СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ СТАЛЬНОГО РАСПЛАВА Российский патент 2008 года по МПК C21C5/35 C21C5/48 

Изобретение касается способа и устройства для обезуглероживания стального расплава при выплавке нержавеющей стали в металлургической емкости, в частности в конвертере, при котором стальной расплав обрабатывается кислородом и при необходимости инертным газом, в частности аргоном и/или азотом.

В способе для обезуглероживания стального расплава, в частности при AOD-процессе, известно, что при содержании углерода свыше 0,3 мас.% удаление углерода осуществляется посредством вдувания кислорода через верхнюю фурму. При содержании углерода в стальном расплаве менее 0,3 мас.% обезуглероживание продолжается с помощью применения погруженных фурм. Однако при применении погруженных фурм в принципе не достигается достаточное перемешивание стального расплава. Кроме того, в зоне действия фурм существует высокое ферростатическое давление, которое отрицательно влияет на удаление углерода.

Из US 55407536 А, С21С 5/35, 30.07.1996 известен способ для обезуглероживания расплава в процессе выплавки нержавеющей стали в металлургической емкости, в частности в конвертере, включающий обработку расплава кислородом и при необходимости инертным газом, в частности аргоном и/или азотом, при помощи дутьевого устройства, содержащего верхнюю продувочную фурму с соплом Лаваля для подачи кислорода на поверхность расплава, в котором также имеются указанные недостатки.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, свойственных уровню техники, и разработка способа согласно ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения, а также устройства в соответствии с ограничительной частью другого независимого пункта, с помощью которых может осуществляться особо экономичное и эффективное обезуглероживание стального расплава.

Эта задача решается с помощью соответствующего изобретению способа с признаками отличительной части независимого пункта 1 формулы изобретения, а также соответствующего изобретению устройства с признаками отличительной части другого независимого пункта формулы.

При совместном применении погруженных фурм и верхней продувочной фурмы достигается особенно хорошее перемешивание металлической ванны.

При предлагаемых мероприятиях значительно ускоряется удаление углерода по сравнению с уровнем техники.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления предложенного способа при обезуглероживании стального расплава с содержанием углерода менее 0,3 мас.% преобладающая часть кислорода, который подается сверху через дутьевое устройство и через отверстие под поверхностью стального расплава, поступает в расплав сверху через дутьевое устройство.

За счет предлагаемого мероприятия значительно ускоряется удаление углерода по сравнению с уровнем техники.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления предложенного способа через отверстие под поверхностью стального расплава непосредственно продувается такое количество газа, в частности кислорода, которое препятствует блокированию отверстия и/или одновременно надежно обеспечивает достаточное перемешивание расплава.

В одном из особых вариантов осуществления предложенного способа дутьевое устройство выполнено в виде фурмы и кислород через фурму подается на поверхность стального расплава.

По другому из особых вариантов осуществления предложенного способа фурма имеет сопло Лаваля и кислород через сопло Лаваля подается на поверхность стального расплава.

С помощью сопла Лаваля может быть реализована эффективная, как в техническом плане, так и с точки зрения экономики, высокая скорость потока. Так как в нормальном случае на поверхности стального расплава находится слой шлака, скорость потока, направленного для обработки расплава, имеет решающее значение. Только высокая скорость газа, которая может быть достигнута предпочтительно с помощью применения сопла Лаваля, гарантирует контакт газового потока, в частности кислорода, со стальным расплавом и таким образом достаточное перемешивание и обезуглероживание.

По другому из особых вариантов исполнения предложенного способа при содержании углерода выше критического значения 0,2 мас.%, в частности при содержании выше, чем 0,3-0,4 мас.%, особенно предпочтительно, когда содержание углерода выше 0,5 мас.%, кислород в стальной расплав подается через верхнюю фурму, оснащенную первым соплом Лаваля, в количестве D1, а при содержании углерода ниже критического значения через фурму, оснащенную вторым соплом Лаваля, в количестве D2, причем D2<D1.

По одному из особых вариантов осуществления изобретения первое и второе сопла Лаваля имеют различные диаметры.

По одному из особых вариантов осуществления настоящее изобретение касается способа и устройства для комбинированной продувки кислородом и/или инертным газом сверху и через днище стального расплава в плавильной емкости с целью обезуглероживания, при котором требуемое количество кислорода подается главным образом через одну или несколько верхних фурм, и требуемый подбор интенсивности продувки кислородом и/или инертным газом осуществляется во время работы путем изменения конфигурации дутьевого устройства, в идеальном случае путем включения в работу второй фурмы. Таким образом достигается обеспечение оптимальной струи газа (хорошее перемешивание ванны) и повышение срока службы фурмы. По одному из особых вариантов исполнения изобретения вторая фурма рассчитывается на более низкую интенсивность продувки и соответственно на меньший объем проходящего газа. По одному из особых вариантов исполнения изобретения удельная интенсивность продувки на вторую фурму устанавливается в пределах от 0,5 до 1 нм³/(т·мин).

