Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ мирового опыта производства трансформаторной стали 7
1.1. Особенности процессов намагничивания материалов 7
1.2. Физические основы магнитных свойств металлов и сплавов 8
1.3. Влияние кристаллической ориентировки на магнитные свойства поликристаллических материалов 11
1.4. Роль внутренних напряжений и меры борьбы с ними 13
1.5. Особенности ребровой и кубической текстуры трансформаторной стали 14
1.6. Влияние химического состава на свойства трансформаторной стали 17
1.7. Технологические схемы производства трансформаторной стали... 22
2. Технология выплавки трансформаторной стали в кислородных конвертерах ОАО "ММК" 31
2.1. Химический состав выплавляемого металла 31
2.2. Разработка технологии конвертерной плавки 40
3. Ковшевая обработка трансформаторной стали 47
3.1. Обеспечение требуемого химического состава и содержания азота в трансформаторной стали 50
3.2. Удаление водорода при вакуумировании трансформаторной стали 67
4. Непрерывная разливка трансформаторной стали 76
4.1. Освоение технологии разливки трансформаторной стали 76
4.2. Шлакообразующиє смеси для разливки трансформаторной стали . 87
4.3. Освоение серийной разливки трансформаторной стали 100
4.4. Строение непрерывнолитого сляба из трансформаторной стали.. 106
5. Промышленная реализация технологии производства анизотропной трансформаторной стали в ОАО "ММК" 115
Выводы 120
Список использованных источников
- Физические основы магнитных свойств металлов и сплавов
- Особенности ребровой и кубической текстуры трансформаторной стали
- Ковшевая обработка трансформаторной стали
- Шлакообразующиє смеси для разливки трансформаторной стали
Введение к работе
Электроэнергетика составляет важнейшую часть жизнедеятельности мирового сообщества. Выработка и преобразование электрической энергии являются основой современного технического прогресса. Одна из базовых отраслей промышленности - металлургия, особенно электрометаллургия, потребляет электрическую энергию в больших масштабах.
Разнообразие применения и массовость производства электрооборудования определяют потребность в магнитопроводящих материалах высокого качества и доступных для широкого использования. Распространенность и относительная простота изготовления железа в виде стали с разнообразными физико-механическими свойствами, в том числе и магнитными, побудило к изучению и использованию стали в качестве магнитопроводов в электротехнических изделиях. Ферромагнетизм - уже давно стало привычным понятием, а электротехнические стали - самым распространенным материалом электротехнической промышленности. Особенности магнитных свойств и стоимость электротехнических сталей определяют их широкую номенклатуру.
Ежегодно в мире производится 5-6 млн. т электротехнических сталей, из которых на долю анизотропной (трансформаторной) стали приходится 30 -35 %. На внешнем рынке существует устойчивый спрос на эту продукцию. В России также накоплен большой опыт производства и использования электротехнических сталей. Так же, как и в мировой практике, в нашей стране рост производства и потребления этих сталей определяется уровнем развития электроэнергетики.
В период реструктуризации российской экономики спрос на электротехнические стали на внутреннем рынке заметно снизился. Крупнейший производитель трансформаторной стали Верх-Исетский металлургический завод (ВИЗ) сократил производство до критического уровня, а его кооперация по производству горячекатаного подката с Челябинским металлургическим комбинатом практически прекратила свое существование (см. рисунок).
і і і
н н
0)
Годы
Динамика производства тонколистовой трансформаторной стали в ООО "ВИЗ-Сталь"
В это же время в ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (ММК) осваивались производственные мощности кислородно-конвертерного цеха в комплексе с цехом горячей прокатки слябов ЛПЦ-10. Наращивание производства обуславливало поиск внутренних и внешних рынков сбыта продукции. В этих условиях совпали интересы ММК и ВИЗ. Кооперация ММК -ВИЗ поставила задачу восстановить уровень производства трансформаторной стали такого качества, которое удовлетворяло бы потребности не только внутреннего, но и внешнего рынков.
Для выполнения поставленной задачи необходимо было решить ряд научных и технических проблем. Во-первых, на базе углубленного изучения электромагнитных свойств трансформаторной стали и существующих технологических схем ее производства выбрать наилучший вариант технологии. Во-вторых, определить химический состав и разработать технологию выплавки стали в конвертерах большой вместимости, установить рациональные режимы ковшевой обработки стали и ее разливки на криволинейных машинах непрерывного литья заготовок. В-третьих, в комплексе технологического оборудования для горячей и холодной прокатки ММК - ВИЗ разработать технологические режи-
мы текстурообразования, обеспечивающие мировой уровень потребительских свойств трансформаторной стали.
