Развитие технологии вакуумного обезуглероживания на Yawata Works, Nippon Steel
Аннотация
В статье описаны характеристики DH и REDA процессов вакуумного обезуглероживания, развиваемых на заводе Nippon Steel. Достигнутый уровень обезуглероживания и значения константы обезуглероживания позволяют применять DH и REDA процессы для производства ультраникоуглеродистых сталей. Эти процессы были сопоставлены по способности к обезуглероживанию по следующим критериям: скорость циркуляции металла, реакционная поверхность, количество вводимого аргона. В результате, процесс декарбюризации REDA был признан лучшим среди DH и других способов вакуумного обезуглероживания, в частности, RH. По причине того, что количество инжектируемого аргона для RH и REDA процессов не может быть сколько-нибудь увеличено, создание пузырьков оптимальной формы в жидкой стали ? наиболее важная задача в ближайшем будущем для развития процессов обезуглероживания.
Введение
Технология вакуумной дегазации DH (далее DH) была введена в Японии из Германии, примерно, в 1960-м г. и с развитием стало играть важную роль в повышении качества стали, увеличении объемов производства последней также хорошо, как и в снижении стоимости стали. Nippon Steel ? первый японский производитель стали, введший процесс DH, усовершенствованный Slim DH2) процесс и революционный дегазирующий активатор (Revolutionary Degassing Activator ? REDA3-5)). Статья описывает историю развития процессов обезуглероживания от DH до REDA.
Развитие и характеристики DH и REDA процессов
История развития процессов вакуумного обезуглероживания на YW, которая началась с процесса DH и сегодня достигла уровня REDA. процесса, моет быть разложена на 4 стадии, как показано на рисунке 1. Ключевые точки в развитии технологии, уровень обезуглероживания и другие аспекты представлены под рисунком.
Первая стадия (1960-1967 гг.): понимание основных функций DH процесса
Тестирование процесса DH на дегазацию началось в 1959 г. с использованием 25-тонного ковша, а две 70-тонных установки DH дегазаторов были введены в 1962 г. В течении этого этапа механизм обезуглероживания базировался на очищении металла пузырьками СО, а операционные параметры содействовавшие эффекту обезуглероживания (родство между скоростью поступления стали в вакуум камеру и общим количеством стали, число ходов вакуум камеры, суммарное количество стали побывавшей в вакуум камере) активно развивались. В результате минимальное содержание углерода достигло уровня 0,02 %. На этом этапе были также достигнуты условия плавки металлов содержащих RI(198Au), а также введена концепция времени перемешивания расплава.
Вторая стадия (1968-1978 гг.): функции и усовершенствования установки DH
Функция усовершенствования
В 1969 г. наметилась тенденция снижения содержания углерода в ультранизкоуглеродистых сталях, минимальный достижимый уровень содержания углерода составил 50-100 ppm был представлен как результат обеспечения оптимального содержания кислорода и углерода после вакуумной обработки. В 1970 г. ультранизкоуглеродистые нержавеющие стали содержащие углерод в количестве 0,014-0,020 % после обработки получали с вдуванием аргона через всасывающий патрубок 70-тонных DH установок. С тех пор аргонная продувка зарекомендовала себя как эффективный способ обезуглероживания и была введена в обычную практику обезуглероживания.
Рис. 1 История изменений главных технологий DH и REDA процессов
Размер усовершенствования
Строительство больших производственных мощностей поддерживалось быстрым развитием индустрии производства стали, и процесс DH не был исключением ? он соответствовал тогдашним требованиям расширения мощностей. В 1969 г. была введена большая 180-тонная установка DH на Tobata District YW, явившаяся эффективным продолжением снижения себестоимости стали как ответ на первый энергетический кризис 1973 г.
Третья стадия (1979-1990 гг.): развитие тонкого DH (SDH) процесса и снижение предела
Развитие SDH
Требования к качеству стали начали интенсивно расти после второго энергетического кризиса в 1979 г., и обработка ультранизкоуглеродистой стали в больших объемах была востребована как этап применения непрерывной закалки (отжига, отпуска) для производства холоднокатаных листов. Новый плавильный цех с 330-тонными конвертерами построенный на YW вместе с новейшей разработкой: тонким DH дегазатором (далее 330т-T-Slim DH) были введены в коммерческое использование в 19796) г. Особенности дегазатора заключаются в том, что камера имеет более высокое соотношение высоты и диаметра, чем обычный DH дегазатор, а внешний диаметр вакуум камеры меньше, чем внутренний диаметр ковша (как показано на рис. 2), так, что камера может входить внутрь ковша. Дегазатор также имеет больший вертикальный всасывающий патрубок, ? это позволяет всасывать большее количество металла за один цикл. Количество вертикальных ходов в минуту было также увеличено для повышения циркуляции жидкой стали в минуту. Энергия волнения ванны в ковше была повышена, и, как следствие, время гомогенизации было уменьшено. В последствие 180-тонный DH дегазатор (в дальнейшем 180т-N-DH)7) был модифицирован в Slim DH в 1984 г. (в дальнейшем 180т-N-Slim DH).
