СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЧАСТИЧНО МЕТАЛЛИЗОВАННОГО АГЛОМЕРАТА ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ МАРГАНЦЕМ Российский патент 2007 года по МПК C22B1/16 

Изобретение относится к металлургической промышленности, преимущественно к подготовке сырья для легирования стали марганцем, и может быть использовано в технологии прямого легирования стали.

Известен способ получения агломерата с остаточным углеродом (SU №692876, кл. С22В 1/16, опубл. 25.10.1979 г.), включающий предварительную обработку твердого топлива, смешение агломерационной шихты и ее спекание, при этом твердое топливо фракции 5 мм перед вводом в агломерационную шихту обрабатывают водной суспензией смеси извести и каолиновой глины плотностью 1,15-1,30 г/см³ и вводят на 5-12% больше, чем необходимо для спекания.

В известном способе твердое топливо в виде коксика, входящее в состав агломерата, вследствие большого количества тесных контактов с восстанавливаемыми оксидами способствует восстановлению марганца из его оксидов, содержащихся в агломерате. Но поскольку реакция восстановления марганца углеродом носит эндотермический характер, то при использовании агломерата для легирования стали марганцем, полученного известным способом, требуется дополнительный перегрев металла перед началом легирования, что сопряжено с переокислением металла и, как следствие, с ухудшением восстановимости марганца и качества стали. Кроме того, использование агломерата для легирования исключает возможность проведения десульфурации металла из-за наличия в составе агломерата диоксида кремния, обладающего высокой активностью при образовании шлака в процессе легирования.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ производства частично металлизованного агломерата (SU 1514810 А1, кл. С22В 1/16, опубл. 15.10.1989 г.), включающий двухслойную укладку шихты с подачей в верхний слой офлюсованных и неофлюсованных рудно-угольных окатышей с рудной частью в виде марганецсодержащего концентрата, а в нижний слой - агломерационной шихты, состоящей из марганецсодержащего концентрата, флюса и коксовой мелочи, их высокотемпературный нагрев с последующей подачей воздуха через спекаемый слой, при этом содержание углерода топлива в верхнем слое составляет 5-20%, в нижнем слое 0,1-5,0% при соотношении высот нижнего и верхнего слоев 0,25-1,5.

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения: послойная укладка шихты с подачей в верхний слой офлюсованных и неофлюсованных рудно-угольных окатышей с рудной частью в виде марганецсодержащего концентрата; подача в нижний слой агломерационной шихты, состоящей из марганецсодержащего концентрата, флюса и коксовой мелочи; высокотемпературный нагрев.

При использовании для легирования стали частично металлизованного агломерата, содержащего в своем составе марганец, полученного по известному способу, в металл перейдет только металлизованная часть марганца, а оксидная составляющая часть агломерата, содержащая в своем составе марганец, останется в шлаке. При этом десульфурации металла не будет, потому что переход марганца в металл в процессе легирования не обеспечивает создание раскисленного подшлакового слоя металла, что является препятствием для интенсивного взаимодействия серы с марганцем с образованием сульфидов марганца. Образующийся в процессе легирования шлак обладает низкой серопоглотительной способностью из-за высокого содержания диоксида кремния в агломерате, резко снижающего активность оксида кальция в шлаке, одного из основных компонентов, обладающих высокой десульфурирующей способностью.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа производства частично металлизованного агломерата для легирования стали марганцем путем оптимизации технологических параметров.

Ожидаемый технический результат - обеспечение высокой десульфурирующей способности агломерата и повышение восстановимости марганца за счет формирования двухстадийного процесса десульфурации металлического расплава при легировании стали в результате создания подшлаковой зоны высокой неравновесности (диссипативной структуры) с низкой окисленностью металла и высокой концентрацией в ней восстановленного марганца, а также образования известково-глиноземистого шлака с высокой серопоглотительной способностью.

