изготовление нержавеющей стали группы ферритных сталей aisi 4xx в конвертере акр

Формула изобретения

1. Способ изготовления нержавеющей стали группы ферритных сталей AISI 4хх, в частности стали типа AISI 430, на базе жидкого чугуна и твердых материалов с феррохромом, отличающийся тем, что он включает предварительную обработку жидкого чугуна в доменной печи (1), десульфурацию, десиликонизацию, дефосфорацию чугуна (ДДД-обработку) и подачу в конвертер аргонокислородного рафинирования (4) (АКР) жидкого чугуна без шлака, нагрев поступившего в конвертер АКР чугуна с низкой температурой на уровне примерно 1150°С посредством окисления алюминия и кремния при подаче извне ферросилиция с установлением основности и вязкости шлака по окончании нагрева и перед присадкой легирующих компонентов для беспрепятственного удаления его из конвертера (4) АКР, скачивание шлака и последующее рафинирование металла при вдувании кислорода соответствующей интенсивности для предотвращения выбросов металла из конвертера (4) АКР с обезуглероживанием расплава при высокоэффективном вдувании кислорода сверху, раскисление и заключительную корректировку и доводку обработанного стального расплава в ковше (5).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимое количество тепла для нагрева чугуна определяют как поступление тепла от окисления Si/Al за вычетом суммы охлаждающего эффекта шлакообразующих материалов и потерь тепла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рафинирование металла после нагрева и скачивания шлака осуществляют посредством вдувания кислорода через верхнюю фурму на поверхность металлического расплава и вдувания смеси кислорода и инертного газа, азота или аргона через боковые фурмы, при этом соотношение кислорода и инертного газа изменяют во время процесса продувки, причем вначале смесь обогащают кислородом для надежного обеспечения получения низкого содержания углерода, которое является необходимым начальным условием осуществления способа АКР с минимальным окислением хрома.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после этапа рафинирования металлического расплава осуществляют восстановление шлака, например восстановление хрома из шлака, а также получение, по существу, заданного конечного химического или квазихимического состава присадкой содержащих кремний материалов, например ферросилиция, и при необходимости алюминия.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в зависимости от необходимого состава стали, например AISI 439, перед выпуском металла предусматривают отдельный этап десульфурации, при этом эффективность такой обработки достигают глубиной раскисления металлического расплава, обеспечиваемого присадкой алюминия.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для получения расплава с заданным химическим составом и температурой при рафинировании стали в конвертере (4) АКР предусматривают металлургическую модель способа АКР, обеспечивающую планирование, контроль, прогнозирование и регулирование процесса.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что при помощи металлургической модели способа АКР обеспечивают расчет конечных количеств материалов и калькуляцию присадок материалов на всех этапах обработки для регулирования температуры и состава стали, прогнозируют для расчета схемы осуществления способа АКР, включающей способ АКР полностью с действительным состоянием плавки в начале обработки и до ее выпуска, при этом в соответствии с общим периодом времени обработки на основании заданных практических данных планируют обработку конкретной плавки с необходимыми этапами обработки и отбором проб, используют динамическую модель для расчета балансов углерода, кислорода и баланса энергии, а также необходимой в процессе интенсивности дутья.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при помощи металлургической модели способа АКР обеспечивают расчет плавки с обеспечением оптимизации себестоимости выбора легирующих компонентов и сортов лома, управляют заданной температурой, обеспечивают высокую производительность, минимизируют расход восстановителей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления нержавеющей стали группы ферритных сталей AISI 4хх, в частности из группы сталей AISI 430 из жидкого чугуна и твердых материалов с феррохромом.

Применение конвертера АКР для изготовления высоколегированных сталей известно давно. Так в документе WO 02/075003 описан способ контроля, основанный на непрерывном анализе отходящего газа в комбинации с вычислительным устройством и динамической моделью, при помощи которых осуществляется управление интенсивностью продувки кислородом и инертным газом, а также присадкой материалов. Из документа EP 1310573 A2 известен способ изготовления металлического расплава, в частности окислительного рафинирования металлического расплава для изготовления например легированной нержавеющей стали или высоколегированной стали в конвертере АКР, при этом способ поддерживается вычислительной техникой с реализованной моделью процесса и с управлением металлургическими установками, причем модель процесса описывает способ применительно по меньшей мере к одному изменяемому параметру процесса с учетом действительной величины, установленной величины и конечной величины. На примере описано протекание процесса при изготовлении стали типа AISI 304.

