ШИХТА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ Российский патент 2003 года по МПК C21C5/04 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выплавке стали в мартеновских печах скрап-процессом.

Известны составы металлической части шихты для выплавки стали в мартеновской печи скрап-процессом, включающие от 20 до 50% от ее массы передельного чугуна [1].

Недостатком известных составов является то, что при указанных содержаниях передельного чугуна в шихте не предусмотрено использование карбюраторов (кокса, каменного угля и других), а содержание углерода в составе шихты регулируется количеством используемого чугуна. Последнее при дефиците передельного чугуна и его расходе в количестве 22-27% от массы металлошихты затрудняет выплавку стали широкого марочного состава, особенно высококачественной с низким (менее 0,025%) содержанием серы, требующей окисления не менее 0,50% углерода в период доводки. Кроме того, из практики известно, что использование передельного чугуна с содержанием кремния и марганца менее 0,5% (каждого) в количествах даже до 30-35% от массы металлической шихты (обычных расходах при скрап-процессе) может привести к получению избыточного содержания углерода в металле по расплавлении менее 0,20-0,25% ("мягкое" расплавление), что является недостаточным для необходимых дефосфорации, десульфурации и нагрева металла в печи даже при выплавке рядовых марок стали.

Наиболее близким к предлагаемому составу является состав шихты для мартеновской плавки скрап-угольным процессом [I], который, наряду с передельным чугуном в количестве до 20% от массы металлошихты, предусматривает использование карбюраторов в количестве, необходимом для получения заданных концентраций углерода в металле по расплавлении.

Недостатком известного состава является то, что в нем не определено оптимальное количество передельного чугуна и карбюраторов, необходимое для выплавки широкого марочного состава стали различного назначения без ухудшения ее качества. Не определено оптимальное соотношение карбюраторов при совместном их использовании в составе шихты. В то же время на представительном количестве плавок установили, что замена углерода передельного чугуна углеродом кокса, помимо существенного увеличения продолжительности завалки и плавления шихты, повышает содержание серы в металле по расплавлении. Последнее увеличивает расход шлакообразующих материалов для десульфурации металла. Замена углерода передельного чугуна углеродом каменного угля затрудняет удаление шлака из печи из-за слабого его вспенивания и тем самым дополнительно увеличивает продолжительность периода плавления.

Задачей изобретения является сокращение продолжительности завалки и плавления шихтовых материалов и уменьшение содержания серы в металле по расплавлении шихты, содержащей карбюраторы, за счет оптимизации ее состава.

Для решения задачи предлагается шихта для выплавки стали в мартеновской печи скрап-процессом на твердой завалке, содержащая передельный чугун, чугунный лом, стальной лом и карбюраторы при следующем соотношении компонентов, мас. %: передельный чугун и чугунный лом 22,0 - 27,0, стальной лом 73,0 - 78,0, карбюраторы 2,7 - 4,2 (сверх 100%), при этом в качестве карбюраторов шихта содержит каменный уголь и огарки угольной футеровки алюминиевых электролизеров в соотношении 2:1.

В связи с тем, что общепринято при расчете содержания углерода в шихтовых материалах за основу принимать его содержание в металлической части шихты и количество карбюраторов определять на основе недостающего в ней содержания углерода до нормативного содержания в металле по расплавлении, то количество металлической части обычно принимают за 100%, а количество карбюраторов сверх 100%. Поэтому формула изобретения изложена в соответствии с общепринятой схемой расчета шихты, т.е. количество карбюраторов входит в нее сверх 100% содержания металлической ее части.

Нижний и верхний пределы содержания в металлической части шихты чугуна и чугунного лома (22,0-27,0% от ее массы) определены опытным путем и являются необходимыми и достаточными для выплавки широкого марочного сортамента мартеновской качественной и высококачественной стали различного назначения скрап-процессом с использованием в составе щихты каменного угля и огарков угольной футеровки алюминиевых электролизеров в количестве 2,7-4,2% от ее массы, позволяющими не увеличить продолжительность плавки, содержание серы в металле и повысить качество выплавленной стали по сравнению со скрап-угольным процессом. При расходе передельного чугуна и чугунного лома менее 22,0% от массы металлошихты заметно ощущаеся недостаток в ней чугунной составляющей, в результате чего существенно увеличивается продолжительность завалки и плавления компонентов шихты. В этом случае скрап-процесс выплавки стали характеризуется особенностями и недостатками карбюраторного его варианта [2] , основными из которых являются высокая тугоплавкость шихты по сравнению с обычным скрап-процессом, меньшая производительность мартеновской печи и более высокое содержание серы в стали. При увеличении содержания в металлошихте чугуна и чугунного лома более 27,0% от ее массы не удается реализовать преимущества карбюраторного варианта скрап-процесса, заключающиеся в удешевлении шихты и увеличении выхода годной стали [2].

