,

Изложены металлургическая концепция нового способа производства стали на основе технологии ORIEN и его металлургические показатели, а также возможность повышения качества стали и создание на базе процесса ORIEN новых видов металлопродукции.

Ключевые слова: ORIEN, концепция, брикеты, синтиком, показатели, высокопрочные трубные стали, толстые слябы, тонкая полоса.

1.Металлургическая концепция процесса ORIEN.

Одним из новых способов получения железа прямого восстановле­ния в жидком виде является процесс, разработанный в России и получив­ший название ORIEN. Процесс носит совмещенный характер и предназна­чен для одновременного получения первичного металлического сырья и выработки электрической энергии из образующегося газа - в основном из моноокиси углерода. В качестве исходного сырья используют железо - и углеродосодержащие материалы техногенного и природного происхожде­ния как в дисперсном, так и окускованном состоянии. Процесс ORIEN раз­работан фирмой ГК «Ферро-Технолоджи» на основании ранее проведен­ных исследований [1-2], а также многочисленных работ отечественных исследователей, в частности проф. и соавторов.

По сравнению с традиционным электросталеплавильным процессом помимо различий в виде исходных материалов новый процесс ORIEN от­личает особая энергетика, обусловленная подачей по ходу плавки брикетов синтикома в центральную зону печи, примыкающую к электродам. Благо­даря этому достигается совмещение технологической зоны восстановления железа и получения СО и зоны выделения тепла. Соответственно этому на­грев, плавление, и восстановление в композите происходит в режиме пря­мого дугового нагрева. Это сочетается с огромными температурами, пре­вышающими многократно температуру плавления железа и значительной концентрацией энергии. Совокупность этих факторов предопределяет бо­лее высокую эффективность восстановления по сравнению с восстановле­нием при косвенном характере нагрева. В частности при плавке  в ДСП с подачей металлизованных окатышей (ПАО «ОМК») процессы восстанов­ления не происходят.  Помимо увеличения скорости восстановления дуго­вой нагрев вызывает исключительно высокий перегрев железа прямого восстановления над линией ликвидус, обеспечивая тем самым получение расплава металла со структурой, отвечающей равновесному состоянию.

По ходу плавки в ванну вдувается газообразный кислород, который окисляет избыточный углерод металла с выделением непосредственно внутри ванны тепловой энергии в количестве примерно 2,9 кВт/ч на 1 кг углерода. Это тепло практически полностью усваивается жидкой ванной  и расходуется на расплавление части брикетов синтикома, оставшихся не­расплавленными, восстановление железа и подогрев металла. Углерод в данном случае помимо роли восстановителя выполняет и роль дополни­тельного энергоносителя и источника тепла.

Подача извести, флюсов и других материалов, в том числе допол­нительного количества науглероживателя по ходу плавки не представляет трудностей и осуществляется аналогично действующей технологии.

Ниже представлены общая схема металлургического  процесса ORIEN в варианте работы на предварительно окускованных материалах - брикетах синтикома, базирующихся на системе Fe-O-C.

Рисунок 1. Схема металлургического  процесса ORIEN

Преимуществом процесса ORIEN является исключительно высокая скорость  взаимодействия углерода с жидкими окислами железа, носящая эндотермический характер. Процесс восстановления при этом вместо твердофазного состояния приобретает жидкофазный характер. Скорость последнего на порядок с лишним превышает аналогичную величину при твердофазном восстановлении (доменная печь, шахтная печь).

Другим преимуществом варианта работы на брикетах синтикома является разделение зоны восстановления и зоны окисления(горения) уг­лерода на две отдельные независимые области. Первая из них относится к месту расположения электродов в печи, а вторая – к металлической ванне, куда стекает железоуглеродистый расплав, образующийся в зоне горения электродов. Этот расплав выполняет по отношению к ванне роль жидкого науглероживателя, создавая в ванне запас углерода, используемого в каче­стве дополнительного теплоносителя. Одной из особенностей процесса ORIEN является постоянное наличие в зоне горения дуг твердых брикетов синтикома. Эти материалы, выполняют роль своеобразных «холодильни­ков». Они снижают локальные температуры, увеличивают перепад темпе­ратур между дугами и шихтой, сокращают потери тепла с отходящими га­зами, снижают пылевыделение из печи. Такой режим работы дуг является более оптимальным по сравнению с существующей практикой.

В табл. 1 приведены металлургические показатели процесса ORIEN и стандартной  технологии ДСП, работающей с использованием металло­лома. 

Из сравнения данных следует, что процесс ORIEN отличает более высокий выход годного, меньше пылевыделение, более высокая степень испарения примесей цветных элементов в зоне дуг, возврата электроэнер­гии и экономический эффект. Весьма важным показателем качества ме­талла процесса ORIEN является повышение чистоты металла и его перво­родность по сравнению с существующем процессом при использовании металлолома в шихте.

