СПОСОБ ПРОДУВКИ МЕТАЛЛА В КОНВЕРТЕРЕ Российский патент 1999 года по МПК C21C5/32 C21C5/28 

Предлагаемое изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к производству стали в кислородных конвертерах, и может быть использовано для управления процессом кислородной продувки в ходе плавки. Целесообразно использование предлагаемого изобретения при переделе низкомарганцовистого чугуна.

Известен способ продувки металла в конвертере, при котором кислородную продувку начинают при небольшом расстоянии фурмы от зеркала металла и продувают так 0,5...1 мин, после чего фурму поднимают на большую высоту и затем по ходу продувки ее опускают два-три раза.

(Г.А.Соколов. "Производство стали", М., "Металлургия", 1982 г, с. 160).

Недостатком данного способа является низкая стойкость фурм из-за их частых ударов о лом в начале продувки, низкий выход металла, повышенный расход раскислителей и легирующих в связи с отсутствием регламентированного режима кислородной продувки по интенсивности продувки и положению фурмы в ходе плавки.

Известен способ продувки металла, включающий завалку лома, заливку чугуна, продувку металла кислородом в первые 10-20% продолжительности продувки при более высоком положении фурмы, высоту фурмы над ванной в основное время продувки определяют по формуле
H = 0,21V^0,4cosα,
где H - высота фурмы, м,
V - расход кислорода через одно сопло, м³/мин,
α - угол наклона оси сопла к вертикали, град.,
а расход кислорода поддерживают таким образом, чтобы в течение первых 20-25% продолжительности продувки, а также в течение последних 15% продолжительности продувки (при остановке продувки на низком содержании углерода менее 0,15%) минутный расход кислорода был на 20-30% выше, чем в основное время продувки.

(В. А. Кудрин. "Металлургия стали", М., "Металлургия", 1989 г, с. 280... 282).

Недостатком данного способа является низкая стоимость кислородных фурм из-за их прогаров на продувке, повышенный расход плавикового шпата, низкий выход металла, снижение производительности конвертеров, повышенный расход легирующих и раскислителей.

Это связано с тем, что приведенная формула расчета положения фурмы не является совершенной и при продувке металла происходят прогары фурмы, что приводит к аварийной остановке продувки, замене фурмы, остыванию за этот период плавки и вследствие этого осуществлению додувок на температуру. В результате снижается выход металла, повышается расход раскислителей и легирующих, снижается производительность конвертеров.

Так, в условиях конвертерного производства АО "Северсталь" при расчете по данной формуле положения формы в основное время продувки - ее величина составляет 1,67 м, что при осуществлении продувки не может быть использовано, так как она занижена минимум на 0,5 м.

Если все же продувка осуществляется при данных величинах положения фурмы без прогара, то это приводит к свертыванию шлака, его гетерогенизации, повышенному выносу металла в виде брызг, заметалливанию кислородной фурмы и кессона. Поэтому для поддержания оптимального шлакового режима плавки приходится расходовать повышенное количество шлакового шпата, что повышает себестоимость стали.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ продувки металла в конвертере, включающий завалку лома, заливку чугуна, продувку металла кислородом в первые 15-20% времени продувки при высоте фурмы над уровнем металла 50-80 калибров, в остальное время 15-30 калибров, а интенсивность продувки во втором и третьем периоде плавки снижают на 20-30% и 10-18% от первоначальной.

(Авторское свидетельство СССР N 990826, C 21 C 5/32, 1981).

Недостатком данного способа является низкая стойкость кислородных фурм, низкий выход металла, снижение производительности конвертеров, повышенный расход легирующих и раскислителей, снижение стойкости футеровки конвертеров.

Это связано с тем, что режим кислородной продувки не обеспечивает осуществления процесса конвертирования без выбросов и переливов эмульсии, сохранение в целостности кислородных фурм в процессе плавки и минимальной окисленности шлакового расплава (в зависимости от содержания углерода в металле на повалке конвертера). Кроме того, данный режим кислородной продувки не совершенен, так как не представляет технологического решения по обеспечению минимальной окисленности шлаков при их оптимальной жидкоподвижности, достаточной для осуществления отбора проб.

