СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ Российский патент 1997 года по МПК C21C5/28 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению стали кислородно-конвертерным способом.

Известно техническое решение, в соответствии с которым в конвертере оставляют часть предыдущей плавки, загружают твердую металлошихту, заливают на нее чугун, продувают ванну кислородом, вводят шлакообразующие, выпускают металл (авт. св.N 1786092,C 21 C 5/28 прототип).

Недостатками способа:
являются пониженные технико-экономические показатели, обусловленные образованием на днище конвертера тугоплавкого медленно плавящегося конгломерата, состоящего из затвердевшего расплава железа и кусков лома и обладающего вследствие малой концентрации углерода в нем высокой температурой плавления, близкой к температуре плавления железа. Состав этого конгломерата и его химические и теплофизические свойства исключают возможность его расплавления при заливке чугуна в конвертер, т.к. температура последнего на 350-390^oC ниже температуры плавления железа, составляющего основу конгломерата, что задерживает его расплавление. помимо этого, наличие массивного конгломерата с высокой температурой плавления в жидкой ванне тормозит подъем ее температуры до момента полного расплавления и (или) растворения. В свою очередь, это приводит к запаздыванию начала окисления углерода, увеличению длительности плавки, возрастанию расхода кислорода, ухудшению шлакообразования, снижению выхода годного и неравномерному ходу реакции окисления углерода с наличием резко выраженного максимума в середине плавки, что сопряжено с опасностью выбросов и увеличением потерь металла;
другим существенным недостатком способа является повышенное содержание в ломе меди, хрома и других микропримесей, которые переходят в сталь и оказывают отрицательное и неконтролируемое заранее влияние на качество стали и стабильность ее механических и эксплуатационных свойств;
кроме того, недостатком способа является высокий расход лома, т.к. в данном случае единственным видом охладителя, используемым для регулирования теплового состояния ванны является металлический лом. В последнее время дефицит металлолома резко возрос, что осложнило работу конвертерных цехов, поставив их в зависимость от конъюнктуры рынка скрапа, его состава и чистоты. Последнее, как известно, подвержены значительным колебаниям, что нарушает стабильность работы конвертеров.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение технико-экономических показателей, снижение содержания примесей в готовой стали, а также расхода металлолома, практически до нуля.

Технический результат достигается тем, что в способе выплавки стали в кислородном конвертере, включающем оставление в ванне части расплава предыдущей плавки, загрузку твердой металлошихты, заливку чугуна, продувку ванны кислородом, ввод шлакообразующих, выпуск металла, в ванне конвертера оставляют 3 25% расплава от массы садки, а в качестве твердой металлошихты используют шихтовую заготовку в виде конгломерата железосодержащего сплава и оксидного материала, которую загружают на оставшийся металл в количестве 5 - 40% от массы садки,после чего заливают чугун и продувают ванну кислородом.

В способе имеют место следующие операции:
совместно с шихтовой заготовкой дополнительно загружают металлический лом в соотношении 1:(0,1-10);
используют шихтовую заготовку с содержанием в ней кислорода на 5 30% выше необходимого для полного окисления всех компонентов ванны, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с железом;
в качестве шихтовой заготовки используют конгломерат железосодержащего сплава, оксидного материала и углеродосодержащей добавки;
используют шихтовую заготовку в виде кусков массой 5-12 и 18-45 кг при соотношении 1:(0,3-1) соответственно.

