СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРЕ Российский патент 2004 года по МПК C21C5/28 

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к кислородно-конвертерному производству.

Известен способ выплавки стали в конвертере, включающий заливку жидкого чугуна, присадку первой порции марганецсодержащих материалов в количестве 10-15% от общего их расхода после заливки чугуна одновременно со шлакообразующими материалами и активными восстановителями в соотношении 1:(0,5-1,0):(0,10-0,25) соответственно, продувку расплава смесью нейтрального газа и кислорода с содержанием последнего в смеси 20-35% в течение 5-20% от общей продолжительности продувки, последующую продувку кислородом до израсходования 50-75% от общего количества на плавку и скачивание шлака, ввод второй порции марганецсодержащих материалов одновременно с углеродсодержащими материалами в соотношении 1:(0,25-0,75) соответственно и продувку расплава смесью кислорода и нейтрального газа с увеличением содержания кислорода в смеси до 35-50% (Патент РФ №2135601, кл С 21 С 5/28, 1999 г.).

Известный способ характеризуется неблагоприятными условиями для восстановления марганца. В первый период, когда на залитый в конвертер чугун присаживают первую порцию марганецсодержащих материалов в виде марганцевой руды со шлакообразующими и активными восстановителями, например выбойкой футеровки электролизеров (с высоким содержанием алюминия), а затем продувают расплав смесью нейтрального газа и кислорода, происходит (по термодинамическим законам) вначале интенсивное окисление элементов, имеющих наибольшее сродство к кислороду, т.е. алюминия, затем кремния, марганца и т.д. В таких условиях реакция восстановления марганца из марганцевой руды алюминием, а тем более кремнием весьма затруднена, а сам процесс прямого легирования стали марганцем малоэффективен и нецелесообразен. Аналогичная ситуация повторяется и во второй период прямого легирования стали марганцем, когда в конвертер после скачивания окислительного шлака для предотвращения процессов рефосфорации вводят вторую порцию марганецсодержащих материалов и углеродсодержащие материалы в виде антрацита и снова продувают металл смесью нейтрального газа и кислорода с одновременной присадкой шлакообразующих материалов. В результате такой организации процесса прямого легирования стали марганцем с одновременной подачей кислорода в зону реакции, степень извлечения марганца не превышает 50%, что является чрезвычайно низким показателем для технологии прямого легирования. Кроме того, высокий показатель основности конечного шлака (4, 2), хотя и предохраняет в какой-то мере металл от ресульфурации, однако из-за гетерогенности способствует удержанию в своем объеме большого количества корольков металла, что приводит к снижению выхода годного. А высокое содержание оксидов железа в шлаке, равное 21,4%, свидетельствует о достаточно высоком уровне окисленности металла, несмотря на повышенное содержание марганца, равное 0,48% при содержании углерода 0,10%, что препятствует процессу интенсивной десульфурации, о чем свидетельствует содержание серы в металле на повалке, равное 0,010%, т.е. степень десульфурации составляет около 40%. Получить при таком уровне окисленности металла более низкое содержание серы не представляется возможным.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ выплавки стали в конвертере, включающий завалку металлолома, присадку первой порции марганецсодержащих материалов в количестве 45-80% от общего их расхода одновременно со шлакообразующими и углеродсодержащими материалами в соотношении 1:(1,8-5,2):(0,02-0,6) соответственно, прогрев продувкой кислородом с расходом 35-45% от базового в течение 15-45% от общей продолжительности продувки с одновременной подачей углеродсодержащих материалов в количестве 65 -95% от общего их расхода, заливку чугуна, присадку рассредоточенно второй порции марганецсодержащих материалов одновременно со шлакообразующими материалами в соотношении 1:(0,1-1,0) соответственно после заливки чугуна по ходу продувки и израсходовании от 20-40% до 45-85% от общего количества кислорода на плавку, выпуск углеродистого полупродукта в ковш (Патент РФ №2177508, кл. С 21 С 5/28, 2000 г.).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: заливка жидкого чугуна, порционная присадка марганецсодержащих материалов со шлакообразующими и углеродсодержащими материалами, продувка расплава кислородом, выпуск углеродистого полупродукта в ковш.

Известный способ не обеспечивает достижение требуемого технического результата по следующим причинам.

