способ производства частично металлизованного агломерата для легирования стали марганцем

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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/см ³ 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; SiO ₂ 13,2; Al₂О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe₂О ₃ 2,06; S 0,05; п.п.п. 28,5, в смеси с известью, содержащей 93,0% CaO, и каолином, содержащим 56% Al₂ О₃ 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; Al ₂О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe ₂O₃ 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/п	Количество материалов, %			Отношение С:Al:Mn	Количество подаваемого углеродсодержащего материала, %			Количество материалов, входящих в пассивирующий слой, кг/т
	Марганцевый концентрат	Алюминийсодержащий материал	Углеродсодержащий материал		В верхний слой	В нижний слой	Отношение С верх/Сниз	Известь	Каолин
1	55,0	20,0	18,8	14,3:7,0:22,0	14,0	4,8	2,9	5,5	1,2
2	45,0	14,3	16,0	12,1:5,0:18,0	12,0	4,0	3,0	5,1	1,3
3	40,0	17,0	19,70	15,0:6,0:16,0	15,0	4,7	3,2	5,3	1,1
4*	55,0		17,5		15,0	2,5	6,0
4* - расход флюса (известняка и извести) составил 12,5%.

Таблица 2
№ п/п	Содержание марганца в стали, %		Содержание серы в стали, %		Восстановимость марганца, %	Степень десульфурации, %
	Исходный металл	Готовая сталь	Исходный металл	Готовая сталь
1.	0,10	0,54	0,020	0,007	96,5	63,2
2.	0,10	0,53	0,021	0,008	93,5	61,9
3.	0,11	0,56	0,020	0,006	97,1	70,0
4.	0,11	0,52	0,019	0,018	47,3	5,1