ШИХТОВАЯ ЗАГОТОВКА ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПЕРЕДЕЛА Российский патент 1997 года по МПК C21C5/52 C21C5/28 B22D5/00 

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано в качестве твердой шихты при выплавке стали в различных сталеплавильных печах.

Известна разливочная машина для отливки чушек с наполнителем (оксидный материал), которая работает следующим образом. Окатыши подаются на разливочную машину в саморазгружающихся контейнерах объемом 1 м³ и тельферами поднимаются и загружаются в бункеры. На разливочную машину подается ковш с чугуном и наклоняется кантовальным устройством. Чугун из ковша сливается в разливочное устройство и подается в изложницы. Питатели опускаются в рабочее положение (до упора в изложницы), открываются затворы и окатыши попадают через систему подачи в изложницы (мульды). Включается привод конвейеров. При движении конвейеров питатели округленной частью разравнивают окатыши в изложницах. Заполненные окатышами изложницы перемещаются и заливаются чугуном.

Недостатком указанного выше материала является невысокая скорость окисления углерода, что свидетельствует об относительно малой скорости доставки кислорода вследствие слабого развития контакта оксидного материала - металлическая основа. Особенно заметно этот недостаток проявляется в начале плавки, когда ванна имеет пониженную температуру. Слабое развитие межфазной поверхности и низкие температуры тормозят окисление углерода. Другим недостатком известного материала является резко выраженная неравномерность скорости окисления углерода и даже полная приостановка этой реакции по причине преимущественного окисления кремния. Последний в условиях недостатка окислителя забирает кислород на свое окисление, тормозя или прекращая совсем окисление углерода. Отсутствие регламентированного соотношения углерода и кремния в известном материале приводит к широкому разбросу скоростей обезуглероживания и содержания углерода по расплавлении.

Технической задачей изобретения является более раннее окисление углерода металлической основы кислородом оксидного материала, получение (достижение) высоких скоростей обезуглероживания при низких температурах ванны в начале плавки (1250-1300^oC), более равномерное окисление углерода по ходу плавки, обеспечение стабильности содержания углерода по расплавлении материала.

Технический результат достигается тем, что для выплавки стали применяют шихтовую заготовку, содержащую оксидный кусковый материал, залитый железоуглеродистым сплавом, в которой отношение внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава равно 5-100 м²/т, а отношение содержания углерода к кремнию в железоуглеродистом сплаве равно

При этом в качестве железоуглеродистого сплава используют чугун, а в качестве оксидного материала железорудные окатыши, железную руду, металлический концентрат, окалину, агломерат, пылевидные отходы и шлак аглодоменного производства, колошниковую пыль.

Предложенную шихтовую заготовку получают аналогично прототипу, смешивая расчетные количества железоуглеродистого сплава и оксидного кускового материала.

Отличительной особенностью новой шихтовой заготовки является использование кусков оксидного материала, обладающих по сравнению с прототипом большей внешней поверхностью оксидного материала и отношением внешней поверхности оксидного материала к массе железоуглеродистого сплава в пределах 5-100 м²/т. Зная исходный гранулометрический состав оксидного кускового материала и его относительное количество в шихтовой заготовке, легко обеспечить требуемую величину указанного выше соотношения.

Другой отличительной особенностью предлагаемой шихтовой заготовки является поддержание соотношения концентрации кремния и углерода в пределах
Заданное соотношение обеспечивает, изменяя химсостав железоуглеродистого сплава преимущественно за счет варьирования содержания кремния, так как регулирование концентрации углерода в высокоуглеродистых расплавах технически осуществить более сложно.

При одном и том же составе шихтовой заготовки и постоянном соотношении основных ее компонентов оксидного кускового материала и железоуглеродистого сплава увеличение поверхности оксидного кускового материала многократно увеличивает удельную поверхность, приходящуюся на единицу массы железоуглеродистого сплава. Пропорционально возрастанию поверхности оксидного кускового материала увеличивается количество кислорода, подводного к металлической основе железоуглеродистому сплаву шихтовой заготовки и которое согласно современным взглядам является фактором, ограничивающим скорость окисления углеродом. Наличие в металлической основе углерода позволяет ей плавиться при относительно низких температурах (1170-1200^oC), которые ниже температур ванны в начальный период конвертерной плавки и электроплавки. Это обеспечивает высокую скорость переноса углерода в металлической основе даже в начальный момент плавки, когда ванна еще холодная, не говоря уже о середине и конце плавки, исключая тем самым массоперенос углерода из числа факторов, ограничивающих окисление углерода.

