СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ПРИРОДНОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ В ПОДОВЫХ ПЕЧАХ Российский патент 1998 года по МПК C21C5/04 C21C5/52 

Изобретение относится к черной металлургии, к выплавке природно-легированных железоуглеродистых сталей и сплавов в подовых печах, а именно в мартеновских и электрических печах.

Известен окислительный способ электроплавки на шихте из легированных отходов с получением легированных сплавов, включающий расчет шихты по нижнему пределу содержания легирующих, чтобы концентрация углеродов в шихте была на 0,15 - 0,25% выше нижнего предела для выплавляемой стали. Для уменьшения угара легирующих вводят в шихту 0,4 - 0,6% Cr в виде кремнистых отходов. На подину дают известняк, плавковый шпат или шамот. На этих плавках расходуют в завалку пониженное количество известняка (2,0 - 2,5%). Температура металла к началу продувки должна быть в пределах 1480 - 1520^oC.

При выплавке малоуглеродистой стали содержание углерода в металле не должно быть ниже 0,08 - 0,09%. По расплавлению ванны шлак удаляют после ее нагрева до 1600 - 1640^oC.

Недостатком этого способа являются трудности с удалением фосфора (низкие основность шлака и содержание окислов железа в нем), с попаданием в заданный состав по углероду, значительный угар легирующих элементов, густой шлак при использовании хромистых отходов, требуется определенный состав легированных отходов для выплавки разных марок сталей.

Известен также хромовосстановительный способ мартеновского передела хромосодержащих шихт, включающий специальный подбор шихты по содержанию фосфора и углерода. Кроме того, в шихту вводят 2,5 - 3,4%; 13%-ного ферросилиция от массы шихты и 0,75 - 0,95% смоляного кокса как заменителя чугуна (частичная карбюрация). Для снижения потерь хрома поддерживали минимальное количество шлака за счет низкого расхода известняка в завалку (2%), ограничивается и содержание железа в шлаке (не более 8%).

Недостатком этого способа являются низкая основность и окисленность шлака в начале чистого кипения, что затрудняет удаление фосфора, дополнительный расход ферросилиция для снижения перехода хрома в шлак, отрицательное химическое воздействие шлака первого периода на откосы ванны, жесткие требования к составу шихты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выплавки стали в подовых печах карбюраторным скрап-процессом, предусматривающим закрытие подины "подушкой" из шихтовых материалов, загрузку шлакообразующих (извести или известняка), загрузку материалов, содержащих раскислители и легирующие элементы в смеси или поверх карбюратора, загрузку остальной шихты, плавление, доводку и восстановление легирующих и раскислителей. Этот способ принят за прототип.

Недостатком является использование шихты с минимальным, строго регламентированным содержанием серы и фосфора, значительные потери легирующих и раскислителей со шлаком и образование пенистого шлака в первом периоде плавки.

Задачей изобретения является получение железоуглеродистых и легированных сплавов с использованием легированных отходов или свежей шихты.

При решении этой задачей достигается технический результат, связанный с восстановлением элементов раскислителей и легирующих из окисленных отходов производства или из рудных материалов, обеспечением минимальных потерь легирующих со шлаком, что приводит к экономии раскислителей и легирующих материалов и утилизации окисленных отходов, содержащих окислы этих элементов, и позволяет обеспечить одностадийность процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе выплавки природно-легированных сталей и сплавов в подовых печах, включающем закрытие подины слоем железосодержащего шихтового материала, загрузку карбюризатора, подачу извести или известняка, завалку части легковесной металлошихты, загрузку материалов, содержащих раскисляющие и легирующие элементы, завалку стального лома, образование по меньшей мере одной зоны наиболее медленного плавления шихты, периоды плавления и доводки, восстановление легирующих и раскисляющих элементов, выпуск металла, по изобретению, карбюризатор и материалы, содержащие раскисляющие и легирующие элементы, совместно загружают на слой железосодержащего шихтового материала в зоны наиболее медленного плавления шихты, затем на них загружают слой легковесной металлошихты, а известняк и/или известь равномерно распределяют над ними.

