СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ Российский патент 2004 года по МПК C21C5/28 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве низколегированных конструкционных сталей, предназначенных для эксплуатации в виде свариваемых конструкций при воздействии отрицательных температур и неблагоприятной экологической атмосферы.

Известен способ легирования стали, включающий применение шлаков ферросплавного производства и окончательную корректировку по химическому составу ферросплавами, в котором в дуговую печь сразу после удаления окислительного шлака и раскисления металла ферросилицием вводят марганецсодержащие шлаки с отношением кремнезема к сумме оксидов марганца и кальция, равным 1,5-1,9, в смеси с известью в соотношении 1:(1,5-3,0) (а.с. СССР № 1216216, кл. С 21 С 5/52, опубл. 07.03.1986).

Недостатком известного способа является повышенное содержание в металле хрупких силикатов, образующихся в процессе раскисления металла кусковым ферросилицием, который вводят в сталеплавильный агрегат после скачивания окислительного шлака, а также при силикотермическом восстановлении марганца из вводимых в сталеплавильный агрегат марганецсодержащих шлаков, в качестве которых используют отвальные шлаки ферросплавного производства. Наличие в этих шлаках высокого содержания кремнезема (SiO₂) 45-52%, при относительно невысоком содержании оксидов марганца 17-20%, усугубляет процесс загрязнения металла хрупкими силикатами из-за низкой ассимилирующей способности шлака, образующегося в результате процесса восстановления марганца. Добавки извести в шлак с таким содержанием кремнезема, а также с учетом образовавшегося кремнезема в процессе восстановления марганца не могут компенсировать отрицательное влияние кремнезема на образование в объеме металла силикатов ввиду ухудшения физико-химических характеристик шлака - повышения его вязкости и гетерогенности, что приводит к увеличению содержания неметаллических включений в металле, в основном хрупких силикатов, и ухудшению его качества.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ выплавки стали в конвертере (а.с. СССР № 1013489, кл. С 21 С 5/28, опубл. 23.04.1983), включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, продувку металла кислородом сверху и снизу, скачивание окислительного шлака, наведение нового шлака подачей марганецсодержащего оксидного материала в виде малофосфористого марганецсодержащего шлака ферросплавного производства и извести, подачу восстановителя в виде кремнийсодержащих материалов в качестве восстановителя и извести до получения основности 2-3,5, при этом подачу кремнийсодержащих материалов и извести проводят порционно каждые 2-3 мин, причем порции составляют 10-25% от общего расхода, а после подачи последней порции осуществляют выдержку в течение 2-3 мин и продувку нейтральным газом с интенсивностью 1,5-2,0 м³/т·мин.

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: выплавка металла в сталеплавильном агрегате, продувка металла кислородом, скачивание окислительного шлака, подача марганецсодержащего оксидного материала, извести и восстановителя, продувка нейтральным газом.

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

Невозможность получения металла в сталеплавильном агрегате с низким содержанием кислорода связано с тем, что скачивание окислительного шлака из сталеплавильного агрегата производят после получения требуемого значения углерода в металле, составляющего 0,03%. При этом содержание кислорода в металле составляет величину >0,103%, для снижения которой до требуемых значений (около 0,003-0,007% [О]) потребуется до 1,5 кг/т ферросилиция, что приводит к образованию кремнезема в количестве около 3 кг/т, часть которого перейдет в металл ввиду низкой ассимилирующей способности шлака по отношению к силикатам при силикотермическом восстановлении марганца, а это приводит к ухудшению качества готового металла. Силикотермическое восстановление марганца ограничивает использование способа при производстве низкокремнистых или бескремнистых марок стали.

Кроме того, повышенное содержание кремнезема, образующегося в процессе силикотермического восстановления марганца из его оксидов, препятствует глубокой десульфурации металла из-за повышенного содержания кремния в металле, а также низкой ассимилирующей способности шлака, насыщенного кремнеземом, к образующимся сульфидам.