Технический результат достигается тем, что в способе производства частично металлизованного агломерата для легирования стали марганцем, включающем послойную укладку шихты с подачей в верхний слой офлюсованных и неофлюсованных рудно-угольных окатышей с рудной частью в виде марганецсодержащего концентрата, а в нижний слой - агломерационной шихты, состоящей из марганецсодержащего концентрата, флюса и коксовой мелочи, их высокотемпературный нагрев, по изобретению послойную укладку шихты ведут с подачей на нижний слой промежуточного слоя окатышей, состоящих из алюминийсодержащего материала, пассивированных слоем смеси извести и каолина, взятых в соотношении (5,1-5,5):(1,1-1,3), а в верхний слой - с дополнительной подачей офлюсованных окатышей, состоящих из марганецсодержащего концентрата и алюминийсодержащего материала, при этом шихтовые материалы подают в количестве, обеспечивающем в агломерате соотношение углерода, алюминия и марганца (15,0-20,0):(5,0-7,0):(18,0-22,0); алюминийсодержащий материал, входящий в состав окатышей промежуточного и верхнего слоев, содержит в своем составе глинозем и металлический алюминий, а отношение углерода, входящего в состав окатышей верхнего слоя, к углероду, входящему в состав агломерационной шихты нижнего слоя, составляет 2,9-3,2.

Частично металлизованный агломерат используют для легирования стали марганцем с одновременной десульфурацией металлического расплава. При этом входящий в состав агломерата металлический марганец, восстановленный при высокотемпературном нагреве в процессе агломерации, во время легирования им стали ввиду своей высокой плотности, почти в два раза превышающей плотность агломерата, осаждается в жидком слое образующегося шлака, погружаясь в объем металлического расплава. Капли плавящегося марганца коалесцинируют в объеме шлакового расплава до размеров ≥ 1,0 мм, что обеспечивает возможность их осаждения с высокой скоростью. Время осаждения металлических капель такого размера при толщине шлакового слоя до 7,0 мм не превышает 0,05 секунды. В подшлаковой зоне металлического расплава концентрация кислорода резко уменьшается в результате интенсивного раскисления металла входящим в состав агломерата алюминием. При этом парциальное давление кислорода в этой зоне оказывается ниже парциального давления в основном металле на несколько порядков. Таким образом, из-за существенной разницы в содержании кислорода в подшлаковой зоне образуется диссипативная структура, характеризующаяся значительным удалением системы металл-шлак от термодинамического равновесия. В этой структуре созданы условия для интенсивного (порогового) взаимодействия растворенной в объеме металлического расплава серы с каплями погружающегося в расплав марганца, содержание которого в каплях на первых порах составляет несколько десятков процентов. Высокая концентрация марганца в капле, высокая температура металлического расплава и сверхнизкая окисленность металла в зоне взаимодействия марганца и серы создают благоприятные условия для глубокой десульфурации металла. Десульфурация металлического расплава осуществляется в соответствии с реакцией:

Сульфиды марганца всплывают на поверхность металлического расплава и ассимилируются образующимся известково-глиноземистым шлаком, обладающим высокой серопоглотительной способностью, где происходит реакция:

Таким образом осуществляют первый этап десульфурации. Образующаяся в результате реакции (2) закись марганца вступает в реакцию восстановления с содержащимся в составе агломерата алюминием по реакции:

повышая тем самым восстановимость марганца из агломерата.

Второй этап десульфурации осуществляют образующимся в процессе легирования стали марганцем изестково-глиноземистым шлаком.

Подача шихтовых материалов в количестве, обеспечивающем в агломерате соотношение углерода, алюминия и марганца (15,0-20,0):(5,0-7,0):(18,0-22,0), обеспечивает получение частично металлизованного агломерата для легирования стали марганцем, обладающего способностью снижать содержание серы в металле, путем осуществления двухстадийного процесса десульфурации.