Таблица 1

Металлургические показатели процесса «ORIEN»

п/п	Наименование показателей	Ед. изм.	Величина показателей
ДСП стандартная технология	Процесс «ORIEN»
1	2	3	4	5
1	Количество металлолома в шихте	%	95	0
2	Количество твёрдого чугуна в шихте	%	5-15	0
3	Количество железоуглеродистых брикетов	%	0	80-100
4	Выход жидкой стали	%	89-91	93-95
5	Относительный расход электроэнергии на выплавку стали	%	100	60-75
6	Расход кислорода для продувки	нм3/т	31,7	33-37

Продолжение табл. 1

1	2	3	4	5
7	Пылевыделение из печи	кг/т	20	10
8	Утилизация отходов металлургического производства (окалина, пыль газоочисток и др.)	%	0	100
9	Испарение цветных элементов (свинец, сурьма, олово) в зоне горения дуг	%	20	60-90
10	Возврат электроэнергии в процесс за счёт сжигания оксидов углерода вне печи	%	0	60
11	Стоимость металлошихты в ценах 2016 г.	руб./т	18000	12600
12	Экономический эффект процесса «ORIEN» по отношению к стандартной технологии ДСП	%	100	170

2.Обработка металла на литейно-прокатных комплексах.

Основную роль в формировании структуры металла в современных металлургических технологиях  непрерывного типа имеющих в настоящее время различные модификации, металлургического и прокатного оборудо­вания, играет непрерывная разливка тонких слябов (70-115 мм). Эта техно­логия имеет следующие преимущества [3]:

- более низкая макросегрегация углерода и легирующих элементов в процессе кристаллизации из-за высокой скорости разливки  (5,0-7,0 м/мин);

- меньшая степень суммарного обжатия, требуемая при производстве проката;

- меньший размер включений из-за высокой скорости  кристаллиза­ции тонкого сляба.

Основной проблемой при разливке тонких слябов являются дефекты слябов особенно для стали перитектического состава [5]. Приходиться уменьшать содержание углерода в стали, что снижает прочность и требует для компенсации этого дополнительного ввода легирующих элементов. Согласно работе [5] содержание углерода в стали влияет на структурную неоднородность и скорость кристаллизации, которая возрастает при уве­личении содержания углерода, усиливая этот эффект  при разливке в тон­кие слябы. В результате этих процессов в середине тонкого сляба нет зоны равноосных зерен, преобладают только зерна столбчатых кристаллов, что вызывает трещинообразование  в слябе. Первородность металла ORIEN, позволяет снизить температуру металла при кристаллизации, что увеличи­вает зону равноосных кристаллов и горячую пластичность стали перитек­тического состава (табл. 2).

3. Получение высокопрочной конструкционной стали из тол­стых непрерывнолитых слябов.

Получение первородного металла процессом ORIEN позволяет бо­лее эффективно реализовать существующие современные, а также про­рывные технологии сталеплавильного производства.

Одним из таких процессов является получение бездефектных ши­роких слябов для трубного металла.

Таблица 2

Новые виды металлопродукции на базе процесса «ORIEN» и реализация прорывных процессов в сталеплавильном производстве

п/п	Наименование продукции	Су­ще­ству­ющее поло­жение	Мировой уровень	Металлургические процессы
Непре­рывная разливка в слябы	ЛПК-ком­плекс	Непре­рывное литье полосы
1	2	3	4	5	6	7
1	Высокопрочная конструкционная сталь, в том числе трубная класса прочности Х120 в толщине листа более 20 мм	Нет про­мыш­лен­ного про­извод­ства	Отдель­ные опытно-промыш­ленные партии	Разливка в слябы толщиной 350-450 мм	-	-
2	Конструкционная листовая сталь с супермелким зер­ном в структуре	Нет про­извод­ства	Лабора­торные исследо­вания	Разливка в слябы толщиной 200-400 мм	-	-

Продолжение табл. 2

1	2	3	4	5	6	7
3	Низколегирован­ная сталь пери­тектического со­става	По­вы­шен­ный брак в про­извод­стве (до 30%)	Брак в производ­стве до 10%	-	Разливка в тонкие слябы (70-115 мм) об­работка на ЛПК	-
4	Тонколистовая углеродистая сталь ответствен­ного назначения	Нет про­извод­ства	Брак по поверх­ностным трещинам до 30%	-	-	Литье полосы на двух­валковой МНЛЗ

Анализ работы [3]позволяет отметить следующие металловедче­ские тенденции в развитии производства высокопрочных трубных сталей:

- снижение содержания углерода до 0,03%-0,05% ( свариваемость и пластичность стали)

- уменьшение осевой ликвации в толстых слябах(350-450 мм) (стой­кость против  водородного  растрескивание в агрессивных средах)

- рациональное микролегирование  стали нитридообразующими элеменатми( Ti, V, Nb) для регулирования размера зерна феррита и аусте­нита при горячей прокатке и термообработке.