Нержавеющие стали группы ферритных сталей по AISI 4xx обычно производятся на базе лома подобного типа в электродуговой печи и затем подвергаются легированию и обезуглероживанию в конвертере АКР. Для того чтобы обеспечить применение в данном процессе чугуна предусмотрено, что предварительно обработанный в сталеплавильном цехе чугун вне печи, в ковше, смешивается с ломом и легирующими и затем подается в конвертер.

Исходя из указанного уровня техники задачей изобретения является применение технологии АКР для изготовления нержавеющей стали группы ферритных сталей AISI 4xx, в частности стали типа AISI 430, с непосредственной подачей чугуна и последующим легированием в конвертере.

Поставленная задача изготовления нержавеющей стали указанного типа решается при помощи отличительных признаков п.1 формулы изобретения, характеризующих следующие последовательно выполняемые этапы способа:

- изготовление жидкого чугуна в доменной печи, ДДД-обработка чугуна и подача в конвертер АКР жидкого чугуна без шлака,

- жидкий чугун в конвертере АКР подвергают нагреву, рафинированию/легированию и последующему раскислению,

- заключительную корректировку и доводку обработанного стального расплава в жидком состоянии, при этом обработка жидкого чугуна в конвертере АКР включает:

- нагрев поступившего в конвертер АКР после ДДД-обработки чугуна с низкой температурой на уровне примерно 1150°С посредством окисления кремния при подаче извне ферросилиция, или альтернативно путем окисления алюминия,

- установку соответствующей интенсивности вдувания кислорода для предотвращения выбросов металла из конвертера,

- установку основности шлака по окончании нагрева и перед присадкой легирующих компонентов, для обеспечения подходящей вязкости шлака для упрощенного удаления шлака из конвертера,

- скачивание шлака перед осуществлением обезуглероживания расплава посредством высокоэффективного вдувания кислорода сверху.

Известная технология АКР согласно изобретению применяется для рафинирования углеродистой жидкой стали при изготовлении теплостойкой и кислотостойкой стали с высоким содержанием хрома. Способ реализуется в варианте, при котором кислород и инертный газ (не вступающий в реакцию газ) совместно вдуваются через форму в ванну и дополнительно кислород и инертный газ при помощи продувочной фурмы сверху подаются на поверхность расплава. Цель обработки заключается в том, чтобы в течение оптимального промежутка времени закончить текущую плавку, с обеспечением нужной температуры выпуска и нужного химического состава, а также минимизировать потери хрома. Способ, согласно изобретению, при помощи модели процесса обеспечивает обработку расплава на установке АКР. При этом в модели реализованы функции наблюдения, прогнозирования и управления способом обработки, за счет чего обеспечивается приведение плавки/расплава в заданные кондиции. С учетом применяемой технологии и при помощи модели процесса рассчитываются заданные значения для управления вдуванием кислорода и присадками материалов для получения целевых значений состава и температуры стали, при этом расчет основывается на текущем состоянии процесса и учитывает полученные из более ранних практических данных ограничения и правила.

На основании определенной ранее на базе практических результатов схемы продувки и с учетом необходимого для обезуглероживания и окисления других элементов количества кислорода управляют скоростью истечения и смесью газов (кислород и аргон/азот), вдуваемых посредством фурм, расположенных под поверхностью расплава, и через фурму, расположенную над расплавом, а также устанавливают момент переключения с подачи азота на подачу аргона для обеспечения приемлемых содержаний азота в стали.

Далее модель процесса устанавливает количество шлакообразующих, охлаждающего лома и легирующих, а также момент начала присадки легирующих и их скорость загрузки.