Часть углерода, входящего в состав агломерата, используется как топливо, другая его часть служит восстановителем марганца в процессе агломерации и способствует получению металлизованного агломерата, еще одна часть углерода остается в составе агломерата и используется в процессе легирования стали в качестве интенсификатора массообменных процессов при десульфурации стали. Уменьшение количества углерода ниже заявленных пределов приводит к уменьшению доли металлического марганца в агломерате, что отрицательно сказывается на процессе легирования стали: из-за снижения плотности часть агломерата ошлаковывается покровным печным шлаком. Это приводит к снижению восстановимости марганца при агломерации и в процессе легирования, при этом снижается степень десульфурации. Повышение содержания углерода выше заявленных пределов ухудшает тепловой режим легирования стали марганцем в результате снижения термичности агломерата, что приводит к снижению технологических показателей. Снижение расхода алюминия не только ухудшает показатели восстановимости марганца, но и снижает десульфурирующую способность образующегося в процессе легирования известково-глиноземистого шлака из-за уменьшения количества глинозема в шлаке, расходуемого на связывание диоксида кремния, входящего в состав марганецсодержащего материала, и повышающего тем самым активность десульфурирующего компонента - оксида кальция. Увеличение выше заявляемых пределов расхода алюминия приведет к образованию настылей в процессе агломерации, что отрицательно сказывается в процессе легирования стали марганцем, снижая восстановимость легирующего элемента - марганца и ухудшая процесс десульфурации.

Заявленные пределы содержания марганца в металлизованном агломерате обеспечивают получение высокой степени перехода марганца в металл в процессе легирования. Уменьшение содержания марганца в агломерате приводит к образованию повышенного количества шлака в процессе легирования, снижению восстановимости марганца, ухудшению десульфурации из-за повышения содержания в образовавшемся шлаке глинозема, что приводит к его загущению. Повышение содержания марганца выше заявляемых пределов также нерационально из-за увеличивающихся потерь невосстановленного марганца, а также ухудшения процесса десульфурации в результате повышенного содержания оксидов марганца в образующемся шлаке.

Высокая серопоглотительная способность шлака, образующегося в процессе легирования стали марганцем с использованием агломерата, полученного предлагаемым способом, обусловлена содержанием глинозема в пределах, близких к содержанию оксидов кальция. Глинозем в образующемся шлаке используется для связывания входящего в состав марганцевого концентрата диоксида кремния, что обеспечивает повышение активности оксида кальция, как основного десульфурирующего компонента шлака. Часть необходимого глинозема в предлагаемом способе вводят в виде алюминийсодержащего материала, в котором содержится металлический алюминий. Для сохранения металлического алюминия в составе частично металлизованного агломерата окатыши, состоящие из алюминийсодержащего материала, согласно предлагаемому способу подают пассивированными слоем смеси извести и каолина, взятых в соотношении (5,1-5,5):(1,1-1,3). Увеличение количества извести в пассивирующем слое выше заявленных пределов приводит к ухудшению механической прочности формируемых окатышей и сгоранию металлического алюминия в процессе агломерации, что приводит к снижению технологических показателей в процессе легирования стали - снижению восстановимости марганца и ухудшению показателей десульфурации. Снижение количества извести в пассивирующем слое также отрицательно влияет на показатели восстановимости марганца из-за снижения основности образующегося шлакового расплава, а также приводит к снижению серопоглотительной способности шлака. Уменьшение количества каолина в пассивирующем слое приводит к снижению прочности окатышей, их разрушению в процессе агломерации, сгоранию металлического алюминия и, как следствие, к ухудшению технологических показателей легирования стали и ее десульфурации. Повышение количества каолина в пассивирующем слое выше заявленных пределов приводит к увеличению концентрации диоксида кремния, входящего в состав каолина, что отрицательно сказывается на восстановимости марганца из-за снижения основности образующегося шлака и уменьшения серопоглотительной способности этого шлака.

Пример 1.

Частично металлизованный агломерат для легирования стали марганцем, согласно заявляемому способу, получали по следующей технологии.

