ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Технология электрошлакового переплава конструкционных сталей с ис-пользованием бесфторидного малоосновного флюса на основе доменного шлака»

Рекомендуемая область пременения

Металлургия, литейное производство
- получение заготовок роликов МНЛЗ электрошлаковым переплавом;
- получение прокатных валков;
- получение других заготовок из конструкционных сталей;
- наплавка прокатных валков и роликов МНЛЗ электрошлаковым методом.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных высокоэффективных и экологичных технологий, поиск дополнительных методов снижения экологического воздействия металлургических шлаков на окружающую среду.

метод электрошлакового переплава позволяет получать плотные заготовки с мелкозернистой структурой и минимальной загрязненностью неметаллическими включениями. Применяемые для этой цели флюсы, как правило, содержат фторид кальция, что приводит к выделению токсичных фторидов в процессе плавки и загрязнению атмосферы этими соединениями. Эти флюсы составляются из чистых компонентов, изготавливаются в основном на Украине и стоят 20- 25 тыс. рублей. Для уменьшения вредного воздействия процесса и снижения затрат на получение заготовок необходимо разработать экологически безопасную технологию электрошлакового переплава.

Цель проекта – разработка технологии электрошлакового переплава, позволяющей снизить токсичные выбросы в процессе плавки, повысить производительность агрегатов, улучшить поверхность получаемых заготовок, снизить стоимость флюсов, применяемых в электрошлаковом переплаве.

Задачи проекта:

- поиск материалов для получения бесфторидного малоосновного флюса;

- разработка оптимального состава флюса для электрошлакового переплава;

- разработка технологических режимов электрошлакового переплава с использованием бесфторидного малоосновного флюса.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время в России электрошлаковый переплав конструкционных сталей осуществляется с использованием флюсов, содержащих от 20 до 70 % фторида кальция. Приготавливают флюс из чистых компонентов, стоимость таких флюсов составляет 20 – 25 тыс. руб., причем основным поставщиком этого материала является Украина. Применение таких флюсов обеспечивает хорошее зажигание дуги при «холодном» старте, стабильность процесса, минимальную окислительную способность, хорошее смачивание неметаллических включений, хорошую обессеривающую способность.

Однако при применении CaF₂ имеют место следующие недостатки:

1. Образуются летучие токсичные фториды.

2. Фторидный флюс имеет малый интервал кристаллизации и, как следствие, неустойчивый гарниссаж: из-за этого получается плохая поверхность слитка (гофры и т. д.).

3. Применение фтористого кальция ограничивается трудностью нагрева шлаковой ванны до достаточно высокой температуры, что связано с его низким электрическим сопротивлением.

4. Высокая электропроводность флюса уменьшает КПД процесса.

5. При использовании плавикового шпата низкое электрическое сопротивление может привести к нестабильным условиям переплава при высоких нагрузках.

     Шлаки из фтористого кальция с известью обладают почти таким же электрическим сопротивлением, как и шлаки из фтористого кальция, поэтому их действие при ЭШП примерно одинаково.

При применении флюсов, содержащих CaF₂, требуется очень тщательная подготовка поверхности электродов. При наличии окалины на поверхности электрода в заготовках появляются газовые пузыри, которых трудно избежать даже при дополнительном раскислении в процессе плавки.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В настоящее время уделяют повышенное внимание созданию бесфторидных флюсов. Это связано не только с дефицитностью фтористого кальция, но и его токсичностью. При электрошлаковом переплаве на фторидных флюсах выделяются газообразные соединения фтора, например, при повышенных температурах фторид может вступать во взаимодействие с парами воды с образованием HF. Для улавливания вредных соединений фтора необходимо применять дорогостоящее фильтрующее и очистное оборудование. Для приготовления флюса, как правило, используют чистые материалы, что приводит к его удорожанию.

По предлагаемой технологии в качестве основного материала для получения флюса используется гранулированный доменный шлак.

     По своему химическому составу он имеет все показатели для того, чтобы его можно было использовать в качестве флюса. Высокое содержание SiO₂ должно способствовать хорошей ассимиляции оксидов железа, формированию ровного и тонкого гарниссажа, хорошей отделяемости корочки шлака от металла. Умеренное содержание Al₂O₃ способствует повышению электрического сопротивления флюса и тем самым повышению скорости наплавки и лучшему использованию электрической энергии. Отсутствие фторидов исключает выделение токсичных газов в процессе плавки и снижает электропроводность шлака. К тому же температура плавления шлака  1100 - 1200 ⁰С, что как раз соответствует температуре плавления сталеплавильных флюсов. Кроме того, нет необходимости специально готовить флюс, поскольку используется гранулированный шлак.

Поскольку в доменном шлаке содержание серы достигает 1 %, необходимо проводить его предварительную обработку. Использование необработанного доменного шлака может привести к переходу серы из шлака в металл в процессе плавки и браку заготовки по повышенному содержанию серы. Десульфурацию доменного шлака можно проводить как в жидком состоянии до его гранулирования, так и в твердом гранулированном виде. При этом можно вводить дополнительные материалы для получения заданных свойств флюса. Содержание серы в готовом флюсе не должно превышать 0,5 %.