Металлургическая часть этой большой и многоплановой работы является объектом исследования данной диссертации.
1. АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА ПРОИЗВОДСТВА ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СТАЛИ
Трансформаторная сталь относится к классу электротехнических сталей, которые являются основным материалом для изготовления магнитоактивных частей электромашин, вырабатывающих или преобразующих электроэнергию. Уровень магнитных свойств стали определяет основные эксплуатационные характеристики электромашин, работающих в переменных магнитных полях. На перемагничивание затрачивается дополнительная работа, величина которой определяет потерю мощности и снижение коэффициента полезного действия и должна быть минимальной.
Магнитопроводы из трансформаторной стали должны легко намагничиваться и создавать мощный магнитный поток. Эти свойства определяют необходимую массу металла и габариты изделия. Для магнитопровода важное значение имеет и анизотропия электротехнических свойств (высокий уровень свойств в заданном направлении).
Физические основы магнитных свойств металлов и сплавов
Магнитные свойства металлов обусловлены их атомным строением, причем решающую роль играет энергетическое взаимодействие электронов.
В результате движения электрона вокруг ядра возникает магнитный момент - так называемый орбитальный момент. Аналогичным образом в результате вращения электрона вокруг собственной оси образуется так называемый спиновый момент. Само ядро также испытывает вращательное движение и обладает определенным магнитным моментом. Сумма моментов всех электронов определяет магнитные свойства вещества. В атомах диамагнетиков сумма этих моментов равна нулю, в них электронная структура симметрична и магнитные моменты отдельных электронов, направленные в противоположные стороны, взаимно уничтожаются. Если же электронная структура атома несимметрична, то электронные моменты не уничтожают друг друга полностью и сумма элементарных магнитных моментов - так называемый атомный момент — становится отличной от нуля. Атомные или ионные моменты свободных атомов под действием внешнего магнитного поля устанавливаются вдоль поля, что приводит к положительной намагниченности [2].
Атомы, имеющие не до конца заполненные электронные подгруппы (например, элементы с порядковым номером от 21 до 28 - Sc, Ті, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, от 39 до 46 и т.д.), обладают известной асимметрией в их электронной структуре. Результирующий момент количества движения всех электронов таких атомов и вместе с тем магнитный момент всего атома становятся отличными от нуля. Мерой магнитного момента атома служит магнетон Бора.
Магнитные свойства металлов и сплавов обусловлены магнитными моментами движущихся электронов. Элементарными носителями магнетизма являются спиновые моменты электронов. Магнетон Бора - магнитный момент, соответствующий спину электрона. Ферромагнитное состояние металла определяется преобладанием электронов с одинаковыми спинами, т. е. наличием некоторого суммарного момента. Тепловое движение атомов нарушает параллельное расположение спинов и выше температуры, называемой точкой Кюри, приводит к превращению ферромагнетика в парамагнетик. Ферромагнитное состояние и точка Кюри определяются природой металла и не зависят от его структуры (размеров и формы зерен).
В кристаллах атомы взаимодействуют друг с другом, их валентные электроны взаимодействуют со всеми окружающими атомами. Изменение распределения электронов, а также изменение энергетических уровней представляется не в виде линий, четко отделяющихся друг от друга, а в виде полос, перекрывающих друг друга. Под влиянием термического движения электрон может попеременно переходить из одной полосы в другую. Вероятность пребывания электрона в данной полосе выражается в этом случае дробным числом электронов, как это, например, имеет место для состояний 3d- и 4s-aTOMa железа в кристаллической решетке. Поэтому железо в кристаллическом состоянии обладает 2,2 магнетона Бора. В случае легирования железа хромом, марганцем, кобальтом, никелем происходит замена в кристаллической решетке атомов железа атомами легирующего элемента, электроны которого компенсируют атомный магнитный момент. Только в случае сплавов железа с кобальтом атомный магнитный момент увеличивается до 2,4.
