Способ внепечной обработки стали в ковше Российский патент 2020 года по МПК C21C7/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали с низким содержанием серы с применением методов внепечной обработки шлакообразующими смесями для наведения и разжижения шлаков в установках «ковш-печь» (УКП) и вакууматорах.

Известно, что для уменьшения вязкости высокоосновных шлаков в качестве флюса, предназначенного для разжижения, применяют плавиковый шпат (CaF₂), песок и шамотный бой. Особенно сильно понижает вязкость CaF₂. Использование плавикового шпата позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основности, что особенно важно для эффективного удаления серы. Широко применяемый для наводки шлака плавиковый шпат обычно содержит 90-95% CaF₂, <3,0% SiO₂ и <0,2% S. Однако плавиковый шпат отрицательно влияет на экологию и снижает стойкость шлакового пояса футеровки сталеразливочного ковша.

Известен способ выплавки рельсовой стали в дуговой электросталеплавильной печи (патент РФ №2235790, Способ выплавки рельсовой стали, МКИ С21С 5/52, С21С 7/076 (2000.1), опубл. 10.09.2004 Бюл. №25), включающий выпуск полученного расплава из печи в ковш с отсечкой печного шлака. При выпуске плавки в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь, состоящую из компонента, повышающего основность шлака (кальцийсодержащий компонент - известь), и компонента, способствующего повышению жидкотекучести шлака (флюс - плавиковый шпат), при соотношении (1,0-1,5):(0,3-0,5), соответственно, и необходимые раскислители и легирующие с доведением до заданной температуры и требуемого химического состава, в том числе по содержанию серы. В связи с отсечкой печного шлака в ковше наводят шлак из твердой шлакообразующей смеси, соотношение и количество смеси выбрано исходя из рафинирующей и теплоизолирующей способности ковшевого шлака.

Существенным недостатком известного способа является недостаточная степень десульфурации и значительное содержание фосфора в стали вследствие рефосфорации при выпуске плавки в ковш.

Известен способ внепечной обработки стали (патент РФ №2440421, Способ внепечной обработки стали, МПК С21С 7/00 (2006.1), опубл. 20.01.2012 Бюл. №2), включающий выпуск металла из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, раскисление стали алюминием и ввод кальцийсодержащих шлакообразующих материалов, при этом при выпуске металла из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш в качестве кальцийсодержащих шлакообразующих материалов вводят известь в количестве 600-700 кг/т и плавиковый шпат в количестве 150-180 кг/т. После проведения усреднительной продувки аргоном в расплав вновь подают 300-350 кг/т извести, 120-150 кг/т плавикового шпата и 150-200 кг/т алюминиевой катанки.

Недостаток известного способа заключается в том, что при взаимодействии высококонцентрированного фтористого кальция с расплавом металла фтор выделяется в атмосферу - загрязняя окружающую среду, а также снижает стойкость огнеупорной футеровки ковшей.

Известен способ производства низкокремнистой стали (патент РФ №2465340, Способ производства низкокремнистой стали, МПК С21С 7/00, опубл. 27.10.2012 Бюл. №30), в котором внепечную обработку металла проводят на агрегате «печь-ковш», после поступления плавки на указанный агрегат удаляют покровный шлак из сталеразливочного ковша, наводят новый покровный шлак присадкой извести и плавикового шпата в пропорции (4-5):1 с суммарным расходом материалов 7-12 кг/т, проводят раскисление стали первичным алюминием, нагрев металла до температуры не менее 1620°С, после чего снова производят инжектирование флюидизированной извести в количестве 2,8-4,2 кг/т.