В результате - шлак имеет либо повышенную окисленность, что приводит к перерасходу раскислителей и легирующих, либо повышенную вязкость, что сопровождается раздувкой шлака и повышенным износом футеровки.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении выхода металла, сохранении в целостности кислородных фурм в ходе их технологической эксплуатации, повышении производительности конвертеров и стойкости футеровки, снижении расхода чугуна раскислителей и легирующих материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе продувки металла в конвертере, включающем продувку металла кислородом с переменным положением фурмы и интенсивности кислородной продувки во втором и третьем периоде плавки, согласно предолагаемому изобретению продувку металла кислородом осуществляют во втором периоде плавки при давлении кислородной струи на металл исходя из условия
D_2min < D_2П < D_2max,
где D_2min, D_2П, D_2max - соответственно минимальное, максимальное и необходимое продувочное давление кислородной струи, ГПа,
причем, минимальное и максимальное давление рассчитывается в зависимости от интенсивности кислородной продувки в соответствии с уравнениями


где - интенсивность кислородной продувки, м³/т•мин, а продувку в третьем периоде осуществляют в течение 10-30% времени продувки при давлении кислородной струи, исходя из планируемого содержания углерода в металле по окончании кислородной продувки, исходя из условия:
Д0,03-0,053min

< Д0,03-0,053п< Д0,03-0,053max,
при содержании углерода в металле 0,03-0,05%, и
Д0,06-0,153min< Д0,06-0,153п< Д0,06-0,153max
при содержании углерода в металле 0,06-0,15%,
где
Д0,03-0,053min, Д0,06-0,153min,
Д0,03-0,053max, Д0,06-0,153max,
Д0,03-0,053п, Д0,06-0,153п -
соответственно минимальное, максимальное и необходимое продувочное давление кислородной струи на металл при соответствующем содержании углерода в металле на повалке конвертера: 0,03-0,05% и 0,06-0,15%, ГПа,
причем минимальное и максимальное давление рассчитывается в зависимости от интенсивности кислородной продувки в соответствии с уравнениями:




где - интенсивность кислородной продувки, м³/т•мин.

Сущность заявляемого предложения заключается в следующем.

Продувка металла кислородом в период интенсивного обезуглероживания (второй период плавки) при регламентированном режиме давления кислородной струи, в зависимости от интенсивности продувки, обеспечивает сохранение кислородной фурмы от прогаров и осуществление ведения процесса конвертирования без выбросов и выносов металла при нахождении шлака в гомогенном состоянии. В связи с тем, что максимальное давление струи кислорода на металл определяется в зависимости от интенсивности продувки достигается минимальное положение фурмы, при котором осуществляется процесс ее стабильной эксплуатации без прогаров. При минимальном давлении струи кислорода обеспечивается эффективное шлакообразование без выбросов и переливов шлакометаллической эмульсии через горловину конвертера. Кроме этого, продувка металла при регламентированном давлении кислородной струи обеспечивает необходимую консистенцию шлакового расплава, при котором уже в третьем периоде плавки осуществляется его эффективное перемешивание с металлом и получение минимальной окисленности конечного шлака при его оптимальной консистенции.

Осуществление кислородной продувки в третьем периоде плавки наиболее целесообразно проводить исходя из условий технологического заказа по получению углерода в металле на повалке (при условии попадания в заданные пределы температуры металла).

В условиях проведения плавки без регламентированного давления кислородной струи на металл в третьем периоде плавки достижение заданных концентраций углерода в металле (в диапазоне 0,03-0,15%) осуществляется, как известно, без проблем.

Однако при этом существуют проблемы обеспечения минимальной окисленности конечного шлака и возможность прогара кислородной фурмы. Так, достижение, например, концентраций углерода 0,03-0,05% вполне возможно осуществлять при таком же положении фурмы и интенсивности дутья, что и в основное время продувки (второй период), но окисленность шлаков, как показывает практика конвертерного производства, при этом существенно повышается, что приводит к увеличению скорости износа футеровки, повышенному расходу раскислителей и легирующих.

