62/22 Archives of Foundry, Year 26, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 26, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-38 PRÓBY ZASTOSOWANIA TLENU W PROCESACH WYTAPIANIA STALI NA ODLEWY W ELEKTRYCZNYM PIECU ŁUKOWYM M.S. SOIŃSKI 1, A. PARZYBUT 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Katedra Odlewnictwa, Al. Armii Krajowej 19, 42-2 Częstochowa STRESZCZENIE Określono zmiany zawartości węgla w stali na odlewy w trakcie świeżenia kąpieli metalowej tlenem gazowym. Stal, o czterech różnych wyjściowych zawartościach manganu (w przedziale od,3 % do,9%) wytapiano w elektrycznych piecach łukowych o pojemności 3 ton i 6 ton, w procesie zasadowym. Key words: steel making, steel refining, gaseous oxygen 1. WSTĘP Jednym z podstawowych etapów najczęściej stosowanego rodzaju wytapiania stali na odlewy w elektrycznym piecu łukowym, w procesie zasadowym, jest świeżenie kąpieli metalowej. W większości krajowych odlewni staliwa do tego celu stosuje się rudę żelaza. Świeżenie tlenem gazowym prowadzone jest w Polsce tylko w kilku kilkunastu odlewniach staliwa. Tlen podaje się do pieca przez okno wsadowe, przy podniesionych elektrodach, rurką stalową o średnicy do 1, cala pod ciśnieniem,6 MPa 1,2 MPa [1, 2]. Stosowanie wyższego ciśnienia jest korzystniejsze, ponieważ strumień gazu wnika głębiej do metalu, rozpraszając się na większą ilość pęcherzy [1]. Tlen gazowy stosowany w procesach metalurgicznych powinien cechować się czystością minimum 98,% [3]. Do niewątpliwych zalet świeżenia tlenem należy stosunkowo duża szybkość utleniania węgla ( w granicach 2% % na godzinę), podczas gdy przy stosowaniu do świeżenia kąpieli rudy żelaza szybkość spadku zawartości węgla wynosi, 1,% C 1 dr hab. inż., prof. PCz 2 inż.
4 na godzinę [2]. W pierwszym przypadku stwarzane są lepsze warunki usuwania z kąpieli wodoru i wtrąceń niemetalicznych. Stosowanie tlenu do świeżenia stali umożliwia utlenianie węgla do bardzo małych zawartości (,2,3%) [1]. Ponieważ proces przebiega przy mniejszym utlenieniu żużla i wyższej temperaturze, pogarszają się warunki odfosforowania stali [4]. Świeżenie tlenem gazowym trwa na ogół około 1 minut [2]. Lancę zanurza się w kąpieli na głębokość 1 2 mm []. Zaleca się rozpoczynanie wdmuchiwania tlenu przy bardzo skośnym ustawieniu lancy w celu zwiększenia ilości tlenku żelazawego w żużlu. Dopiero po 1 2 minutach przedmuchuje się bezpośrednio metal [2]. W związku z tym, że ilość tlenku żelazawego w żużlu i tak jest zbyt mała, aby skutecznie odfosforować stal, należy dążyć do usunięcia fosforu z metalu w trakcie roztapiania wsadu i w początkowym okresie świeżenia, gdy temperatura stali nie jest jeszcze zbyt wysoka. Procesowi odfosforowania będzie sprzyjać zwiększenie ilości wapna i rudy żelaza, dodawanych do wsadu oraz częściowe ściągnięcie żużla jeszcze przed całkowitym roztopieniem. Zwiększeniu zawartości tlenku żelazawego w żużlu sprzyja dodanie rudy w początkowym okresie świeżenia, przed wdmuchiwaniem tlenu; prowadzi to do opóźnienia wzrostu temperatury kąpieli [1]. Wprowadzenie świeżenia tlenem gazowym w miejsce świeżenia rudą żelaza umożliwia zmniejszenie zużycia energii elektrycznej i skrócenie czasu trwania wytopu [4]. Dodatkowe korzyści to eliminacja kosztów związanych z transportem, składowaniem i suszeniem rudy żelaza. Szersze rozpowszechnienie świeżenia tlenem w odlewniach krajowych ograniczone jest brakiem wystarczających ilości sprężonego tlenu oraz wymaganych w takich przypadkach wysokowydajnych instalacji odpylających (podstawową wadą świeżenia tlenem jest duża ilość tworzących się w tym procesie pyłów złożonych głównie z tlenków metali ciężkich [2 4]). 