Известен способ производства стали с низким содержанием серы (патент РФ №2479636, МПК С21С 5/52, С21С 7/076, опубл. 20.04.2013 Бюл. №11), включающий получение полупродукта в сталеплавильном агрегате, выпуск плавки в ковш, отсечку во время выпуска печного шлака, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси, внепечную обработку на агрегате «печь-ковш». При выпуске плавки в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь в количестве 2,0-2,7 кг/т, состоящую из извести 75-80 мас. % и флюорит-селлаитового концентрата 20-25 мас. %, обработку проводят на агрегате «печь-ковш» в течение 45-75 минут, причем для завершения десульфурации металла в ковш дополнительно присаживают такую же твердую шлакообразующую смесь в количестве 0,3-0,6 кг/т, состоящую из извести 75-80 мас. % и флюорит-селлаитового концентрата 20-25 мас. %, во время обработки сталь продувают аргоном через донные пористые фурменные блоки с расходом 20-50 м³/ч (прототип).

Общими недостатками данных способов является использование в качестве флюса, способствующего увеличению жидкотекучести шлака, плавикового шпата, что приводит к низкой стойкости футеровки и загрязнению окружающей среды фтором, выделяющимся в атмосферу при взаимодействии высококонцентрированного фтористого кальция с расплавом металла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность наведения жидкоподвижного шлака с низкой температурой плавления путем использования в качестве твердой шлакообразующей смеси материала инертного по отношению к огнеупорной футеровке ковшей, повышение стойкости футеровки периклазоуглеродистых ковшей без снижения качества плавки за счет обеспечения высокой степени десульфурации металла, улучшение экологической обстановки в цехе, снижение затрат на производство стали.

Указанный технический результат достигается в способе внепечной обработки стали в ковше, включающем выпуск расплава из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, отсечку в процессе выпуска печного шлака, подачу в ковш твердой шлакообразующей смеси (ТШС), содержащей кальцийсодержащий материал в виде извести и флюс, предназначенный для разжижения шлака, согласно изобретению в качестве флюса используют шлаковые отходы производства лигатур следующего состава, мас. %: 50,0-85,0 оксида алюминия, не более 5,0 оксида кремния, не более 0,5% оксида железа, остальное - оксид кальция, в количестве 0,4-0,9 кг/т стали, с размером кусков 5-50 мм, при этом соотношение компонентов твердой шлакообразующей смеси соответственно флюс: известь не выше 1:5,6, а суммарный расход смеси не более 6,4 кг/т стали.

Использование для наведения шлака твердой шлакообразующей смеси на основе извести и шлаковых отходов производства лигатур, содержащих оксиды алюминия и оксиды кремния, в виде флюсующей добавки, предназначенной для разжижения шлака, инертного по отношению огнеупорной футеровке установки ковш-печь обеспечивает стойкость шлакового пояса футеровки ковша и улучшает экологическую обстановку без ухудшения степени десульфурации металла.

При содержании в шлаковых отходах оксида алюминия более 85% резко увеличивается стоимость материала и время растворения кусков флюса. При его содержании менее 50% возрастает количество флюса, необходимое для наведения жидкоподвижного шлака.

Кроме того, минимальная температура плавления в двойной системе СаО-Al₂O₃ равна 1390°С и соответствует эвтектическому составу майенита 12СаО⋅7Al₂O₃, а в тройной системе CaO-Al₂O₃-SiO₂, минимальная температура плавления составляет 1190°С, что позволяет существенно снизить вязкость и температуру плавления шлака, т.е. флюсовая составляющая шлакообрразующей смеси обязательно должна содержать в составе оксид кремния SiO₂. При содержании во флюсе более 5% оксида кремния увеличивается количество извести, необходимое для получения требуемой основности, что при суммарном расходе шлакообразующей смеси выше 6,4 кг/т стали приводит к увеличению энергетических затрат. Содержание оксида железа во флюсе менее 0,5% отрицательно не влияет на качество стали, позволяя присаживать шлакообразующую смесь во все периоды плавки, обеспечивая возможность поддержания жидкоподвижности шлака по ходу выпуска, улучшая рафинирование стали и тепловой баланс плавки.