Известный способ позволяет совместить процессы окислительного рафинирования и прямого легирования стали марганцем за счет изменения окислительного потенциала по ходу плавки и регламентированной присадки марганецсодержащих материалов одновременно со шлакообразующими материалами и восстановителями. Однако сам процесс прямого легирования стали марганцем проводят во втором периоде, а в первом периоде выплавки в известном способе осуществляют подготовку шихтовых материалов путем их подогрева к раннему шлакообразованию, для чего подачу половины от общего расхода марганецсодержащих материалов одновременно со шлакообразующими материалами и восстановителями осуществляют на ранее заваленный в конвертер металлолом, после чего продувают твердофазные компоненты кислородом с интенсивностью, в 5 раз меньшей, чем при продувке железоуглеродистого расплава. Затем в конвертер заливают чугун и проводят нормальную продувку расплава кислородом для интенсивной дефосфорации металла, после чего в конвертер рассредоточенно подают оставшееся количество марганецсодержащего материала совместно со шлакообразующими материалами, не прекращая при этом продувку расплава кислородом с той же интенсивностью и осуществляя при этом прямое легирование стали марганцем. В результате получают углеродистый полупродукт с повышенным содержанием углерода (0,15%) и марганцем (0,38%). Содержание серы 0,010%, фосфора 0,012%. Недостатком известного способа является низкая технологичность процесса, связанная с попыткой совмещения окислительных и восстановительных процессов в одном и том же агрегате в одно и то же время. Таким процессом управлять крайне сложно, а его результаты мало предсказуемы. Так, в известном способе степень извлечения марганца из марганецсодержащего материала находится на уровне 25%, что является крайне низким, а то и неприемлемым показателем для процессов прямого легирования и прежде всего из-за возможности получения высокого (выше требований стандарта) содержания вредных примесей в составе стали.

Известно, что в подавляющем большинстве марганцевых руд содержание фосфора достаточно высокое и редко для таких руд выполняется требование ферросплавного передела по фосфору, которое определяется из условия отношения фосфора к марганцу в руде Р/Мn 0,0045. А так как при производстве ферросплавов из марганцевого концентрата в сплав переходит примерно 70% марганца и 100% фосфора, то содержание фосфора, например, в углеродистом ферромарганце повышается на треть и достигает 0,5% и выше.

В известном способе количество марганца, перешедшего из марганецсодержащего материала, составляет около 25%, а количество перешедшего в металл фосфора, как и при производстве ферросплавов, составляет 100%. Таким образом, абсолютное количество фосфора, попавшего в металл из марганецсодержащего материала, в известном способе будет как минимум в два раза выше, чем при легировании стали стандартными ферросплавами, что приводит к ухудшению качества готовой стали за счет повышения в ее составе фосфидных неметаллических включений, несмотря на промежуточное скачивание шлака после предварительной дефосфорации металла.

Кроме того, согласно технологическим параметрам известного способа получение повышенного содержания марганца в углеродистом конвертерном полупродукте перед выпуском прямо пропорционально содержанию углерода, поэтому по известному способу невозможно получить низкоуглеродистую сталь с содержанием углерода менее 0,1%.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа выплавки стали в конвертере путем оптимизации технологических параметров. Ожидаемый технический результат - повышение степени десульфурации и дефосфорации стали в конвертере за счет снижения окисленности системы металл-шлак при одновременном снижении расхода марганцевых ферросплавов на производство стали, что приводит к повышению качества стали в результате снижения в ее составе неметаллических включений.

Поставленная задача решается тем, что в способе выплавки стали в конвертере, включающем заливку жидкого чугуна, порционную присадку марганецсодержащих оксидных материалов со шлакообразующими и углеродсодержащими материалами, продувку расплава кислородом, выпуск углеродистого полупродукта в ковш, по изобретению продувку расплава кислородом осуществляют до достижения температуры расплава, превышающей температуру выпуска углеродистого полупродукта на величину, которую определяют из выражения: t=33[Мn], где t - величина превышения температуры выпуска углеродистого полупродукта, °С; [Mn] - количество восстановленного марганца из марганецсодержащего оксидного материала, %; 33 - эмпирический коэффициент, а порционную присадку смеси марганецсодержащих материалов, шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, взятых в соотношении 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12) соответственно, ведут после удаления из конвертера максимального количества окислительного шлака, при этом масса каждой порции составляет 0,1-0,2 массы расплава, причем в процессе присадки каждой порции расплав перемешивают путем покачивания конвертера относительно его вертикальной оси, заканчивая покачивание через 0,5-1,0 мин после подачи последней порции смеси, после чего углеродистый полупродукт выпускают в ковш.