Более жесткая продувка во втором периоде может обеспечить получение заданных концентраций углерода при минимальной окисленности шлаков, но фурмы при этом часто выходят из строя по причине прогаров и часты раздувки кислородом шлака после повалки.

Достижение концентрации углерода 0,06-0,15%, как правило, не сопряжено с какими-либо трудностями, но при этом не обеспечивается стабильно низкой окисленности шлаков, а также в этом случае также если вести продувку в жестком режиме число прогаров фурм и додувок "на шлак" увеличиваются.

Разработанный регламентированный режим кислородного дутья в третьем периоде плавки за счет эксплуатации фурмы в установленных пределах давления кислородной струи на металл гарантирует получение минимальной окисленности конечных шлаков на заданном содержании углерода в металле на повалке конвертера при сохранении фурмы в рабочем состоянии и оптимальной консистенции шлакового расплава.

Технология реализации предлагаемого изобретения наиболее целесообразна в следующем виде.

В условиях осуществления кислородной продувки в период интенсивного обезуглероживания (второй период), например, при минимальном давлении кислородной струи D_2min и задании получения содержания углерода в металле 0,03%, как показали многочисленные эксперименты, продувку в третьем периоде следует осуществлять при максимальном давлении кислородной струи на металл Д0,03-0,053max

и времени продувки - максимальным, что соответствует 30% общего времени продувки плавки.

При продувке же во втором периоде при максимальном давлении кислородной струи D_2max и остановке продувки на углероде 0,03%, продувку в третьем периоде следует осуществлять либо при максимальном давлении струи Д0,03-0,053max

в течение 10% времени продувки, либо при минимальном давлении Д0,03-0,053min в течение 30% времени продувки.

Аналогично осуществляется технология продувки металла в других диапазонах планируемых концентраций углерода в металле на повалке конвертера. Реализация разработанной технологии продувки осуществляется в диапазоне интенсивностей кислородной продувки 1,5-5,5 м³/т•мин.

Как показали многочисленные промышленные эксперименты, для достижения высоких показателей конечных технологических параметров, необходимо выполнение и соблюдение параметров кислородной продувки в соответствии с заявляемым техническим решением.

Так, продувка металла кислородом в период интенсивного обезуглероживания (второй период) при продувочном давлении кислородной струи на металл (D_2п) меньшем, чем минимальное давление кислородной струи (D_2min), т.е. D_2min < D_2п приводила к повышению числа выбросов, переливов шлакометаллической эмульсии через горловину конвертера, аварийным остановкам продувки, скачиванию шлака, додувкам на температуру, что сопровождалось снижением выхода металла, производительности конвертеров и стойкости футеровки, повышением расхода раскислителей и легирующих материалов.

Продувка металла кислородом во втором периоде (период интенсивного обезуглероживания) при продувочном давлении кислородной струи на металл (D_2п), большем чем максимальное давление кислородной струи (D_2max), т.е. D_2max < D_2п приводила к прогарам кислородных фурм, аварийной остановке кислородной продувки, замене фурм, остыванию плавки в период замены фурм и додувке на температуру из-за дефицита тепла, что сопровождалось снижением выхода металла, производительности конвертеров и стойкости футеровки, повышением расхода раскислителей и легирующих материалов.

В случае же продувки плавки без прогаров фурм, наблюдался "сухой" ход продувки с выносами металла, что сопровождалось заметалливанием фурм и повышенными расходами плавикового шпата.

Продувка металла кислородом в третьем периоде плавки в граничных пределах давления кислородной струи на металл (D_3min < D_3п < D_3max) менее 10% времени кислородной продувки приводила к повышению окисленности шлака и, как следствие этого, к увеличению расхода раскислителей и легирующих материалов.

Продувка металла кислородом в третьем периоде плавки в граничных пределах давления кислородной струи на металл (D_3min < D_3п < D_3max) более 30% времени кислородной продувки приводила либо к сильному свертыванию шлака и вынужденным из-за этого додувкам на шлак, либо к повышению окисленности шлакового расплава, что и в том, и другом случае сопровождалось снижением выхода металла, увеличением расхода раскислителей и легирующих материалов, повышенным износом футеровки конвертеров.

