способ выплавки стали в конвертере

Формула изобретения

1. Способ выплавки стали в конвертере, включающий завалку лома, заливку чугуна, продувку металла кислородом, присадку шлакообразующих материалов и флюса, содержащего оксиды магния, железа, алюминия, кремния, кальция, полученных спеканием в печи, отличающийся тем, что в конвертер вводят флюс в количестве 0,5-30,0 кг/т стали, имеющий состав, мас.%:

оксиды магния	40,0-95,0
оксиды алюминия	0,1-30,0
оксиды кальция	0,5-45,0
оксиды кремния	1,0-20,0
оксиды железа	остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что флюс, после спекания во вращающейся или шахтной печи, брикетируют с добавлением органических и/или минеральных соединений, с дополнительным введением или без дополнительного введения алюмосодержащих материалов.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве алюмосодержащих материалов флюс содержит металлический алюминий.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что флюс вводят в конвертер перед и/или после завалки металлолома.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что флюс вводят в конвертер перед началом и/или в процессе продувки металла кислородом.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что после выпуска металла из конвертера на оставшийся шлак осуществляют присадку флюса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выплавке стали в кислородных конвертерах.

Известен способ выплавки стали с присадкой в конвертер в качестве шлакообразующего материала ожелезненного известково-магнезиального флюса (ИМФ), содержащего оксид магния 26-35%; оксид кальция 46-60%; оксид железа 5-15%, оксид кремния 0,5-7,0% и оксид алюминия 0,3-7,0% [1]. Существенным недостатком использования ожелезненного известково-магнезиального флюса является низкое насыщение шлакового расплава оксидами магния в период продувки плавки и достаточно высокий расход данного флюса, что требует значительных затрат тепла. Кроме этого, высокое содержание в ожелезненном известково-магнезиальном флюсе оксидов кальция приводит под воздействием влаги атмосферы в процессе транспортировки и хранения к образованию значительного количества соединений Са(ОН)₂, что способствует насыщению металла водородом в процессе продувки металла при присадке данного флюса.

С целью повышения вносимого количества оксидов магния при низком расходе MgO-содержащих материалов применяется способ выплавки стали в конвертере с присадкой в конвертер флюса ожелезненного магнезиального (ФОМ), полученного путем спекания во вращающейся печи тонкоизмельченного сырого магнезита и сидерита, ФОМ содержит, мас.%: оксид магния 65-97%: оксид железа 2-15%; оксид кальция 4-8%; оксид кремния 1,5-3,5 [2]. Известный способ обеспечивает увеличение содержания MgO в шлаке до 11-13% и значительное (до 4000-4500 плавок за кампанию) повышение стойкости футеровки конвертера. Недостатком известного способа выплавки стали является медленное растворение флюса ожелезненного магнезиального в шлакометаллическом расплаве конвертерной ванны. Скорость усвоения шлаковым расплавом MgO из ФОМ составляет в среднем 1,05 г/мин, что не позволяет получить необходимое содержание MgO для достижения насыщения оксидами магния первичных шлаков. Кроме того, нерастворенные кусочки ФОМ способствуют повышению вязкости шлака, что приводит к ухудшению процессов шлакообразования и соответственно к выносу металлических капель из конвертера, в результате чего заметалливаются фурмы, оборудование и снижается выход годной стали. Интенсивность выбросов связана также с составом и физическим состоянием шлака. В начальный период продувки плавки, т.е. в период уваривания шлака, при невысокой основности от 1,3 до 1,7, гетерогенный шлак склонен к вспениванию, способствуя повышению интенсивности шлакометаллических выбросов, что снижает выход годного металла по окончанию продувки плавки.

