СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
METHOD OF STEEL MANUFACTURING

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к процессам выплавки, внепечной обработке и к непрерывной разливке стали в слитки с содержанием в стали азота.
Наиболее близким по технической сущности является способ производства стали, включающий подачу в конвертер стального лома, заливку в конвертер жидкого чугуна, продувку расплава в конвертере кислородом сверху через многосопловую фурму, выпуск стали из конвертера в сталеразливочный ковш, определение содержания азота в выпускаемой стали, внепечную обработку стали в ковше, непрерывную разливку стали, включающую подачу стали из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш через защитную огнеупорную трубу, подачу в трубу инертного газа, подачу стали из промежуточного ковша в кристаллизаторы через погружные сталеразливочные стаканы под уровень стали, вытягивание из кристаллизаторов слитков с переменной скоростью.
В процессе производства стали производят азотирование стали. Необходимое азотирование стали достигают посредством ввода в сталеразливочный ковш на выпуске или во время внепечной обработки азотированных сплавов марганца или ванадия, азотированного марганца или азотированного феррованадия, а также цианамида кальция. Возможно вдувание в расплав в процессе выплавки газообразного азота или смеси азота с кислородом.
(См. Технология производства стали в современных конвертерных цехах. С.В.Колпаков и др. - М.: Машиностроение, 1991, с.244-245).
Недостатком известного способа является отсутствие регламентации содержания азота в смеси газов кислорода и азота в процессе продувки расплава в конвертере, а также отсутствие корректировки расходов подачи в защитную трубу при непрерывной разливке различных видов инертных газов. В результате не обеспечивается необходимое требуемое содержание в непрерывно-литых слитках азота, а также необходимый требуемый химический состав стали.
Технический эффект при использовании изобретения заключается в обеспечении условий получения стали с требуемым содержанием азота в непрерывно-литых слитках.
Указанный технический эффект достигают тем, что способ производства стали включает подачу в конвертер стального лома, заливку в конвертер жидкого чугуна, продувку расплава в конвертере кислородом и смесью кислорода с азотом сверху через многосопловую фурму, выпуск стали из конвертера в сталеразливочный ковш, определение содержания азота в выпускаемом расплаве, внепечную обработку расплава в ковше, включающую продувку аргоном и ввод раскислителей и легирующих материалов, непрерывную разливку стали, включающую подачу стали из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш через огнеупорную защитную трубу, подачу стали из промежуточного ковша в кристаллизаторы через погружные сталеразливочные стаканы под уровень стали, вытягивание из кристаллизаторов слитков с переменной скоростью.
3
Расплав в конвертере продувают кислородом с расходом 1,2-5,0 м/мин·т в течение 0,3-0,9 всего времени продувки, после чего расплав продувают газовой смесью кислорода и азота, при этом расход азота в смеси устанавливают по зависимости
1
1
1
2
Q=K·[N]·Q/τ,
1
3
где Q - расход азота в газовой смеси, м/мин;
1
[N] - требуемая массовая доля азота в жидкой стали по окончании продувки кислородом и газовой смесью, мас.%;
2
3
Q - расход кислорода в процессе всего времени продувки, м/мин·т;
τ - доля времени продувки расплава, равная 0,1-0,7 всего времени продувки, безразмерная;
1
K - эмпирический коэффициент, характеризующий эффективность усвоения выплавляемой сталью азота из газовой смеси, равный 0,49-0,67, 1/%.
При непрерывной разливке произведенной стали в защитную огнеупорную трубу подают аргон с расходом 0,5-2,5 л/мин·т.
1
При содержании азота в расплаве при его выпуске из конвертера меньше требуемого предела [N] на 0,0005-0,003 мас. % в защитную трубу в процессе непрерывной разливки стали подают азот с расходом 1,0-3,0 л/мин·т.