Таким образом в предлагаемой шихтовой заготовке создаются необходимые и достаточные условия для ускоренного окисления углерода.

Первым необходимым условием служит создание сильно развитой поверхности контакта фаз твердый оксидный кусковый материал расплав металлической основы (железоуглеродистого сплава) и получение максимальной величины удельной поверхности отношения внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава. Это резко усиливает перенос кислорода к фронту реакции с углеродом и снимает ограничения со скорости окисления углерода, накладываемые стадией доставки кислорода на результирующую (общую) скорость реакции окисления углерода.

Вторым необходимым и достаточным условием является пониженная температура плавления металлической основы, обеспеченная наличием углерода. Это делает возможным расплавление ее при температурах начала плавки, когда ванна имеет минимальный нагрев (1200-1300^oC), что обеспечивает необходимую скорость доставки углерода к границе с оксидным кусковым материалом при температурах, существенно меньших температуры плавления этого материала, температуры плавления железа и конечной температуры металла на выпуске.

Указанные условия позволяют обеспечить раннее начало окисления углерода при пониженных температурах металлической ванны еще до момента, когда источник поступления кислорода оксидный материал еще не расплавился и находится в твердом состоянии, т.е. при температурах, ниже температуры плавления твердого окислителя. При этом окисление углерода в области низких температур протекает с повышенными скоростями, характерными для случая продувки жидкого чугуна газообразным кислородом. Физически это означает, что снижение скорости поступления кислорода из твердого оксидного материала вследствие малой скорости диффузии кислорода в твердом теле компенсируется огромной поверхностью последнего и сокращением пути диффузии кислорода к месту реакции с углеродом.

Стадией, лимитирующей окисление углерода в новой шихтовой заготовке, в отличие от прототипа, становится уже не скорость подвода кислорода, как в известных материалах для сталеплавильных процессов, а интенсивность подвода тепла к шихтовой заготовке и скорость ее расплавления. Резкое увеличение поверхности раздела фаз оксидный кусковый материал металлическая основа (железоуглеродистый расплав) в условиях, когда металлическая основа уже расплавилась и достаточно перегрета, исключает стадию доставки кислорода из числа лимитирующих звеньев и передает ее другому фактору тепловому, а именно скорости расплавления чушек шихтовой заготовки. Это означает, что диффузная кинетика, определяющая скорость транспорта потока кислорода, уступает место лимитирующего звена скорости обмена тепла шихтовой заготовки с окружающей средой, т.е. теплообмену.

Преимущества заявляемого изобретения обусловлены следующим:
предварительное создание в шихтовой заготовке сильно развитой поверхности оксидного кускового материала с металлической основой (железоуглеродистый сплав) позволяет приблизить высокий потенциал кислорода в твердом окислителе к границе с металлом и тем самым резко ускорить доставку кислорода к фронту реакции с углеродом;
увеличение скорости переноса кислорода столь существенно, что перестает лимитировать реакцию окисления углерода и отдает ее новому звену скорости нагрева и расплавления чушек шихтовой заготовки. Тем самым принципиально изменяется кинетика реакции окисления углерода;
обеспечивается раннее окисление углерода в начале плавки при пониженных температурах ванны (1200-1300^oC);
достигаются весьма высокие абсолютные значения скорости окисления углерода при пониженных температурах, соответствующие условиям продувки чугуна кислородом (0,2-0,4% С/мин);
наличие избытка кислорода на границе оксидного кускового материала с железуглеродистым расплавом благодаря большой поверхности оксидного материала и высокой концентрации кислорода в оксидном кусковом материале и его активности делает возможным одновременное и параллельное окисление всех элементов, имеющих в данных условиях сродство к кислороду большее по сравнению с железом, включая углерод и кремний. Это исключает или серьезно смягчает зависимость начала и степени окисления углерода от содержания кремния в металлической основе (железоуглеродистый сплав), особенно при пониженных температурах.