Рудно-угольные офлюсованные окатыши готовили путем накатывания на углеродсодержащий материал (коксик) тонко измельченного до фракции 0,05 мм марганцевого концентрата карбонатной марганцевой руды химического состава, мас.%: Mn 29,1; SiO₂ 13,2; Al₂О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe₂О₃ 2,06; S 0,05; п.п.п. 28,5, в смеси с известью, содержащей 93,0% CaO, и каолином, содержащим 56% Al₂О₃ и 16% SiO₂, взятых в равных долях. Офлюсованные окатыши, состоящие из алюминийсодержащего материала, готовили путем накатывания на алюминийсодержащий материал, в состав которого входил Al_мет=35,0% и Al₂O₃=27,0%, тонко измельченного марганцевого концентрата в смеси с известью и каолином, взятых в равных долях. Неофлюсованные рудно-угольные окатыши готовили путем накатывания тонко измельченного марганцевого концентрата на углеродсодержащий материал.

Осуществляли укладку нижнего слоя агломерационной шихты, состоящей из марганцевого концентрата, флюса, в качестве которого использовали доломитизированную известь, в состав которой входит 56,0% CaO и 19,6% MgO, и обожженную известь, содержащую 93,0% CaO, и углерода, в количестве 1,0-7,0% общего количества шихты в нижнем слое. На нижний слой разместили промежуточный слой окатышей, состоящих из алюминийсодержащего материала, пассивированного слоем, состоящим из смеси извести и каолина, взятых в соотношении (5,1-5,5):(1,1-1,3). Затем из полученных офлюсованных рудно-угольных, алюминийсодержащих и неофлюсованных рудно-угольных окатышей, которые смешивали в соотношении ведущих элементов - углерода, алюминия и марганца, содержащихся в них, равном (15,0-20,0):(5,0-7,0):(18,0-22,0) соответственно, формировали верхний слой.

Постель, агломерационную шихту и окатыши загрузили послойно согласно предлагаемому способу в спекательную чашу с общей высотой слоя 450 мм и осуществляли высокотемпературный нагрев в течение 12 минут, поддерживая температуру на уровне 1100°С.

Частично металлизованный агломерат по способу ближайшего аналога изготавливали следующим образом.

Из смеси тонкоизмельченного марганцевого концентрата химического состава, мас.%: Mn 29,1; SiO₂ 13,2; Al₂О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe₂O₃ 2,06; S 0,05; п.п.п. 28,5, твердого топлива, в качестве которого использовали коксовую мелочь крупностью 3 мм, флюса, в качестве которого использовали известняк крупностью 0-3 мм, а также извести изготавливали офлюсованные и неофлюсованные окатыши диаметром 10-20 мм. Агломерационную шихту готовили из крупнозернистого марганцевого концентрата, флюса и коксовой мелочи. Содержание углерода топлива в верхнем слое составило 15%, в нижнем слое - 2,5%. Постель, агломерационную шихту и рудно-угольные окатыши загружали послойно в спекательную чашу с общей высотой слоя 450 мм, при весовом соотношении окатыши:агломерационная шихта - 60:40%. Высокотемпературный нагрев осуществляли в течение 9 минут, поддерживая температуру на уровне 1200°С.

Технологические параметры производства частично металлизованного агломерата для легирования стали представлены в таблице 1 (№№ 1-3 - предлагаемый способ, № 4 - способ - ближайший аналог).

Плавки с использованием частично металлизованного агломерата для легирования стали марганцем, полученного заявляемым способом, и частично металлизованного агломерата, изготовленного по способу ближайшего аналога, проводили в индукционной печи ИСТ - 006. В качестве металлошихты использовали металл химического состава, мас.%: С 0,04-0,05; Mn 0,10-0,12; Si 0,01-0,03; S 0,019-0,021; P 0,010-0,015. Пробы металла на химический анализ отбирали через 5 минут после обработки металлического расплава вводимыми материалами.

Результаты опытных плавок представлены в таблице 2.

