СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ Российский патент 2004 года по МПК C21C5/28 C21C7/06 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству качественных сталей, и может быть использовано в конвертерных цехах.

Известен способ производства углеродистой конвертерной стали, включающий использование в качестве шихтовых материалов стального лома и жидкого чугуна, продувку кислородом с переменным положением фурмы и рассредоточенную присадку шлакообразующих материалов по ходу плавки и остановку продувки на заданном содержании углерода, при этом по ходу продувки в конвертер вводят карбонатную марганцевую руду в количестве 5-10 кг/т стали, причем первую порцию присаживают в период 5-10% времени продувки, а остальное количество - при содержании углерода на 0,15-0,30% выше заданного из расчета 1,0-1,5 кг/т на каждые 0,05% снижения содержания углерода (А.с. СССР №1285009, кл. С 21 С 5/28, 1987 г.).

Недостатком известного способа является получение металла с высокой окисленностью перед его выпуском в ковш, что приводит к высокому содержанию неметаллических включений в готовом металле и, как следствие, к ухудшению его качества.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ производства низколегированной трубной стали, включающий подачу в конвертер металлошихты и шлакообразующих, продувку кислородом, получение жидкого металла, выпуск металла в ковш, раскисление и легирование в ковше марганецванадиевой лигатурой, содержащей марганец и ванадий в соотношении 10:15, и алюминием, при этом марганецванадиевую лигатуру вводят в ковш двумя порциями, причем 5-10% общего расхода присаживают на дно ковша до наполнения его металлом, а остальное количество - после ввода алюминия при наполнении металлом на 1/2-2/3 высоты ковша (А.с. СССР №1252354, кл. С 21 С 7/06, 1986 г.).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: подача в конвертер металлошихты и шлакообразующих, продувка кислородом, получение жидкого металла, выпуск металла в ковш, раскисление и легирование в ковше путем подачи в ковш ванадийсодержащих и марганецсодержащих материалов и алюминия.

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

Низколегированная трубная сталь, полученная известным способом, содержит в своем составе большое количество неметаллических включений: оксидов, оксисульфидов и др. из-за высокой окисленности металла перед выпуском его из конвертера в ковш. Последующее раскисление металла в ковше сопровождается увеличением количества оксидных неметаллических включений - продуктов раскисления. Повышенное содержание кислорода в металле перед его выпуском в ковш сопряжено с повышенным также расходом алюминия - 2,8-3,1 кг/т. При этом около половины израсходованного алюминия остается в металле в виде трудноудаляемых глиноземистых включений, что ухудшает качество готового проката.

Наличие окислительного шлака, насыщенного фосфором перед выпуском металла в ковш, приводит к тому, что содержание фосфора в металле перед выпуском составляет около 0,010% и является предельным для известного способа, поэтому при ужесточении требований по низкому содержанию фосфора, в особенности для трубного металла, эксплуатируемого при низких и сверхнизких температурах, известный способ становится непригодным.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа производства низкоуглеродистой трубной стали путем оптимизации технологических параметров. Ожидаемый технический результат - снижение содержания неметаллических включений за счет снижения окисленности металла в результате предварительного углубленного раскисления.

Поставленная задача решается тем, что в способе производства низколегированной трубной стали, включающем подачу в конвертер металлошихты и шлакообразующих, продувку кислородом, получение жидкого металла, выпуск металла в ковш, раскисление и легирование в ковше путем подачи в ковш ванадийсодержащих и марганецсодержащих материалов и алюминия, по изобретению после продувки кислородом в количестве 70-75% от общего количества и скачивания окислительного шлака в конвертер подают марганецсодержащий оксидный материал в количестве, обеспечивающем получение содержания марганца в металле перед выпуском, равного 0,80-0,85 от содержания марганца в готовом металле, совместно со шлакообразующими до получения основности 2,5-2,8, затем металл продувают остальным количеством кислорода, подаваемым в смеси с нейтральным газом с монотонным изменением их соотношения от (0,9-0,95):(0,005-0,10) до (0,005-0,10):(0,9-0,95) соответственно, и одновременно подают углеродсодержащий восстановитель с расходом 0,12-0,15 от расхода марганецсодержащего оксидного материала, подачу которого заканчивают за 2-3 минуты до окончания продувки, ванадийсодержащий материал подают в виде технической пятиокиси ванадия с удельным расходом 2,6-3,0 кг/т стали во время выпуска металла в ковш по наполнению его на 1/5 объема, а марганецсодержащий материал, подаваемый совместно с алюминием в ковш, вводят в виде оксидного материала совместно со шлакообразующими до получения основности 2,5-2,8.