В качестве слоя железосодержащего шихтового материала можно использовать остаток жидкого металла предыдущей плавки или мелкий металлолом, в последнем случае количество которого составляет 5 - 7% от массы металлошихты.

Материалы, содержащие раскислители и легирующие элементы, и карбюризатор могут отделяться от извести и/или известняка мелким металлическим ломом, количество которого предпочтительно должно составлять 5 - 7% от массы металлошихты.

Раскислители и легирующие элементы загружаются в печь в виде соединений (оксидов, карбидов, карбонатов) или сплавов (FeSI, FeMn, FeCr, SiMn и др.), а также их смесей.

Могут использоваться также полиметаллические руды из группы марганцевая, хромовая, хромистый и молибденовый концентраты, уранованадит, ванадит, деклуазит, ильменит, рутил, титаномагнетит.

Из теории восстановления окислов и практики производства ферросплавов известно, что карботермические реакции восстановления возможны в подовых агрегатах применительно к сталеплавильным печам при нагреве реакционной зоны до 700 - 1650^oC. При этих температурах создаются необходимые условия для восстановления Fe, Ni, Mn, Cr, Mo, V, Si, Ti. Наличие металлического расплава способствует этому процессу удалением продуктов реакции за счет их растворения и расплаве и улетучивания CO₂ из зоны реакции (Р.Дуррер, Г.Фолькерт. Металлургия ферросплавов. М.: Металлургия, 1976, с. 22 - 23; Н.Л.Гольдштейн. Краткий курс теории металлургических процессов. Свердловск, 4, с. 170 - 195).

Исследования показали, что в сталеплавильных агрегатах при загрузке карбюризатора отдельным слоем между металлошихтой создается (в этом слое) зона с восстановительной атмосферой, а загрузка карбюризатора с легирующими компонентами в зоны более позднего проплавления обеспечивает более длительный контакт этих материалов с карбюризатором в восстановительной атмосфере. Для усиления этого эффекта над смесью карбюризатора с легирующими материалами равномерно, без пропусков, рассыпается известняк или известь, которые имеют коэффициент теплопроводности в 40 раз ниже, чем у металлолома, что позволяет удалять фосфор со шлаком в более холодный период плавки без потери легирующих компонентов.

Количество карбюризатора и окисленного материала следует брать в количестве, определяемом стехиометрическим соотношением согласно составу вещества. Материалы могут вносится в смеси, послойно или иным способом. Загрузка окисленных материалов на карбюризатор позволяет регулировать процесс восстановления окислов легирующих и науглероживания ванны, что облегчает ведение плавки.

"Подушку", закрывающую подину, можно получить составлением металла предыдущей плавки, что позволяет реализовать способ в электропечах. В случае использования для "подушки" мелкого металлолома количество его предпочтительно должно находиться в интервале 5 - 7% от массы металлошихты.

В случае, если на "подушку" расходуется менее 5% лома от массы металлошихты, то ухудшается условия защиты пода печи от механических воздействий тяжелой шихты, загружаемой позднее, и увеличивается вероятность приваривания золы кокса к подине. При загрузке на подину более 7% мелкого лома наблюдается повышенное количество пенистого первичного шлака, ухудшается шлакообразование, что удлиняет плавку.

Материалы, содержащие легирующие и раскисляющие элементы, и карбюризатор могут загружены фракций 0,1 - 0,5 см. Фракционный состав материалов и карбюризатора устанавливается из условий плавки (технологии и тепловой мощности печи).

Для того, чтобы не препятствовать процессу восстановления окислов раскисляющих и легирующих элементов из материала, известняк и/или известь должны быть отделены от них.

Для этого могут быть использованы различные приемы, в частности засыпка материалами, масса которых превышает выталкивающую силу карбюризатора и легирующих материалов, например чугунная стружка. Может использоваться и мелкий металлолом.