Куски флюса размером менее 5,0 мм будут выдуваться из установки «печь-ковш», а более 50 мм требуют большего времени их растворения.

Диапазон значений расхода флюса в пределах 0,4-0,9 кг/т обусловлен необходимостью ускоренного наведения покрывного шлака в ковше за счет образования легкоплавкой эвтектики Al₂O₃ физико-химическими процессами раскисления и легирования стали в ковше. При меньших значениях не будет снижаться избыточная окисленность стали. При больших, будет происходить перерасход алюминия. При этом повышается эффективность удаления серы из расплава за счет снижения температуры плавления и вязкости шлака.

При этом соотношение компонентов в ТШС флюс : известь необходимо поддерживать не выше 1:5,6, так как при большем соотношении снижается жидкоподвижность наведенных шлаков и снижется степень десульфурации металла.

В качестве основы твердой шлаковой смеси используется известь, представляющая собой оксидное соединение кальция (СаО), которую получают обжигом известняка в шахтных печах при 1100-1300°С. Известно, что оксид кальция в металлургических процессах является шлакообразующим компонентом, обеспечивающим удаление вредных примесей, в частности серы, из расплавленного металла. Однако оксид кальция имеет высокую температуру плавления (2630°С) и требует для расплавления больших затрат тепла. Поэтому для снижения температуры плавления извести вместе с ней в шлаковых смесях используют различные добавки.

Пример осуществления

После выплавки в конвертере емкостью 300 т низкоуглеродистой стали ее выпускают из конвертера в сталеразливочный ковш соответствующей емкости с отсечкой печного шлака и производят внепечную обработку на установке ковш- печь.

На установке УКП в условиях промышленного производства были проведены опытные плавки, в которых плавиковый шпат был заменен на флюс, содержащий, мас. %: 58 Al₂O₃, 5,0 SiO₂, 0,4 FeO, 36,6 СаО. По приходу плавок на УКП, производилась доводка расплава по окисленности и обработка металла путем подачи на его поверхность ТШС, состоящей из извести крупностью 20-40 мм и флюса (шлаковых отходов производства лигатур) крупностью 5-50 мм.

Компоненты подавались в ковш порциями: до и во время нагрева металла. По результатам визуального контроля состояния шлака добавлялась дополнительная порция ТШС.

Для оценки эффективности использования предлагаемого флюса при обработке стали на установке ковш-печь и проведения десульфурации, была произведена опытная партия плавок: 13 плавок - низкоуглеродистая сталь (содержание кремния на выпуске до 0,03%), 1 плавка - среднеуглеродистая сталь (содержание кремния на выпуске от 0,05 до 0,15%); 1 - плавка низколегированная сталь (содержание кремния на выпуске от 0,17 до 0,37%). Содержание серы на выпуске металла в ковш составило от 0,01 до 0,015.

В качестве сравнительных плавок использовались плавки текущего производства, в которых формирование высокоосновного, жидкоподвижного раскисленного шлака на УКП достигается присадками чушкового алюминия с расходом от 0,5 до 0,7 кг/т 0,15 до 0,20 т, извести и плавикового шпата в соотношении 4:1 суммарно от 6,7-8,3 кг/т.

Продолжительность одной присадки шлакообразующих материалов составляет от 2,0 до 3,0 минут. В целом, жидкоподвижный шлак при использовании плавикового шпата обычно наводится на шестой - восьмой минуте.

К недостаткам данной технологии относятся:

1 Формирование рафинирующего шлака занимает продолжительное время и затрудняет проведение процесса десульфурации.

2 Используемый в качестве разжижителя шлака, плавиковый шпат отрицательно влияет на экологию и снижает стойкость футеровки шлакового пояса сталеразливочного ковша.

3. В процессе плавки происходит испарение фтора и, в связи с этим, загущение шлака, что понижает его десульфурирующую способность

Ниже приведены основные параметры опытных и сравнительных плавок с использованием плавикового шпата и предлагаемого флюса.