Наиболее близким по технической сущности и получаемым результатам предлагаемому способу является способ выплавки стали в конвертере с введением флюса, содержащего оксиды кальция 1,0-35,0; оксиды железа 0,1-15,0%; оксиды алюминия 1,0-4,0; оксиды кремния 1,0-10,0; углерод 0,01-20,0; органические и (или) минеральные соединения 1,0-10,0; оксиды магния остальное, изготовленного методом брикетирования спеченных во вращающейся печи материалов [3], который позволяет повысить стойкость футеровки до 5000 плавок за кампанию. Недостатком указанного способа является наличие в составе полученных брикетов совместно содержащихся оксидов железа и углерода, что значительно замедляет растворение данного флюса, поскольку при присадке такого флюса на плавку происходит взаимодействие углерода и оксидов железа с протеканием эндотермической реакции с поглощением тепла, с увеличением времени растворения флюса. Присадка данного флюса в начальный и конечный период плавки приводит к гетерогенизации шлака и повышению его вязкости. Кроме этого, данный флюс при длительной транспортировке и хранении разрушается под действием атмосферы с образованием значительного количества пыли и мелочи, которая в процессе присадки в конвертер по ходу продувки выносится в газоотводящий тракт и не участвует в процессе шлакообразования.

Шлаки с повышенной вязкостью обладают пониженной рафинирующей способностью по отношению к удалению неметаллических включений из металла, способствуют насыщению металла азотом в процессе продувки металла. При продувке металла в конвертере кислородом в реакционной зоне развиваются температуры порядка 2000-2200°С. При таких температурах происходит диссоциация азота, и скорость поглощения азота металлом резко возрастает. При обнажениях металла из-под шлака с высокой вязкостью и гетерогенностью и при выбрасывании в атмосферу корольков металла происходит поглощение металлом азота из атмосферы. Кроме этого, плохое шлакообразование в начале продувки плавки приводит к получению шлаков с повышенным содержанием оксидов железа. Учитывая, что оксиды железа плохо растворяют азот в шлаковой фазе, они препятствуют массопереносу азота из металла в атмосферу конвертера. Вязкий шлак с высокой окисленностью, получаемый в конечный период плавки, также препятствует процессам дегазации металла, в результате чего получается металл с повышенным содержанием газов. Повышенное содержание газов стали определяет степень развития дефектов в слитке и прокате, соответственно определяет свойства готовых изделий из стали.

В предлагаемом способе поставлена задача - повысить степень насыщения конвертерного шлака оксидами магния, улучшить процесс шлакообразования и реакционную способность шлака по отношению к примесям металла, в том числе снизить содержание в металле азота за период продувки конвертерной плавки, а также повысить выход годной стали.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе выплавки стали в конвертере, включающем завалку лома, заливку чугуна, продувку металла кислородом, присадку шлакообразующих материалов и флюсов, содержащих оксиды магния, железа, алюминия, кальция, кремния, полученных спеканием в печи, в предлагаемом способе в конвертер вводят флюс в количестве 0,5-30 кг/т стали, имеющий состав, мас.%:

оксиды магния	40,0-95,0
оксиды алюминия	0,1-30,0
оксиды кальция	0,5-45,0;
оксиды кремния	1,0-20,0;
оксиды железа	остальное.

Кроме этого, флюс может после спекания во вращающейся или шахтной печи брикетироваться с добавлением органических и/или минеральных соединений, с дополнительным введением или без дополнительного введения алюмосодержащих материалов.

В технологическом процессе присадку флюса осуществляют в конвертер перед и/или после завалки металлолома, перед началом и/или в процессе продувки металла кислородом на оставшийся шлак после выпуска металла из конвертера.

Для спекания в печи обычно используют высокомагнезиальные материалы, содержащие в своем составе оксиды алюминия (сырой магнезит, брусит и др.) для удаления из них CO₂ и Н₂O. В зависимости от требуемого содержания Al₂ O₃ во флюсе в процессе спекания могут дополнительно вводиться алюмосодержащие материалы (глиноземистые материалы, алюминистые шлаки и др.), а также возможно добавление железосодержащих материалов (сидерит, конвертерный шлам и др.) с целью получения во флюсе легкоплавких соединений. Температура материалов в зоне обжига составляет 900-1500°С. Полученный флюс отсеивают от мелочи и пыли и используют в конвертерной плавке. В зависимости от требований потребителей к форме и фракционному составу полученный отсев флюса мелкой фракции 0-10 мм смешивают с органической и минеральной связкой с дополнительным введением или без дополнительного введения алюмосодержащих материалов, которые могут содержать в своем составе металлический алюминий, с последующим брикетированием под высоким давлением полученной смеси и дальнейшей сушкой брикетов при температуре 150-250°С.

