Шихта для выплавки стали в основной мартеновской печи
CHARGE FOR STEEL MELTING IN BASIC OPEN-HEARTH FURNACE

Изобретение относится к области металлургии, к выплавке сталей в основных мартеновских печах скрап-процессом, в частности к выплавке сталей для вагонных отливок.
Известны составы металлической части шихты для выплавки стали в мартеновской печи скрап-процессом, включающие от 20 до 50% от ее массы передельного чугуна [1].
Недостатком известных составов является то, при указанных количествах передельного чугуна в шихте не предусмотрено использование карбюраторов (углеродсодержащих материалов: кокса, каменного угля и других), а содержание углерода в составе шихты регулируется количеством используемого чугуна. Последнее, как известно из практики мартеновского скрап-процесса, может приводить к неоптимальному содержанию углерода по расплавлении – либо выше оптимального значения, что удлиняет продолжительность плавки, либо ниже оптимального значения, что ухудшает необходимые процессы дефосфорации, десульфурации и нагрева металла в печи.
Известны варианты выплавки сталей в мартеновских печах скрап-процессом с полной или частичной заменой передельного чугуна карбюраторами – углеродсодержащими материалами в широком ассортименте последних, в частности используется кокс, каменный уголь, древесный уголь, электродный бой и др. [2,3].
Недостатками известных вариантов использования карбюраторов в мартеновском скрап-процессе, например, являются:
- высокое содержание серы, в частности в коксе, из-за чего требуются дополнительные меры и время для обессеривания металла;
- низкое усвоение углерода из древесного угля, а значит его повышенный расход при его высокой цене;
- высокая зольность некоторых сортов каменных углей, а следовательно, пониженное содержание углерода в них.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является патент РФ на изобретение № 2208050 [4] – «Шихта для выплавки стали», которая используется при выплавке стали в мартеновской печи скрап-процессом и которая содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.%: передельный чугун и чугунный лом 22,0-27,0; стальной лом 73,0-78,0; карбюраторы (сверх 100%) – 2,7-4,2, при этом в качестве карбюраторов она содержит каменный уголь и огарки угольной футеровки алюминиевых электролизеров в соотношении 2:1. Изобретение по патенту № 2208050 предлагается в качестве прототипа.
Недостатком известного технического решения является то, что в составе шихты предусматривается высокая 73,0-78,0 мас.% доля стального лома, с которой в сталь могут попадать цветные примеси (медь, свинец, цинк и другие), отрицательно влияющие на свойства стали, в том числе для ответственных вагонных отливок. Кроме того, при использовании в составе карбюратора каменного угля с относительно высоким содержанием серы 0,4-0,6 мас.% в условиях выплавки высококачественных сталей для вагонных отливок с содержанием серы менее 0,020 мас.% потребуются дополнительные меры по десульфурации металла. При этом присутствие в карбюраторе огарков угольной футеровки алюминиевых электролизеров, не очищенных от фтористых соединений (содержание фтора до 18%), которые выделяются при плавке, отрицательно влияет на стойкость огнеупорных изделий насадок регенераторов мартеновской печи и загрязняет атмосферу. Недостатком является также невысокая доля усвоения углерода из карбюратора (33,3%-34,1%).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение усвоения углерода из карбюратора, снижение вредных выбросов в атмосферу, повышение качества металла, в том числе для вагонных отливок и улучшение технико-экономических показателей плавки.
Поставленная задача достигается тем, что для плавки сталей, в том числе для вагонных отливок, в основной мартеновской печи скрап-процессом предлагается состав шихты с оптимизированным соотношением в ней долей передельного чугуна, чугунного лома и стального лома с одновременным введением в шихту карбюратора, обеспечивающего повышенное усвоение углерода металлическим расплавом без выделения в атмосферу вредных веществ. При этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Передельный чугун и чугунный лом
34,0-40,0
Стальной лом
60,0-66,0
Карбюратор (сверх 100%)
0,5-1,0,
при этом в качестве карбюратора она содержит флюс шлако-угольно-графитовый – фракции 10-100 мм.
Карбюратор - флюс шлако-угольно-графитовый содержит, мас.%:              50,0-65,0 углерод, сера не более 1, остальное – флюсовая составляющая на основе отвального мартеновского шлака.