Целесообразно в качестве углеродсодержащих материалов выбирать кокс, уголь, карбид кремния, карбид кальция или их сочетание.

Процесс прямого легирования стали марганцем в конвертере осуществляют после окончания рафинировочного периода продувки с использованием рафинирующей легирующей смеси, которую подают в конвертер после дополнительного подогрева расплава. Подогрев расплава в конвертере обусловлен необходимостью компенсации теплопотерь, образующихся в результате экзотермической реакции карботермического восстановления марганца из марганецсодержащего оксидного материала, а также снижения вязкости окислительного конвертерного шлака перед его скачиванием. Величину превышения температуры расплава над регламентированной для каждой конкретной марки стали температурой выпуска углеродистого полупродукта определяют из выражения t=33 [Mn], где t - величина превышения температуры выпуска углеродистого полупродукта, °С; [Mn] - количество восстановленного марганца из марганецсодержащего оксидного материала, %; 33 - эмпирический коэффициент. После подогрева расплава до определенного значения температуры проводят максимально полное скачивание конвертерного окислительного шлака, сводя до минимума процессы ресульфурации и рефосфорации углеродистого полупродукта в конвертере при его дальнейшей обработке. Затем в конвертер равными порциями, но не превышающими каждая значений 0,1-0,2 от массы расплава, добавляют рафинирующую легирующую смесь, состоящую из марганецсодержащего оксидного материала, извести и углеродсодержащего восстановителя, взятых в соотношении 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12).

Подача одной порции рафинирующей легирующей смеси, равной 0,1 -0,2 от массы расплава, обусловлена необходимостью обеспечения равномерности протекания процесса прямого легирования стали марганцем с одноврменным рафинированием от серы и фосфора. Уменьшение одной порции рафинирующей смеси до величины менее 0,1 от массы расплава ухудшает тепловой режим процесса восстановления, ухудшив при этом массообменный процесс из-за уменьшения количества образующегося в процессе раскисления углеродистого полупродукта и восстановления марганца углеродом газообразного монооксида углерода, барботирующего поверхностный слой углеродистого полупродукта, а также шлак, что приводит к снижению интенсивности и полноты восстановления марганца из марганецсодержащего оксидного материала, а также к ухудшению рафинировочного процесса и снижению показателей качества готового металла из-за повышенного содержания неметаллических включений. Увеличение порции рафинирующей смеси больше чем 0,2 от массы расплава также нецелесообразно, потому что могут нарушиться теплообменные процессы, ухудшиться процесс шлакообразования из-за больших добавок шлакообразующих материалов, входящих в состав рафинирующей смеси, которые приведут к загущению шлака, повышению его гетерогенности, снижению показателей извлечения марганца из марганецсодержащего оксидного материала, а также к ухудшению рафинировочного процесса, что приведет к ухудшению качества готового металла, повышению в его составе неметаллических включений.

Во время подачи порций рафинирующей легирующей смеси производят перемешивание расплава путем покачивания конвертера относительно его вертикальной оси, которое заканчивают после подачи последней порции через 0,5-1,0 мин, после чего углеродистый полупродукт выпускают из конвертера в сталеразливочный ковш. Время перемешивания расплава определено опытным путем. Установлено, что в зависимости от массы порции рафинирующей легирующей смеси оптимальное время перемешивания, необходимое для завершения процессов прямого легирования стали марганцем и рафинирования от серы и фосфора, составляет 0,5-1,0 мин.