1
При содержании азота при его выпуске из конвертера меньше требуемого предела [N] на 0,0005-0,003 мас. % возможна подача в ковш с расплавом азотированных легирующих материалов, расход которых устанавливают по зависимости
2
1
2
3
М=К·([N]-[N])/[N],
где М - расход азотированных легирующих материалов, кг/т;
1
[N] - требуемая массовая доля азота в жидкой стали по окончании продувки кислородом и газовой смесью, мас. %;
2
[N] - фактическая массовая доля азота в расплаве при его выпуске из конвертера, мас. %;
3
[N] - массовая доля азота в азотированных легирующих материалах, мас. %;
2
К - эмпирический коэффициент, характеризующий эффективность усвоения азота разливаемой сталью, равный 1500-11980 кг/т.
3
Диапазон значений расхода кислорода в процессе всего времени продувки расплава в пределах 1,2-5,0 м/мин·т объясняется физико-химическими закономерностями выплавки стали в конвертере. При меньших значениях длительность процесса выплавки стали будет увеличиваться сверх допустимых пределов. При больших значениях будут происходить выбросы расплава из конвертера.
Диапазон значений расхода аргона, подаваемого в защитную трубу, в пределах 0,5-2.5 л/мин·т стали объясняется тепло - и физико-химическими закономерностями защиты струи стали в трубе. При меньших значениях не будет обеспечиваться необходимая защита струи стали от вторичного окисления. При больших значениях будут происходить перерасход аргона и переохлаждение струи стали.
Диапазон значений расхода азота, подаваемого в защитную трубу, в пределах 1,0-3,0 л/мин·т стали объясняется тепло - и физико-химическими закономерностями защиты струи стали от вторичного окисления и насыщения разливаемой сталью азотом. При меньших значениях не будут обеспечиваться необходимые условия для защиты струи стали от вторичного окисления и азотирования стали. При больших значениях будут происходить перерасход азота, перенасыщение им разливаемой стали и переохлаждение ее струи.
Диапазон значений времени продувки расплава только одним кислородом в течение 0,3-0,9 всего времени продувки расплава объясняется физико-химическими закономерностями насыщения расплава азотом. При меньших значениях будет повышенное содержание азота в расплаве при выпуске из конвертера. При больших значениях не будет обеспечиваться требуемое содержание азота в расплаве при выпуске из конвертера.
1
Диапазон величины уменьшения массовых долей содержания азота в разливаемой стали относительно требуемого значения [N] в пределах 0,0005-0,003 мас. % объясняется физико-химическими закономерностями усвоения азота разливаемой сталью. При больших значениях становится невозможным достижение требуемого химического состава непрерывно-литых слябов.
1
2
Диапазоны значений эмпирических коэффициентов K и К в пределах К1 и К2 в пределах 0,49-0,67 и 1500-11980 соответственно объясняются физико-химическими закономерностями усвоения сталью азота при производстве непрерывно-литых слябов. При меньших и больших значениях не будет обеспечиваться требуемый химический состав непрерывно-литых слябов.
Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
Ниже дан вариант осуществления изобретения, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.
Способ производства стали осуществляют следующим образом.
Пример. В процессе производства стали получают непрерывно-литые слитки слябового сечения с размерами 850-1850×250 мм из анизотропной электротехнической стали марки ЭЗА следующего химического состава, мас. %: С=0,03-0,06; Si=2,5-3,5; Mn=0,10-0,30; S≤0,010; P≤0,020; Al=0,012-0,030; Cr≤0,1; Ni≤0,1; Cu=0,3-0,6; N=0,006-0,015.
При производстве стали в конвертер подают стальной лом, заливают в конвертер жидкий чугун, продувают расплав в конвертере кислородом и кислородом в смеси с азотом сверху через многосопловую фурму, выпускают сталь из конвертера в сталеразливочный ковш, определяют содержание азота в выпускаемой стали. В конвертер заливают чугун следующего химического состава, мас. %: С=3-5; Si=0,3-1,2; Mn=0.05-0,2; S=0,005-0,025; P=0,04-0,15.
После выпуска из конвертера сталь в ковше подвергают внепечной обработке на установке доводки металла, где производят раскисление металла посредством ввода алюминиевой катанки диаметром 8-14 мм с расходом 0,2-0,6 кг/т и продувают аргоном через фурму для усреднения стали в ковше по химсоставу и температуре.