Способ заключается в следующем. Ввод на часть расплава предыдущей плавки вместо лома шихтовой заготовки, содержащей в своем составе в качестве составных компонентов железосодержащий сплав с повышенной концентрацией углерода в нем и оксидный материал, служащий источником кислорода для реакции окисления углерода, позволяет сформулировать на днище конвертера перед заливкой чугуна слой, свойства которого принципиально отличаются от известного в лучшую сторону. Последнее достигается за счет следующих факторов:
металлическая основа шихтовой заготовки (чугун) благодаря наличию в ней высокого содержания углерода (4-4,5 мас. и более) имеет низкую температуру плавления на уровне 1150-1180^oC, что примерно на 350-380^oC ниже температуры плавления конгломерата, состав которого близок к составу железа, имеющего температуру плавления 1540^oС. Это обеспечивает ее более быстрое расплавление;
температура плавления металлической основы на 140-160^oС ниже обычной температуры заливаемого в конвертер жидкого чугуна (1300-1320^oС), что открывает возможности для расплавления шихтовой заготовки с момента начала заливки на нее жидкого чугуна, ускоряя тем самым переход в жидкое состояние всего конгломерата;
наличие в составе шихтовой заготовки, с одной стороны, углерода в металлической основе оксидного материала, являющегося донором кислорода для примесей, имеющихся в металлической основе, включая углерод, с другой стороны, обеспечивает раннее окисление углерода с момента попадания жидкого чугуна на заготовку;
повышенная поверхность раздела фаз, составляющих шихтовую заготовку, усиливает перенос кислорода к границе с металлической основой, содержащей углерод, что ускоряет окисление углерода в шихтовой заготовке до уровня, равного или превышающего скорость окисления углерода в жидком чугуне при продувке его газообразным кислородом (0,2-0,8% C/мин). Это свойство шихтовой заготовки позволяет получить высокие скорости окисления углерода в первые минуты продувки, когда ванна еще холодная и диффузия кислорода в ней протекает замедленно. В обычных условиях этого достигнуть не удается и скорость окисления будучи ограничена темпом доставки кислорода получается низкой;
выделение газообразных продуктов реакции окисления углерода усиливает перемешивание ванны, ускоряет ее нагрев, шлакообразование, рафинирование от газов и включений. Кроме того, это интенсифицирует растворение малоуглеродистой составляющей конгломерата в жидком чугуне, причем этот процесс начинается с момента начала заливки чугуна, благодаря чему резерв времени, отводимый для растворения, существенно увеличивается;
шихтовая заготовка в своем составе содержит металлическую основу типа передельного чугуна и оксидный материал в виде железорудных окатышей, кусков железной руды, агломерата и т.д. Состав этих компонентов, их происхождение и наследственность известна, что делает шихтовую заготовку первородным материалом, имеющим минимальное и гарантированное содержание микропримесей. Благодаря высокой и стабильности чистое ее использование исключает загрязнение готовой стали микропримесями цветных металлов, содержащимися обычно в ломе в значительных количествах;
металлическая основа шихтовой заготовки при пониженной температуре плавления переходит в жидкое состояние за счет расплавления ее благодаря наличию тепла перегрева в заливаемом жидком чугуне и конвертерной ванне, формирующейся в результате плавки. Следовательно, оставшегося от предыдущей плавки основой механизма перехода из твердого в жидкое состояние для этого материала служит расплавление. Для затвердевшего расплава, оставшегося от предыдущей плавки, растворение в первом периоде плавки, когда температура его ликвидуса выше температуры жидкого чугуна и ванны; и расплавление в середине и конце плавки, когда температура ликвидуса становится меньше температуры металла в ванне.

В соответствии с изобретением в конвертере оставляют 3-25% расплава от массы садки, загружая на него шихтовую заготовку в количестве 5-40% от массы садки.

При оставлении в конвертере менее 3% расплава и загрузке на него менее 5% шихтовой заготовки не обеспечивается нормальное охлаждение металлической ванны и температура металла на выпуске достигает 1650^oС и выше, что нежелательно с позиций стойкости футеровки, выхода годного, качества стали. В случае оставления более 25% расплава и загрузке на него более 40% шихтовой заготовки от массы плавки ход плавки характеризуется пониженной температурой, что требует в конце плавки проведения специальной операции по нагреву ванны до заданной температуры выпуска. Это увеличивает длительность плавки, расход кислорода, угар железа, снимая тем самым эффективность способа.

Пределы варьирования показателей 3-25 и 5-40% наряду с температурным режимом обуславливаются также составом шихтовой заготовки и соотношением в ней железосодержащего сплава и оксидного материала, что изменяет охлаждающий эффект.