По одному из особых вариантов осуществления изобретения наконечник используемой фурмы снабжен одним соплом Лаваля.

По одному из других вариантов исполнения изобретения кислород и/или инертный газ подается на расплав металла через вторую фурму.

По одному из дополнительных вариантов осуществления изобретения вторая фурма применяется при низком содержании углерода с меньшей интенсивностью дутья. По одному из других особых вариантов осуществления соотношение в смеси кислород/инертный газ, подаваемой к расплаву металла, выбирается во время процесса в зависимости от фактической концентрации углерода в расплаве.

По одному из особых вариантов осуществления изобретения критическая концентрация углерода (момент начала применения второй фурмы) зависит прежде всего от условий процесса, в частности от химического состава и температуры расплава металла и/или от других термохимических условий.

По одному из особых вариантов осуществления изобретения рабочее положение фурм и интенсивность продувки соответственно определяются во время проведения процесса обезуглероживания.

По одному из особых вариантов осуществления изобретения размеры погруженных фурм при достаточном перемешивании уменьшены по сравнению с известным уровнем техники. По одному из особых вариантов осуществления изобретения через погруженные фурмы подается смесь кислород/инертный газ, в частности, с удельной интенсивностью от 01, до 0,3 нм³/(т·мин), для предотвращения закупоривания фурм.

По одному из особых вариантов осуществления изобретения погруженные фурмы расположены в днище или в боковой стенке металлургической емкости.

По одному из особых вариантов осуществления изобретения погружные фурмы выполнены в виде классических фурм и/или продувочных пробок.

В одном из процессов AOD-L или K-OBM-S, известных из уровня техники, на первом этапе обезуглероживания применяется верхняя фурма, оснащенная наконечником с соплом Лаваля. При содержании углерода в стальном расплаве 0,3 мас.% верхняя фурма отключается и дальнейшее удаление углерода проводится с помощью вдувания кислорода и при необходимости инертного газа через одну или несколько погруженных фурм. Продолжительность применения верхней фурмы составляет в зависимости от начального содержания углерода в расплаве около 15-20% от общего времени процесса.

Удаление углерода идет по реакции:

Cr₂О₃+3С→2Cr+3СО.

На эту реакцию большое влияние оказывает парциальное давление СО. Чтобы обеспечить более благоприятные условия для удаления углерода, парциальное давление СО снижается с помощью введения в стальной расплав инертного газа (Ar/N₂).

Согласно уровню техники такое введение осуществляется с помощью одной или нескольких погруженных фурм и/или верхней фурмы.

По сравнению с вдуванием газов для обработки расплава с помощью верхней фурмы (Top-Lance-Blowing) условия для удаления углерода при использовании погруженных фурм вследствие наличия ферростатического давления значительно менее благоприятны. В связи с этим настоящим изобретением предлагается дальнейшее удаление углерода проводить с помощью дутья сверху (Top-blowing) и интенсифицировать перемешивание.

При этом согласно одному из особых вариантов осуществления изобретения предусмотрено добавление, например, определенного количества инертного газа к кислороду, подаваемому через верхнюю фурму, для чего могло бы подготавливаться необходимое для работы фурмы с соплом Лаваля количество газа. Доля инертного газа добавляемого к кислороду, должна быть ограничена в пределах, заданных условиями процесса, чтобы минимизировать расход инертного газа, в частности расход Ar/N₂. Суммарное количество газа, подаваемого через верхнюю фурму, должно выбираться таким образом, чтобы не допускать повышенного износа наконечника фурм и/или тела фурм и при этом обеспечивать рациональное использование подаваемого газа.

Изобретение касается способа и устройства для удаления углерода в емкости, имеющей огнеупорную футеровку, в частности в емкости, выполненной в форме конвертера, в котором производится выплавка стали, в том числе и легированных марок. Благодаря предложенному способу, с одной стороны, при комбинированной продувке (Top + Bottom) в соответствующей емкости, в частности в конвертере, обеспечивается оптимальное перемешивание и, следовательно, улучшается транспортировка углерода для образования СО и, с другой стороны, используется более низкое парциальное давление СО при продувке сверху (Top-Lance-Blowing), а тем самым и более благоприятные условия для удаления углерода, по сравнению с продувкой снизу (Bottom-Blowing). Технологией Bottom-Blowing, соответственно определению, обозначается продувка реакционного газа под поверхностью расплава металла. Технологией Top-Blowing соответственно обозначается подача реакционного газа сверху на поверхность расплава.