Мелкий металлолом, отделяющий карбюратор с легирующими составляющими от известняка или извести, может быть загружен массой 5 - 7% от массы металлошихты.

При загрузке мелкого лома между карбюризатором и легирующими известью и/или известняком в количестве менее 5% возможен контакт известняка и/или извести с материалами, что препятствует процессу восстановления. При загрузке мелкого лома более 7% удлиняется период плавления из-за ухудшения теплопередачи слою лома.

В качестве окисленных легирующих материалов, кроме отходов производства, загружаются природные минералы (руды) и концентраты: марганцевая, хромовая, хромистый и молибденовый концентраты, уранованадит, ванадит, деклуазит, ильменит, рутил, титаномагнетит и др.

Предлагаемый способ был реализован на 5- и 350 - 400-тонных, соответственно, дуговой электро- и мартеновской печах с основной футеровкой. Выплавлялись чугун и сталь.

Пример 1. В 5-тонную дуговую электропечь с неконтролируемой атмосферой загружали 0,5 т мелкого стального лома и на него в зоне откосов 0,2 т коксовой мелочи фракцией 0,2 - 2,0 мм и на него смесь карбюратора титаномагетитовой рудой в количестве 1,5 т руды и 0,4 т коксовой мелочи, которую закрыли 2,0 т стального лома и поверх его рассыпали 1,0 т извести. Кислород не использовали. В конце периода плавления спустили одну шлаковню шлака первого периода. Остальные операции проводились по обычной технологии, кроме раскисления и легирования (последние были исключены). В результате плавки получен чугун, соответствующий составу, %: C 3,75; Mn 0,05; Si 0,01; S 0,170; P 0,047; Ni 0,17; Cr 0,20; Co 0,07; V 0,116; Ti 0,015.

Пример 2. В 350-тонную мартеновскую печь на подину загрузили 30 мелкого малоуглеродистого лома, который прогрели в течение 5 мин, затем на эту "подушку" загрузили в среднее завалочное окно 12 т коксовой мелочи, поверх которой наверх карбюратора рассыпали 3 т марганцевой руды, на которую загрузили 25 т мелкого стального лома. После этого по всей поверхности без пропусков закрыли известняком, затем завалили остальные 315 т малоуглеродистого стального лома. В конце периода плавления долили 1 чашу первичного шлака и отобрали пробу на углерод и марганец, содержание которых составило, соответственно, 0,93 и 0,26%. Добавку проводили по обычной технологии.

Пример 3. В 400-тонную мартеновскую печь на подину загрузили 40 т мелкого стального лома, который прогревали в течение 5 мин, затем на эту "подушку" в среднее завалочное окно загрузили 10 т коксовой мелочи и сверху нее 6 т марганцевой руды, затем завалили 30 т мелкого стального лома и сверху над смесью кокса с марганцевой рудой по всей площади без пропусков загрузили 25 известняка, затем завалили 130 т остального стального лома. После прогрева шихты в течение 1 ч 10 мин залили 200 т жидкого чугуна. С начала заливки до периода раскисления ванну продували кислородом с расходом 1000 м³/ч.

В процессе плавления удаляют 1,5 чаши шлака. По расплавлению ванны отбиралась проба на углерод и марганец, содержание которых составило, соответственно, 1,48 и 0,26%. Доводку проводили по обычной технологии, в конце которой содержание марганца в металле дополнительно увеличилось на 0,076%. В результате плавки получена сталь P-65.

Пример 4. В 400-тонную мартеновскую печь на подину загрузили 80 т мелкого стального лома, который прогревали в течение 5 мин, затем на эту "подушку" в среднее завалочное окно загрузили 4,8 т коксовой мелочи, сверху по всей площади кокса рассыпали марганцевую руду в количестве 2,5 т. Над последним рассыпали без пропусков 26 т известняка, затем завалили 120 т остальной стальной лом и после его прогрева в течение 1 ч залили 270 т жидкого чугуна. С начала заливки и до периода раскисления продували ванну кислородом с расходом 1600 м³/ч по расплавлении ванны отбиралась проба на углерод и марганец, содержание которых составило, соответственно, 1,21 и 0,11%.