Все это приводит к повышению в металле содержания серы и неметаллических включений и снижению механических характеристик, в особенности показателя ударной вязкости при низких температурах - одного из основных критериев служебных свойств свариваемых конструкций.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа производства стали путем оптимизации технологических параметров. Технический результат - улучшение ассимилирующей способности шлака и снижение содержания кислорода при низком содержании углерода за счет обезуглероживания металла оксидными материалами, что обеспечивает минимизацию количества неметаллических включений и высокую степень десульфурации.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства стали, включающем выплавку металла в сталеплавильном агрегате, продувку металла кислородом, скачивание окислительного шлака, подачу марганецсодержащего оксидного материала, извести и восстановителя, продувку нейтральным газом, по изобретению скачивание окислительного шлака проводят при достижении в металле содержания углерода 0,15-0,20%, после чего в сталеплавильный агрегат подают оксид никеля с расходом 9-11 кг/т металла и равномерным его распределением по поверхности металла, марганецсодержащий оксидный материал и известь подают через 1,0-1,5 минуты после подачи оксида никеля до получения основности 1,5-1,7, в качестве восстановителя используют смесь алюминия и карбида кальция при содержании алюминия в ней не менее 50%, а продувку нейтральным газом ведут в пузырьковом режиме.

Целесообразно в качестве марганецсодержащего оксидного материала использовать агломерат и/или концентрат, и/или руду.

Для обеспечения высокой степени десульфурации металла, а также минимального количества неметаллических включений в предлагаемом способе получают низкое содержание кислорода, порядка 0,01-0,015%, при низком содержании углерода, порядка 0,05%, с проведением обезуглероживания путем ввода оксидов никеля. Поэтому в предлагаемом способе продувку низкоуглеродистого металла останавливают при содержании углерода на уровне выше так называемой "критической" точки, т.е. при значениях 0,15-0,20%. Равновесное содержание кислорода в таком металле не превышает величину 0,015%, что необходимо для проведения глубокой десульфурации. Для снижения содержания углерода после скачивания окислительного шлака вводят оксид никеля - элемента, входящего в состав эксплуатирующихся в условиях неблагоприятной экологической атмосферы, в количестве 9-11 кг/т металла, с равномерным его распределением по поверхностии металла для обеспечения быстрого растворения и интенсификации массообменных процессов образующимися пузырьками СО.

Скачивание окислительного шлака необходимо для удаления из ванны сталеплавильного агрегата ассимилированных этим шлаком фосфора и серы, а также для исключения в последующем ведении процесса производства стали чрезмерно высокой основности шлака для предотвращения процессов рефосфорации и ресульфурации. Добавка оксида никеля в количестве менее 9 кг/т металла не обеспечивает снижение углерода до требуемых значений, а также необходимое в стали содержание никеля, что приводит к повышению содержания кислорода в металле, ухудшению условий его десульфурации, повышению содержания неметаллических включений и ухудшению качества готового металла. Повышение расхода оксида никеля более 11 кг/т металла также нецелесообразно, так как, кроме удорожания готового металла, приводит к дисбалансу содержания никеля и меди, что ухудшает показатели коррозионной стойкости металла, а восстановление никеля сверх требуемого осуществляется в дальнейшем восстановлением, предназначенным для восстановления марганца. Все это приводит к нарушению технологического режима, повышению содержания кислорода и неметаллических включений в металле и ухудшению его качества.

Подачу марганецсодержащего оксидного материала и извести осуществляют через 1,0-1,5 минуты после подачи оксида никеля. Предложенный интервал начала подачи марганецсодержащего оксидного материала и извести обусловлен необходимостью завершения процесса обезуглероживания. Подача материалов ранее чем через 1 минуту после окончания подачи оксида никеля приводит к прекращению процесса обезуглероживания, непопаданию в заданные пределы по содержанию углерода, необходимости дополнительной продувки кислородом, что приводит к повышению содержания кислорода в металле, ухудшению его десульфурации, росту содержания неметаллических включений и ухудшению качества металла. Подача материалов позже чем через 1,5 минуты также нецелесообразна, так как приводит к дополнительному окислению металла после прекращения процесса интенсивного обезуглероживания кислородом оксида никеля, что сопряжено с загрязнением металла неметаллическими включениями, включая сульфидные, и ухудшению его качества.

Заявленные в предлагаемом способе значения пределов основности шлака, образующегося в результате подачи в сталеплавильный агрегат всех материалов, обусловлены тем, что в предлагаемом способе полностью исключены из употребления кремнийсодержащие материалы, препятствующие процессу восстановления марганца. Поэтому в отсутствие SiC>2 отпадает необходимость поддерживать основность шлака на уровне 3,0-4,0. Кроме того, предварительное скачивание окислительного шлака, насыщенного серой и фосфором, исключило необходимость поддержания высокой основности шлака для предотвращения процессов ресульфурации и рефосфорации. Основность 1,5-1,7 обеспечивает гомогенность шлака и его ассимилирующую способность по отношению к неметаллическим включениям. Снижение основности менее 1,5 приводит к уменьшению ассимилирующей способности шлака к неметаллическим включениям, ухудшает условия восстановления марганца, приводит к непопаданию в требуемые пределы по химическому составу и загрязненности металла неметаллическими включениями, что приводит к ухудшению качества готового металла. Повышение основности выше 1,7 увеличивает гетерогенность шлака, ухудшая его физико-химические характеристики, что приводит к повышению загрязненности металла неметаллическими включениями и ухудшению его качества.