В соответствии с изобретением удаление углерода в металлургической емкости подразделяется на две стадии. На первой стадии, во время которой подача кислорода определяется скоростью проходящей химической реакции, удаление углерода осуществляется при более высоком содержании углерода при комбинированном применении верхней и нижней продувки (Тор- и Bottom-Blowing), при этом количество газа, которое подается в ванну через донные фурмы, минимизируется таким образом, чтобы не вызывать разрывания фурм в днище печи. Во время второй стадии при содержании углерода ниже критической величины, которая составляет, например, при хромосодержащих сталях между 0,3-0,4 мас.%, процесс транспорта вещества, идущий при удалении углерода, определяет скорость проходящей реакции. Чтобы минимизировать окисление металлических элементов в ванне и обеспечить необходимую температуру процесса, интенсивность продувки кислородом соответственно уменьшается. Во время второй стадии требуемое количество кислорода подается согласно предпочтительному варианту исполнения предложенного способа главным образом сверху через фурму, преимущественно с добавлением инертного газа.

Так как во время второй стадии желательное количество газа для обработки и соответственно желательная интенсивность продувки через фурму отличается от первой стадии удаления углерода, то согласно одному из особых вариантов осуществления предложенного способа устанавливается и используется соответственным образом рассчитанная вторая фурма, при этом расчет наконечника фурмы (с соплом Лаваля) производится точно в соответствии с требованиями в этой стадии. По одному из других предпочтительных вариантов исполнения изобретения фурма, которая применялась во время первой стадии продувки, может быть подвергнута механической подгонке (переключение или перестановка) таким образом, чтобы можно было обеспечить требуемую интенсивность дутья, а также требуемый характер струи газа. Соотношение кислорода и инертного газа в смеси, подаваемой через вторую фурму, подбирается во время обезуглероживания в зависимости от содержания углерода. Через погруженные фурмы согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления подается смесь кислорода с инертным газом таким образом, чтобы воспрепятствовать размыванию или закрытию фурм и обеспечить оптимальное перемешивание в ванне. После того как будет достигнуто требуемое содержание углерода в ванне, может последовать фаза восстановления, при которой осуществляется подача инертного газа через погруженные фурмы и/или через верхнюю фурму.

По одному из особых вариантов исполнения изобретения сопло Лаваля имеет механическое и/или электромагнитное устройство для изменения характеристик сопла Лаваля, касающихся количества газа, проходящего через сопло, например, с помощью изменения поперечного сечения сопла.

Ниже приведен пример сравнения результатов по получению нержавеющей стали с помощью одного из особых вариантов осуществления изобретения и по способу в соответствии с уровнем техники (обычный AOD-способ):

Исходные условия:

Исходный расплав: 3% С, 18,3% Cr, 3,5% Ni

Анализ из летки: 0,04% С, 18,3% Cr, 8,1% Ni, N<450 мг/кг,

Вес плавки: 120 т

Точка переключения N₂⇒Ar: 0,08% С

Способ по уровню техники: стандартный AOD способ с высотой стальной ванны 1,8 м

Ход процесса: верхняя фурма применяется, пока содержание углерода в стальном расплаве не достигнет уровня 0,3 мас.%, начиная с содержания углерода, равного 0,3 мас.%, продувка кислородом стального расплава осуществляется исключительно с помощью донных фурм.

Общее время обработки: 55,2 мин.

Ar: 8,5 нм³/т

Si: 13 кг/т

Известь: 51 кг/т

Огнеупоры: около 12 кг/т

Выход по Cr: 98%

Предложенный способ:

Ход процесса: Первая фурма применяется при удалении углерода, пока содержание углерода в стальном расплаве не станет равным 0,3 мас.% по весу. Затем используется вторая верхняя фурма, через которую вдувается смесь Ar/N₂/O₂.

Применяемый на второй стадии поток газов (Ar/N₂/O₂) сводит к минимуму возможность закрытия фурм при способе Bottem-Blowing.

Общее время обработки: 49,3 мин.

Ar: 7,2 нм³/т

Si: 8,6 кг/т

Известь: 31 кг/т

Огнеупоры: 8 кг/т

Выход Cr - 98,4%

Ниже не ограничивающий пример осуществления изобретения подробнее поясняется с помощью чертежа, на котором показано:

устройство для обработки стального расплава.

