способ выплавки стали в подовом сталеплавильном агрегате

Формула изобретения

1. Способ выплавки стали в подовом сталеплавильном агрегате, работающем скрап-процессом, включающий завалку в печь кальцийсодержащих шлакообразующих материалов, послойную загрузку металлошихты, содержащей полуфабрикат, состоящий из окисленного железосодержащего и углеродсодержащего материалов, залитых железоуглеродистым расплавом, плавление шихты, доводку и выпуск расплава, отличающийся тем, что в качестве кальцийсодержащих шлакообразующих материалов используют известняк и/или доломитизированный известняк, которые загружают с расходом 10-40 кг/т металлошихты, а в качестве полуфабриката используют шихтовый композитный материал, который загружают в печь одним слоем на кальцийсодержащие шлакообразующие материалы, при этом соотношение концентраций углерода и кислорода в полуфабрикате поддерживают в пределах 1-4, а расход полуфабриката выбирают из условия ввода в шихту кислорода в количестве 0,25-2,50% от массы металлошихты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в рабочее пространство печи дополнительно вводят известь и/или доломитизированную известь в количестве 3,5-15 кг/т металлошихты, при этом общий расход кальцийсодержащих шлакообразующих материалов в печи при пересчете на СаО поддерживают в пределах 7-30 кг/т металлошихты.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что используют твердый полуфабрикат, который дополнительно содержит кальций-содержащий или кальций-магнийсодержащий материал при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Окисленный железосодержащий материал - 2-15

Углеродсодержащий материал - 0,1-2,0

Кальцийсодержащий или кальций-магнийсодержащий материал - 0,5-20,0

Железоуглеродистый сплав - Остальное

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полуфабрикат в качестве кальцийсодержащего материала содержит известь, а в качестве кальций-магнийсодержащего материала - доломитизированную известь.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве железоуглеродистого материала полуфабрикат содержит передельный чугун или железоуглеродистый полупродукт, полученный после деванадации чугуна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к производству стали в мартеновских печах, работающих скрап-процессом.

Известен способ выплавки стали мартеновским скрап-процессом, при котором доля твердого чугуна в шихте составляет 25-50% и который включает завалку сыпучих шлакообразующих материалов (известняка 6-10%, боксита 0,2-1%), послойную загрузку металлошихты из скрапа и твердого чугуна, прогрев, плавление шихты, доводку и выпуск расплава. Этот способ, однако, характеризуется значительной длительностью периодов плавления, рудного кипения и плавки в целом, а также недостаточной степенью удаления фосфора [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выплавки стали в мартеновской печи преимущественно скрап-процессом [2].

Известный способ включает завалку сыпучих шлакообразующих материалов, послойную загрузку металлошихты из скрапа, твердого чугуна и полуфабриката, состоящего из окислителей, залитых жидким чугуном, прогрев, плавление шихты, доводку и выпуск расплава. Полуфабрикат загружают послойно порциями с общим расходом 5-85% от массы металлошихты, при этом первую порцию в количестве 10-80% от общего его количества загружают на сыпучие шлакообразующие материалы, а последнюю - на скрап под твердый чугун. Полуфабрикат дополнительно содержит углеродсодержащий материал при следующем содержании компонентов, мас. %: железорудные окатыши 5-17, углеродсодержащий материал 0,2-5,0, чугун - остальное.

Недостатками известного способа являются значительная продолжительность периодов завалки плавления и всей плавки в целом.

Причинами этого являются:

1) повышенный до 6-10% расход известняка в завалку, что требует дополнительных затрат тепла на его разложение и растворение оксида кальция в шлаке (одновременно это сопровождается интенсивным вспениваем шлака, ухудшающим нагрев ванны от факела и дефосфорацию расплава);

2) пониженное содержание углерода в металле по расплавлению (так называемое мягкое расплавление); чрезмерно интенсивное перемешивание ванны оксидом углерода, поступающим из известняка, и монооксидом углерода, образующимся в результате окисления углерода полуфабриката, вызывают интенсивное обезуглероживание ванны, приводя к мягкому расплавлению и требуя дополнительного ввода твердого чугуна;

3) повышенная доля углерода, окисляемого кислородом, поступающим из высших окислов железа (эта реакция носит эндотермический характер и ее чрезмерное развитие может привести к ситуации, когда расход тепла на эту реакцию не покрывается дополнительным поступлением тепла в результате перемешивания ванны монооксидом углерода; возникающий при этом дефицит тепла удлиняет время плавки).