Продувка металла кислородом в третьем периоде плавки при продувочном давлении кислородной струи на металл, в диапазоне концентраций углерода 0,03-0,15% в металле на повалке конвертера, (Д0,03-0,053п

, Д0,06-0,153п) меньшем, чем соответствующее минимальное давление кислородной струи (Д0,03-0,053min, Д0,06-0,153min), т.е. Д0,03-0,053min> Д0,03-0,053п и Д0,06-0,153min> Д0,06-0,153п приводила к повышению окисленности шлака, что сопровождалось увеличенным расходом раскислителей и легирующих материалов, повышением скорости износа футеровки, снижением выхода металла.

Продувка металла кислородом в третьем периоде плавки при продувочном давлении кислородной струи на металл, в диапазоне концентраций углерода 0,03-0,15% в металле на повалке конвертера, (Д0,03-0,053п

, Д0,06-0,153) большем, чем соответствующее максимальное давление кислородной струи (Д0,03-0,053max, Д0,06-0,153max), т.е. Д0,03-0,053max< Д0,03-0,053п = и Д0,06-0,153max< Д0,06-0,153п
приводила к прогарам фурм, а из-за этого к снижению производительности конвертеров, додувкам на температуру и вследствие этого к увеличению раскислителей и легирующих, снижению стойкости футеровки и выхода металла. В случае продувки плавок без прогаров фурм - к повышенному расходу плавикового шпата из-за сильных выносов металла и снижению выхода металла.

Таким образом, принципиальным отличием заявляемого технического решения является регламентированный режим кислородной продувки во втором и третьем периоде плавки. Продувка плавки во втором периоде при продувочном давлении кислородной струи на металл, большем минимального значения, но меньшем чем максимальное значение давления, вычисляемых по уравнениям:


продувка в третьем периоде в течение 10-30% времени продувки при продувочном давлении кислородной струи на металл (исходя из планируемого содержания углерода в металле по окончании кислородной продувки), большем, чем значение минимального давления струи, но меньшем, чем максимальное значение давления, вычисляемых по уравнениям в диапазоне концентраций углерода в металле
содержание [C]пов = 0,03 - 0,05%


содержание [C]пов = 0,06 - 0,15%


Для оценки данного способа была проведена серия опытных плавок в соответствии с заявляемым предложением и прототипом.

Пример осуществления предлагаемого способа (соответствует в таблице примеру N 1, см. таблицу в конце описания)
В 350 т конвертер завалили 120 т лома, присадили 11 т извести, залили 285 т чугуна с температурой 1430^oC, содержащего в процентах: 4,8 углерода; 0,75 кремния; 0,25 марганца; 0,065 фосфора и 0,025 серы. Заданное содержание углерода в металле на повалке конвертера - 0,03%.

Осуществили продувку расплава кислородом сверху с интенсивностью 1200 м³/мин (3,287 м³/т•мин). В ходе кислородной продувки в конвертер присаживали порциями по 2 т - известь в количестве 13 т, а также 2 т доломита; 0,35 т плавикового шпата.

Формирование первичного шлака осуществляли при плавном снижении положения фурмы в режиме УВМ АСУТП Плавка и его закончили по показаниям акустического шумомера после израсходования 5000 м³ кислорода (25% времени продувки), после чего фурму вывели на рабочее положение 2,4 м.

Расчет минимального давления кислородной струи на металл при интенсивности 3,287 м³/т•мин (1200 м³/мин) составил 22,99 ГПа, максимального - 35,81 ГПа.

С целью обеспечения получения минимальной окисленности шлака при остановке продувки на заданном содержании углерода 0,03% и сохранении в целостности кислородной фурмы вычислили минимальное и максимальное значение положения фурмы относительно уровня металла. (Нф). Расчет осуществляли через ЭВМ АСУТП "Плавка" по формуле

где D - давление струи на металле, ГПа,
интенсивность кислородной продувки, м³/мин,
H - положение фурмы относительно уровня металла, м,
K - эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции фурмы, учитывающий турбулентность потока окислителя и выбор единиц измерения,
K = 3,5•10³•m•d2кр

,
где d_кр - диаметр критического сечения сопла, м;
m - число сопел.