В связи с тем, что общепринято при расчете содержания углерода в шихтовых материалах за основу принимать его содержание в металлической части шихты и количество карбюраторов определять на основе недостающего в ней содержания углерода до нормативного его содержания в металле по расплавлении, то количество металлической части обычно принимают за 100%, а количество карбюраторов сверх 100%. Поэтому формула изобретения изложена в соответствии с общепринятой схемой расчета шихты, т.е. как и в прототипе, количество карбюратора – флюса шлако-угольно-графитового входит в нее сверх 100% содержания металлической ее части.
Флюс шлако-угольно-графитовый изготавливается по специальной технологии в окомкованном виде. В качестве углеродной составляющей он содержит, в частности, отходы электродного производства, отработанные угольные и графитизированные электроды, лом угольно-графитовых футеровок печей, очищенный от вредных примесей. В качестве шлаковой  составляющей в карбюратор вводится, например, отвальный мартеновский шлак, содержащий окислы железа. В результате в данном карбюраторе обеспечивается содержание серы не более 1 мас.% - ниже, чем в известных наиболее часто применяемых карбюраторах, в частности, в каменных углях, коксе, что облегчает получение в готовой стали для ответственных отливок содержание серы менее 0,020 мас.%. Наличие в данном карбюраторе шлаковой составляющей обеспечивает его утяжеление за счет более высокого удельного веса мартеновского шлака в сравнении с угольно-графитовыми составляющими, а, следовательно, улучшается взаимодействие фаз на границе металл-углерод. Кроме того, в условиях плотного контакта углеродистых фаз карбюратора и мартеновского шлака, содержащего                  10,0-15,0 мас.% окислов железа, при нагреве материала в печи образуются капельки металла, насыщенные углеродом, которые затем усваиваются расплавом металла. Эти два фактора способствуют увеличению усвоения углерода из карбюратора.
Расход карбюратора – флюса шлако-угольно-графитового в количестве 0,5-1,0 мас.% (сверх 100%) определен опытным путем с учетом коэффициента замены углерода чугуна углеродом карбюратора.
При расходе карбюратора менее 0,5 мас.% эффект замены чугуна невелик. При расходе карбюратора более 1,0 мас.% без эквивалентного снижения расхода передельного чугуна появляется избыток углерода, удаление которого требует дополнительного расхода окислителей, приводит к увеличению длительности плавки и ухудшению условий необходимой десульфурации и дефосфорации металла до уровня содержания серы и фосфора в готовом металле не более 0,020 мас.% каждого.
Использование флюса шлако-угольно-графитового с фракцией менее 10 мм нецелесообразно, поскольку такая фракция подвержена высокому уносу из мартеновской печи.
При использовании флюса шлако-угольно-графитового с фракцией более 100 мм затормаживаются процессы науглероживания стального лома и расплава и увеличивается угар углерода из крупных кусков карбюратора.
Соотношение в шихте мартеновской плавки передельного чугуна, чугунного лома и стального скрапа в предлагаемом составе шихты выбрано с учетом коэффициента замены углерода чугуна углеродом карбюратора – флюса шлако-угольно-графитового в выбранных оптимальных его количествах и составляет соответственно, мас. %: (34,0 – 40,0) : (60,0 – 66,0).
Примеры конкретного осуществления.
Частный вариант исполнения изобретения. Выплавку стали 20 ГЛ для ответственных отливок вагоностроения с использованием предлагаемой шихты производили в 60-тонных мартеновских печах                                                АО «НПК «Уралвагонзавод» с основной футеровкой скрап-процессом с добавлением карбюратора.
Пример 1. В 60-тонной мартеновской печи                                                    ОАО «Научно-производственная Корпорация «Уралвагонзавод» с основной футеровкой провели серию плавок (50 плавок) скрап-процессом с получением стали для вагонных отливок.  В данной серии соотношение в шихте передельного чугуна плюс чугунного лома и стального лома составило соответственно, мас.%: 31,0-36,0 и 64,0-69,0. Расход карбюратора – флюса шлако- угольно- графитового (сверх 100%) в завалку составил 0,5 мас.%.
Пример 2. В 60-тонной мартеновской печи                                                    АО «Научно-производственная Корпорация «Уралвагонзавод» с основной футеровкой провели серию плавок (30 плавок) скрап-процессом с получением стали для вагонных отливок. В данной серии соотношение в шихте передельного чугуна плюс чугунного лома и стального лома составило соответственно, мас.%: 28,0-32,0 и 68,0-72,0. Расход карбюратора – флюса угольно- графитового (сверх 100%) в завалку составил 1,0 мас.%.