Технической задачей настоящего изобретения является такая организация процесса выплавки стали, при которой улучшается тепловой баланс ванны, исключается "мягкое" расплавление, когда содержание углерода в ванне после расплавления оказывается ниже требуемого по технологии, и сокращается продолжительность периода завалки металлошихты.

Желаемым техническим результатом является сокращение продолжительности периода завалки и потребности ванны в тепле, получение заданного стабильного содержания углерода в металле по расплавлению с исключением случаев мягкого расплавления, ускоренное шлакообразование, улучшение дефосфорации, повышение стойкости футеровки печи.

Технический результат достигается способом выплавки стали в мартеновской печи, работающей скрап-процессом, включающим завалку в печь кальцийсодержащих шлакообразующих материалов, послойную загрузку металлошихты, содержащей полуфабрикат, состоящий из окисленного железосодержащего и углеродсодержащего материалов, предварительно залитых железоуглеродистым расплавом, плавление шихты, доводку и выпуск расплава. В качестве кальцийсодержащих шлакообразующих материалов используют известняк и/или доломитизированный известняк, которые заваливают в печь с расходом 10-40 кг/т металлошихты, при этом в качестве полуфабриката используют шихтовый композитный материал с соотношением концентрации углерода и кислорода в нем равным 1-4, а расход полуфабриката выбирают из условия ввода в шихту кислорода в количестве 0,25-2,5% от массы металлошихты.

Для повышения эффективности способа в рабочее пространство печи дополнительно вводят известь и/или доломитизированную известь в количестве 3,5-15 кг/т металлошихты, при этом общий расход кальцийсодержащих шлакообразующих материалов в печи в пересчете на СаО поддерживают в пределах 7-30 кг/т металлошихты.

Чтобы скомпенсировать снижение содержания оксида кальция в исходной шихте и обеспечить получение требуемого содержания углерода по расплавлении ванны, кальций и магнийсодержащий материал вводят в полуфабрикат в количестве 0,5-20% от общей массы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Окисленный железосодержащий материал - 2 - 15

Углеродсодержащий материал - 0,1 - 2

Кальцийсодержащий или кальций-магнийсодержащий материал - 0,5 - 20

Железоуглеродистый сплав - Остальное

при этом в качестве кальцийсодержащего материала полуфабрикат содержит известь, а в качестве кальций-магнийсодержащего материала - доломитизированную известь. В качестве железоуглеродистого сплава в полуфабрикате используют чугун и/или железоуглеродистый полупродукт, полученный после деванадации чугуна.

Способ осуществляют в мартеновской печи скрап процессом, при этом металлошихта содержит металлолом, полуфабрикат и твердый чугун в количестве 5-25% от ее массы. Полуфабрикат в металлошихту расходуют в пределах 20-60% от ее массы. Сокращение расхода известняка с 6-10% или в пересчете 60-100 кг/т металлошихты (по прототипу) до 10-40 кг/т позволяет снизить потребность ванны в подводимом тепле на 5-10%. При этом имеет место пропорциональное снижение количества оксида углерода, выделяющегося при разложении известняка, что снижает степень передачи тепла от факела к ванне. Однако это сокращение компенсируется дополнительным выделением монооксида, образующегося в результате реакции окисления имеющегося в полуфабрикате углерода оксидами железа твердого полуфабриката.