Вычислено, что минимальное положение фурмы составляет 1,99 м, максимальное - 2,49 м. Машинистом дистрибутора принято решение осуществлять продувку во втором периоде при положении фурмы 2,49 м и интенсивности продувки - 1200 м³/мин (3,287 м³/т•мин), что соответствует минимальному значению давления кислородной струи на металл D_2min = 22,99, ГПа. Осуществление продувки во втором периоде проходило спокойно без выбросов и переливов через горловину шлакометаллической эмульсии при минимальных значениях показаний акустического прибора, отражающего процесс шлакообразования.

Для обеспечения низкой окисленности шлака в третьем периоде плавки и заданного содержания углерода в металле на повалке 0,03%, после израсходования 14000 м³ кислорода, давление кислородной струи на металл повысили до максимального значения -Д0,033max

, 53,22 ГПа, увеличив интенсивность кислородной продувки до 1425 м³/мин (3,9 м³/т•мин) и снизив положение фурмы с 2,49 м до величины 1,64 м. Кислородную продувку закончили после израсходования расчетного количества кислорода 20000 м³. На повалке содержание углерода в металле - 0,031%, марганца - 0,07%, содержание шлака (FeO) - 22,2%, при температуре 1650^oC.

Слили плавку с первой повалки, присажив 2,1 т силикомарганца; 0,8 т ферросилиция, 1 т коксика, цикл плавки - 37 мин.

После плавки осмотрели наконечник кислородной фурмы - головка фурмы цела.

Пример осуществления известного способа (прототип). Соответствует примеру N1 прототипа, таблица.

В 350 т конвертер завалили 120 т лома, присадили 11 т извести, залили 285 т чугуна с температурой 1433^oC, содержащего в процентах: 4,8 углерода; 0,74 кремния; 0,29 марганца; 0,057 фосфора и 0,022 серы. Заданное содержание углерода в металле на повалке конвертера - 0,03%.

Осуществили продувку расплава кислородом сверху с интенсивностью 1200 м³/мин. В ходе кислородной продувки в конвертер присаживали порциями по 2 т - известь в количестве 13 т, а также доломита 2 т и 0,33 т плавикового шпата. Формирование первичного шлака осуществляли при положении фурмы 50 калибров (4,77 м) над уровнем металла в течение 18% времени продувки (3600 м³ израсходованного кислорода). Далее, фурму вывели на рабочее положение - 26 калибров (2,5 м) и снизили интенсивность кислородной продувки на 30% (на 360 м³/мин) до значения 960 м³/мин. После израсходования 8800 м³ кислорода на всю продувку (44% времени кислородной продувки) из конвертера через горловину произошел перелив шлакометаллической эмульсии и при общем расходе кислорода на плавку 9100 м³ начали происходить выбросы металла и шлака с высокой интенсивностью. Для ликвидации выбросов фурму присадили на 200 мм и отдали в конвертер плавиковый шпат порциями по 0,3 т в количестве 0,95 т. Однако устранить выбросы не удалось и продувка была аварийно прекращена и осуществлено скачивание шлака. После скачивания шлака продувку возобновили при положении фурмы 26 калибров и интенсивности кислородной продувки 960 м³/мин до израсходования 14000 м³ кислорода на всю продувку. После израсходования 14000 м³ кислорода на плавку (70% времени продувку) интенсивность кислородной продувки повысили до 1080 м³/мин (снижение интенсивности продувки на 10% от первоначального значения - 1200 м³/мин), а фурму вывели в положение 21 калибр (2 м) над уровнем ванны и так продували до израсходования 20000 м³ кислорода. После израсходования 20000 м³ кислорода на плавку кислородную продувку закончили, повалили конвертер, отобрали пробы металла и шлака, замерили температуру металла. Содержание углерода в металле 0,030%, марганца 0,03%, содержание в шлаке (FeO) 26,3%, при температуре на повалке 1630^oC. В связи с дефицитом тепла в 20^oC от заданной температуры осуществили додувку на температуру, дополнительно израсходовав 800 м³ кислорода. Повалили конвертер, отобрали пробы металла и шлака, замерили температуру металла. Содержание углерода в металле 0,028%, марганца 0,02%, содержание в шлаке (FeO) - 29,4%, температура металла - 1650^oC. Слили плавку, присадив 2,35 т силикомарганца; 0,95 т ферросилиция; 1,2 т коксика.

