СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ АГРЕГАТЕ Российский патент 2003 года по МПК C21C5/04 

Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для использования при выплавке стали в сталеплавильном агрегате, например в мартеновской печи.

Многочисленными исследованиями [1, 2, 3] установлено, что металл в ванне мартеновской печи характеризуется значительной неоднородностью по температуре и химическому составу. Наибольшая степень неоднородности наблюдается по содержанию кислорода в стали. Кислород является основным элементом, определяющим термодинамику и кинетику процессов, протекающих при производстве стали, начиная от ее выплавки и кончая превращениями, протекающими в твердом металле [1] . Скорость обезуглероживания мартеновской ванны, угары элементов-раскислителей, в первую очередь, определяются степенью окисленности жидкого металла. В значительной степени содержание кислорода определяет уровень механических и служебных свойств готовой металлопродукции.

Металл в ванне мартеновской печи характеризуется значительной переокисленностью относительно равновесия с углеродом. Известен способ продувки мартеновской ванны инертными газами по системе VVS.

Мартеновский процесс основан на технологии перемешивания слоев металла в печи. Благодаря перемешивающему свойству продувочных газов через ванну/шлак поддерживается кинетика реакций, т. к. участвующие в реакциях элементы и элементы, сопутствующие железу, - Мn, Si и др., быстрее вступают в реакцию между собой. Реакция обезуглероживания протекает быстрее, т.к. благодаря внешнему влиянию шлаковых частиц в плавке, в процессе перемешивания она начинается раньше. Продувка способствует также выводу неметаллических веществ на поверхность и их соединению со шлаками. Это отражается на чистоте металла и способствует существенному улучшению качества конечной продукции.

Благодаря перемешивающему свойству продувочного газа все металлургические реакции будут принципиально приближены к химическому равновесию. В практике это вызывает как правило снижение выгорания железа (меньше Fe₂O в шлаке) и соответственно повышенный выход Fе в жидкую сталь [4].

Однако у способа VVS есть существенный недостаток, а именно очень сложная и трудозатратная система подвода нейтрального газа через подину печи в ванну.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ передела ванадиевых чугунов дуплекс-процессом VДК [5]. Способ заключается в заливке ванадиевого чугуна в конвертер, продувке его кислородом сверху, переливе полученного полупродукта в другой агрегат, продувку полупродукта нейтральным газом чередуют с продувкой его кислородом. При этом удельный расход кислорода на продувку ванадиевого чугуна устанавливают в пределах 5-7 м³/т, а продувку нейтральным газом ведут до завершения процесса деванадации. При переделе полупродукта в высокоуглеродистую сталь удельный расход кислорода устанавливают в пределах 8-12 м³/т, а продувку нейтральным газом ведут до получения заданного содержания углерода в стали. При выплавке низкоуглеродистой стали полупродукт сначала продувают кислородом при удельном расходе 5-6 м³/т, после чего в течение 2-3 мин продувают нейтральным газом, затем вторично продувают кислородом при удельном расходе 6-10 м³/т и завершают процесс продувкой нейтральным газом до получения заданного состава металла.

Однако у данного способа есть недостатки,
1. Неоднократные переключения подачи через фурму кислорода и нейтрального газа усложняют технологию.

2. Кроме того, повышенная концентрация кислорода ведет к повышенной окисленности металла, что, в свою очередь, требует для ее снижения более длительную продувку ванны нейтральным газом и повышенного его расхода.

Вдувание в металлическую ванну нейтрального газа аргона с низким парциальным давлением оксида углерода действует аналогично вакуумированию и приводит к развитию реакции углеродного раскисления стали. Образующиеся при этом газообразные продукты раскисления не загрязняют металл и не снижают качества готовой продукции. Однако применение комплексной обработки металла сдерживается затратами за счет высокой стоимости аргона.

Предложено новое техническое решение, а именно проведена обработка жидкой стали азотом. Продувка нераскисленного металла в печи азотом не приводит к увеличению концентрации этого элемента в стали, т.к. поверхностно-активный кислород блокирует поверхность пузырей и препятствует переходу азота в расплав. Вместе с тем, низкое парциальное давление окиси углерода в пузырьках азота обуславливает развитие реакции углеродного раскисления, как и в случае продувки ванны аргоном.

Задачей изобретения является снижение окисленности металла и шлака перед выпуском металла, усреднение ванны по химическому составу и снижение угара раскислителей.