Благодаря этому снижается потребность ванны в тепле на разложение известняка и одновременно возрастает количество тепла, поступающего от факела к ванне под влиянием перемешивающего эффекта пузырей монооксида углерода. Последние, в отличие от СО₂, дожигаются в процессе прохождения через слои металла и шлака и над поверхностью ванны, дополнительно улучшая теплообмен в печи. Заявляемые пределы по расходу известняка, доломитизированной извести и общего расхода кальцийсодержащих шлакообразующих материалов, а также данные по составу полуфабриката и его расходу на плавку объясняются следующим образом.

Оптимальным количеством известняка является 10-40 кг/т металлошихта. При этом нижний предел относится к выплавке рядовых углеродистых сталей неответственного сортамента, а верхний предел относится к производству качественных и высококачественных углеродистых и легированных сталей.

При расходе известняка менее 10 кг/т его количества оказывается недостаточным для получения в шлаке периода плавления требуемой концентрации оксидов кальция и необходимой основности (на уровне 1,2-1,4). Кроме того, снижается интенсивность перемешивания ванны из-за уменьшения количества диоксида углерода, образующегося в результате разложения известняка. Это, в свою очередь, ухудшает перемешивание шлака и металла и уменьшает поступление тепла от факела к шлаку и металлу. Помимо этого, процесс разложения известняка при этом значительно меньше продолжительности плавления. Вместе взятые, эти факторы снижают воздействие известняка и продуктов его диссоциации на ванну и уменьшают эффективность способа.

При расходе известняка выше 40 кг/т расходы тепла на нагрев и разложение известняка и плавление оксидов кальция уже не компенсируются дополнительным приходом тепла от факела в ванну, обусловленным интенсивным перемешиванием шлака и металла диоксидом углерода, выделяющимся из известняка в процессе его термической диссоциации. В результате этого продолжительность периода плавления увеличивается. Одновременно с этим замедляется процесс шлакообразования, ухудшаются рафинирующие свойства шлака, снижается его температура. Это оказывает отрицательное влияние на дефосфорацию металла и увеличивает длительность доводки.

Использование полуфабриката с соотношением концентраций углерода и кислорода, равным 1-4, то есть выше стехиометрического значения 0,75, обеспечивает окисление части углерода, т.е. идет за счет кислорода, поступающего из оксидов железа, а другой части углерода - за счет горячего кислорода, поступающего из атмосферы печи, либо кислорода, вдуваемого в ванну. Благодаря этому, поступление тепла от окисления углерода горячим кислородом атмосферы печи превышает затраты тепла диссоциацию оксидов железа, повышая тем самым тепловой потенциал ванны. Одновременно с этим процесс окисления углерода растягивается и осуществляется на протяжении всего периода плавления. При этом достигается требуемое и стабильное содержание углерода в металле после его расплавления. Параллельно с этим сокращается количество вспененного шлака и его устойчивость, что положительно влияет на передачу тепла от факела к ванне.

За счет раннего окисления углерода, начинающегося в полуфабрикате при температуре 750-1100^oС еще в твердом состоянии до расплавления его металлической основы, усиливающегося после расплавления этой основы и дальнейшего повышения температуры металла, достигается непрерывное образование монооксида углерода. Последний, проходя через слой шихты, дожигается до СO₂, что дает шихте значительное количество дополнительного тепла. Процесс дожигания завершается в рабочем пространстве печи, повышая тем самым ее термическую мощность.

Раннее и интенсивное окисление углерода, сопровождающееся образованием газообразных продуктов реакции (моно- и диоксида углерода), усиливает перенос тепла от факела к твердой шихте, жидкому шлаку и металлу, ускоряя нагрев шихты, ее расплавление и нагрев ванны. Одновременно с этим выделяющийся при окислении углерода монооксид защищает скрап от излишнего окисления кислородом из атмосферы печи, а также ускоряет формирование шлака и обеспечивает его непрерывное перемешивание, способствуя ускорению переноса кислорода из атмосферы печи через шлак в жидкий металл и интенсификации процесса дефосфорации расплава.