Целесообразно марганецсодержащий материал и алюминий подавать в ковш в соотношении 1:(0,30-0,35).

После продувки металла кислородом в количестве 70-75% от общего количества проводят скачивание окислительного шлака. К этому моменту происходит полная дефосфорация металла и частичная десульфурация, а содержание (FeO) в шлаке, косвенно характеризующее уровень окисленности металла и возможные потери металла с удаляемым шлаком из конвертерной ванны, еще невелико, т.к. содержание углерода в металле еще далеко от критической точки, равной около 0,1% [С], после прохождения которой начинается интенсивное окисление железа и повышение содержания оксида железа в шлаке. При продувке металла кислородом в количестве менее 70% от общего количества шлак недостаточно гомогенизирован и процессы десульфурации, а в особенности дефосфорации, происходят не в полном объеме. Поэтому скачивать окислительный шлак до окончания процесса дефосфорации нецелесообразно. Это может привести к повышению содержания серы и фосфора в металле и ухудшению его качества. Также нецелесообразно начинать скачивание окислительного шлака при продувке кислородом в количестве более 75% от общего количества, так как в это время снижается скорость окисления углерода и более интенсивно происходит окисление железа, сопровождающееся повышением содержания оксидов железа в шлаке. При скачивании такого шлака увеличиваются потери железа со шлаком как в виде оксидов железа, так и в виде корольков. Оставшегося кислорода недостаточно для полного рафинирования металла от углерода, а повышенное содержание оксидов железа в шлаке неблагоприятно повлияет на распределение кислорода между шлаком и металлом в сторону повышенной окисленности металла. Это в дальнейшем приводит к необходимости увеличения расхода углеродсодержащего восстановителя, что ухудшает тепловой баланс карботермического процесса прямого легирования металла марганцем в конвертере, снижению извлечения марганца, снижению температуры металла, необходимости дополнительного расхода кислорода, что в свою очередь приведет к повышению окисленности металла, а значит к повышению содержания неметаллических включений и к ухудшению качества готового металла.

После окончания скачивания максимально возможного количества окислительного шлака (около 95%) в конвертер подают марганецсодержаший оксидный материал совместно со шлакообразующими до получения основности, равной 2,5-2,8. Количество марганецсодержащего оксидного материала определяют из необходимости получения его в металле перед выпуском из конвертера, равное 0,80-0,85 от содержания марганца в готовом металле. При подаче в конвертерную ванну марганецсодержащего оксидного материала и шлакообразующих происходит интенсивное шлакообразование, сопровождающееся гомогенизацией нового шлака. Сразу после подачи оксидного марганецсодержащего материала и шлакообразующих в конвертерную ванну подают углеродсодержащий восстановитель с расходом 0,12-0,15 от расхода марганецсодержащего оксидного материала и заканчивают его подачу за 2-3 минуты до окончания продувки. Продувку металла во втором периоде ведут остальным количеством кислорода в смеси с нейтральным газом с монотонным изменением их соотношения от (0,9-0,95):(0,005-0,10) до (0,005-0,10):(0,9-0,95) соответственно.