Содержание чугунного лома в металлической части шихты обычно не превышает 50% от массы передельного чугуна, т.к. его использование сдерживается высокой концентрацией в нем кремния (до 2,4%). Последнее вызывает необходимость введения в состав шихты дополнительного количества известняка или извести (200 кг на 1 т чугунного лома) для получения необходимой основности шлака [3]. В результате существенно увеличивается продолжительность плавки, сокращается выход годной стали.

Нижний и верхний пределы содержания карбюраторов в составе шихты (2,7-4,2% от массы металлошихты) определены опытным путем при выплавке широкого марочного сортамента качественной и высококачественной стали в 200-тонных мартеновских печах. Их количество обеспечивает при указанных в изобретении содержаниях передельного чугуна, чугунного и стального лома получение в жидком металле по расплавлении избыточного содержания углерода (на 0,50-0,90% более, чем необходимо перед раскислением [3]), достаточного для качественного проведения доводки плавки ("полировки" и "чистого кипа").

При введении карбюраторов в состав шихты менее 2,7% от массы металлической ее части можно получить избыточное содержание углерода в металле по расплавлении менее 0,50%, что не позволит осуществить надлежащую дефосфорацию и десульфурацию металла, а также нагреть металл до необходимой температуры при выплавке стали марок 18ХГТ, 15ХГН2ТА и др. В результате снижается качество выплавленной стали.

Введение в состав шихты более 4,2% карбюраторов может привести к получению избыточного содержания углерода в металле по расплавлении более, чем необходимо ("крепкое" расплавление). Это нецелесообразно, так как увеличивает расход окислителей, продолжительность плавки и стоимость шихты.

Состав карбюраторов (каменный уголь и огарки угольной футеровки алюминиевых электролизеров) выбран в сравнении с коксом как наиболее широко применяющимся карбюратором на металлургических заводах страны. Каменный уголь, например Кузнецкого бассейна, в 2-3 раза дешевле кокса, содержит меньше серы (от 0,4 до 0,6% против 0,6-0,8% в коксе) и имеет достаточно высокое содержание углерода (от 76 до 80% против 80-85% в коксе). Основным недостатком угля при использовании для науглероживания, что установили опытами, является заметное ухудшение вспенивания шлака после окончания плавления шихты и в начале "полировки" плавки по сравнению с коксом. Это существенно ухудшает сход шлака из печи "самотеком" и обуславливает необходимость принудительного скачивания шлака. Совместное использование угля с огарками в указанных в изобретении количествах устраняет этот недостаток. При этом опытами установлено, что введение в состав карбюраторов менее 0,9 мас.% от массы металлошихты огарков угольной футеровки электролизеров не эффективно и незначительно улучшает вспенивание шлака перед удалением из печи. При введении огарков в количестве более 1,4 мас.% заметно увеличивается длительность плавки, т.к. карбюраторов приходится присаживать больше из-за меньшего содержания в огарках углерода (55-60% против 76-80% в угле). Кроме того, начинает заметно сказываться разрушающее влияние фтористых соединений, выделяющихся из огарков (массовая доля фтора, согласно ТУ 1914-100А-05785247-97 до 18%), на огнеупорные изделия насадок регенераторов. На основании опытов установили, что оптимальным составом карбюраторов является состав, в котором на две части каменного угля приходится одна часть огарков. Это позволяет повысить степень десульфурации металла шлаками в период плавления, а также способствует вспениванию шлака, чем обеспечивается более полное его удаление из печи "самотеком" и уменьшение общей продолжительности плавки.

Пример конкретного осуществления.

Выплавку стали с использованием предлагаемой шихты производили в 200-тонных мартеновских печах ОАО "ЗМК". При составлении шихты на сравнительных вариантах плавок исходили из того, что при всем многообразии факторов, влияющих на усвоение жидким металлом углерода из компонентов шихты, состав ее (при прочих равных условиях) будет определяться содержанием углерода, марганца и кремния в передельном чугуне и чугунном ломе. Поэтому при проведении опытных плавок, в случае минимального содержания кремния и марганца в передельном чугуне (менее 0,5% каждого) и при замене до 50% чугуна чугунным ломом в составе шихты, увеличивали количество карбюраторов вплоть до верхнего предела, указанного в изобретении. При использовании передельного чугуна с содержанием кремния и марганца более 0,5% каждого, в том случае, когда его замена чугунным ломом не превышала 20%, количество карбюраторов в составе шихты уменьшали вплоть до нижнего предела, указанного в изобретении. Следует отметить, что максимальному расходу чугунной составляющей, указанному в изобретении, соответствовал минимальный расход карбюраторов, а минимальному - максимальный расход карбюраторов. С изменением состава шихты в указанных в изобретении пределах содержания компонентов провели 128 плавок стали марок 10, 18ХГТ, 25ХГТ, 20, 45, 37Г2С, 65Г, Ш1-Ш3,Д.