Далее описано изготовление, согласно изобретению, нержавеющей стали группы сталей по AISI 4хх, в частности стали типа AISI 430. Технология получения сталей AISI 4хх с обработкой по схеме ДДД и с использованием конвертера АКР на базе жидкого чугуна и присадки материалов с FeCr делится на три основных этапа:

- предварительная обработка жидкого чугуна в доменной печи,

- нагрев, рафинирование и легирование жидкого чугуна в конвертере АКР,

- заключительная корректировка и доводка в жидком состоянии.

На фиг.1 показан пример линии для осуществления способа изготовления высоколегированной стали AISI 430. Жидкий чугун после выпуска из доменной печи 1 сначала подвергается обработке по схеме ДДД (Дефосфорация, Десиликонизация, Десульфурация) в соответственно оборудованной металлургической установке 2. Затем может осуществляться подогрев жидкого чугуна на установке печь-ковш 3. После этого обработанный и нагретый расплав подают в конвертер 4 АКР. В нем осуществляется рафинирование и легирование жидкого чугуна с дополнительной подачей оборотного лома, охлаждающего лома и FeCr60 (ФХ с 60% Cr). После обработки в конвертере АКР стальной расплав сливают в литейный ковш 5 для заключительной корректировки и доводки и затем передают на разливочную машину 6 (разливочная машина отдельно не показана).

Перед подачей жидкого чугуна в конвертер 4 АКР загружают шлакообразующие материалы, такие как известь и доломит, для обеспечения необходимой основности шлака. После заливки бесшлакового жидкого чугуна, поступившего от установки 2 обработки по схеме ДДД и от печи-ковша 3, конвертер 4 АКР наклоняют в положение отбора проб и осуществляют измерение температуры. После этого конвертер 4 АКР устанавливают в вертикальное положение и в зависимости от температуры осуществляют экзотермическую обработку. Повышение температуры обеспечивается присадками ФС и/или алюминия.

Далее способ согласно изобретению описывается на этапе обработки стального расплава в конвертере 4 АКР. Процесс обработки в конвертере 4 АКР делится на три основных этапа, а именно а) нагрев жидкого металла, b) рафинирование и c) восстановление.

На фиг.2 показана общая последовательность этапов способа. Показаны измеренные и технологические показатели, осуществляемые этапы обработки, заранее заданные целевые значения, а также управление отдельными этапами.

Нагрев жидкого металла в конвертере 4 АКР обычно осуществляется при помощи кремния. Высокий экзотермический эффект данного элемента при реакции с кислородом обеспечивает быстрое достижение целевой температуры с высокой точностью. Реакция протекает, как показано ниже:

(Si)+2(O)=(SiO ₂), энтальпия на 1 кг кремния составляет 6,44 кВт-час.

В качестве альтернативы может также применяться алюминий:

2(Al)+3(O)=(Al₂O₃), энтальпия на 1 кг алюминия составляет 7,36 кВт-час.

Целевая температура при нагреве должна устанавливаться в зависимости от последующего ввода энергии, в том числе от процесса обезуглероживания и от окисления металла, а также учитывать теплопотери и последующий ввод содержащих легирующие элементы материалов.

Протекание процесса в целом схоже с первым этапом продувки в традиционном основном кислородно-конвертерном процессе. Параметрами, которые определяют на данном этапе качество вспенивания и вытекания шлака, являются содержание углерода, наличие шлакообразующих, высокая интенсивность подачи кислорода и высота фурмы над расплавом.

Правильно выбранная высота фурмы и интенсивность, с которой кислород вдувается через верхнюю фурму (интенсивность подачи кислорода), предотвращают выбросы шлака и обеспечивают устойчивый характер нагрева.

Баланс тепла для данного этапа в целом может быть представлен как: необходимое количество тепла = поступление тепла от окисления Si/Al - (охлаждающий эффект шлакообразующих материалов + потери тепла).

На фиг.3 представлены необходимые параметры нагрева чугуна при весе плавки 70000 кг и основности 1,8 с учетом температурных условий в конвертере.