Поэтому наличие развитой удельной поверхности (отношение внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава) в пределах 5-100 м²/т позволяет начать окисление углерода с высокими скоростями уже на ранних стадиях плавки, когда ванна еще относительно холодная, причем это окисление происходит при наличии определенного количества кремния в металлической основе.

Если удельная поверхность контакта оксидный материал металлическая основа менее 5 м²/т металла, то скорость увеличения доставки кислорода оказывается относительно небольшой и возникает его недостаток. Преимущественное развитие при этом получают окисление кремния как элемента, имеющего значительно большое сродство к кислороду, чем углерод. Вследствие этого углерод окисляется незначительно, что снижает эффективность материала. Если удельная поверхность оказывается более 100 м²/т металла, то окисление углерода получает чрезмерную скорость, вследствие чего темп нагрева металла отстает от скорости обезуглероживания, поскольку окисление углерода твердыми оксидами железа сопровождается затратами тепла и охлаждением ванны. В дальнейшем по мере разогрева и повышения температуры ванны окисление углерода может принять циклический характер и привести к выбросам и выносам частиц металла во время бурного газовыделения продуктов реакции окисления углерода.

Диапазон значений 5-100 м² металла является оптимальным.

Соотношение углерода и кремния в металлической основе в пределах выбрано из тех соображений, что в данном диапазоне соотношений достигается одновременное окисление как углерода, так и кремния.

Если это соотношение менее 4, то преимущественно окисляется кремний, образуя продукт реакции в виде тугоплавкого диоксида кремния. Эта тугоплавкая фаза блокирует поверхность раздела оксидного материала и расплава металлической основы, затрудняя доставку как кислорода, так и углерода к фронту из возможной реакции. Вследствие этого окисление углерода прекращается.

Если это соотношение более 40, то преимущественно окисляется углерод до тех пор, пока отношение C/Si не достигнет равновесных значений, отвечающих данной температуре. При этом отсутствует выделение тепла в зоне реакции. Учитывая эндотермический характер окисления углерода твердыми окислителями, происходит замедление и даже прекращение окисления углерода, а, следовательно, удлиняется продолжительность плавки.

По данному изобретению были изготовлены составы шихтовой заготовки, которые были применены при выплавке сталей в лабораторных электропечах и промышленных кислородных конвертерах.

В табл. 1 приведены составы шихтовой заготовки и приведены результаты плавок с применением шихтовой заготовки в электропечи.

Были проведены опытные плавки шихтовой заготовки в лабораторных условиях. При этом фиксировалось изменение концентрации углерода ([c]) в шихтовой заготовке и скорости окисления углерода при различных отношениях внешней поверхности оксидного окускованного материала к массе железоуглеродистого сплава (см. фиг. 1, 2, 3).

На фиг. 1 изображены изменение концентрации углерода ([c]) в шихтовой заготовке, скорости окисления углерода при отношении внешней поверхности оксидного окускованного материала к массе железоуглеродистого сплава равным 5; на фиг. 2 тоже самое, но при отношении внешней поверхности оксидного окускованного материала к массе железоуглеродистого сплава равным 35; на фиг. 3 то же самое, но при отношении внешней поверхности оксидного окускованного материала к массе железоуглеродистого сплава равным 100.

При этом скорость нагрева данной шихтовой заготовки с увеличением отношений внешней поверхности оксидного окускованного материала к массе железоуглеродистого сплава увеличивается и характер окисления углерода меняется.

При малых отношениях внешней поверхности оксидного окускованного материала к массе железоуглеродистого сплава (5, фиг. 1) скорость окисления углерода имеет два хорошо выраженных максимума:первый при 1240^oC, второй при 1400^oC. Первый максимум отвечает моменту расплавления чугуна и окислению углерода жидкого чугуна кислородом твердых окатышей. В этот момент суперком находится в твердо-жидком состоянии при общем сохранении исходной структуры. Затем твердые окатыши покрываются пленкой кремнезема (за счет окисления кремния чугуна) и реакция окисления углерода тормозится. При повышении температуры до 1400^oC плавится основа окатышей (зерна гематита) и реакция вновь ускоряется, но уже идет обычное окисление углерода жидкого чугуна кислородом железистого шлака.