При данных соотношениях достигается гибкость в управлении температурным режимом плавки и обеспечивается получение высоких технико-экономических показателей плавки.

Использование шихтовой заготовки совместно с ломом в соотношении 1: (0,1-10) продиктовано необходимостью использования собственного оборотного лома, имеющего по сравнению с товарным ломом более высокую чистоту.

Нижний предел соотношения 1:0,1 относится к выплавке стали с жесткорегламентированным содержанием вредных микропримесей, что заставляет ограничивать относительную долю в общей массе твердой шихты 9%
Верхний предел соотношения 1:10 отвечает условиям выплавки сталей обыкновенного качества, в которых допускается более высокое содержание микропримесей.

Количество шихтовой заготовки, меньшее 1:10, то есть 9% не целесообразно, так как уменьшается эффективность ее влияния на ход плавки и снижается эффективность способа.

Применение шихтовой заготовки с содержанием в ней кислорода на 5-30% выше необходимого для тотального окисления всех компонентов ванны обусловлено необходимостью ввода кислорода в ванну на начальной стадии плавки, сразу же после заливки жидкого чугуна. В этот момент вследствие низкой температуры ванны диффузия кислорода в глубь ванны затруднена и препятствует окислению углерода. Наличие в шихтовой заготовке избытка кислорода обеспечивает после ее расплавления поступление избыточного окислителя в толщу жидкого чугуна и окисление углерода во время движения оксидов железа через жидкий расплав. Благодаря этому начинается окисление углерода как в самой шихтовой заготовке, так и в жидком чугуне.

Если избыток кислорода менее 5% то этот эффект проявляется незначительно. Если избыток более 30% то плавка имеет холодный характер и замедляется подъем температуры, т.к. окисление углерода чугуна оксидами железа сопровождается поглощением тепла.

Применение конгломерата из железосодержащего сплава, оксидного материала и углеродосодержащей добавки предусматривается для ввода твердого топлива в конвертерную ванну. В процессе расплавления углеродосодержащая добавка всплывает через слой металла в ванне и поступает на поверхность ванны, где это топливо сгорает в атмосфере газообразного кислорода, передавая тепло шлаку и металлу. Это улучшает тепловой баланс ванны и расширяет диапазон регулирования температурного режима плавки, а также повышает гибкость процесса в отношении состава твердой шихты и жидкого чугуна.

Использование шихтовой заготовки в виде кусков массой 5-12 и 18-45 кг при соотношении 1:(0,3-1) имеет целью обеспечить эффект постепенного расплавления заготовки, так как куски различной массы имеют разное время плавления. За счет разницы в их массе и размерах достигается непрерывное постепенное проплавление шихтовой заготовки на протяжении всего периода плавки, сопровождающегося непрерывным окислением углерода и перемешиванием ванны. Указанное соотношение массы кусков при соотношении 1:(0,3-1) гарантирует эффект непрерывного окисления углерода от начала плавки до ее середины. При меньшем различии масс кусков и другом соотношении временное воздействие заканчивается раньше середины плавки.

Если соотношение кусков различной массы меньше 1:0,3, то расплавление кусков меньшей массы значительно опережает расплавление кусков большей массы и возникает пауза в плавке, когда мелкие куски уже расплавились, а крупные еще не начали плавиться. При этом окисление углерода в шихтовой заготовке прекращается, перемешивание ванны сильно ослабляется. Это оказывает неблагоприятное влияние на ход плавки, нарушая ее стабильность.

Если соотношение кусков различной массы более 1:1, то доля кусков большой массы получается чрезмерно большой. Куски большей массы плавятся замедленно и их окончательное расплавление задерживается к концу плавки. Эффективность способа при этом снижается, поскольку основной эффект положительного влияния применения шихтовой заготовки сдвигается на конец плавки, для которого надобность в ней отсутствует.