Снижение предела процесса DH по количеству вводимого аргона
В тонком DH процессе с повышением мощностей обезуглероживания за период 19080-195 были опробованы способы подачи аргона в больших количествах через всасывающий патрубок (1) и через днище вакуум камеры (2), как показано на рисунке 2 (а). При вдувании аргона через патрубок аргон подавался в значительном количестве под большим давлением при движении металла вверх в вакуум камеру, и поток газа уменьшался при возвращении массы металла обратно в ковш 1). Рис. 3 показывает прогресс обезуглероживания во время вакуумной обработки при вдувании аргона по данному способу 1). В процессе А, где нет продувки аргоном, уровень обезуглероживания составляет 50-20 ppm, а процесс В, где расход аргона равен 2,5л/мин, позволяет получить содержание углерода уменьшенное до значений 10-20 ppm. Константа обезуглероживания К (1/мин) в этом случае составляет 0,15 (где [C] ? содержание углерода в %; t ? время обезуглероживания, мин; t = 0 ? начало дегазации; значение К (1/мин) вычисляется по формуле вакуумный углерод сталь
Рис 2. Формы вакуум камер и способы введения аргона
Рис 3. Характеристики обезуглероживания DH и REDA
d [C]/dt = ?Kt и время обезуглероживания составляет 15-20 мин).
Когда количество вдуваемого аргона увеличилось до 3,000 л/мин, тут же возникла проблема возвращения металла из вакуум камеры обратно в ковш и стало ясно, что это лимит, ограничивающий количество вводимого аргона. На продувку аргоном через дно камеры (рис. 2 (а) (2)) обратили внимание, хотя обезуглероживающий эффект метода был исчерпан 8), идея используемая в этом способе была оставлена, так как помимо обезуглероживания метод имел следующие эффекты: значительное разбрызгивание металла; невозможность попадания окислителя при продувке через пористые пробки в днище; невозможность попадания в камеру остаточного шлака, мешающего стабильности процесса. С учетом этого 180т-Slim-DH процесс позволил уменьшить содержание углерода до 10 ppm за 20 мин обработки с вдувание аргона одновременно через всасывающий патрубок и через дно камере 9), как показано на рис. 3 С.
Четвертая стадия (1991-1999 гг.): модификация DH процесса в REDA
Введение и развитие REDA процесса
Процесс REDA, базирующийся на том, что скорость гомогенизирующего перемешивания ванны может быть увеличена с помощью продувки металла аргоном через дно ковша, развивался как новый способ в 1991 г. путем модифицирования 180 тонной установки N-Slim DH. В 19943-5) г. 330 тонная установка T-Slim DHбыла также модифицирована в агрегат REDA (далее 180т-N-REDA и 330т-T-REDA, соответственно). В дизайне установка REDA мела диаметр больше, чем общепринятый диаметр всасывающего патрубка, как показано на рис. 2 (б), и камера не двигалась вертикально. Обезуглероживание осуществлялась за счет вдувания аргона через дно ковша в вакуум камеру, с образование циклического потока жидкой стали между камерой и ковшом. Процесс REDA показал преимущества перед Slim DH по обезуглероживающей способности.
Увеличение обезуглероживающей способности установок REDA
Геометрия установки REDA, показанная на рис. 2 (б), способствует увеличению перемешивания жидкой стали аргоном на уровне H и удаление углерода происходит более глубоко за счет увеличения поверхности стали S1 и поверхность контакта стали и аргона S2 стала больше. Когда диаметр камеры увеличивается, поверхность стали S1 в камере становится больше, обезуглероживание также протекает более глубоко, однако поток жидкой стали на уровне Н становится медленнее и поверхность S2 уменьшается и, как результат, обезуглероживание ухудшается. Возникла проблема определения оптимального диаметра камеры. Диаметр камеры d 330т-T-REDA составил 2 метра ? половина внутреннего диаметра D ковша 5, 10). Время гомогенизирующего перемешивания было определено с помощью холодных водяных моделей. Эксперименты показали, что для процесса Slim DH эта величина составляет 80 сек. а для процесса REDA ? примерно 65 сек.; снижение времени ?20 % 5).