В качестве марганецсодержащих оксидных материалов используют кусковую руду, концентрат, агломерат преимущественно фракционного состава 20-50 мм, в качестве шлакообразующих материалов используют свежеобожженную известь, а в качестве углеродсодержащих материалов выбирают кокс, уголь, карбид кремния, карбид кальция или их сочетание. Соотношение материалов, входящих в состав рафинирующей легирующей смеси: марганецсодержащих оксидных материалов, шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, равное 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12), обусловлено необходимостью обеспечения непрерывности процесса прямого легирования стали марганцем при одновременном рафинировании от серы и фосфора в течение всей обработки углеродистого полупродукта. При повышении расхода шлакообразующих и углеродсодержащих материалов уменьшится количество поступающих в конвертер марганецсодержащих оксидных материалов, снизится эффективность восстановления марганца, повысится гетерогенность шлака, ухудшатся тепловые и массообменные процессы, что приведет к снижению показателей рафинирования от серы и фосфора и ухудшению качества готового металла из-за повышенного содержания неметаллических включений. При соотношении расходов марганецсодержащих оксидных материалов, шлакообразующих и углеродсодержащих материалов менее 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12) снижается поступление в конвертерную ванну оксидов СаО, ухудшаются физико-химические условия формирования рафинировочного шлака с высокой сорбционной способностью по отношению к сере и фосфору, снижается показатель основности шлака ниже пределов, при которых происходит эффективное восстановление марганца из его оксидов, что приводит к ухудшению качества готового металла и росту содержания неметаллических включений.

О целесообразности проведения карботермического процесса прямого легирования стали марганцем в конвертере свидетельствуют более благоприятные тепловые условия, чем в сталеразливочном ковше. Кроме того, процесс восстановления марганца из его оксидов проводят не в диффузионном режиме, поэтому не требуется интенсивного перемешивания шлака и металла, организации транспортных процессов по доставке из глубины металлического расплава в зону реакции, находящуюся на границе раздела шлак-металл растворившегося в объеме металла восстановителя, а также не менее интенсивного отвода продуктов из зоны реакции.

В предлагаемом способе порцию рафинировочной легирующей смеси подают в конвертер на поверхность оставшегося в незначительном количестве окислительного конвертерного шлака. В силу того, что плотность подаваемой смеси больше плотности покровного шлака, а также потому, что слой шлака на поверхности металла невелик, смесь практически беспрепятственно проникает на границу раздела шлак-металл, где происходит ее оплавление и химические реакции взаимодействия углерода восстановителя с кислородом двухфазной системы шлак-металл:

(FeO)+С=[Fe]+СО (1),

(MnO)+С=[Mn]+CO (2),

[О]+С=СО (3).

Газообразным продуктом всех трех реакций является монооксид углерода, который перемешивает шлак, интенсифицируя его рафинирующую способность, а также верхние слои металла, способствуя энергичному поглощению основным металлом восстановленных из шлака металлических компонентов - железа и марганца.

Эндотермический характер всех восстановительных реакций не может быть препятствием к их протеканию ввиду того, что перед началом процесса прямого легирования стали марганцем с одновременным его рафинированием металл был предварительно перегрет выше регламентированной для конкретной марки стали температуры выпуска углеродистого полупродукта в зависимости от необходимого количества восстановленного марганца.

Менее окисленный металл, выпускаемый из конвертера, обладает еще одним преимуществом - при его доводке до заданного химического состава ввиду малого количества растворенного в металле кислорода процесс доводки становится регламентированным, резко сокращается количество иттераций по попаданию в узкие пределы химического состава по любому из легирующих или модифицирующих элементов, что приводит к повышению качества готового металла, снижению содержания в нем неметаллических включений.