- повышение чистоты металла по примесям цветных металлов, га­зами и неметаллическими включениями.

- контролируемая прокатка  по режимам деформации в двухфазных г+б – области или однофазной г – области (для эффективного измельчения зерна)

- нагрев металла после контролируемой прокатки(влияние на вели­чину зерна аустенита, растворимость карбонитридных фаз, устойчивость аустенита)

- ускоренное охлаждение (с получением бейнитной структуры, обеспечивающей в металле оптимальное соотношение прочности и вязко­сти)

Характеристика металла, полученного процессом ORIEN, ппрежде всего первородность, показывают, что выполнение металловедческих идей в отношении получения высококачественной трубной стали класса проч­ности  х100-х120 в толщине листов более 20 мм могут быть выполнены в промышленных масштабах (таблица 2). Первородность металла ORIEN  по­зволяет снизить температуру кристаллизации стали на 15-20  ̊С, что расши­ряет зону равноосных кристаллов в толстых слябах, увеличивая пластич­ность металла при разливке на криволинейных и радиальных МНЛЗ.

Уменьшение осевой ликвации в слябе успешно решается за счет применения ЭМП и мягкого обжатия при непрерывной разливке [4].

4. Непрерывная разливка тонкой полосы.

Непрерывная разливка тонкой полосы в кристаллизаторе является прорывной технологией сталеплавильного производства.  В мире дейст­вует пять установок литья в тонкую полосу, выполненные по проектам  Castrip (США), Eurostrip (Германия), фирма Mitsubishi (Япония) [5]. Техно­логическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковой МНЛЗ позволяет в 8-10 раз снизить затраты  энергетически ресурсов, в 40-50 раз – потери металла в окалину, в 5-10 раз повысить производитель­ность при существенном уменьшении затрат на капитальное строитель­ство. Все это обеспечивает экономическую мотивацию в части дальней­шего развития и совершенствования этого процесса.

В начале была успешно освоена технология получения нержавею­щей стали с удовлетворительным качеством поверхности.

Освоение разливки углеродистой стали  до сих пор остается менее успешным. При разливке углеродистой стали выплавленной в ДСП  с ис­пользованием товарного лома,  готовая полоса, как правило, имеет множе­ство дефектов в виде поперечных трещин. Причиной появления этих де­фектов является проявление различия в механических свойствах полосы в продольном и поперечном направлении [5].

Можно предположить, что чистота металла и однородность зерен­ной структуры аустенита  в металле позволяет успешно отливать углеро­дистую сталь на двухвалковых  МНЛЗ, так как анизотропия свойств по­лосы значительно снижается (табл. 2).

Заключение

В России разработан, запатентован и частично опробован в про­мышленных масштабах новый энергометаллургический процесс ORIEN.

По сравнению с процессом ДСП, работающей на ломе он имеет преимущества в улучшении показателей:

Выхода жидкой стаи, содержанию цветных примесей, пылевыделе­нию, утилизации железоуглеродистых отходов, экономическому эффекту.

Новые свойства металла ORIEN (первородность и однородность жидкого состояния) позволяют предположить об эффективной реализации новых прорывных технологий в области непрерывной разливки стали и обработке металла на ЛПК).

Список литературы

1.Шахпазов Г. А., Новые синтетические композиционные материалы и технологии выплавки с их использованием, М.: Интерконтакт Наука, 2008, 272с.

2. , Перспективы применения  композиционных материалов в электродуговых печах// Сталь, 2015, №10, с.13-16.

3. ,  Металловедение в большой металлургии. Трубные стали. М.: Металлургиздат,2012, 696с.

4., , и др. Современные технологии сталеплавильного производства// Электрометаллургия,2016, №3, с.3-10.

5., , Непрерывна разливка стали, Липецк, , 2011,221 с.

, канд. техн. наук, доц., *****@***ru, Россия, Тула, Интермет-Сервис»,

, д-р тех. наук, профессор, *****@***ru, Россия, Москва, Академия технологических наук РФ.

TO THE IMPROVEMENT OF STEELMAKING PROCESSES ON THE BASIS OF TECHNOLOGY ORIEN

G. A. Dorofeev, V. A. Sinel’nikov

Metallurgical outlined the concept of a new method of steel production on the basis of technology ORIEN and its metallurgical performance, and the ability to improve the quality of steel and the creation of process ORIEN new types of steel products.

Keywords: ORIEN, concept, briquettes, sinticom, indicators, high-strength pipe steel, thick slabs, thin strip.

Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical science, docent, *****@***ru, Russia, Tula, OOO «NPMP Intermet-Service»,

Sinel’nikov Vyacheslav Alekseevich, doctor of technical science, professor, *****@***ru, Russia, Moscow, Academy of technological Sciences of the Russian Federation.