Рис. 3 показывает результаты обезуглероживания установок 330т-Т-REDA (D) и 180т-N-REDA (Е), обе представляют модификацию Slim DH процесса 3, 4). Как становится ясно из рисунка, процесс REDA позволяет достичь снижения содержания углерода до 10 ppm за 25 мин, или 10-5 ppm за 20 мин., что показывает более быструю скорость обезуглероживания, чем в случае с Slim DH. Таким образом, как показано на рисунке 1, через 35 лет после введения DH технологии стало возможным получать содержание углерода 5-10 ppm в коммерческой продукции с использованием установок REDA.
1. Обсуждение способностей по удалению углерода процессов Slim DH, REDA и RH
Slim DH и REDA сравнивались по обезуглероживающей способности по нескольким факторам, а именно: скорость циркуляции жидкого металла Q, реакционная поверхность S и скорость вдувания аргона A. Обезуглероживающая способность процесса дегазации RH изучалась по литературе и сравнивалась с процессами Slim DH и REDA.
Сравнение Slim DH и REDA
Циркуляция металла
Увеличения обезуглероживающей способности способствует увеличение суммарного количества металла прошедшего через вакуум камеру.
Индекс циркуляционной способности I (1/мин), который определяется как отношение скорости циркуляции Q (т/мин) к heat размеру W (т/heat), увеличивался при модификации процесса DH в Slim DH и возрастал еще, примерно на 20 %, при модификации в REDA (см. рис. 4 (аббревиатуры: NSC ? Nippon Steel, KSC ? Kawasaki Steel, NKK ? NKK Corporation и SMI ? Sumitomo Metal Industries)).
Реакционная поверхность в вакуум камере
На рис.5 сравниваются реакционные поверхности S в вакуум камере и константы обезуглероживания К по мере совершенствования процесса от DH до REDA. Несмотря на тот факт, что реакционная поверхность S в процессе Slim DH меньше, чем в DH, константа обезуглероживания К возрастает с 0,12 (обычный DH способ) до 0,15-0,16 (Slim DH) и далее до 0,23 (REDA процесс)
Скорость вдувания аргона
Рис. 6 показывает корреляцию между константой обезуглероживания К и интенсивностью вдувания аргона
Рис. 4 Связь между heat размером и циркуляционной возможностью
Рис. 5 Связь между реакционной поверхностью и констанотой обезуглероживания
Рис. 6 Связь между интенсивностью ввода аргона и константой обезуглероживания
А (л/(мин•т)). В процессе Slim DH константа К увеличивается пропорционально увеличению интенсивности вдувания аргона и достигает максимального значения К = 0,15-0,16. При модификации Slim DH процесса в REDA интенсивность введения аргона I возросла с 2 до 4 л/(мин•т)5), константа обезуглероживания А увеличилась до 0,23.
Значительное увеличение константы К процесса REDA произошло благодаря эффективному увеличения скорости циркуляции Q и разбрызгивания металла в вакууме 5).
Сравнение REDA и RH процессов
Обезуглероживающая способность
Как показано на рис. 4, коэффициент циркуляции металла RH и REDA процессов изменяются одинаково. Из рис. 6 видно что константа обезуглероживания (К = 0,23) REDA способа близка к константе обезуглероживания RH процесса (К = 0,22-0,24) опубликованной в литературе 9-15), следовательно процессы REDA и RH имеют одинаковую способность к удалению углерода.
Максимально возможное количество вводимого аргона
Рис. 6 показывает, что скорость введения аргона А процесса RH значительно больше, чем для REDA. Это обусловлено тем, что в RH перемешивающий газ подается через патрубок с небольшой глубины (считая от зеркала металла в камере) (h на рис. 2 (с)), а это требует намного больше аргона, чем в случае с REDA, где газ подается с большой глубины (H на рис. 2 (b)). Константа обезуглероживания процесса RH не увеличивается с увеличением интенсивности продувки. В процессе REDA, с другой стороны, увеличение интенсивности продувки сегодня не рассматривается как эффективный способ, это может быть применено для создания турбулентных потоков в жидкой стали.
Проблемы будущего (создание прекрасных пузырьков)
Константа обезуглероживания К (1/мин) определяется как
K = (Q'•ak)/(V•(Q' + ak))I6),
где Q' ? скорость циркуляции жидкой стали (м 3/мин), V ? общее количество металла в ковше (м 3) и ak ? коэффициент полноты реакции обезуглероживания (м 3/мин). Рис. 7 показывает связь между скоростью циркуляции Q (т/мин) и коэффициентом полноты реакции обезуглероживания ak. На рисунке зона С ? промежуточная зона между циркуляционно-контролируемой зоной А (зона, где значение ak определяется суммарным количеством циркулирующей стали) и реакционно-контролируемой зоной