Хорошилов Андрей Дмитриевич. Анализ и разработка технологии ковшевой обработки сверхнизкоуглеродистых сталей с целью повышения качества поверхности автолистового проката

Краткое описание

Хорошилов Андрей Дмитриевич. Анализ и разработка технологии ковшевой обработки сверхнизкоуглеродистых сталей с целью повышения качества поверхности автолистового проката;[Место защиты: ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук], 2021

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской академии наук
На правах рукописи
ХОРОШИЛОВ АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ
АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ
СВЕРХНИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТИ АВТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность 05.16.02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов»
Научный руководитель: академик РАН, д.т.н., профессор Григорович К.В.
Москва, 2022 г. 
Оглавление
Введение 6
Актуальность темы исследования 6
Степень научной разработанности 7
Цели и задачи исследования 8
Научная новизна 8
Практическая значимость 10
Методология и методы исследования 11
Положения, выносимые на защиту 11
Степень достоверности и апробация результатов 12
Глава 1. Обзор мирового опыта производства сверхнизкоуглеродистых сталей 15
1.1 Уровень качества сверхнизкоуглеродистых сталей различных производителей 15
1.2 Особенности технологии производства сверхнизкоуглеродистых сталей 18
1.2.1 Внедоменная обработка чугуна и выплавка полупродукта 18
1.2.2 Особенности ковшевой обработки расплавов сверхнизкоуглеродистых сталей 23
1.2.3 Особенности непрерывной разливки сверхнизкоуглеродистой стали 28
1.3 Природа поверхностных дефектов проката из сверхнизкоуглеродистых сталей 36
1.3.1 Методы анализа неметаллических включений в стали 36
1.3.2. Исследование неметаллических включений в сверхнизкоуглеродистых сталях 43
1.3.3 Механизмы загрязнения низкоуглеродистых сталей скоплениями неметаллических включений в
процессе непрерывной разливки 50
1.4. Модифицирование неметаллических включений в раскисленных алюминием сталях 53
1.5 Моделирование изменения температуры расплава в процессе ковшевой обработки стали 63
Выводы к главе 1 65
Цели и задачи исследований. 66
Глава 2. Материал и методика исследования 68
2.1 Материал исследования 68
2.2 Методика определения природы поверхностных дефектов холоднокатаного проката 69
2.3 Методика анализа влияния параметров выплавки, ковшевой обработки и непрерывной
разливки стали на отсортировку проката 71
2.4 Оценка загрязненности стали неметаллическими включениями 72
2.5 Методы физико-химического анализа 73
Выводы к главе 2 74
Глава 3. Исследование природы образования поверхностных дефектов холоднокатаной полосы из сверхнизкоуглеродистых сталей 75
3.1 Основные механизмы образования дефектов 75
3.2 Лабораторные исследования природы образования дефектов поверхности проката из
сверхнизкоуглеродистых сталей 77
3.3 Количественная классификация дефектов поверхности проката из IF-сталей в зависимости от
природы их образования 81
Выводы к главе 3 84
Глава 4. Разработка модели управления внепечной обработкой сверхнизкоуглеродистых сталей с целью минимизации отсортировки проката по дефектам поверхности
сталеплавильного происхождения 86
4.1 Прогнозирование целевого содержания кальция в расплаве стали для обеспечения модифицирования неметаллических включений до жидкого агрегатного состояния 86
4.1.1 Учет влияния изменения коэффициентов активности компонентов неметаллического включения
на концентрацию кальция равновесного с жидким включением 91
4.1.2 Определение массы присадки кальция 93
4.2. Влияние серы на модифицирование неметаллических включений кальцийсодержащими
реагентами 95
4.2.1 Учет влияния изменения коэффициентов активности компонентов неметаллического включения
на процесс формирования сульфидной оболочки вокруг включения 97
4.3 Оптимизация состава шлака при внепечной обработке IF-сталей 98
4.3.1 Влияние окисленности покровного шлака 101
4.4 Построение материально-тепловой математической модели расчета температуры расплава в 350 тонном ковше на УВС в условиях Череповецкого металлургического комбината 102
4.4.1 Результаты опробования материально-тепловой модели плавки 114
Выводы к главе 4 119
Глава 5. Результаты опробования разработанных технологических решений 120
5.1 Оптимизация состава шлака 120
5.1.1 Оптимизация отношения (CaO) к (Al203) в покровном шлаке 120
5.1.2 Раскисление ковшевого шлака 122
5.2 Опробование модифицирования неметаллических включений кальцийсодержащими
материалами 125
5.3 Результаты экспериментальных плавок, произведенных по новой технологии с использованием
всех разработанных ранее технологических решений 131
Выводы к главе 5. 135
Глава 6. Оценка эффективности практического внедрения разработанной технологии внепечной обработки IF-сталей, направленной на снижение отсортировки проката по поверхностным дефектам сталеплавильного происхождения 136
6.1. Оценка эффективности проведенных мероприятий 136
6.2. Оценка уровня дефектности плавок, выполненных по РП 105-ТП-234-10 после внедрения
разработанной технологии 138
6.3 Оценка уровня механических свойств холоднокатаной полосы, изготовленной из металла плавок
IF-сталей, произведенных по базовой и разработанной технологиям 138
Выводы к главе 6. 145
ВЫВОДЫ 146
Библиографический список 148
Перечень сокращений и условных обозначений 156
Приложение 1. Производственные параметры для статистического анализа и примеры первичных данных 157
Приложение 2. Результаты анализа химического состава неметаллических фаз в области дефектов холоднокатаного проката IF-стали. 166
Приложение 3. Ключевые параметры производства плавок с дефектами поверхности исследованных образцов. 192
Приложение 4. Данные по усвоению кальция на экспериментальных плавках IF-стали.
193