Сравнение показателей опытных плавок и качества стали, о котором судили по содержанию серы в металле и его отбраковке на переделах прокатного производства, производили с аналогичными показателями плавок тех же марок стали, проведенных с использованием большего, чем в изобретении, количества чугунной составляющей, но с введением в состав шихты меньшего количества карбюраторов - первый вариант с использованием такого же количества чугунной составляющей, но с введением большего, чем указано в изобретении, количества каменного угля - второй вариант и с показателями плавок, проведенных с меньшим, чем указано в изобретении, количеством чугунной составляющей, но с большим количеством каменного угля - прототип.

Расчетное содержание углерода в сравниваемых вариантах составов шихты и показатели плавок, проведенных с их использованием, обобщены в таблице.

Анализ данных таблицы показывает, что минимальный расход передельного чугуна и чугунного лома с одновременным обеспечением оптимального содержания углерода в металле по расплавлении на 0,5-0,9% более, чем перед раскислением, достигается при использовании составов шихты, указанных в изобретении. В этом случае сохраняется преимущество скрап-процесса перед скрап-угольным его вариантом (прототипом) - не увеличивается продолжительность плавления металлошихты, т.к. в ней сохраняется достаточно высокое содержание углерода, и не увеличивается содержание серы в металле по расплавлении и в готовой стали из-за присутствия в огарках соединений фтора с натрием и алюминием (содержание натрия и алюминия до 15 и 14% соответственно), способствующих более раннему образованию шлака и повышающими его десульфурирующую способность. Кроме того, достигается более высокий выход годной стали, чем при выплавке стали с увеличенным до 35% от массы металлошихты расходом чугунной составляющей (вариант 1), и меньшая (на 4%) стоимость шихты. Более высокий выход годной стали объясняется меньшим, чем по варианту 1, содержанием углерода, марганца и кремния в металлошихте.

При выплавке стали по варианту 2, с увеличенным по сравнению с предложенным в изобретении количеством каменного угля, существенно (в среднем на 45 мин) увеличивается длительность плавки главным образом за счет более длительного скачивания шлака, т.к. он не удаляется "самотеком". Кроме того, несколько увеличивается содержание серы в металле по расплавлении и в готовой стали и заметно растут потери металла в брак при прокатке.

Наиболее высокими средними величинами продолжительности плавок, содержания серы в металле и брака металла на переделах прокатного производства характеризуются плавки, проведенные скрап-угольным процессом (по варианту-прототипу).

Таким образом, использование изобретения при выплавке стали в мартеновских печах позволяет в среднем на 25 минут (10%) сократить продолжительность плавки, на 6% увеличить усвоение углерода жидким металлом из материалов шихты, на 38 и 28% (отн.) соответственно уменьшить содержание серы в металле по расплавлении шихты и в готовой стали, на 15% увеличить производительность печей и на 19% сократить брак металла на переделах прокатного производства по сравнению с аналогичными показателями при выплавке стали скрап-угольным процессом.

Источники информации
1. Бигеев А.М. Расчеты мартеновских плавок (технологическая часть. - М.: Металлургия, 1966, с. 144
2. Трубин К.Г., Ойкс Г.Н. Металлургия стали. Мартеновский процесс. М., Металлургия, 1970, с. 127-130.

3. Сборник технологических инструкций ОАО "ЗМК" "Производство мартеновской стали", г. Златоуст, 1997, с.6.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выплавке стали в мартеновских печах скрап-процессом. Шихта содержит, мас.%: передельный чугун и чугунный лом 22,0-27,0, стальной лом 73,0-78,0, карбюраторы (сверх 100%) 2,7-4,2. В качестве карбюраторов шихта содержит каменный уголь и огарки угольной футеровки алюминиевых электролизеров в соотношении 2:1. Технический результат - сокращение продолжительности завалки и плавки, увеличение усвоения углерода жидким металлом из материалов шихты, уменьшение содержания серы в металле по расплавлении шихты, содержащей карбюратор, увеличение производительности печей и сокращение брака металла на пределах прокатного производства. 1 табл.

Шихта для выплавки стали в мартеновской печи скрап-процессом на твердой завалке, содержащая передельный чугун, чугунный лом, стальной лом и карбюраторы, отличающаяся тем, что компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Передельный чугун и чугунный лом - 22,0-27,0
Стальной лом - 73,0-78,0
Карбюраторы (сверх 100%) - 2,7-4,2
при этом в качестве карбюраторов она содержит каменный уголь и огарки угольной футеровки алюминиевых электролизеров в соотношении 2:1.