Окисление углерода с образованием в результате реакции газообразного монооксида углерода на протяжении всего периода плавления оказывает особое влияние на пенообразование в шлаке и передачу тепла от факела к металлу через слой шлака, содержащего на поверхности пену. С одной стороны, непрерывное выделение пузырьков монооксида усиливает пенообразование в шлаке, который действует как экран, снижая передачу тепла от факела к расплаву металла. Однако непрерывное и интенсивное перемешивание пенистого шлака превращает его из теплового изолятора в среду, способствующую передаче тепла. Непрерывное появление и разрушение пены усиливает аккумуляцию тепла в шлаке и последующую передачу его к металлу.

Соотношение концентраций углерода и кислорода в твердом полуфабрикате в пределах 1-4 гарантирует сохранение части углерода, не окислившегося оксидами железа, и оставляет часть его на окисление нагретым кислородом атмосферы печи. За счет этого улучшается тепловой баланс ванны и исключаются случаи "мягкого" расплавления, когда содержание углерода в ванне оказывается ниже требуемой по технологии.

Соотношение углерода и кислорода 1-4 является оптимальным. При этом нижний предел относится к выплавке низкоуглеродистых, а верхний предел - к выплавке высокоуглеродистых сталей.

Снижение величины соотношения углерод-кислород ниже 1 нецелесообразно, поскольку длительность периода окисления углерода в полуфабрикате оксидами железа, присутствующими в нем, получается короче продолжительности плавления. При этом образующаяся на шлаке пена приобретает устойчивость и тормозит передачу тепла от факела к ванне. Это снижает эффективность воздействия полуфабриката на ванну и плавку. Повышение величины соотношения углерод-кислород выше 4 приводит к получению в металле по расплавлению содержания углерода выше требуемого. Это вызывает необходимость в окислении избыточного количества углерода и требует дополнительных затрат времени и кислорода. Интенсивность пенообразования в шлаке при повышенном содержании углерода получается выше требуемой, большое количество пены в печи затрудняет организацию сжигания топлива и перенос тепла от факела к шлаку и металлу.

Вместе взятые, эти факторы удлиняют плавление, доводку и плавку в целом. Вследствие этого увеличение величины этого соотношения выше 4 нецелесообразно.

Доля полуфабриката, обеспечивающая ввод в шихту кислорода в пределах 0,25-2,5% от общей массы металлошихты, служит дополнительным фактором, ограничивающим степень окисления углерода в полуфабрикате, твердом чугуне, скрапе и вообще во всей металлошихте. В этом случае часть углерода, составляющая 10-35%, окисляется кислородом, поступающим из оксидов железа, а оставшаяся большая часть углерода окисляется за счет кислорода атмосферы печи, что положительно сказывается на тепловом балансе плавки стали в мартеновских печах.

Оптимальным количеством твердого окислителя в шихте является 0,25-2,5%. Если количество окислителя в шихте превышает 2,5%, то окисление углерода происходит в основном за счет собственного кислорода, содержащегося в оксидах железа полуфабриката. При этом затраты тепла на эндотермическую реакцию диссоциации оксидов железа не компенсируются дополнительным поступлением тепла от дожигания монооксида до диоксида углерода и тепла от факела к шлаку и металлу. Кроме того, в этом случае скорость окисления углерода опережает скорость поступления тепла. Вследствие этого металл по расплавлении содержит пониженное количество углерода, что потребует присадок дополнительного твердого чугуна. По этим причинам длительность плавления, доводки и всей плавки увеличивается.

Если количество твердого окислителя в шихте менее 0,25%, то этого количества кислорода оказывается недостаточно для окисления требуемого количества углерода. Вследствие этого содержание углерода в металле по расплавлении оказывается завышенным, что удлиняет продолжительность доводки из-за необходимости окисления избыточного углерода.

Одновременно с этим количество образующегося монооксида углерода получается недостаточным, что уменьшает поступление тепла в рабочее пространство печи от его дожигания до диоксида углерода и от сжигаемого топлива. Это негативно влияет на длительность расплавления. При этом ухудшаются также условия формирования шлака и дефосфорации металла, что удлиняет доводку.