В результате плавки получили сталь P-65.

Пример 5. От предыдущей плавки на подине оставили 4 т жидкого металла, на который рассыпали 3 т коксовой мелочи. На последнюю равномерно рассредоточили 3 т марганцевой руды. Затем загрузили слой мелкого стального лома и весь закрыли 2 т извести, на известь по ходу плавления сделали 2 подвалки стального лома. Дальнейшее плавление, доводку и выпуск производили по обычной технологии. По расплавлению ванны получили 0,63% углерода и 0,24% марганца. При выпуске получили готовую сталь 35 ГС.

Для сравнения технико-экономических данных проводились плавки по технологии прототипа.

Результаты всех плавок приведены в таблице.

Из таблицы видно, что использование предложенной технологии позволяет в однотипных печах уменьшить удельный расход чугуна на 25%, увеличить степень усвоения легирующих и раскислителей, поступающих из всех источников, на 15%, не регламентировать содержание серы и фосфора в шихте, использовать отходы и снизить себестоимость продукции.

Использование: в черной металлургии при выплавке природно-легированных железоуглеродистых сталей и сплавов в подовых печах, а именно в мартеновских и электрических печах. Сущность изобретения: при выплавке природно-легированных железоуглеродистых сталей и сплавов на заваленный на подину подовой печи слой железосодержащего шихтового материала в зоны наиболее медленного плавления шихты совместно загружают карбюризатор и материалы, содержащие раскисляющие и легирующие элементы, затем на них загружают слой легковесной металлошихты, после чего над ними равномерно распределяют известь или известняк. Длительное пребывание легко окисляющихся легирующих элементов в контакте с карбюратором в восстановительной зоне позволяют сохранить свежевосстановленные легирующие элементы в металлическом расплаве, удалить шлак первого периода в "холодный" период без потери этих элементов. Эта технология позволяет снизить себестоимость производства стали, работать на свежей шихте, использовать руды и отходы производства, содержащие окисленные и восстановленные легирующие элементы. 6 з.п. ф., 1 табл.

1. Способ выплавки природнолегированных сталей и сплавов в подовых печах, включающий закрытие подины слоем железосодержащего шихтового материала, загрузку карбюризатора, подачу извести или известняка, завалку части легковесной металлошихты, загрузку материалов, содержащих раскисляющие и легирующие элементы, завалку стального лома, образование по меньшей мере одной зоны наиболее медленного плавления шихты, периоды плавления и доводки, восстановление легирующих и раскисляющих элементов, выпуск металла, отличающийся тем, что карбюризатор совместно с материалами, содержащими раскисляющие и легирующие элементы, загружают на слой железосодержащего шихтового материала в зоны наиболее медленного плавления, затем на них загружают слой легковесной металлошихты, после чего над ними равномерно распределяют известь или известняк. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя железосодержащего шихтового материала, закрывающего подину, используют остаток жидкого металла от предыдущей плавки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подину закрывают слоем мелкого металлолома в количестве 5 - 7% от массы металлошихты, который прогревают перед загрузкой карбюризатора и материалов, содержащих раскисляющие и легирующие элементы. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что на карбюризатор и материалы, содержащие раскисляющие и легирующие элементы, загружают слой мелкого металлического лома в количестве 5 - 7% от веса металлошихты. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стальной лом дополнительно загружают чугун. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве материалов, содержащих раскисляющие и легирующие элементы используют отходы производства, содержащие эти элементы в виде их оксидов, карбидов, карбонатов, сплавов и/или их сплавов с железом. 7. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве материалов, содержащих раскисляющие и легирующие элементы, используют полиметаллические руды из группы марганцовая, хромовая, хромистый или молибденовый концентраты, уравнованадит, ванадит, деклуазит, ильменит, рутил или титаномагнетит.