Поставленная задача решается за счет того, что после продувки ванны кислородом, фурмы переключают на подачу азота и устанавливают в расплаве на глубине 0,2-0,4 высоты металла и шлака и подают нейтральный газ с расходом 0,15-0,80 м³/т стали в течение 5-25 мин, причем продувку нейтральным газом заканчивают за 0-1 мин до начала раскисления ванны. В качестве нейтрального газа используют азот.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

К началу продувки металла нейтральным газом в печи формируется окисленный шлак и металл. Измерения окисленности металла проводили в 150÷420 тонных мартеновских печах при выплавке различных марок стали по ходу доводки, а также в ковше после выпуска плавки.

С помощью статистического анализа было установлено, что из ряда технологических факторов (концентрация углерода и марганца, скорости окисления углерода, концентрация закиси железа в шлаке) наибольшее влияние на окисленность металла оказывает концентрация углерода. Влияние остальных факторов на ее фоне практически незаметно. Было установлено, что активность кислорода в ванне мартеновской печи во всех случаях превышает равновесные с углеродом значения и характеризуется существенным разбросом от плавки к плавке при одном и том же содержании углерода.

Такой значительный разброс окисленности металла не может не повлиять на величину угара раскислителей и свойства готового металла. Выявлена связь величины угара марганца с окисленностью стали перед раскислением. Возрастание содержания кислорода в металле перед раскислением с 0,015 до 0,050% приводит к увеличению угара марганца с 20-25 до 40-45 абс.%.

Замеры окисленности металла в ковше после выпуска плавки проводили с помощью установки для замера температуры стали в ковше. Установлено, что активность кислорода после раскисления снижается, но характеризуется значительным разбросом значений от 0,0017 до 0,0075 мас.%.

Таким образом установлено, что сталь в ванне мартеновской печи характеризуется значительными колебаниями окисленности при одном и том же содержании углерода в стали, которые вызывают нестабильный угар элементов-раскислителей и разброс активности кислорода в металле после раскисления. В свою очередь это влияет на свойства готового проката.

Для уменьшения степени переокисленности расплава относительно равновесия с углеродом, усреднения и стабилизации температуры и химического состава ванны перед выпуском разработана технология продувки стали в мартеновской печи нейтральным газом через кислородные фурмы.

После продувки ванны кислородом наклонные фурмы поднимаются над шлаком, производят подключение их к газопроводу и через них подают нейтральный газ с расходом 0,15-0,80 м³/т. Затем фурмы опускают в металл на глубину 0,2-0,4 высоты шлакометаллической ванны.

Продувку ведут в течение 5-25 мин с расходом 0,15-0,80 м³/т, что приводит к значительному снижению окисленности металла. Для обработки стали использовали азот высшего сорта (ГОСТ 9293-74) с содержанием основного компонента не менее 99,98% и содержанием влаги не более 0,005 г/м³. Газ подавали в цеховые аргонопроводы с давлением 4,0-4,5 атм.

Указанная глубина погружения и расход нейтрального газа обеспечивают перемещение металла, его усреднение, удаление включений без существенного перемешивания со шлаком. Кроме того, при этом обеспечивается усреднение металла, что важно при выпуске плавки в 2 ковша.

При длительности продувки металла нейтральным газом менее 5 мин и расходе газа менее 0,15 м³/т стали не обеспечивается эффективное всплывание включений из спокойной ванны, недостаточно усредняется металл по химическому составу и температуре.

При длительности продувки более 25 мин и расходе газа более 0,80 м³/т стали имеет место частичное взаимодействие шлака и металла. При погружении фурм более 0,4 высоты расплава потоки металла размывают подину, а при погружении фурм менее 0,2 высоты расплава струя инертного газа не достигает глубинных слоев металла, т.е. плохо будут удаляться неметаллические включения. При осуществлении изобретения достигается существенное уменьшение содержания кислорода в металлe, а также удаляются неметаллические включения. При этом также усредняется химический состав и температура металла, т.е. при выпуске его в два ковша эти параметры металла в обоих ковшах будут идентичными.

Пример реализации способа
В двухжелобной мартеновской печи садкой 430 т осуществляли выплавку рельсовой стали марки М76Ф. Шихтовку плавки проводили металлическим ломом в количестве 235 т и передельным чугуном в кол-ве 240 т. Хим. состав передельного чугуна: С - 4,6%, Мn - 0,50%, Si - 0,60%, Р - 0,10%, S - 0,03%.

После чего опустили две сводовые фурмы и вели продувку технически чистым кислородом с концентрацией О₂ не более 75% с суммарным расходом окислителя 2600 м³/ч. Фурмы от поверхности расплава находились на расстоянии 100 мм под углом 55^o. Продувку вели в течение периода плавления, доводку проводили по обычной технологии.