Пример

Выплавку стали проводят в 160-тонном конвертере. Согласно технологическому заданию плавку выпускают при температуре 1630°С, содержании углерода 0,03-0,05%, марганца - 0,55%. В конвертер заливают чугун в количестве 146 т. Температура заливаемого чугуна 1410°С, химический состав, %: С - 4,2; Si - 0,85; Mn-0,57; S-0,016; Р-0,21. Затем опускают кислородную фурму и продувают расплав с расходом кислорода 120 м²/мин в течение 22 мин до достижения температуры расплава, превышающей температуру выпуска углеродистого полупродукта согласно технологическому заданию на величину, которую определяют из выражения: t=33 [Мn], где t - величина превышения температуры выпуска углеродистого полупродукта, °С; [Мn] - количество восстановленного марганца из марганецсодержащего оксидного материала,%; 33 - эмпирический коэффициент. Количество [Мn] в выражении t=33 [Мn] определяют исходя из технологического задания на плавку. В данном примере содержание марганца перед выпуском должно быть 0,55% при содержании углерода 0,03-0,05%. При таком содержании углерода в конце продувки содержание марганца составляет 0,05 - 0,07% (принимаем значение 0,05%). Определяют величину [Мn], которая равна 0,55-0,05=0,5%. Далее определяют величину t согласно выражению t=33 [Мn], которая равна 16,5°С. Поэтому продувку ведут до получения температуры расплава 1647°С. Затем из конвертера удаляют максимальное количество окислительного шлака путем скачивания его в шлаковую чашу. После удаления из конвертера окислительного шлака вводят рафинирующую легирующую смесь марганцевой руды, извести и кокса, взятых в соотношении 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12), при этом масса каждой порции составляет 0,1-0,2 массы расплава. В процессе присадки каждой порции смеси расплав перемешивают путем покачивания конвертера относительно его вертикальной оси, заканчивая покачивание через 0,5-1,0 мин после подачи последней порции смеси, после чего углеродистый полупродукт выпускают в ковш.

Температура углеродистого полупродукта перед выпуском 1630°С. Химический состав перед выпуском, мас.%: С - 0,05; Мn - 0,51; Р - 0,006; S - 0,005.

В таблице приведены технологические параметры способа и полученные результаты.

Полученный таким образом в конвертере металл выгодно отличается от углеродистого конвертерного полупродукта, производимого по современным технологиям практически во всех конвертерных цехах металлургических предприятий СНГ, прежде всего своей низкой окисленностью из-за повышенного содержания марганца в металле, что приводит к существенной экономии раскислителей и легирующих и улучшает качество металла из-за уменьшения количества оксидных, сульфидных и силикатных включений, а также высоким показателям извлечения марганца из марганецсодержащего оксидного материала, равного 81%.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к кислородно-конвертерному производству. Способ выплавки стали в конвертере включает заливку жидкого чугуна, продувку расплава кислородом до достижения температуры расплава, превышающей температуру выпуска углеродистого полупродукта на величину, которую определяют из выражения: t=33[Mn], где t - величина превышения температуры выпуска углеродистого полупродукта, °С; [Mn] - количество восстановленного марганца из марганецсодержащего оксидного материала, %. Далее удаляют из конвертера максимальное количество окислительного шлака, порционно присаживают смесь марганецсодержащих шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, взятых в соотношении 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12) соответственно. Масса каждой порции составляет 0,1-0,2 массы расплава. В процессе присадки каждой порции расплав перемешивают путем покачивания конвертера относительно его вертикальной оси, заканчивая покачивание через 0,5-1,0 мин после подачи последней порции смеси. После чего углеродистый полупродукт выпускают в ковш. В качестве углеродсодержащих материалов выбирают кокс, уголь, карбид кремния, карбид кальция или их сочетание. Технический результат - повышение степени десульфурации и дефосфорации стали в конвертере за счет снижения окисленности системы металл-шлак при одновременном снижении расхода марганцевых ферросплавов на производство стали. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ выплавки стали в конвертере, включающий заливку жидкого чугуна, порционную присадку марганецсодержащих оксидных материалов со шлакообразующими и углеродсодержащими материалами, продувку расплава кислородом, выпуск углеродистого полупродукта в ковш, отличающийся тем, что продувку расплава кислородом осуществляют до достижения температуры расплава, превышающей температуру выпуска углеродистого полупродукта на величину, которую определяют из выражения: t=33[Mn], где t - величина превышения температуры выпуска углеродистого полупродукта, °С; [Мn] - количество восстановленного марганца из марганецсодержащего оксидного материала, %; 33 - эмпирический коэффициент, а порционную присадку смеси марганецсодержащих материалов, шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, взятых в соотношении 1:(0,18-0,20):(0,10-0,12) соответственно, ведут после удаления из конвертера максимального количества окислительного шлака, при этом масса каждой порции составляет 0,1-0,2 массы расплава, причем в процессе присадки каждой порции расплав перемешивают путем покачивания конвертера относительно его вертикальной оси, заканчивая покачивание через 0,5-1,0 мин после подачи последней порции смеси, после чего углеродистый полупродукт выпускают в ковш.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих материалов выбирают кокс, уголь, карбид кремния, карбид кальция или их сочетание.