В кислородно-конвертерных цехах отрицательные последствия понижения расхода лома в шихте плавок устранены применением шихтовой заготовки. Материал изготавливается на основе передельного чугуна (78-83 мас.) и рудных окатышей (17-22%).

Содержание рудных окатышей принято с учетом, что количество кислорода окатышей меньше стехнометрического значения, соответствующего реакции полного окисления углерода шихтовой заготовки.

Химический состав (расчетный) одной из композиций шихтовой заготовки (20% окатышей по массе) приведен ниже,
Fe мет. 74,540, FeO 0,630, Fe₂O₃ 17,534, SiO₂ 1,712, Al₂O₃ 0,004, CaO 0,730, MgO 0,089, MnO 0,015, Na₂O 0,003, K₂O 0,013, C 3,712, Si 0,635, Mn 0,277, Cr 0,015, Cu 0,007, Ni 0,009, P 0,057, S 0,018
Согласно выполненных расчетов (табл. 1), для этого состава количество кислорода шихтовой заготовки, идущее на окисление собственных углерода и кремния из оксидов железа, составляет 87,5 мас. требуемой для реакций.

При таком распределении кислорода на реакции окисления углерода суперкома, когда во время продувки часть кислорода (10-15% участвующего в реакциях) поступает из жидкой ванны, устраняется процесс накопления кислорода в конвертерной ванне. Благодаря более низкой по сравнению с ломом температуре плавления суперкома (1200-1250^oC) процесс обезуглероживания ванны начинается раньше и в начале протекает внутри проплавленной шихтовой заготовки с выделением оксида углерода. Интенсивное перемешивание металла пузырями оксида углерода улучшает массообменные процессы в объеме ванны и обеспечивает спокойный ход реакции обезуглероживания. При этом устраняются пиковые газовыделения, снижаются тепловые нагрузки на оборудование котла-охладителя, уменьшаются выносы и заметалливание элементов котла. Охлаждающий эффект шихтовой заготовки близок к эффекту лома, поэтому при введении его в металлошихту определение расхода добавок-охладителей не представляет трудности. Замена лома на шихтовую заготовку в соотношении 1:1 практически не приводит к изменению теплового баланса плавки.

Новый способ имеет следующие преимущества.

1. На днище конвертера формируется более легкоплавкий и быстроплавящийся слой в виде конгломерата, что достигается за счет замены лома с повышенной температурой плавления материалом, металлическая основа которого имеет более низкую температуру плавления в пределах 1150-1180^oC, что значительно ниже температуры плавления железа и температуры жидкого чугуна, заливаемого в конвертер. Это облегчает расплавление слоя на днище и обеспечивает плавление конгломерата с момента начала заливки жидкого чугуна. Благодаря этому длительность плавки сокращается.

2. Одновременное наличие углерода и кислорода в шихтовой заготовке соответственно в металлической основе и оксидном материале при развитой поверхности их контакта, пониженной температуре плавления, металлической основе и наличии перегрева жидкого чугуна, заливаемого в конвертер, над температурой плавления основы шихтовой заготовки обеспечивают окисление углерода с момента начала заливки жидкого чугуна в конвертер еще до начала подачи кислорода через форму и более равномерное протекание реакции обезуглероживания углерода. В первые 1-5 мин продувки скорость окисления углерода выше обычной на 30-100% а максимальное значение в середине плавки наоборот ниже на 25-35%
3. Перемешивание ванны газообразными продуктами окисления углерода ускоряет растворение извести, повышает основность шлака, улучшает использование кислорода, сокращает потери (угар) железа, увеличивает выход жидкой стали, повышает стойкость футеровки.

Помимо этого, барборнаж ванны улучшает условия рафинирования металла от газов и неметаллических включая, способствуя тем самым улучшению качества стали.

4. Замена части лома шихтовой заготовкой, имеющей более высокую чистоту в отношении примесей цветных металлов, снижает концентрацию этих микропримесей в готовой стали, улучшая тем самым показатели качества металла.

5. Использование шихтовой заготовки позволяет исключить или значительно сократить расход лома, сведя к минимуму или вообще исключив зависимость работы конвертеров от наличия лома, его чистоты и состава, а также конъюнктуры цен.