В качестве восстановителя в предлагаемом способе используют смесь алюминия и карбида кальция, в которой содержание алюминия не менее 50%. Это содержание обеспечивает необходимую термичность смеси материалов: марганецсодержащего оксидного материала, извести, алюминия и карбида кальция, которая обеспечивает самопроизвольное течение процесса восстановления марганца без подключения дополнительных источников тепла, полноту извлечения марганца, дополнительные массообменные процессы за счет образования пузырьков СО при взаимодействии карбида кальция с системой металл - шлак, модифицирование кальцием, входящим в состав карбида кальция, оксидных и оксисульфидных неметаллических включений и удаление их в шлаковую фазу. Снижение содержания в смеси алюминия ниже 50% ухудшает тепловые и физико-химические характеристики процесса производства стали, что приводит к ее загрязнению неметаллическими включениями и ухудшению качества готового металла.

Продувка нейтральным газом в пузырьковом режиме обеспечивает улучшение массообменных процессов в завершающей стадии производства стали при совмещении процессов рафинирования стали и ее легирования, которые происходят в результате повышения на несколько порядков поверхности контакта металла и шлака, что приводит к снижению содержания в металле серы и неметаллических включений и повышению его качества.

Пример.

Выплавку стали по предлагаемому и известному способам проводили в 60-килограммовом конвертере с верхней и донной продувкой. В конвертер заливали 50 кг чугуна с температурой 1320°С следующего химического состава, мас.%: С 4,2; Мn 0,35; Si 0,70; S 0,38; Р 0,016 и подавали 2,5 кг извести. Ванну продували кислородом с интенсивностью 4 м³/мин на 1 т металла (содержание кислорода 99,7%) через верхнюю фурму с соплом 2 мм, расположенную на расстоянии 60 см над уровнем спокойного металла, и прекращали продувку через 7 минут от начала продувки при температуре 1580- 1620°C.

В плавке по предлагаемому способу продувку прекратили при содержании углерода в металле 0,2% и скачали максимально возможное количество (около 95%) окислительного шлака, после чего в конвертер загрузили оксид никеля в количестве 0,5 кг/т металла с равномерным его распределением по поверхности металла. Одновременно с началом подачи оксида никеля металл продували аргоном через донную фурму с соплом диаметром 2 мм и интенсивностью 1,5 м³/мин на тонну металла. Продолжительность продувки аргоном на всех плавках составила 12 минут. Через 1,2 минуты в конвертер подали марганецсодержащий оксидный материал - руду следующего химического состава, мас.%: (MnO+Мn₂О₃+МnО₂) в пересчете на Мn 50,5; SiO₂ 12,0; АlО₃ 3,5; CaO 8,2; Fе_общ 2,2; Р 0,018, остальное - прочие посторонние примеси в количестве 1,21 кг (24,2 кг/т) и извести в количестве 0,230 кг (4,6 кг/т), обеспечивающем получение основности 1,6, а также восстановитель в виде смеси из вторичного алюминия марки АВ-86 в количестве 0,15 кг (3,0 кг/т) и 0,10 кг карбида кальция (2 кг/т), в сумме 0,25 кг (5 кг/т). Содержание алюминия в этой смеси составило 52%. После окончания продувки при температуре 1605°С металл выпустили в ковш, добавив необходимые для получения требуемого состава ферросплавы - феррованадий марки ФВд50А (с содержанием V=50%) в количестве 0,135 кг (2,7 кг/т), ферротитан марки Фти65 (содержание Ti=65%) в количестве 0,06 кг (1,2 кг/т) и медь в количестве 0,355 кг (7,1 кг/т).

Полученный металл имел следующий химический состав, мас.%: С 0,07; Мn 1,10; Si 0,03; Cr 0,71; Ni 0,73; S 0,005; Р 0,007; V 0,08; Ti 0,04, Fe - остальное.

Затем металл разлили в изложницы для слитков 20 кг, слитки проковали на карты толщиной 20 мм, а отобранные от карт образцы исследовали на загрязненность стали неметаллическими включениями по стандартной методике.

Остальные плавки по предлагаемому способу проводили в том же конвертере по той же технологии с варьированием численных значений в пределах заявляемых параметров.