Как свидетельствуют данные, приведенные в таблице 2, в плавке с использованием металлизованного агломерата для легирования стали марганцем, полученного по заявляемому способу, показатели десульфурации значительно превосходят показатели плавки с использованием частично металлизованного агломерата, изготовленного по известному способу, переход марганца в металл также существенно выше, чем с использованием агломерата, изготовленного по известному способу.

Таблица 1№ п/пКоличество материалов, %Отношение С:Al:MnКоличество подаваемого углеродсодержащего материала, %Количество материалов, входящих в пассивирующий слой, кг/тМарганцевый концентратАлюминийсодержащий материалУглеродсодержащий материалВ верхний слойВ нижний слойОтношение С_верх/С_низИзвестьКаолин155,020,018,814,3:7,0:22,014,04,82,95,51,2245,014,316,012,1:5,0:18,012,04,03,05,11,3340,017,019,7015,0:6,0:16,015,04,73,25,31,14*55,0 17,5 15,02,56,0  4* - расход флюса (известняка и извести) составил 12,5%.

Таблица 2№ п/пСодержание марганца в стали, %Содержание серы в стали, %Восстановимость марганца, %Степень десульфурации, %Исходный металлГотовая стальИсходный металлГотовая сталь1.0,100,540,0200,00796,563,22.0,100,530,0210,00893,561,93.0,110,560,0200,00697,170,04.0,110,520,0190,01847,35,1

Изобретение относится к металлургической промышленности, преимущественно к подготовке сырья для легирования стали марганцем, и может быть использовано в технологии прямого легирования стали. Шихту укладывают послойно. В нижний слой подают агломерационную шихту, состоящую из марганецсодержащего концентрата, флюса и коксовой мелочи. На нижний слой подают промежуточный слой окатышей, состоящих из алюминийсодержащего материала, пассивированных слоем смеси извести и каолина, взятых в соотношении (5,1-5,5):(1,1-1,3). В верхний слой подают офлюсованные и неофлюсованные рудно-угольные окатыши с рудной частью в виде марганецсодержащего концентрата и дополнительно офлюсованные окатыши, состоящие из марганецсодержащего концентрата и алюминийсодержащего материала. Шихтовые материалы подают в количестве, обеспечивающем в агломерате соотношение углерода, алюминия и марганца (15,0-20,0):(5,0-7,0):(18,0-22,0). Алюминийсодержащий материал, входящий в состав окатышей промежуточного и верхнего слоев, содержит в своем составе глинозем и металлический алюминий, а отношение углерода, входящего в состав окатышей верхнего слоя, к углероду, входящему в состав агломерационной шихты нижнего слоя, составляет 2,9-3,2. Изобретение позволит обеспечить высокую десульфурирующую способность агломерата и повышает восстановимость марганца. 2 табл.

Способ производства частично металлизованного агломерата для легирования стали марганцем, включающий послойную укладку шихты с подачей в верхний слой офлюсованных и неофлюсованных рудно-угольных окатышей с рудной частью в виде марганецсодержащего концентрата, а в нижний слой - агломерационной шихты, состоящей из марганецсодержащего концентрата, флюса и коксовой мелочи, их высокотемпературный нагрев, отличающийся тем, что послойную укладку шихты ведут с подачей на нижний слой промежуточного слоя окатышей, состоящих из алюминийсодержащего материала, пассивированных слоем смеси извести и каолина, взятых в соотношении (5,1-5,5):(1,1-1,3), а в верхний слой - с дополнительной подачей офлюсованных окатышей, состоящих из марганецсодержащего концентрата и алюминийсодержащего материала, при этом шихтовые материалы подают в количестве, обеспечивающем в агломерате соотношение углерода, алюминия и марганца (15,0-20,0):(5,0-7,0):(18,0-22,0), алюминийсодержащий материал, входящий в состав окатышей промежуточного и верхнего слоев, содержит в своем составе глинозем и металлический алюминий, а отношение углерода, входящего в состав окатышей верхнего слоя, к углероду, входящему в состав агломерационной шихты нижнего слоя, составляет 2,9-3,2.