Сущность способа выплавки стали с присадкой спеченных магнезиальных флюсов, содержащих оксиды алюминия, в конвертер заключается в том, чтобы, не снижая высокого содержания оксидов магния в шлаке, положительно влияющих на стойкость футеровки конвертера, получить шлак с удовлетворительными рафинирующими свойствами с одновременным удалением азота из продуваемого кислородом металла. Достигается этот процесс тем, что в отличие от магнезиальных флюсов (прототип) предлагаемый флюс обязательно содержит оксиды алюминия с присутствием в своем минералогическом составе не только легкоплавкого браунмиллерита (4СаО·Al ₂O₃·Fe₂ O₃), но и включается в структуру ожелезненного периклаза в виде шпинели (MgO·Al₂O ₃), присутствие которой в значительном количестве в составе флюса приводит к разрыхлению изделия, связанному с объемными изменениями при синтезе MgO·Al₂O ₃, не компенсируемыми пористой структурой флюса. Флюс, попадая в жидкий шлаковый расплав, благодаря высокой пористости и соответственно большой площади контакта с агрессивным окисленным шлаком быстро взаимодействует с шлакометаллическим потоком, вследствие чего происходит растворение и вымывание зерен периклаза с образованием значительного количества легкоплавких составляющих. Необходимо отметить, что повышению скорости процесса распада флюса способствует отсутствие в его составе углерода, что улучшает смачиваемость материала жидким шлаком. Отсутствие углерода в составе шпинельсодержащего флюса исключает возможность получения огнеупорного материала и повышает активную способность флюса к реагированию, способствуя ускоренной пропитке флюса шлаком, эффективному насыщению шлака оксидами магния, и снижает гетерогенную составляющую шлака. Присутствующие оксиды алюминия взаимодействуют с основными гомогенными шлаками и снижают их вязкость.

Расход флюса в количестве 0,5-30 кг/т стали обеспечивает формирование основных гомогенных шлаков с удовлетворительной вязкостью вследствие взаимодействия присутствующих оксидов алюминия во флюсе с основными составляющими шлака, в особенности с оксидами кальция, что снижает гетерогенную область насыщения его двухкальциевым силикатом, облегчает растворение извести и способствует повышению основности шлака с улучшением дефосфорации металла. Если количество вводимого флюса составит величину менее 0,5 кг/т стали, то в результате малого количества вводимых оксидов магния и оксидов алюминия получится гетерогенный ненасыщенный MgO шлак с присутствием значительного количества двухкальциевого силиката. При присадке в конвертер флюса в количестве 30 кг/т стали образуются густые вязкие гетерогенные шлаки, которые отрицательно сказываются как на рафинирующих свойствах шлака, так и повышают интенсивность выбросов шлака и металла из конвертера.

Снижение во флюсе оксидов магния менее 40% приведет к увеличению расхода магнезиального флюса для достижения предела насыщения шлака оксидами магния, что увеличит затраты тепла на прогрев и растворение присаживаемой массы материала и приведет к повышению окисленности шлака с соответствующим замедлением процессов удаления азота и водорода из металла. Если содержание оксидов магния во флюсе будет выше 95%, то низкое содержание во флюсе легкоплавких составляющих не позволит флюсу быстро растворяться в шлаке.

При содержании во флюсе оксидов алюминия менее 0,1% флюс не будет влиять на снижение вязкостных свойств шлака, а при содержании оксидов алюминия более 30% присадка его в конвертер может привести к резкому вспениванию шлака с интенсивным выбросом шлакометаллической взвеси.