На чертеже показано устройство для обезуглероживания стального расплава по способу AOD. Устройство 1 включает металлургическую емкость 2, в частности конвертер, в котором находится стальной расплав 3, в частности расплав нержавеющей стали, преимущественно богатый хромом. Над стальным расплавом 3 плавает шлак 4. Стальной расплав 3 через донные фурмы 5 обрабатывается газом, который содержит кислород и при необходимости инертный газ, газ для обработки может содержать, в частности, такие газы, как кислород, азот, аргон или воздух. Далее включается первая верхняя фурма 6, через которую также подается газ для обработки, в частности кислород или смесь кислорода с инертным газом, особо предпочтительной является смесь кислорода с аргоном. Как видно на схематическом изображении, благодаря подаче обрабатывающего газа к стальному расплаву, если она производится с соответствующей высокой скоростью, которая может быть достигнута путем применения сопла Лаваля, происходит вытеснение шлаков. Таким образом обеспечивается оптимальный контакт обрабатывающего газа со стальным расплавом. Достаточная интенсивность газового потока, направленного через сопло Лаваля на металлический расплав, обеспечивает при этом хорошее перемешивание жидкости, находящейся в емкости. Вторая подготовленная верхняя фурма 7 на первой стадии, в которой производится удаление углерода при содержании углерода свыше 0,3 мас.%, не применяется.

На второй стадии реализации способа 1', которая соответствует удалению углерода при его содержании в стальном расплаве, преимущественно равном или ниже 0,3 мас.%, стальной расплав 3' в металлургической емкости 2' снова подвергается обработке газом через одну или несколько донных фурм. В противоположность этапу 1 на второй стадии 1' применяется вторая верхняя фурма 7', которая отличается от первой верхней фурмы 6' тем, что она также оборудована соплом Лаваля, которое рассчитано на отличающееся, в частности меньшее количество продуваемого газа. Шлак 4' благодаря работе фурмы 7' снова по крайней мере частично вытесняется со стального расплава. Фурма 6' во время второй стадии не работает.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к обезуглероживанию стального расплава в металлургической емкости. Способ содержит обработку расплава в конвертере кислородом и при необходимости инертным газом при помощи дутьевого устройства, содержащего верхнюю продувочную фурму с соплом Лаваля. При этом при содержании углерода в стальном расплаве более 0,3 мас.% кислород подают к расплаву через продувочную фурму, оснащенную первым соплом Лаваля, в количестве D1. При содержании углерода в расплаве менее 0,3 мас.% кислород подают через продувочную фурму, оснащенную вторым соплом Лаваля, в количестве D2, при этом D2<D1. Использование изобретения обеспечивает более экономичное и эффективное обезуглероживание стального расплава. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обезуглероживания расплава в процессе выплавки нержавеющей стали в металлургической емкости, в частности в конвертере, включающий обработку расплава кислородом и при необходимости инертным газом, в частности аргоном и/или азотом, при помощи дутьевого устройства, содержащего верхнюю продувочную фурму с соплом Лаваля для подачи кислорода на поверхность расплава, отличающийся тем, что при содержании углерода в расплаве более 0,3 мас.% кислород подают к расплаву через продувочную фурму, оснащенную первым соплом Лаваля, в количестве D1 и при содержании углерода в расплаве менее 0,3 мас.% через продувочную фурму, оснащенную вторым соплом Лаваля, в количестве D2, при этом D2<D1.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании углерода в расплаве менее 0,3 мас.%, кислород и при необходимости инертный газ, в частности аргон и/или азот, подают к расплаву через отверстие, расположенное под поверхностью расплава, а также через дутьевое устройство, расположенное над поверхностью расплава.3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании углерода в расплаве менее 0,3 мас.%, преобладающую часть кислорода, подаваемого через дутьевое устройство и через отверстие под поверхностью расплава, подают к расплаву через дутьевое устройство, расположенное над поверхностью расплава.4. Установка для обезуглероживания расплава в процессе выплавки нержавеющей стали в металлургической емкости (2) для приема расплава (3), содержащая дутьевое устройство, имеющее продувочную фурму (6) с соплом Лаваля, расположенное в верхней части емкости, для подачи сверху на поверхность расплава кислорода и, при необходимости инертного газа, в частности аргона и/или азота, отличающаяся тем, что дутьевое устройство снабжено по меньшей мере второй продувочной фурмой (7), причем каждая продувочная фурма (6, 7) имеет по меньшей мере одно сопло Лаваля, при этом продувочные фурмы выполнены с разными параметрами, обеспечивающими различные количества пропускаемого дутья, и с возможностью независимого друг от друга использования при обезуглероживании расплава (3).