Список литературы

ВЫВОДЫ
1. Внедрением разработанной технологии производства сверхнизкоуглеродистой стали в условиях ПАО «Северсталь» достигнуто снижение отсортировки холоднокатанного проката по дефектам поверхности с 14,3 % до уровня менее 2 %. Разработанная технология была запатентована в 2014 году [102] и используется на ПАО «Северсталь» при произвордстве сверхнизкоуглеродистых автолистовых сталей.
2. По результатам опробования разработанных технологических приемов на установочных плавках, достигнут показатель дефектности проката 0,28 дефекта на рулон, что практически на порядок меньше дефектности металла, произведенного по базовой технологии.
3. Методом сканирующей электронной микроскопии с микрорентгеноспектральным анализом установлена природа образования исследованных дефектов поверхности проката. Показано, что большинство поверхностных дефектов имеют сталеплавильное происхождение и вызваны загрязнением стали крупными скоплениями неметаллических включений на основе оксида алюминия, шлакообразующей смеси кристаллизатора и их сочетаниями.
4. Предложен и подтвержден единый механизм загрязнения стали скоплениями неметаллических включений, приводящих к образованию исследованных дефектов поверхности, связанный с процессом отложения неметаллических включений на поверхностях огнеупорной разливочной фурнитуры и последующим срывом образующихся скоплений включений в кристаллизатор.
5. Анализ литературных источников показал, что эффективным способом подавления отложения неметаллических включений на основе продуктов раскисления стали алюминием, является модифицирование состава включений кальцием до жидкого агрегатного состояния. Данный вид обработки был успешно реализован, в рамках разработанной технологии, путем инжекции металлического кальция в совокупности с реализацией механизма модифицирования включений шлаком.
6. Рассчитаны термодинамические условия модифицирования кальцием включений оксида алюминия до жидкого агрегатного состояния: количество [Ca] и [Al], равновесное с жидкими включениями алюмината кальция заданного состава, содержания [S], равновесное с твердыми включениями сульфида кальция.
7. Для успешной реализация модифицирования неметаллических включений кальцием, был решен вопрос понижения содержания компонентов шлака, обладающих низкой термодинамической стабильностью в восстановительных условиях внепечной обработки. Опробованием предварительного раскисления шлака легковесным алюминий-содержащим материалом было достигнуто снижение содержание FeO в шлаке конца внепечной обработки с 3 - 6 % до уровня 1% и менее.
8. С целью улучшения рафинирующих свойств шлака, оптимизировано содержание основных его компонентов (CaO) / (AI2O3) на уровне 1,2 - 1,4, вместо базовых 0,8 - 1,2. Обработкой стали под раскисленным шлаком рекомендованного состава удалось добиться снижения дефектности проката в 2,5 раза относительно исходного уровня без инжекции металлического кальция.
9. Изменение состава шлака позволило увеличить степень десульфурации стали при внепечной обработки с 0 % до 50 % и степень усвоения титана с 50 % до 75 %.
10. Разработанная модель прогнозирования температуры расплава стали в процессе обработки на установке вакуумирования, позволила избежать проведения принудительной корректировки температуры на последних этапах ковшевой обработки стали и увеличить точность достижения целевого состава шлака и концентрации алюминия в стали.
Проведенные исследования и анализ мирового опыта производства сверхнизкоуглеродистых автолистовых сталей показывает, что дальнейшая разработка данной тематики должна включить в себя вопросы оптимизации процесса вакуумирования, с целью минимизации примесей [C], [N], [O], использование рафинировочных шлакообразующих смесей и специальных инженерных дизайнов промежуточного ковша, оптимизации состава ШОС кристаллизатора, исследования влияние состава, количества и морфологии неметаллических включений в стали на штампуемость и коррозионные свойства проката