2. BADANIA WŁASNE Celem badań było wstępne określenie wpływu świeżenia tlenem gazowym na zmianę zawartości węgla w stali na odlewy wytapianej w elektrycznym piecu łukowym w procesie zasadowym. Badania obejmowały ustalenie zmian zawartości węgla w kąpieli metalowej w trakcie procesu świeżenia stali na odlewy o różnych wyjściowych zawartościach manganu (~,3%; ~,%; ~,7% i ~,9%). W trakcie badań rejestrowano także zmiany zawartości manganu i krzemu oraz ilości fosforu i siarki w wytapianej stali (nie będące przedmiotem niniejszego opracowania). Świeżenie prowadzono w piecach łukowych o pojemności 3 ton i 6 ton. W praktyce masy wsadu ładowanego do pieca mieściły się w granicach odpowiednio 3,2 3,8 tony oraz 6,3 do 6,6 tony. Tlen wprowadzano do kąpieli pod ciśnieniem 1,2 MPa lancą o średnicy ½ cala (piec 3 tonowy) lub lancą o średnicy ¾ cala (piec 6 tonowy). Dla każdego z warunków badań analizą objęto po trzy wytopy (łącznie 24).
41 Kąpiel świeżono przy użyciu lancy tlenowej sterowanej przez wytapiacza; przed rozpryskami metalu chroniła go (przynajmniej częściowo) osłona z blachy stalowej (rys. 1). Na rysunku 2 pokazano lancę tlenową, zabezpieczoną przed przedwczesnym zużyciem rurkami szamotowymi. Rys. 1. Świeżenie stali na odlewy tlenem gazowym; piec elektryczny łukowy o pojemności 3 ton. Fig. 1. Refining of steel intended for castings with use of gaseous oxygen; arc furnace of capacity equal to 3 tons. Przyjęto następujący tok postępowania: - po roztopieniu wsadu, przed rozpoczęciem świeżenia oraz w jego trakcie pobierano z pieca próbki na skład chemiczny; w przypadku pieca 3 tonowego po wprowadzeniu do kąpieli każdych kolejnych 3 m 3 tlenu; w przypadku pieca 6 tonowego ilość ta wynosiła m 3 ; - prowadzono świeżenie przy temperaturze kąpieli stalowej w zakresie 14 16 C; - przerywano pobieranie prób po uzyskaniu w stali założonej zawartości węgla.
42 Rys. 2. Lanca tlenowa zabezpieczona rurkami szamotowymi, spoczywająca na osłonie z blachy stalowej. Fig. 2. Oxygen blowing lance protected with fireclay pipes, resting on the steel sheet screen. Pracom związanym bezpośrednio z prowadzonymi badaniami towarzyszyło szereg dodatkowych czynności m.in.: dodanie do wsadu (przed jego załadowaniem do pieca) nawęglacza w celu uzyskania zawartości węgla o około,3% wyższej od średniej zawartości przewidzianej dla danego gatunku staliwa. W oparciu o wyniki analiz chemicznych (przeprowadzonych przy użyciu spektrometru) obliczono ubytki zawartości węgla w stali wyjściowej o czterech różnych zawartościach manganu, oddzielnie dla tworzywa wytapianego w piecach 3- i 6- tonowym (rys. 3 i 4). Zawartości węgla w stali przez świeżeniem mieściły się w granicach: - w przypadku wytopów w piecu 3-tonowym od,44% do,6% (po świeżeniu tlenem gazowym zawartości te spadły do,2%,29%); - w przypadku wytopów w piecu 6-tonowym od,46% do,73% (po świeżeniu tlenem gazowym wartości te spadły do,18%,42%).