Орбитальные моменты электронов в атомах, образующих кристалл, в результате их взаимодействия в большинстве случаев не проявляются, поэтому в твердых парамагнитных и ферромагнитных телах основное значение для проявления магнетизма имеет спиновый момент. Ферромагнетизм является свойством не отдельного атома, а множества атомов, составляющих элементарную область или домен., т.е. коллективным свойством. Этот домен характеризуется тем, что в нем все атомные моменты, возбуждаемые электронами (в основном спиновые моменты), ориентированы параллельно друг другу. Благодаря этому домен намагничен до насыщения. Однако внешне вещество представляется немагнитным, так как отдельные домены намагничены в самых различных направлениях и вследствие этого результирующая намагниченность вещества в целом равна нулю. Такая структура обусловлена требованием минимума свободной энергии ферромагнетика.
Особенности ребровой и кубической текстуры трансформаторной стали
Из всех химических элементов, содержащихся в элетротехнических сталях, кремний оказывает наибольшее влияние на структуру и магнитные свойства трансформаторной стали. С увеличением содержания кремния растет электросопротивление стали и снижаются потери на вихревые токи. Кремний уменьшает потери на гистерезис и увеличивает магнитную проницаемость.
Чистый железокремнистый сплав приобретает целиком ферритную структуру при содержании 1,8-2,0 % кремния. Технический железокремнистый сплав - электротехническая сталь — становится целиком ферритным при содержании 2,8-3,8 % кремния, если содержание углерода не превышает 0,018-0,020 %. С возрастанием содержания кремния размеры ферритных зерен увеличиваются [1].
По данным [2] магнитная проницаемость железа достигает наивысшего значения при содержании в нем 6,5 % кремния. На Верх-Исетском металлургическом заводе (ВИЗе) в 1952 г. было проведено исследование по изучению технологических и магнитных свойств трансформаторной стали с содержанием кремния 4,8-5,3 %. Установлено, что магнитные свойства действительно улучшаются, но сталь становится исключительно хрупкой. Одним из факторов, определяющих целесообразность преимущественного применения железокремни-стых сплавов с содержанием кремния не более 3-4 %, является отрицательное влияние кремния на величину магнитного насыщения. По этой причине для ди-намомашин предпочтительны стали с более низким содержанием кремния. В трансформаторах, напротив, решаюшее значение имееют минимальные потери энергии. Исследование, проведенное на ВИЗе, показало, что улучшения свойств стали следует добиваться не путем дополнительного легирования кремнием, а путем снижения содержания примесей, оказывающих вредное действие на магнитные свойства стали.
Углерод оказывает существенное влияние на структуру и магнитные свойства трансформаторной стали. С увеличением содержания углерода размеры зерен феррита уменьшаются и магнитные свойства стали ухудшаются. Рост зерен феррита сдерживается присутствием второй фазы (аустенита). Требуется значительное повышение температуры отжига, чтобы устранить вредное влияние углерода на рост зерен феррита.
Установлено, что после отжига углерод при содержании до 0,005 % находится в твердом а-растворе, при содержании 0,006-0,012 % углерод выделяется в форме структурно свободных карбидов, а при более высоком содержании углерода образуется графит [1]. Минимальная коэрцитивная сила наблюдается в образцах трансформаторной стали с углеродом, выделившимся внутри зерен феррита в форме графита. Значения коэрцитивной силы при одном и том же содержании углерода в металле, но при разных его формах выделения могут отличаться в 1,5-2 раза [5].
Размеры углеродсодержащих включений обычно составляют 5-20 мкм, что значительно больше критических размеров (менее 1 мкм), оказывающих максимальное тормозящее действие на смещающиеся доменные границы [6]. Форма выделения углерода зависит от скорости охлаждения металла: быстрое охлаждение способствует выделению дисперсных частиц и фиксации углерода в твердом растворе. Последующее выделение углерода из твердого раствора является одной из причин магнитного старения.
Выделение углерода в горячекатаной трансформаторной стали в форме структурно свободных карбидов оказывает вредное влияние и на пластические свойства. Многочисленные литературные данные, обобщенные в монографиях [1,7] свидетельствуют, что при выплавке трансформаторной стали оптимальным содержанием углерода в ковшевой пробе является 0,025-0,040 %.
Содержание марганца в стали оказывает влияние на ее фазовый состав: с увеличением содержания марганца доля аустенита при нагреве увеличивается. В результате фазовых превращений возникают напряжения в металле и происходит измельчение зерен феррита. Это действует в направлении ухудшения магнитных свойств. Желательно иметь содержание марганца в трансформаторной стали не более 0,25 %.