Цикл плавки составил - 52 мин.

Результаты опытных плавок в 350 т конвертере в соответствии с заявляемым способом продувки металла в конвертере, а также плавки в соответствии с технологией прототипа, приведены в таблице.

Сравнительный анализ двух способов показал, что при осуществлении предлагаемой технологии с соблюдением последовательности технологических операций и заявляемых технологических параметров обеспечивалось сохранение в целостности кислородных фурм в ходе их эксплуатации, достижение минимальной окисленности шлаков, стабилизации хода кислородной продувки без выбросов и переливов шлакометаллической эмульсии, что приводило к увеличению срока службы кислородных фурм на 25-30%, сокращению цикла плавки на 7 минут, снижению скорости износа футеровки конвертера на 18%, увеличению выхода металла на 0,2%, снижению расхода раскислителей и легирующих материалов на 15%.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к выплавке стали в кислородных конвертерах. В предлагаемом способе продувку ведут с переменным положением фурмы и интенсивностью кислородной продувки во втором и третьем периоде плавки. Во втором периоде плавки давление струи кислорода на металл находят из промежутка D_2min<D_2n<D_2max, где D_2min<D_2max и D_2n - соответственно минимальное, максимальное и необходимое продувочное давление кислородной струи, ГПа. При этом минимальное давление рассчитывается из следующей зависимости: А максимальное: где - интенсивность продувки, м³/т•мин. Давление кислородной струи в третьем периоде выбирают из промежутка D_3min<D_3п<D_3max, где D_3min, D_3max, D_3п - cоответственно минимальное, максимальное, продувочное давление в третьем периоде, ГПа. При планируемом содержании углерода в металле 0.03 - 0.05% минимальное давление расcчитывается из следующей зависимости: a максимальное где - интенсивность продувки, м³/т•мин. А при планируемом содержании углерода 0,06-0,15% где - интенсивность кислородной продувки, м³/т•мин. Изобретение позволяет увеличить выход металла, сохранить в целостности кислородные фурмы в ходе их эксплуатации, повысить производительность конвертеров и стойкость футеровки, снизить расход чугуна, раскислителей и легирующих материалов. 1 ил., 1 табл.

Способ продувки металла в конвертере, включающий продувку металла кислородом с переменным положением фурмы и интенсивностью кислородной продувки во втором и третьем периоде плавки, отличающийся тем, что продувку металла кислородом осуществляют во втором периоде плавки при давлении кислородной струи на металл, исходя из условия
Д_2min < Д_2п < Д_2max,
где Д_2min, Д_2max, Д_2п - соответственно минимальное, максимальное и необходимое продувочное давление кислородной струи, ГПА,
причем минимальное и максимальное давление рассчитывают в зависимости от интенсивности продувки в соответствии с уравнениями


где интенсивность продувки, м³/т•мин,
а продувку в третьем периоде осуществляют в течение 10 - 30% времени продувки при давлении кислородной струи, исходя из планируемого содержания углерода в металле по окончании кислородной продувки, исходя из условия:
при содержании углерода в металле 0,03 - 0,05%
Д0,03-0,053min

< Д0,03-0,053п< Д0,03-0,053max,
при содержании углерода в металле 0,06 - 0,15%
Д0,06-0,153min< Д0,06-0,153п< Д0,06-0,153max,
где Д0,03-0,053min, Д0,06-0,153min, Д0,03-0,053max, Д0,06-0,153max;
Д0,03-0,053п, Д0,06-0,153п - соответственно, минимальное, максимальное и необходимое продувочное давление кислородной струи на металл при содержании углерода в металле на повалке конвертере 0,03 - 0,05% и 0,06 - 0,15%, ГПА,
причем минимальное и максимальное давление рассчитывают в зависимости от интенсивности продувки в соответствии с уравнениями




где - интенсивность продувки, м³/т•мин.