При заявляемых расходах подаваемых материалов и предлагаемом режиме их подачи при одновременной продувке конвертерной ванны смесью кислорода с нейтральным газом происходит интенсивное карботермическое восстановление марганца углеродом по реакциям:

(МnО)+[С]=[Mn]+СО (1)

(МnО)+СО=[Mn]+СО₂ (2)

Реакция (1) начинается сразу после образования жидкой фазы из марганецсодержащего оксидного материала с участием растворенного в металле углерода. В дальнейшем пополнение двухфазной системы металл-шлак углеродом при одновременном интенсивном плавлении марганецсодержащего оксидного материала способствует ускорению восстановительного процесса марганца углеродом в совокупности с массообменными процессами, происходящими в системе металл-шлак в результате выделяющихся по реакции (1) пузырьков моноокиси углерода, которые также принимают участие в восстановительном процессе по реакции (2). И если реакция (1) носит явно выраженный эндотермический характер, то реакция (2) экзотермична и количества выделившегося тепла по реакции (2) вполне достаточна для интенсивного протекания процесса восстановления марганца из его оксидов с высоким показателем извлечения.

Ранняя гомогенизация шлака за счет интенсивного плавления оксидов марганца, способствующих образованию бинарных оксидов CaO·SiO₂, обеспечивает десульфурацию металла в процессе продувки металла кислородом в смеси с нейтральным газом, причем доля последней составляющей в смеси к концу продувки приближается к единице, препятствуя тем самым повышению окисленности металла и шлака при одновременном снижении содержания углерода в металле.

Расход марганецсодержащего оксидного материала в количестве, обеспечивающем получение содержания марганца в металле перед выпуском, равного 0,80-0,85 от содержания марганца в готовом металле, и углеродсодержащего восстановителя с расходом 0,12-0,15 от расхода марганецсодержащего оксидного материала, обеспечивают условия эффективного восстановления марганца из его оксидов. При этом целесообразно в конвертерную ванну вводить шлакообразующие в количестве, обеспечивающем основность 2,5-2,8. При повышении основности выше 2,8 повышается гетерогенность шлака в результате нарушения условий его формирования из-за увеличения количества неассимилированной извести, что приводит к снижению рафинирующей способности шлака, повышению в составе металла содержания серы и фосфора, повышению общего количества неметаллических включений, что ухудшает качество готового металла. Снижение основности шлака менее 2,5 приводит к ухудшению термодинамических условий процесса восстановления марганца из его оксидов, повышению окисленности металла, что приводит к повышению количества неметаллических включений.

Изменение соотношения расходов марганецсодержащего оксидного материала и углеродсодержащего восстановителя в ту или иную сторону приводит к повышению содержания неметаллических включений: в случае повышения расхода марганецсодержащего оксидного материала - к неполному его восстановлению, повышению содержания оксида марганца в шлаке, что влечет за собой повышение содержания кислорода в металле, а значит к снижению сульфидной и фосфидной емкостей шлака - увеличению содержаний серы и фосфора в металле и ухудшению качества готового металла. В случае снижения расхода марганецсодержащего оксидного материала происходит снижение содержания марганца в металле перед выпуском, а, значит, повышение окисленности металла, что приводит к ухудшению показателей десульфурации и дефосфорации металла, повышению количества неметаллических включений и ухудшению качества готового металла.

Подачу углеродсодержащего восстановителя заканчивают за 2-3 минуты до окончания продувки металла в конвертере. Это обусловлено тем, что скорость карботермического восстановления по мере расходования марганецсодержащего оксидного материала уменьшается, а также уменьшается скорость рафинирования металла от углерода. Поэтому прекращение подачи ранее чем за 2-3 минуты до окончания продувки приведет к повышению окисленности металла, а, значит, к увеличению оксидных и оксисульфидных неметаллических включений, снижению показателей качества готового металла. Прекращение подачи углеродсодержащего восстановителя позже чем за 2-3 минуты до окончания продувки приведет к нехватке восстановителя для полного восстановления марганца из марганецсодержащего оксидного материала, загущению шлака нерастворившимся углеродсодержащим восстановителем, снижению его рафинирующей способности, повышению окисленности металла и содержания в нем серы и фосфора, что приведет к повышению содержания неметаллических включений в металле и снижению качества готового металла.