При содержании во флюсе оксидов кальция менее 0,5% количество браунмиллерита во флюсе снижается, часть которого минералогически входит в структуру периклаза, что ухудшит растворение периклаза в шлаке. Повышение содержания во флюсе оксидов кальция более 45% приведет к образованию значительного количества несвязанного СаО во флюсе, которое при транспортировке под воздействием атмосферных осадков приведет к образованию Са(ОН)₂ и соответственно увеличивает вероятность насыщения металла водородом, а также может привести к превышению допустимой объемной доли водорода в отходящих газах с образованием взрывоопасной смеси газов в газоотводящем тракте.

Флюс, в котором содержание оксидов кремния составляет менее 1%, является менее прочным, так как в нем практически отсутствуют зерна алита (CaO·SiO ₂), что снижает его механическую прочность. Увеличение оксидов кремния во флюсе более 20% ведет к уменьшению основности шлака и соответственно к снижению дефосфорации и десульфурации металла.

Во флюсе обязательно должны присутствовать оксиды железа, которые не только могут включаться в структуру периклаза при содержании 0,1-5%, но и присутствовать между зернами, улучшая растворимость флюса при содержании 5-20%. Содержание во флюсе оксидов железа более 20% нецелесообразно в связи с высоким охлаждающим эффектом и, следовательно, с возможным нарушением теплового баланса конвертерной плавки при использовании высокоожелезненного флюса.

Растворению флюса способствует органическое и (или) минеральное связующее, которое при попадании в шлак быстро выгорает, позволяя флюсу эффективней прогреваться и насыщать шлак оксидами магния. Если количество органических и (или) минеральных связующих в составе брикетированных алюмосодержащих флюсов меньше 1%, брикет получается непрочным и рассыпается при перегрузках и транспортировке с образованием большого количества мелочи, которая при подаче в период продувки выносится в газоотводящий тракт. Избыточное, свыше 15%, содержание органических и (или) минеральных соединений может привести к резкому вспениванию гетерогенного шлака, выбросам и необходимости прерывания продувки плавки для частичного скачивания шлака.

В составе флюса может содержаться металлический алюминий, присутствующий в алюминистых шлаках, дополнительно подаваемых при брикетировании. Присадка флюса, в состав которого входит металлический алюминий, значительно улучшает шлакообразование плавки и снижает заметалливание фурм. Присадка данного флюса на оставшийся шлак после выпуска металла из конвертера с последующим нанесением его на футеровку конвертера методом раздува шлака азотом значительно повышает стойкость гарнисажного покрытия футеровки, поскольку гарнисаж с высоким содержанием оксидов магния и алюминия эффективно защищает рабочую футеровку конвертера.

Присадка магнезиального флюса, содержащего оксиды алюминия, может осуществляться в различные периоды плавки без ухудшения рафинирующих и физических свойств шлака насыщенного оксидами магния. Присутствие во флюсе разжижающих шлак добавок, снижающих вязкость как гетерогеннных шлаков начального периода продувки, так и основного гомогенного шлака способствует снижению содержания азота в металле, что определяет неочевидность заявляемого способа выплавки стали в конвертере.

Сопоставление заявляемого способа выплавки стали в конвертере со способом, взятым за прототип, показывает, что использование в конвертерной плавке флюса, полученного спеканием во вращающейся или шахтной печи материалов, содержащих оксиды магния, алюминия, кальция, кремния и железа, а также флюсов мелкой фракции, брикетированных с органическими и (или) минеральными соединениями, с дополнительным введением или без дополнительного введения алюмосодержащих и (или) железосодержащих материалов повышает степень насыщения шлакового расплава оксидами магния с одновременным улучшением рафинирующих свойств шлака и выхода годной стали с низким содержанием азота в металле по окончанию продувки плавки. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении по их функциональному назначению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ осуществляется следующим образом.