Гранулированный флюс просеивается через сито 8х8 мм для удаления инородных кусковых включений и корольков железа. Перед использованием флюс прокаливается в печи при температуре 750-800 ⁰С в течение 3,5-4 часов. Прокаленный флюс используется в течение двух суток. Расход флюса составляет около 5 % от массы получаемой заготовки.

Подготовка электродов осуществляется в соответствии с типовой технологией.

Пример осуществления технологии

Была проведена серия плавок, где в качестве флюса был использован гранулированный доменный шлак следующего состава, (мас. %):

      CaO       SiO₂      Al₂O₃       CaF₂       MgO       FeO          S

    37-42     35-40     9-12            -             4-7           < 2       до 1

     Первые плавки показали, что по химическому составу и по структуре слитки, полученные на доменном шлаке, удовлетворяют требованиям ГОСТ 20072 - 79 для стали, выплавляемой методом электрошлакового переплава (табл. 1).

Таблица 1  

Результаты электрошлакового переплава стали под доменным шлаком

Примеч.: в числителе - химический состав электрода, в знаменателе - химический состав стали после переплава.

Единственное отклонение от требований ГОСТ - повышенное содержание серы в нижней части слитка. Отбор проб на химический анализ от нижней части слитка показал, что уже через 300 мм от низа слитка химический состав металла удовлетворяет требованиям ГОСТ (табл. 2).

Таблица 2

Изменение содержания серы по высоте слитка

Поведенные термодинамические расчеты и промышленные эксперименты показали, что при содержании серы в шлаке менее 0,5 % получение требуемого содержания серы в металле не представляет трудностей (табл. 3).

Таблица 3

Результаты электрошлакового переплава стали под флюсом на основе

доменного шлака

Примеч.: в числителе - химический состав электрода, в знаменателе - химический состав стали после переплава.

При использовании доменного шлака в качестве основы флюса снижается расход электроэнергии и увеличивается производительность агрегата на 15-20 %.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

При применении флюса на основе доменного шлака существенно снижаются расходы на приготовление флюса: покупной флюс стоит 20-25 тыс. рублей, стоимость флюса на основе доменного шлака не превышает 1000 рублей. При этом увеличивается производительность агрегата на 15- 20 % и на столько же снижается расход электрической энергии. Общая экономия от применения данного флюса составляет порядка 2000 рублей на тонну получаемой заготовки.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Производительность агрегатов при применении данного флюса на 15- 20 % выше по сравнению с классической технологией на основе фторидных флюсов.

Энергосбережение. Расход электрической энергии уменьшается на 15-20 % по сравнению с применяемой технологией на основе классических флюсов.

Экологическая безопасность. Исключаются токсичные фторидные выбросы в атмосферу цеха и окружающую среду, снижаются запасы доменного шлака, оказывающего негативное экологическое воздействие на водный и воздушный бассейны.

Получаемые заготовки имеют более чистую поверхность без налипшего гарниссажа, что снижает затраты на механическую обработку и уменьшает поломку инструмента вследствие отсутствия остатков флюса на поверхности заготовки.

Новые потребительские свойства продукции

- высокая эффективность, экологичность процесса.
Это обеспечивается за счет снижения эксплуатационных расходов, исключе-ния из состава флюса материалов, содержащих фториды, уменьшения количества доменного шлака, направляемого в отвалы.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Сырьем для флюса является доменный шлак и дополнительные материалы, соответствующие государственным стандартам или стандартам предприятия, электроды изготавливаются из материалов, соответствующих стандартам пред-приятия.

Стадия и уровень разработки

Данная технология прошла промышленное опробование на ЗАО «Механоре-монтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Коммерческий анализ и успешный опыт применения данной технологии на ЗАО «МРК» ОАО «ММК» подтверждает конкурентоспособность и высокую эф-фективность данной технологии в области получения заготовок методом элек-трошлакового переплава. Технология может быть внедрена в условиях любого действующего предприятия, имеющего установки электрошлакового переплава.
В настоящее время имеется полный комплект технической документации. Проводится дальнейшее совершенствование технологии.

Предлагаемые инвестиции

25 млн. руб.

Рынки сбыта

Технология разработана до уровня промышленной эксплуатации и может быть использована на всех предприятиях, имеющих установки электрошлакового переплава.
Данная технология позволяет существенно снизить расходы на приобрете-ние флюса, исключить выбросы фторидов, увеличить производительность агрега-тов и является ресурсоэнергосберегающей.
Для предприятий, имеющих цикл доменного производства, сырьем могут служить собственные доменные шлаки, а предприятия машиностроения, не имеющие собственного сырья, могут покупать готовый флюс на основе доменно-го шлака.
С целью расширения области применения данной технологии рассматрива-ется вопрос ее внедрения на предприятиях стран СНГ.
Таким образом, применение данной технологии на предприятиях, имеющих установки электрошлакового переплава, позволит улучшить экологическую об-становку, снизить стоимость получаемых заготовок высокого качества с исполь-зованием имеющегося на заводе оборудования.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогич-ной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

13.09.2006