После этапа нагрева конвертер 4 АКР наклоняется и осуществляется скачивание шлака. Данная операция является необходимой для эффективного рафинирования металла. Значительные количества шлака препятствуют воздействию вдуваемого кислорода и дегазации металла отходящими газами. При скачивании шлака измеряют температуру стали и отбирают пробу.

Последующее рафинирование металла осуществляется посредством вдувания кислорода через верхнюю фурму на поверхность металла и перемешивание расплава смесью кислорода и инертного газа (азот или аргон), вдуваемой через боковые фурмы. Соотношение кислорода и инертного газа изменяется во время процесса продувки, при этом вначале смесь обогащена кислородом.

Подобная технология надежно обеспечивает получение низкого содержания углерода, которое является необходимым начальным условием осуществления процесса АКР с минимальным окислением хрома. Альтернативно может применяться технология ВКР (VOD - Vacuum Oxygen Decarburization) в так называемой TRIPLEX-схеме.

В течение продувки общее количество кислорода постоянно распределяется между находящейся сверху продувочной фурмой и боковыми фурмами. После этапа рафинирования осуществляется обработка, предусматривающая восстановление шлака, при этом также происходит восстановление хрома из шлака. После присадки содержащих кремний материалов, например ферросилиция, или алюминия, в жидкий металл и после достаточного перемешивания металл имеет по существу желаемый конечный или квазихимический состав, при этом в нем еще содержится сера.

Вследствие высокого содержания серы в легирующих присадках, а также в шлакообразующих обработку высоколегированной стали заканчивают отдельным этапом десульфурации. Эффективность такой обработки значительно зависит от глубины раскисления жидкого металла, обеспечиваемого присадкой алюминия. После обработки осуществляется выпуск плавки с оставшимся шлаком в ковш 5.

Процесс рафинирования высоколегированной стали планируется, отслеживается и регулируется, согласно изобретению, на основании модели АКР для обеспечения получения расплава с заданным химическим составом и температурой. Существенные преимущества, которые дает модель АКР, заключаются в следующем:

Расчет плавки с обеспечением оптимизации себестоимости выбором легирующих компонентов и сортов лома.

Управление целевой температурой.

Обеспечение высокой производительности посредством управления процессом.

Минимизация расхода восстановителей.

Во время обработки действительное состояние расплава/плавки наблюдается через доступные циклические и начальные введенные параметры, которые определяются на основе базовой системы автоматизации.

При вводе материалов их влияние на вес и состав стали и шлака, а также на температуру стали учитывается с помощью специфических параметров влияния материала и элементов. Действительные составы стали и шлака по каждому отдельному элементу задаются на основании данных лабораторного анализа и измерений в момент отбора пробы с учетом присадок и потерь.

Основные части металлургической модели АКР включают в себя расчет конечных количеств материалов, прогнозирование на основании расчета и динамическое моделирование.

При расчете конечных количеств материалов в принципе суммируются присадки материалов на всех этапах обработки для регулирования температуры и состава стали.

При прогнозировании рассчитывается схема осуществления процесса АКР. Она включает процесс АКР полностью с действительным состоянием плавки в начале обработки и оканчивается выпуском. В соответствии с обычным временем обработки на основании заданных практических данных планируется обработка конкретной плавки с необходимыми этапами обработки и отбором проб.

Динамическая модель рассчитывает балансы углерода, кислорода и баланс энергии, а также необходимую в процессе интенсивность дутья.

На основании начальных параметров плавки в процессе обработки рассчитываются концентрации углерода, кислорода и других компонентов ванны жидкой стали, а также температура.

На фиг.4 и 5 показаны существенные компоненты металлургической модели АКР, разделенные в группы расчета материалов (фиг.4) и энергетического и материального балансов (фиг.5). На этих изображениях отдельно показано, соответственно, какие параметры из базы данных и какие параметры процесса вводят в модель, и какие результаты расчета по модели получаются.

Список обозначений

1 - доменная печь.

2 - устройство для обработки ДДД.

3 - печь-ковш.

4 - конвертер АКР.

5 - ковш.

6 - разливочная машина.