В конвертер после завалки лома загружают известь, магнезиальный алюминистый флюс (МАФ), содержащий оксиды магния, алюминия, кальция, кремния, железа, и заливают чугун. После установки конвертера в вертикальное положение в конвертер вводят МАФ, опускают кислородную фурму и начинают продувку металла кислородом. При достижении устойчивого «зажигания плавки» в конвертер присаживают известь и МАФ, а по истечении 90% времени продувки вводят только МАФ. После окончания продувки, замера температуры, отбора проб металла и шлака металл сливают в ковш, и конвертер ставят вертикально. На оставшийся в конвертере шлак присаживают МАФ, опускают фурму и начинают раздувать шлак азотом с целью нанесения гарнисажа на поверхность футеровки.

Конкретный пример осуществления способа.

Проведено 2 варианта осуществления способа выплавки стали в конвертере с использованием различных составов магнезиальных алюминистых флюсов (МАФ), содержащих:

Вариант 1 - 74,6% MgO, 10,3% Al₂O₃, 5,7% СаО, 4,8% SiO₂, 4,6% Fe ₂O₃, полученных спеканием алюмосодержащих материалов во вращающейся печи;

Вариант 2 - 67,3% MgO, 12,3% Al₂O₃, 4,5% СаО, 5,1% SiO₂, 5,2% Fe ₂O₃, 5,6% лингосульфанат, полученных брикетированием мелочи МАФ фракции 0-4 мм, с дополнительной добавкой глиноземсодержащего материала и органического связующего.

При всех вариантах в конвертер емкостью 350 тонн (по годному) на лом присаживали 20 кг/т стали извести и 7 кг/т стали магнезиального алюминистого флюса (МАФ). По ходу продувки плавки на 4-ой мин и на 7-ой мин продувки присаживают навески извести в количестве по 10 кг/т и на 9-ой мин вводят МАФ - 3 кг/т. После израсходования 14000 м³ кислорода на плавку присаживают известь в количестве 10 кг/т стали, и за 5 мин до окончания продувки плавки вводят МАФ - 2 кг/т. После окончания продувки плавки отобрали пробы металла и шлака и слили металл в ковш. После слива металла конвертер установили в вертикальное положение, ввели на оставшийся шлак 1 кг/т МАФ и в течение 3,5 мин раздували шлак азотом, подаваемым через фурму под давлением 14 атм. Остатки шлака слили в шлаковую чашу.

Технологические показатели плавок и результаты представлены в таблице. Сопоставление полученных результатов плавок, проведенных по предлагаемому техническому решению и по способам, взятым за прототип, показало, что при одинаковом количестве введенных магнезиальных флюсов 13 кг/т стали (МАФ - заявляемый, ФОМ и ФМБУЖ - прототип) и при равенстве количества присаженной извести в количестве 50 кг/т стали, содержание оксидов магния в шлаке по окончанию продувки плавки в вариантах предлагаемого способа оказалось выше, чем в известных способах, в пределах от 0,2 до 0,7%, а в шлаках после проведения операции нанесения шлакового гарнисажа методом раздува шлака азотом с присадкой МАФ на оставшийся шлак после слива металла содержание MgO составило 14,3% и 15,1% против 12,1% при присадке ФОМ и 13,9% при присадке ФМБУЖ. При одинаковом содержании углерода в металле по окончанию продувки плавки содержание в шлаке FeO с присадкой МАФ понизилось в пределах на 1,2-3,4%, что наряду с меньшим количеством выбросов на плавках, проведенных по предлагаемому способу, привело к повышению выхода годного металла на 2-3 тонны за плавку. С использованием магнезиального алюминистого флюса содержание азота в металле по окончанию продувки плавки составило 0,0004% и 0,0002%, в то время как на плавках, проведенных по известным способам, 0,0033% и 0,0015%. Значительно улучшились показатели десульфурации и дефосфорации металла, что говорит о целесообразности использования предлагаемого способа выплавки стали в конвертере с использованием магнезиальных алюминистых флюсов.

Источники информации

1. Патент РФ №2164952 от 10.04.2001 "Способ выплавки стали в конвертере".

2. Патент РФ №2260626 от 31.12.2003 "Способ выплавки стали в конвертере".

3. Заявка №2005118289/02(020764) от 14.06.2005 "Способ выплавки стали в конвертере".