43 Ubytek zawartości węgla [ % ],4,4,3,3,2,2,1,1,, 3 6 9 12 1 18 Ilość tlenu wprowadzonego do kąpieli [ m 3 ] Mangan ~,3% Mangan ~,% Mangan ~,7% Mangan ~,9% Rys. 3. Ubytki zawartości węgla podczas świeżenia stali na odlewy tlenem gazowym w trakcie wytopów w elektrycznym piecu łukowym o pojemności 3 ton. Fig. 3. Decrements in carbon content during refining of steel intended for castings with use of gaseous oxygen in arc furnace of capacity equal to 3 tons. Ubytek zawartości węgla [ % ],4,4,3,3,2,2,1,1,, 1 1 2 2 3 3 4 Ilość tlenu wprowadzonego do kąpieli [ m 3 ] 4 Mangan ~,3% Mangan ~,% Mangan ~,7% Mangan ~,9% Rys. 4. Ubytki zawartości węgla podczas świeżenia stali na odlewy tlenem gazowym w trakcie wytopów w elektrycznym piecu łukowym o pojemności 6 ton. Fig. 4. Decrements in carbon content during refining of steel intended for castings with use of gaseous oxygen in arc furnace of capacity equal to 6 tons.
44 3. PODSUMOWANIE Należy zauważyć, że w trakcie badań stwierdzano dla porównywalnych warunków przeprowadzania eksperymentów przypadki niekiedy znacznych różnic w zmniejszaniu się zawartości węgla w stali, pomimo wprowadzania do kąpieli tych samych ilości tlenu. Przyczyną tego stanu rzeczy mogą być, trudne do kontrolowania, zmiany temperatury stali w trakcie świeżenia, a także różniące się nieco między sobą wyjściowe zawartości węgla i manganu w stali z porównywanych wytopów. Pewną rolę mógł także odgrywać stan trzonu pieca (i np. głębokość kąpieli metalowej) w poszczególnych wytopach, a nawet warunki atmosferyczne, czy też stopień skuteczności instalacji odpylająco wentylacyjnej. Analizując przebieg zmian ubytków węgla w wytapianej stali (zawierającej mangan w ilościach od około,3% do około,9%) w wyniku świeżenia tlenem gazowym (rys. 3 i 4), należy zauważyć, że w przybliżeniu zależą one wprost proporcjonalnie od ilości wprowadzonego tlenu. W miarę wzrostu zawartości manganu w kąpieli obserwuje się zmniejszanie się szybkości wypalania węgla w stali. LITERATURA [1] T. Mazanek, S. Tochowicz: Elektrometalurgia stali. Wyd. Śląsk, Katowice 1973. [2] A. Chojecki, I. Telejko: Odlewnictwo staliwa. Wyd. Naukowe Akapit, Kraków 23. [3] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera. Odlewnictwo. WNT, Warszawa 1986. [4] A. Chojecki: Procesy wytapiania stali na odlewy. Wyd. AGH, Kraków 1991. [] M. Kruciński, W. Białowąs: Metalurgia żelaza stalownictwo. Wyd. II uzupełnione, Wyd. AGH, Kraków 1987. SUMMARY TRIALS OF APPLYING OXYGEN IN THE ARC STEEL MAKING PROCESSES FOR STEEL INTENDED FOR CASTINGS Changes in carbon content during steel refining with use of gaseous oxygen have been determined in steel intended for castings. The steel with four various manganese initial contents (ranging from.3% to.9%) has been melt in electric arc furnaces of capacities equal to 3 and 6 metric tons, in the basic process. Recenzował Prof. Józef Gawroński