Ковшевая обработка трансформаторной стали
Необычный для условий кислородно-конвертерного цеха ОАО "ММК" химический состав анизотропной трансформаторной стали потребовал разработки новых технологических приемов раскисления, легирования и ковшевой обработки металла.
Известно, что ведущие зарубежные фирмы [21] при производстве электротехнических сталей широко используют ковшевую обработку металла, в том числе продувку аргоном и внепечное вакуумирование жидкой стали.
Продувка металла аргоном оказывает существенное влияние на распределение кремния в объеме ковша, количество неметаллических включений, содержание растворенных в металле газов и скорость охлаждения металла. По данным [11] увеличение продолжительности продувки стали аргоном с 6 до 16 мин приводит к снижению содержания кислорода в литом металле с 0,0078 до 0,0059 %. Значительная часть неметаллических включений удаляется из металла в процессе раскисления, последующей продувки металла аргоном в ковше или при вакуумировании [22].
При вакуумной обработке достигается глубокое обезуглероживание стали, удаление растворенных в металле кислорода, водорода и неметаллических включений [23]. Химический состав готовой стали имеет меньшее отклонение от заданных пределов в связи с возможностью более надежной корректировки его состава за счет высокого и стабильного усвоения раскисляющих и легирующих добавок.
Для вакуумирования таких сталей используют чаще всего порционный (DH) и циркуляционный (RH) способы вакуумированя. Оба способа практически равноценны по технологическим результатам, хотя по имеющимся в литературе данным [24] и исследованиям, проведенным в последнее время на ММК [26,27], несколько лучшие показатели были достигнуты при обработке металла способом RH. За рубежом чаще всего вауумированию подвергают динамные нелегированные стали для получения в них достаточно низких содержаний уг лерода (менее 0,01 %) и электротехнические стали с содержанием кремния 1-2 %. Вместимость конвертеров, как правило, не превышает 160 т.
Отечественный опыт применения ковшевой обработки, в частности, ваку-умирования при производстве трансформаторной стали незначителен. В работе [11] изложены результаты, полученные при производстве электротехнических сталей различных групп и классов на ведущих металлургических предприятиях России - Челябинском металлургическом комбинате (ЧМК), Череповецком металлургическом комбинате (ЧерМК) и Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК).
На ЧМК при производстве анизотропной (сульфидный вариант) и изотропной повышенно-легированной (Si = 2,80-3,15 %) трансформаторной стали ковшевая обработка металла осуществляется продувкой его нейтральным газом при переливе из ковша в ковш.
На ЧерМК организовано производство изотропной электротехнической стали в электродуговых печах и 350-т кислородных конвертерах различной стали по содержанию углерода, кремния, алюминия, серы и азота. Для обеспечения требуемого химического состава стали различных вариантов используется перелив металла из ковша в ковш, обработка металла синтетическим шлаком, продувка металла аргоном и вакуумирование его в ковше.
На НЛМК для получения в трансформаторной стали регламентированного содержания алюминия и азота металл подвергается вакуумированию процессом RH с присадкой в ходе обработки нужного количества гранулированного алюминия [12]. Содержание серы стали в пределах 0,005-0,006 % обеспечивается присадкой в ковш на выпуске металла из конвертера твердой шлакообразую-щей смеси (ТШС).
Вакуумную обработку металла при производстве электротехнических сталей производят, преследуя следующие цели: - удаляют водород, кислород и неметаллические включения, а также обеспечивают получение требуемого химического состава готовой стали с меньшими отклонениями от заданных пределов; - получают достаточно низкое содержание углерода (менее 0,01 %), как правило, в динамных нелегированных сталях. Таким образом, рассмотренные особенности производства трансформаторной стали свидетельствуют о том, что в настоящее время нет достаточно убедительных доказательств в применении какой-то универсальной технологической схемы ковшевой обработки металла. На каждом предприятии она своя. Такая технологическая схема может быть определена из требований, предъявляемых к химическому составу литого металла, и достигаемых возможностей в обеспечении этих требований на имеющихся агрегатах для выплавки На начальном этапе освоения производства анизотропной трансформаторной стали на ММК была принята следующая технологическая схема ковшевой обработки: - выплавка металла в кислородном конвертере; - раскисление-легирование металла во время выпуска плавки из конвертера в сталеразливочный ковш; - ковшевая обработка его на агрегате доводки стали (АДС), установке усреднительной продувки стали и ковшевой обработки металла.