При отношении внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава равной 35 увеличивается скорость нагрева, максимум скорости окисления углерода сближаются и при больших скоростях нагрева (фиг. 3) сливаются в один. Абсолютное значение скорости окисления углерода при этом огромно и составляет 0,2-0,8%/мин, что превышает примерно в два раза максимальные скорости окисления углерода в кислородном конвертере. В лабораторных условиях при отношении внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава равном 100 происходит сильное вскипание расплава и увеличение объема шлакометаллгазовой эмульсии. Таким образом, отличительная особенность новой шихтовой заготовки наличие первого периода окисления углерода: окисление углерода жидкого чугуна кислородом твердых окатышей. Пространственная структура шихтовой заготовки при этом в основном сохраняется, обеспечивая большую удельную поверхность реагирования.

На Новолипецком меткомбинате в ККЦ-1 отрицательные последствия понижения расхода лома в шихте плавок устранены применением шихтовой заготовки, которая изготавливается на основе передельного чугуна (78-83 мас.) и железорудных окатышей (17-22 мас.) с отношением внешней поверхности железорудных окатышей к массе чугуна равной 5-20.

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

Химический состав (расчетный) одной из композиций шихтовой заготовки (20 мас. окатышей) приведен ниже,
Fe мет. 74,540, FeO 0,6630, Fe₂O₃17,534, SiO₂ 1,712, Al₂O₃0,004 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. 2), 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 шихтовой заготовки, 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 шихтовой заготовки (1200-1250^oC) процесс обезуглероживания ванны начинается раньше и вначале протекает внутри проплавляемой шихтовой заготовки с выделением оксида углерода. Особое значение имеет тот факт, что применение новой шихтовой заготовки ускоряет окисление углерода в первый холодный период плавки примерно на 25-100% (фиг. 4). По истечении этого периода (время 4 мин) скорости окисления углерода становятся равными и, начиная с этого момента, окисление углерода протекает спокойно по сравнению с прототипом. 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.

Заявляемая шихтовая заготовка позволяет снизить содержание остаточных элементов в изотропной электротехнической стали и увеличить выход высших марок стали (табл.3) при ее частичной замене вместо металлолома в шихтовке в конвертере.

Использование: в области черной металлургии в качестве твердой шихты при выплавке стали в различных сталеплавильных агрегатах, преимущественно в кислородных конвертерах и дуговых сталеплавильных печах. Технической задачей изобретений является более раннее окисление углерода металлической основы кислородом оксидного материала, получение (достижение) высоких скоростей обезуглероживания при низких температурах ванны в начале плавки, более равномерное окисление углерода по ходу плавки, обеспечение стабильности содержания углерода по расплавлении материала. Сущность изобретения: для выплавки стали применяют шихтовую заготовку, содержащую оксидный кусковой материал, залитый железоуглеродистым сплавом, в которой отношение внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава равно 5-100 м²/т, а отношение содержания углерода к кремнию в железоуглеродистом сплаве равно 40≥C/Si≥4. В качестве железоуглеродистого сплава может быть использован чугун, а в качестве оксидного материала - железорудные окатыши, железную руду, металлический концентрат, окалину, агломерат, пылевидные отходы и шлак аглодоменного производства, колошниковую пыль. Шихтовая заготовка позволяет снизить содержание остаточных элементов в изотропной электротехнической стали и увеличить выход высших марок стали. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.

1. Шихтовая заготовка для металлургического передела, содержащая оксидный кусковой материал, залитый железоуглеродистым сплавом, отличающаяся тем, что отношение внешней поверхности оксидного кускового материала к массе железоуглеродистого сплава равно 5-100 м/г, а отношение содержания углерода к кремнию в железоуглеродистом сплаве равно . 2. Заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве железоуглеродистого сплава используют чугун. 3. Заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оксидного материала используют железорудные окатыши, железную руду, металлический концентрат, окалину, агломерат, пылевидные отходы и шлак аглодоменного производства, колошниковую пыль.