Средняя степень десульфурации опытного низкоуглеродистого металла с содержанием кремния не более 0,03% выше на 25,24%, чем на сравнительных и в среднем составила 40,75%, против 29,5% на сравнительных.

Суммарный расход шлакообразующих материалов известь и предлагаемый флюс на опытных плавках составил от 4,67 до 12,51 кг/т, в т.ч. с расходом флюса от 0,3 до 3,0 кг/т). На сравнительных плавках суммарный расход шлакообразующих материалов известь плюс плавиковый шпат составил от 3,37 до 15,26 кг/т, в т.ч. с расходом плавикового шпата от 0,49 до 2,00 кг/т.

Оптимальный интервал соотношения расхода предлагаемого флюса к извести - до 1:5,6, при этом суммарный расход шлакообразующих не должен превышать 6,4 кг/т.

Оптимальный расход флюса для наведения шлака на УКП находится в интервале от 0,4 до 0,9 кг/т. Оптимизация состава флюса и количества ТСШ позволяет выплавлять сталь, содержащую 0,01-0,015 серы.

Использование предлагаемого флюса при десульфурации металла позволило, за счет увеличения содержания Al₂O₃ в шлаке, снизить суммарный расход алюминия (чушковый плюс пирамидальный). На опытных плавках он составил в среднем 0,5 кг/т, против 0,58 кг/т - на сравнительных.

Расход извести практически остался на прежнем уровне, в среднем - 5,40 кг/т против - 5,35 кг/т на сравнительном металле.

По визуальной оценке, при наблюдении за ходом опытных плавок отмечено достаточно быстрое: уже на третьей минуте продувки, наведение жидкоподвижного шлака.

Таким образом, результаты проведенных испытаний показывают, что предлагаемое изобретение направлено на расширение арсенала средств для разжижения шлаков в сталеплавильном производстве, использование комплексного флюса способствует улучшению управления режимами шлакообразования, улучшению жидкоподвижности шлаков, увеличивает возможности использования шлаковых отходов в металлургическом производстве, снижение себестоимости процесса.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали с низким содержанием серы с применением методов внепечной обработки шлакообразующими смесями для наведения и разжижения шлаков в установках ковш-печь и вакууматорах. В качестве флюса используют шлаковые отходы производства лигатур следующего химического состава, мас. %: оксид алюминия 50,0-85,0, оксид кремния не более 5,0, оксид железа не более 0,5, оксид кальция остальное, в количестве 0,4-0,9 кг/т стали, с размером кусков 5,0-50 мм, при этом соотношение компонентов твердой шлакообразующей смеси соответственно флюс : известь не более 1:5,6, а суммарный расход упомянутой смеси не более 6,4 кг/т стали. Изобретение направлено на расширение арсенала средств для разжижения шлаков в сталеплавильном производстве, при этом использование комплексного флюса улучшает управление режимами шлакообразования и жидкоподвижности шлаков, увеличивает возможности использования шлаковых отходов в металлургическом производстве. 1 пр.

Способ внепечной обработки стали в ковше, включающий выпуск расплава стали из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш с отсечкой печного шлака в процессе выпуска, подачу в ковш твердой шлакообразующей смеси, содержащей кальцийсодержащий материал в виде извести и флюс для разжижения шлака, отличающийся тем, что в качестве флюса используют шлаковые отходы производства лигатур следующего химического состава, мас. %: оксид алюминия 50,0-85,0, оксид кремния не более 5,0, оксид железа не более 0,5, оксид кальция остальное, в количестве 0,4-0,9 кг/т стали, с размером кусков 5,0-50 мм, при этом соотношение компонентов твердой шлакообразующей смеси соответственно флюс : известь не более 1:5,6, а суммарный расход упомянутой смеси не более 6,4 кг/т стали.