Для обеспечения требуемой основности шлака после расплавления шихты (1,4-1,8) (в зависимости от условий) в рабочее пространство печи дополнительно вводят известь в количестве 3,5-16 кг/т с общим расходом кальцийсодержащих реагентов, поступающих в шлак в виде СаО из известняка и из извести, в количестве 7-30 кг/т в зависимости от сортамента выплавляемых сталей. Нижний предел относится к выплавке неответственных рядовых марок стали, а верхний - к получению качественных углеродистых и легированных сталей.

При вводе в шлак известняка и извести на нижнем пределе основность шлака после расплавления получается ниже требуемой. Это ухудшает дефосфорацию металла и удлиняет длительность доводки. Если расход известняка и извести принять выше верхнего предела, то основность шлака после расплавления оказывается выше требуемого. При этом увеличиваются затраты материалов и продолжительность расплавления из-за необходимости нагрева и проплавления дополнительного количества известняка и извести.

Использование вместо известняка и извести доломитизированных материалов, содержащих оксид магния, оказывает положительное влияние на скорость шлакообразования и физико-химические свойства шлака, снижая его воздействие на футеровку печи.

Использование полуфабриката, состоящего из следующих компонентов, мас.%: окисленный железосодержащий материал 2-15%; углеродсодержащий материал 0,1-2,0%; кальций или кальций-магнийсодержащий материал 0,1-20; железоуглеродистый сплав - остальное, позволяет компенсировать снижение содержания оксида кальция в исходной шихте и после расплавления материалов, получаемого в результате уменьшения расхода известняка в завалку, обеспечивает получение требуемой основности шлака и состава металла и сводит к минимуму количество плавок с большими разбросами содержании углерода после расплавления.

Полуфабрикат предложенного состава обеспечивает раннее и интенсивное протекание реакции окисления углерода на протяжении всего периода плавления. Одновременно с этим достигается образование пенистого шлака, находящегося в состоянии постоянного и сильного перемешивания. Это позволяет повысить его аккумулирующую способность и усиливает передачу тепла от факела к ванне.

Соотношение окисленного железосодержащего материала и углеродсодержащего материала в полуфабрикате соответственно 2-15 и 0,1-2% отвечает условиям получения по расплавлении ванны углерода в пределах 0,7-1,4%. Это делает возможной выплавку сталей с содержанием углерода в готовом металле от 0,1 до 0,9% при изменении соотношения компонентов шихты плавки в значительных пределах. Одновременно с этим создается возможность выплавки стали на чистой первородной шихте, состоящей из одного полуфабриката, либо его смеси с твердым чугуном, при смеси его с чистым собственным оборотным ломом и твердым чугуном.

Ниже приведены примеры конкретной реализации изобретения.

Пример 1.

По предлагаемому способу проведены серии плавок стали в основной 250-тн мартеновской печи, работающей скрап-процессом. Марка выплавляемой стали - колесная сталь по ГОСТ 10791, имеющая следующий состав, мас.%: С=0,55-0,65; Мn=0,50-0,90; Si=0,20-0,42; Р0,035; S0,04.

После заправки печи производили завалку шихты. Вначале на подину печи загружали чистую стружку и легковесный лом в количестве от 10 до 20% от массы садки, далее давали обычный и доломитизированный известняк (группа плавок) либо смесь известняка и извести (вторая группа плавок). Удельный расход известняка составлял от 15 до 40 кг/т металлошихты; удельный расход извести поддерживали в пределах от 0 до 14,3 кг/т металлошихты. После завалки сыпучих материалов производили их прогрев в течение 10-20 мин. После окончания прогрева загружали полуфабрикат, оборотный лом, пакеты и передельный чушковый чугун. В качестве полуфабриката использовали материал разного состава с соотношением концентраций углерода и кислорода в пределах 1,5-4,45. Расход полуфабриката выбирали из условия ввода в шихту кислорода в количестве 0,24-2,65% от массы металлозавалки.