(УУПС), установке "печь-ковш"(УПК) и комбинированной установке вакуумирования стали (КУВС).
При недостаточной для нормальной разливки температуре металла после обработки на КУВС или при повышенном содержании серы (более 0,024 %) технологическая схема ковшевой обработки была следующей: - выпуск плавки в сталеразливочный ковш; - раскисление-легирование металла в ковше; - обработка его на АДС или УУПС, обработка на КУВС и далее на установке "печь-ковш".
Шлакообразующиє смеси для разливки трансформаторной стали
В начальный период освоения технологии разливки трансформаторной стали для наведения шлака в кристаллизаторе МНЛЗ применялась шлакооб-разующая смесь, используемая в кислородно-конвертерном цехе для разливки низкоуглеродистой стали всех марок.
Следует отметить, что на Магнитогорском металлургическом комбинате - единственном предприятии металлургической отрасли нашей страны - для непрерывной разливки стали применяются шлакообразующие смеси в виде гранул собственного изготовления [39]. Технология изготовления гранулированных шлакообразующих смесей и их состав защищены патентами РФ [40, 41].
Гранулированные смеси имеют целый ряд преимуществ перед порошкообразными смесями. Шлакообразующие смеси в виде гранул имеют гарантированно постоянный и равномерный состав, так как не подвержены расслоению по ингредиентам при хранении и транспортировке [42]. При использовании гранулированных смесей существенно улучшилась экологическая обстановка на рабочих местах разливщиков вследствие меньшего пылевыделе-ния [43]. Такие смеси характеризуются лучшей "растекаемостью" по зеркалу жидкого металла в кристаллизаторе, образуя равномерный слой покрытия толщиной 35-40 мм. Это способствует созданию одинаковых условий для процесса шлакообразования в любой точке зеркала и получению слоя жидкого шлака толщиной не менее 7-8 мм [44, 45]. Наличие гранул в смеси, а также отсутствие в ней нефелинового концентрата, оптимальная основность и низкое содержание оксидов алюминия способствуют улучшению смазывающей способности шлака, формирующегося при расплавлении смеси. В результате этого сила трения при вытягивании заготовки из кристаллизатора снижается примерно вдвое при применении гранулированной шлакообразующей смеси по сравнению с порошкообразной [46, 47].
В качестве основного шлакообразующего компонента при изготовлении гранулированных смесей в ОАО "ММК" используется портландцемент. Другими компонентами являются аморфный графит, плавикошпатовые концентраты, силикатная глыба, датолитовый и кварцевый концентраты. Для снижения себестоимости шлакообразующей смеси кварцевый концентрат был впоследствии заменен формовочным песком [48]. Гранулометрический состав смеси в основном (на 75-85 %) представлен фракцией 0,2-1,0 мм. В смеси отсутствуют гранулы крупнее 1 мм, а количество пылевидной фракции до 0,063 мм - менее 5 %. Расход смеси составляет 0,75-0,95 г/т стали.
Гранулированные смеси содержат 6-9 % углерода, 6-9 % фтора, не более 5,5 % оксида алюминия, до 5 % оксидов щелочных элементов [44]. Основность смесей составляет 0,8-1,2, влажность - не более 0,5 %, а температура плавления не превышает 1170 С. Вязкость шлаков, образующихся при расплавлении смесей такого состава, соответствует рекомендуемым значениям [49, с. 160] значениям: 0,04-0,10 Пас при 1500 С и 0,3-1,0 Па-с при 1250-1300 С. Влияние температуры на рекомендуемую вязкость шлака в кристаллизаторе по литературным данным и на вязкость шлака разного химического состава в условиях ОАО "ММК" показано на рис. 4.4 [50].
На рис. 4.4 в виде заштрихованной области представлены рекомендуемые значения вязкости шлака, полученные в период освоения непрерывной разливки низкоуглеродистой автокузовной стали на НЛМК [9]. При уменьшении температуры от 1500 С, соответствующей температуре зеркала металла в кристаллизаторе, до 1250 С - температуре затвердевшей корочки заготовки в кристаллизаторе - вязкость шлака растет. Вязкость шлака, полученного при расплавлении гранулированных смесей в условиях ОАО "ММК", с содержанием 5 % А1203 и основностью 0,8-1,2 находится в области рекомендуемых значений (см. кривые 3...1 на рис. 4.4).