Продувку металла в конвертерной ванне после скачивания окислительного шлака осуществляют согласно предлагаемому способу остальным количеством кислорода в смеси с нейтральным газом с монотонным изменением их соотношения от (0,9-0,95):(0,005-0,10) до (0,005-0,10):(0,9-0,95) соответственно. Подача кислорода в смеси с нейтральным газом обусловлена необходимостью интенсификации массообменных процессов в системе шлак-металл и переносом акцента кислородоснабжающего элемента в системе металл-шлак с кислородной фурмы на поставку кислорода марганецсодержащим оксидным материалом. Изменение соотношения количества кислорода и нейтрального газа дает возможность управления скоростью и полнотой окисления углерода в металле и получения металла перед выпуском с требуемой температурой и химическим составом, включая уровень окисленности металла, что приводит к снижению количества неметаллических включений. Монотонность изменения соотношения компонентов в газовой смеси обеспечивает возможность регулирования процесса прямого легирования металла марганцем и его рафинирования от углерода, серы и фосфора, что приводит к повышению качества готового металла.

Окончательное рафинирование металла от углерода проводят в ковше путем добавки в него под струю выпускаемого металла при наполнении ковша на 1/5 его объема технической пятиокиси ванадия с удельным расходом 2,6-3,0 кг/т. Реакция взаимодействия растворенного в металле углерода с пятиокисью ванадия - экзотермическая, а учитывая то, что в тепловом балансе этой реакции участвует тепло выпускаемого из конвертера металла, то процесс окисления углерода металла проходит с высокой скоростью, что обеспечивает получение требуемых низких значений содержания углерода в готовом металле.

Учитывая то, что реакция окисления углерода кислородом, содержащимся в технической пятиоокиси ванадия, протекает очень интенсивно с большим выделением тепла, сразу после подачи в ковш технической пятиокиси ванадия, туда же подают марганецсодержащий оксидный материал совместно с алюминием в соотношении 1:(0,30-0,35) соответственно, а также шлакообразующие, расход которых определяется необходимостью наведения покровного шлака с основностью 2,5-2,8. В качестве шлакообразующих подают известь с содержанием СаО не менее 85%, а также ее смесь с другими материалами (оксидами магния, бария и др.). Расход марганецсодержащего материала и алюминия, подаваемых в ковш в заявляемых соотношениях, способствует эффективному проведению процесса прямого легирования стали марганцем для корректировки химического состава металла по марганцу, а также по содержанию серы и фосфора, что приводит к снижению окисленности металла, уменьшению содержания серы и фосфора, снижению содержания неметаллических включений, что улучшает показатели качества готового металла.

Пример

Производство трубной стали следующего химического состава, мас.%: углерод 0,02-0,05, марганец 1,60-1,80, кремний 0,03-0,05, ванадий 0,10-0,12, алюминий 0,03-0,04, сера 0,010, фосфор ≤0,012, азот 0,003-0,005, железо - остальное проводили по следующей технологии: в конвертер загружали 100 т металлолома, заливали 310 т чугуна, присаживали 10 т извести и начинали продувку кислородом через 6-сопловую фурму с расходом 900-1000 нм³/мин. По ходу продувки проводили рассредоточенную присадку шлакообразующих материалов. После израсходования 12500-13500 м³ кислорода (70-75% от общего расхода) скачивали максимально возможное количество окислительного шлака (примерно 95%), после чего в конвертер загружали марганецсодержащий оксидный материал в виде марганцевой руды в количестве 20-25 кг/т стали, обеспечивающем получение содержания марганца в металле перед выпуском, равного 0,80-0,85 от содержания марганца в готовом металле, и шлакообразующий материал - известь в количестве, обеспечивающем основность образовавшегося шлака, равную 2,5-2,8. Затем начинали продувку конвертерной ванны газовой смесью, состоящей из кислорода и азота, с удельным суммарным расходом 900-1000 нм³/мин. Состав смеси поддерживали согласно положению: монотонное изменение в течение всего времени продувки соотношения кислорода к азоту от (0,9-0,95):(0,005-0,10) до (0,005-0,10):(0,9-0,95) соответственно в конце продувки, причем общий расход кислорода составил 18000 м³.

Одновременно с началом продувки металла газовой смесью в конвертер подавали углеродсодержащий восстановитель (кокс) с удельным расходом 2,4 - 3,75 кг/т, т.е. 0,12-0,15 от расхода марганецсодержащего оксидного материала.