6. Формирование в конвертере перед началом плавки конгломерата, основной составляющей которого является шихтовая заготовка, имеющая низкую по сравнению с жидким чугуном и железом температуру плавления, облегчает и ускоряет расплавление и растворение всего конгломерата и обеспечивает более быстрый подъем температуры ванны по ходу плавки. Это оказывает благоприятное воздействие на длительность плавки, расход кислорода, окисление углерода, условия службы футеровки (табл. 2), шлакообразование, качество стали.

7. Способ выплавки стали с использованием шихтовой заготовки на основе передельного чугуна и оксидного материала позволяет выплавлять сталь при отсутствии лома за счет перевода части передельного чугуна в шихтовую заготовку, основа которой (чугун) имеет ту же природу и тот же состав, что и жидкий чугун. Это гарантирует минимально возможное и стабильное содержание микропримесей в готовом металле, высокое качество и надежность металлопродукция из этой стали.

8. Шихтовая заготовка благодаря наличию в ней оксидного материала обладает по сравнению с ломом повышенной в 1,1-2,0 раза охлаждающей способностью, вследствие чего ее относительный расход меньше, чем лома.

Содержание остаточных элементов в изотропной стали в зависимости от состава шихты и выход высших марок стали, а также стойкость футеровки представлены в табл. 2 и 3.

Использование: в области металлургии, в частности в способах получения стали кислородно-конвертерным способом. Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение технико-экономических показателей, снижение примесей в готовой стали, а также расходы металлолома, увеличение стойкости футеровки. Сущность изобретения: по способу выплавки стали в кислородном конвертере оставляют в ванне части расплава предыдущей плавки, загружают твердую металлошихту, заливают чугун, продувают ванну кислородом, вводят шлакообразующие. В ванне конвертера остаются 3 - 25% расплава от массы садки. В качестве твердой шихты используют шихтовую заготовку в виде конгломерата из железосодержащего сплава и оксидного материала, которую загружают на оставшийся металл в количестве 5 - 40% от массы садки, после чего заливают чугун и продувают ванну кислородом. Возможно также совместно с шихтовой заготовкой дополнительно загружать металлический лом в соотношении 1:(0,1-10,0), желательно использовать шихтовую заготовку с содержанием в ней кислорода на 5-30% выше необходимого для полного окисления всех компонентов ванны, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с железом. В качестве шихтовой заготовки можно использовать конгломерат из железосодержащего сплава, оксидного материала и углеродосодержащей добавки. Желательно использовать шихтовую заготовку в виде кусков массой 5 - 12 и 18 - 45 кг при соотношении 1:(0,3-1) соответственно. Процесс обезуглероживания ванны начинается раньше, интенсивное перемешивание металла пузырьками оксида углерода улучшает массово-обменные процессы в объеме ванны и обеспечивает спокойный ход обезуглероживания. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ выплавки стали в кислородном конверторе, включающий оставление в ванне части расплава предыдущей плавки, загрузку твердой металлошихты, заливку чугуна, продувку ванны кислородом, ввод шлакообразующих, выпуск металла, отличающийся тем, что в ванне оставляют 3 25% расплава от массы садки, а в качестве твердой металлошихты используют шихтовую заготовку в виде конгломерата из железосодержащего сплава и оксидного материала, которую загружают на оставшийся металл в количестве 5 40% от массы садки, после чего заливают чугун и продувают ванну кислородом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что совместно с шихтовой заготовкой дополнительно загружают металлический лом в соотношении 1 (0,1 10). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют шихтовую заготовку с содержанием в ней кислорода на 5 30% выше необходимого для полного окисления всех компонентов ванны, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с железом. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве шихтовой заготовки используют конгломерат из железосодержащего сплава, оксидного материала и углеродсодержащей добавки. 5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что используют шихтовую заготовку в виде кусков массы 5 12 и 18 45 кг при соотношении 1 (0,3 1) соответственно.