При выплавке стали по известному способу продувку металла в конвертере прекратили при содержании углерода 0,03% и температуре 1580°С. После скачивания окислительного шлака (около 95%) в конвертер загрузили 1,22 кг (24,4 кг/т) малофосфористого марганецсодержащего шлака ферросплавного производства следующего химического состава, мас.%: МnО 65, в пересчете на Мn 50,35; SiO₃ 25; СаО 5,5; FeO 0,2; Аl₂О₃ 2,2; MgO 2,3; Р 0,010, прочие посторонние примеси - остальное. Одновременно с подачей шлака подавали 0,61 кг (12,2 кг/т) извести. Основность шлака составила 2,3. Затем, начиная со второй минуты продувки, в конвертер подавали пять порций по 0,043 кг (0,85 кг/т) 75% ферросилиция и 0,146 кг (2,93 кг/т) извести. Интервал между подачей порций составлял 2 минуты. Основность шлака в течение всего времени продувки была на уровне 2,2-2,25. Через 2 минуты после подачи последней порции ферросилиция и извести металл слили в ковш при температуре 1605°С. При сливе под струю металла дали феррованадий марки ФВд50А (содержание ванадия 50%) в количестве 0,135 кг (2,7 кг/т), ферротитан марки Фти65 (содержание титана 65%) в количестве 0,06 кг (1,2 кг/т) и медь в количестве 0,355 кг (7,1 кг/т). Полученный металл имел следующий химический состав, мас.%: С 0,04; Мn 1,09; Si 0,25; S 0,013; Р 0,020; V 0,08; Ti 0,04; Сu 0,70; Ni 0,75; Fe - остальное. Полученный металл разлили в изложницы для слитка массой 20 кг, слитки проковали на карты толщиной 20 мм, а отобранные от проб образцы исследовали на загрязненность стали неметаллическими включениями по стандартной методике.

Средние значения содержания неметаллических включений в стали, выплавленной по предлагаемому способу, составили (в баллах): оксиды - 1,4; сульфиды - 0,5; силикаты - 0.

Значения содержания неметаллических включений в стали, выплавленной по известному способу (средние по 2 слиткам в баллах), составили: оксиды - 2,9; сульфиды - 2,5; силикаты - 3,0.

Как видно из сравнения приведенных показателей загрязненности, сталь, выплавленная по предлагаемому способу, по чистоте превосходит сталь, выплавленную по известному способу, как по суммарному количеству неметаллических включений, так и по отдельным их видам.

Это свидетельствует о том, что снижение содержания кислорода при низком остаточном содержании углерода в результате обезуглероживания металла оксидными материалами - NiO приводит к минимизации количества неметаллических включений, высокой степени десульфурации и повышению качества готового металла.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве низколегированных конструкционных сталей, предназначенных для эксплуатации в виде сварных конструкций при воздействии отрицательных температур и неблагоприятной экологической атмосферы. Способ производства стали включает выплавку металла в сталеплавильном агрегате, продувку металла кислородом, скачивание окислительного шлака при достижении в металле содержания углерода 0,15-0,20%, подачу оксида никеля с расходом 9-11 кг/т металла и равномерным его распределением по поверхности металла, подачу марганецсодержащего оксидного материала и извести через 1,0-1,5 минуты после подачи оксида никеля до получения основности 1,5-1,7, подачу восстановителя. В качестве восстановителя используют смесь алюминия и карбида кальция при содержании алюминия в ней не менее 50%. Продувку нейтральным газом ведут в пузырьковом режиме. Целесообразно в качестве марганецсодержащего оксидного материала использовать агломерат и/или концентрат, и/или руду. Технический результат - обеспечение минимизации количества неметаллических включений и высокой степени десульфурации. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ производства стали, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, продувку металла кислородом, скачивание окислительного шлака, подачу марганецсодержащего оксидного материала, извести и восстановителя, продувку нейтральным газом, отличающийся тем, что скачивание окислительного шлака проводят при достижении в металле содержания углерода 0,15-0,20%, после чего в сталеплавильный агрегат подают оксид никеля с расходом 9-11 кг/т металла и равномерным его распределением по поверхности металла, марганецсодержащий оксидный материал и известь подают через 1,0-1,5 мин после подачи оксида никеля до получения основности 1,5-1,7, в качестве восстановителя используют смесь алюминия и карбида кальция при содержании алюминия в ней не менее 50%, а продувку нейтральным газом ведут в пузырьковом режиме.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве марганецсодержащего оксидного материала используют агломерат, и/или концентрат, и/или руду.