Состав полуфабриката варьировался в пределах, мас.%:

Окисленный железосодержащий материал - 2 - 15

Углеродсодержащий материал (коксик) - 0,1 - 2,0

Оксиды кальция и магния - 0,5 - 20,0

Железоуглеродистый сплав - Остальное

В качестве основы полуфабриката использовали чугун и полупродукт, полученный после деванадации чугуна с содержанием углерода от 3,2 до 6,4%. В последнем случае часть углерода в полуфабрикат вводили дополнительно в виде свободного углерода в составе наполнителя.

По окончании завалки начинали прогрев шихты, ее проплавление, дефосфорацию путем скачивания шлака. Доводку металла до заданного состава по углероду, фосфору и температуре производили согласно действующей технологической инструкции. При этом расход железной руды в ванну ограничивали 0,2 кг/т стали, либо не давали вообще. Основность шлака по ходу доводки поддерживали в пределах 1,8-2,6.

Данные, характеризующие длительность периодов плавления, доводки и общей продолжительности плавки, а также содержание углерода и фосфора по расплавлении и после доводки плавки, полученные с использованием известного и предлагаемого способов, приведены в табл.1.

Пример 2.

Используя заявляемый способ, проведены 2 серии плавок стали в основной 250-тн мартеновской печи, работающей скрап-процессом. Марка выплавляемой стали Ст2пс. По ГОСТ 380 эта сталь имеет следующий химический состав, мас.%: С 0,09-0,15; Si 0,05-0,17; Мn 0,25-0,5; Р до 0,04; S до 0,05.

После заправки печи производили завалку шихты. Вначале на подину загружали стружку и легковесный лом в количестве 10-20% от веса металлошихты. Далее отдавали обычный и доломитизированный известняк в количествах, обеспечивающих получение шлака с основностью не менее 1,4. После прогрева в течение 10-15 мин кальцийсодержащих материалов загружали полуфабрикат с соотношением концентраций углерода и кислорода, изменяющимся в пределах от 1,4 до 4,1. Далее на полуфабрикат загружали оставшуюся часть стального лома, а поверх него - передельный чушковый чугун.

Шихтовку по углероду вели с таким расчетом, чтобы получить по окончании периода плавления содержание углерода в расплаве на 0,4-0,8% выше, чем предусмотрено ГОСТом для этой марки стали [3], то есть 0,45-0,85%.

Это достигалось изменением расхода в завалку передельного чугуна.

Доводку металла по составу и температуре после расплавления шихты производили согласно действующей технологической инструкции.

Во второй серии плавок до 50% массы известняка заменили известью, присаживая последнюю мелкими порциями во время плавления в озерки образующегося шлака.

В остальном технология плавок не отличалась от плавок первой группы.

Основные результаты плавок представлены в табл. 2.

Как следует из результатов экспериментальных плавок, проведенных в 250-тн основной мартеновской печи (табл.1 и 2) предлагаемый способ обеспечивает сокращение длительности плавки "колесной" стали в среднем на 77 мин, "блюминговой" стали - на 70 мин. На всех экспериментальных плавках получено стабильное содержание углерода по окончании периода плавления.

Заявляемый способ позволяет получать сталь с более низким содержанием фосфора по окончании периода плавления (на уровне 0,022-0,026%), в зависимости от состава шихты, что в значительной степени упрощает и сокращает операцию дефосфорации.

Содержание фосфора в стали по окончании периода доводки составляет 0,007-0,012%, что значительно ниже по сравнению с аналогичным показателем для выплавки сталей на "традиционной" шихте.

Источники информации

1. Струговщиков Д.Г. Производство малоуглеродистой стали, Металлургиздат, 1950, с.5-21.

2. Патент РФ 2051972, С 21 С 5/04, 1996.

3. Абросимов Е.В., Аншелес И.И., Кудрин В.А. и др. Металлургия стали. М. : Металлургиздат, 1961, с.312-327.