Содержание закиси железа на опытных плавках 14,5-16,0%, основность шлака 2,5-2,8. Химический состав металла перед выпуском, мас.%: С - 0,04-0,08; Si - 0,001-0,003; Mn - 1,0-1,2; S - 0,005-0,008; Р - 0,005-0,008, остальное - железо. Температура металла перед выпуском 1630-1650°С. Затем металл опытных плавок выпускали в сталеразливочный ковш, в который во время выпуска металла в ковш по наполнению его на 1/5 объема подавали техническую пятиокись ванадия с содержанием пентаоксида ванадия (V₂O₅) не менее 75% с удельным расходом 2,6-3,0 кг/т.

Кроме того, осуществляли получение известной низколегированной трубной стали по технологии ближайшего аналога.

Загрязненность стали по неметаллическим включениям, определенная по среднему баллу, составила: по предлагаемому способу: оксиды 1,2-1,5, сульфиды 1,4-1,6; по способу - ближайшему аналогу: оксиды 2,9, сульфиды 3,6.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству качественных сталей, и может быть использовано в конвертерных цехах. Способ производства низколегированной трубной стали включает подачу в конвертер металлошихты и шлакообразующих, продувку кислородом в количестве 70-75% от общего его количества, скачивание окислительного шлака, подачу в конвертер марганецсодержащего оксидного материала в количестве, обеспечивающем получение содержания марганца в металле перед выпуском, равное 0,80-0,85 от содержания марганца в готовом металле, совместно со шлакообразующими в количестве, обеспечивающем основность шлака 2,5-2,8, продувку металла остальным количеством кислорода, подаваемым в смеси с нейтральным газом с монотонным изменением их соотношения от (0,9-0,95):(0,005-0,10) до (0,005-0,10):(0,9-0,95) соответственно, и одновременной подачей углеродсодержащего восстановителя с расходом 0,12-0,15 от расхода марганецсодержащего оксидного материала, подачу которого заканчивают за 2-3 минуты до окончания продувки. Выпускают металл в ковш, раскисляют и легируют путем подачи в ковш ванадийсодержащего материала в виде технической пятиокиси ванадия с удельным расходом 2,6-3,0 кг/т стали во время выпуска металла в ковш по наполнению его на 1/5 объема. Затем подают в ковш марганецсодержащий оксидный материал совместно с алюминием в соотношении 1:(0,30-0,35) и шлакообразующими до получения основности шлака 2,5-2,8. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ производства низколегированной трубной стали, включающий подачу в конвертер металлошихты и шлакообразующих, продувку кислородом, получение жидкого металла, выпуск металла в ковш, раскисление и легирование в ковше путем подачи в ковш ванадийсодержащих и марганецсодержащих материалов и алюминия, отличающийся тем, что после продувки кислородом в количестве 70-75% от общего количества и скачивания окислительного шлака в конвертер подают марганецсодержащий оксидный материал в количестве, обеспечивающем получение содержания марганца в металле перед выпуском, равного 0,80-0,85 от содержания марганца в готовом металле, совместно со шлакообразующими до получения основности 2,5-2,8, затем металл продувают остальным количеством кислорода, подаваемым в смеси с нейтральным газом с монотонным изменением их соотношения от (0,9-0,95):(0,005-0,10) до (0,005-0,10):(0,9-0,95) соответственно, и одновременно подают углеродсодержащий восстановитель с расходом 0,12-0,15 от расхода марганецсодержащего оксидного материала, подачу которого заканчивают за 2-3 мин до окончания продувки, ванадийсодержащий материал подают в виде технической пятиокиси ванадия с удельным расходом 2,6-3,0 кг/т стали во время выпуска металла в ковш по наполнению его на 1/5 объема, а марганецсодержащий материал, подаваемый совместно с алюминием в ковш, вводят в виде оксидного материала совместно со шлакообразующими до получения основности 2,5-2,8.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что марганецсодержащий материал и алюминий подают в ковш в соотношении 1:(0,30-0,35).