Затем сталь разливают на установке непрерывной разливки в слитки слябового сечения. При этом сталь из сталеразливочного ковша подают в промежуточный ковш под уровень через защитную огнеупорную трубу, в которую подают инертный газ азот или аргон. Из промежуточного ковша сталь подают через сталеразливочные стаканы под уровень в кристаллизаторы, из которых вытягивают слябы со скоростью 0,8-1,2 м/мин.
1
3
Требуемое содержание азота [N] в непрерывно-литых слитках устанавливают, например, в пределах 0,005-0,020 мас. %. Расплав продувают кислородом сверху через многосопловую фурму с расходом 1,2-5,0 м/мин·т в течение 0,3-0,9 всего времени продувки. Затем расплав продувают газовой смесью кислорода и азота. Расход азота в смеси устанавливают по зависимости
1
1
1
2
Q=K·[N]·Q/τ,
1
3
где Q - расход азота в газовой смеси, м/мин·т;
1
[N] - требуемая массовая доля азота в жидком расплаве по окончании продувки кислородом и газовой смесью, мас. %;
2
3
Q - расход кислорода в процессе всего времени продувки, м/мин·т;
τ - доля от всего времени продувки расплава газовой смесью, равная 0,1-0,7 всего времени продувки расплава в конвертере, безразмерная;
1
K - эмпирический коэффициент, характеризующий эффективность усвоения выплавляемой сталью азота из газовой смеси, равный, 0,49-0,67, 1/%.
При непрерывной разливке произведенной стали в защитную трубу подают аргон с расходом 0,5-2,5 л/мин·т.
1
При содержании азота в расплаве при его выпуске из конвертера меньше требуемого предела [N] на 0,0005-0,003 мас. % в защитную трубу подают азот с расходом 1,0-3,0 л/мин·т.
1
Возможен вариант, когда при содержании азота в расплаве при его выпуске из конвертера меньше требуемого предела [N] на 0,0005-0,003 мас. % в ковш с расплавом подают азотированные легирующие материалы в виде, например, азотированного марганца, азотированного феррованадия или цианамида кальция. Расход азотированных легирующих материалов устанавливают по зависимости
2
1
2
3
М=К·([N]-[N])/[N],
где М - расход азотированных легирующих материалов, кг/т;
1
[N] - требуемая массовая доля азота в жидком расплаве по окончании продувки кислородом и газовой смесью, мас. %;
2
[N] - фактическая массовая доля азота в расплаве при его выпуске из конвертера, мас. %;
3
[N] - массовая доля азота в азотированных легирующих материалах, мас. %;
2
К - эмпирический коэффициент, характеризующий эффективность усвоения азота разливаемой сталью, равный 1500-11980, кг/т.
В таблицах 1, 2 и 3 приведены примеры осуществления способа производства стали с различными технологическими параметрами.
В таблице 1 в примере 1 вследствие малого расхода в газовой смеси азота в процессе продувки в расплаве происходит уменьшение содержания азота ниже требуемых значений. В примере 5 вследствие большого расхода в газовой смеси азота в процессе продувки в расплаве происходит увеличение содержания азота выше требуемых значений.
В оптимальных примерах 2-4 вследствие соблюдения необходимых значений расхода азота в газовой смеси обеспечивается требуемое содержание азота в расплаве. Кроме того, в примере 1 вследствие малого расхода аргона не происходит эффективная защита струи разливаемой стали в защитной трубе от вторичного окисления. В примере 5 вследствие большого расхода аргона происходит переохлаждение струи разливаемой стали в защитной трубе.