После окончания продувки ванны кислородом продувочные фурмы подняли над шлаком, отключили кислород и произвели их подключение к газопроводу и через них подали азот с расходом 0,70 м³/т. Затем фурмы заглубили в металл на глубину, равную 0,35 высоты расплава. При этом продувку вели в течение 20 мин. После продувки фурмы подняли из ванны и металл выпустили в 2 ковша, где окончательно раскисляли силикокальцием в кол-ве 2,7 кг/т стали и силикомарганцем в кол-ве 5 кг/т стали. В ковше металл перемешивали аргоном в течение 2-х мин и затем разлили сверху в слитки массой 8,23 т.

Окончательный хим. состав стали, %: углерод - 0;77%, Мn - 0,98%, Si - 0,36%, сера - 0,019%, Р - 0,020%, V - 0,041%.

Прокат и термообработку рельсов типа Р65 осуществляли по действующей технологии. Полученные рельсы имели следующие показатели качества: общее содержание неметаллических включений, определенное методом электролитического растворения, - 0,0124%, временное сопротивление рельсов в незакаленном состоянии - 1050 Н/мм², в закаленном - 1325 н/мм², переназначенных во 2-й класс по ударной вязкости - 1,8%.

Патентуемая технология поясняется таблицами, где показано:
табл. 1 - содержание азота при продувке ванны мартеновской печи этим газом;
табл.2 - качество поверхности рельсового металла, продутого в печи азотом и без него;
табл.3 - механические св-ва рельсового металла, продутого азотом.

Продувка металла в мартеновской печи азотом через сводовые кислородные фурмы не приводит к увеличению содержания этого элемента в стали. При обработке металла в течение 5-25 мин с расходом нейтрального газа до 0,80 м³/т увеличение концентрации азота не превышало 0,00055%.

Это обусловлено тем, что при высоких концентрациях кислорода в металле перед продувкой этот поверхностно-активный элемент, адсорбируясь на поверхности пузырей азота, блокирует процесс растворения последнего в жидкой стали.

Отбраковка по поверхностным дефектам в передел рельсового металла, продутого в печи азотом и без его продувки, показаны в табл. 1 и 2.

Из приведенных данных видно, что продувка рельсовой стали в печи азотом приводит к снижению отбраковки готовых рельсов в передел по причинам сталеплавильного производства на 1,40 абс.%.

Механические свойства термообработанных рельсов, полученных с продувкой металла в печи азотом, приведены в табл. 3, из которой видно, что наблюдается некоторое возрастание уровня свойств опытного металла. Из приведенных результатов следует, что азот может эффективно использоваться для продувки металла в ванне мартеновской печи.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что предлагаемое изобретение, направленное на снижение окисленности металлического расплава, существенно отличается от известных способов производства стали, что подтверждает соответствие критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, предлагаемых в заявляемом техническом решении, по их функциональному назначению, т.е. предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

СПИСОК использованной литературы
1. Явойский В.И. Теория процессов производства стали. М., "Металлургия", 1967, 761с.

2. Явойский В.И., Лузгина В.П., Вишкарев А.Д. Окисленность стали и методы ее контроля" М, "Металлургия", 1970, 286с.

3. Кудин В. А. Выплавка качественной стали в мартеновских печах. М., "Металлургия", 1970, 376с.

4. Теснсом, Import Export GmbH, Munhen, 07.09.99. Продувка инертными газами системой VVS. Рекламная брошюра фирмы.

5. А.С. 1038364, С 21 С 5/28, 32, 1983г.

Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для использования при выплавке стали в сталеплавильном агрегате, например в мартеновской печи. Технический результат - снижение окисленности металла и шлака перед выпуском металла, усреднение ванны по химическому составу и снижению угара раскислителей. Способ включает загрузку шихты, ее прогрев, заливку жидкого чугуна, продувку металлической ванны кислородом через фурмы. После продувки ванны кислородом фурмы устанавливают на глубине 0,2-0,4 высоты металла и шлака и подают нейтральный газ. Расход нейтрального газа составляет 0,15-0,80 м³/т стали при длительности продувки 5-25 мин. Продувку нейтральным газом заканчивают за 0-1 мин до начала раскисления ванны или при выпуске 1/2 металла из агрегата в ковш. В качестве нейтрального газа используют азот. 1 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства стали в сталеплавильном агрегате, включающий загрузку шихты, ее прогрев, заливку жидкого чугуна, продувку металлической ванны газообразным кислородом и нейтральным газом через фурмы и выпуск металла в ковш, отличающийся тем, что после продувки ванны кислородом фурмы устанавливают в расплаве на глубине 0,2-0,4 высоты металла и шлака и подают нейтральный газ с расходом 0,15-0,80 м³/т стали в течение 5-25 мин, причем продувку нейтральным газом заканчивают за 0-1 мин до начала раскисления ванны или при выпуске 1/2 металла из агрегата в ковш. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нейтрального газа используют азот.