Таблица 1
Параметры
Примеры
1
2
3
4
5
1. Емкость конвертера, т
150
150
250
350
350
2. Расход кислорода Q<sub>2</sub>, м<sup>3</sup>/мин·т
1,0
1,2
3,1
5,0
6,0
3. Время продувки расплава в конвертере, мин
16
16
20
25
25
4. Время продувки расплава одним кислородом, мин
0,2×16=3,2
0.3×16=3,2
0,6×20=12,0
0,9×25=22,5
0,95×25=23,75
5. Доля времени τ продувки расплава газовой смесью, безразмерная
0,8
0,7
0,4
0,1
0,05
6. Время продувки расплава смесью кислорода и азота, мин
0,8×16=12,8
0.7×16=11.2
0,4×20=8,0
0,1×25=2,5
0,05×25=1.25
7. Требуемая массовая доля азота [N]<sub>1</sub>.мac.%
0,020
0,020
0,0125
0,005
0,005
8. Значение K<sub>1</sub>, мин/ %
0,44
0,49
0,54
0,67
0,72
9. Расход азота, Q<sub>1</sub>, м<sup>3</sup>/мин·т в газовой смеси
0,015
0,0167
0,053
0,167
0,180
10. Фактическое содержание азота в разливаемой стали, мас.%
0.018
0,020
0,0125
0,005
0,007
11. Расход аргона в защитной трубе, л/мин·т
0,4
0,5
1,5
2,5
2,8
Кроме того, в примере 1 вследствие малого расхода аргона не происходит эффективная защита струи разливаемой стали в защитной трубе от вторичного окисления. В примере 5 вследствие большого расхода аргона происходит переохлаждение струи разливаемой стали в защитной тубе.
Таблица 2
Параметры
Примеры
1
2
3
4
5
1. Емкость конвертера, т
150
150
250
350
350
2. Требуемая массовая доля азота [N]<sub>1</sub>, мас.%
0,020
0,020
0,0125
0,005
0,005
3. Фактическое содержание азота в расплаве, [N]<sub>2</sub>, мас. %
0,0170
0,0170
0,0108
0,0045
0,0045
4. Расход азота в защитной трубе, л/мин·т
0,5
1,0
2,0
3,0
3,5
5. Массовая доля азота в непрерывно-литых слябах, мас. %
0,0185
0,020
0,0125
0,0050
0,0055
В таблице 2 в примере 1 малого расхода азота в защитной трубе не обеспечивается требуемое содержание азота в непрерывно-литых слябах. В примере 5 вследствие большого расхода азота в защитной трубе не обеспечивается требуемое содержание азота в непрерывно-литых слябах. Кроме того, происходит переохлаждение струи разливаемой стали с одновременным перерасходом азота.
В оптимальных примерах 2-4 вследствие соблюдения необходимых расходов азота в защитной трубе обеспечивается требуемое содержание азота в непрерывно-литых слябах.
Таблица 3
Параметры
Примеры
1
2
3
4
5
1. Емкость конвертера, т
150
150
250
350
350
2. Требуемая массовая доля азота [N]<sub>1</sub>, мас. %
0,020
0,020
0,125
0,0050
0,0050
3. Фактическое содержание азота в расплаве [N]<sub>2</sub>, мас. %
0,0170
0,0170
0,0108
0,0045
0,0045
4. Массовая доля азота в легирующих материалах[N]<sub>3</sub>, мас. %
30
30
12
3
3
5. Величина K<sub>2</sub>, кг/т
1200
1500
5710
11980
12500
6. Расход легирующих материалов, М, кг/т
0,12
0,15
0,8
2,0
2,09
7. Массовая доля азота в непрерывно-литых слябах, мас. %
0,0185
0,020
0,0125
0,0050
0.0053
В таблице 3 в примере 1 вследствие малого расхода азотированных легирующих материалов не обеспечивается требуемое содержание азота в непрерывно-литых слябах. В примере 5 вследствие большого расхода азотированных легирующих материалов не обеспечивается требуемое содержание азота в непрерывно-литых слябах.
1
1
В общем случае при содержании в расплаве азота при его выпуске из конвертера ниже требуемого значения [N] возможно одновременное использование подачи азота в защитную огнеупорную трубу при непрерывной разливке и азотированных легирующих материалов в сталеразливочный ковш. В обоих случаях происходит дополнительное азотирование разливаемой стали до необходимых пределов [N].
Применение изобретения позволяет повысить выход годных непрерывно-литых слябов по химсоставу, например, из анизотропной электротехнической стали на 10-15%. При этом обеспечивается экономия азотированных материалов за счет азотации расплава в конвертере газовой смесью кислорода и азота.