Пример 3. В 60-тонной мартеновской печи                                                             АО «Научно-производственная Корпорация «Уралвагонзавод» с основной футеровкой провели серию плавок (10 плавок) скрап-процессом с получением стали для вагонных отливок. В данной серии соотношение в шихте передельного чугуна плюс чугунного лома и стального лома составило соответственно, мас.%: 28,0-32,0 и 68,0-72,0. Расход карбюратора – флюса угольно-графитового (сверх 100%) в завалку составил 1,5 мас.%.
Результаты опытных плавок в сравнении с прототипом, а также массива серийных плавок, проведенных без использования карбюратора, приведены в таблице 1.
Показатели опытных плавок с получением стали для отливок вагоностроения, проведенных по параметрам заявки, в сравнении с прототипом и серийными плавками
Таблица 1
Показатели
Прототип
Серийные плавки
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Количество плавок, шт.
128
100
50
30
10
Расход в завалку, % от объема металлошихты:передельного чугуна и чугунного лома -стального лома -карбюраторов (сверх 100%) –Всего
22-27(ср. 24,5)73-782,7-4,2102,7-104,2
34-39(ср. 36,5)61-660100
31-36(ср.33,5)64-690,5100,5
28-32(ср. 30)68-721,0101,0
28-32(ср. 30)68-721,5101,5
Усвоение углерода из карбюратора, %
33,3-34,1
0
45,0-52,0
45,0-52,0
45,0-52,0
Содержание углерода порасплавлении, %Содержание углерода на начало «чистого» кипения, мас.%Содержание углерода на конец «чистого» кипения, мас %,Содержание углерода в паспортных пробах, мас%
1,02-1,370,6-0,70,20-0,250,18-0,23
1,25-1,550,58-0,700,15-0,20 0,18-0,23
1,30-1,600,60-0,710,15-0,200,18-0,23
1,30-1,600,60-0,710,15-0,20 0,18-0,23
1,9-2,20,58-0,700,15-0,200,18-0,23
Среднее содержание серы, мас.%: - по расплавлении шихты-  в готовой стали
0,037  0,025
0,0350,017
0,035 0,016
0,035  0,015
0,0350,017
Количество железорудных окатышей, кг на плавку
500
500
500
500
800
Из данных таблицы 1 следует, что усвоение углерода из карбюратора, вводимого в состав предлагаемой шихты, существенно превышает усвоение углерода из карбюратора по прототипу. Данное обстоятельство обусловило несколько большее содержание углерода в металле по расплавлению в сравнении с серийными плавками и при равном расходе окислителей содержание углерода на начало «чистого» кипения также оказалось несколько выше. В этих условиях средняя продолжительность «чистого» кипа на опытных плавках увеличилась на 3,6 мин, что несущественно для общей продолжительности плавок и в тоже время это полезно для удаления газов, усреднения температуры металла по глубине ванны, для улучшения обессеривания – последнее зафиксировано в опытных плавках.
При расходе карбюратора 1,5 % (сверх 100%), пример 3, увеличилось содержание углерода по расплавлении до 1,9-2,2 мас.% против                               1,25-1,55 мас.% в серийных плавках, что потребовало увеличения расхода железорудных окатышей на плавку с 500 кг до 800 кг для достижения содержания углерода на начало «чистого» кипения на уровне серийных плавок.
Показатели механических свойств приведены в таблице 2.
Требуемый контролируемый уровень механических свойств стали на опытных плавках с расходом карбюратора 0,5-1,0% (сверх 100%) имеет тенденцию к улучшению.
Механические свойства
Таблица 2
Предел текучестиσ<sub>т,  </sub>МПа (кгс/мм<sup>2</sup>)
Временное сопротивление σ<sub>, </sub>Мпа (кгс/мм<sup>2</sup>)
Относительное Удлинениеδ, %
Относительное сужение  ψ, %
По ГОСТ 32400-2013
не менее 343
от 510
не менее 20
не менее 35
Серийные плавки
355-390
520-580
22-29
45-48
Плавки с карбюратором
360-400
520-590
23-30
46-49
При этом на опытных плавках с предлагаемым составом шихты не было отбраковано ни одного ковша по величине ударной вязкости, в то время как на серийных плавках такая отбраковка составляет 7-11%.
При использовании предлагаемого состава шихты достигается снижение расхода передельного чугуна в шихте на 30-60 кг/т металлозавалки за счет замены его карбюратором с высокой степенью усвоения углерода – флюсом шлако-угольно-графитовым в пределах 0,5-1,0 мас.% (сверх 100%) или 5-10 кг/т. При введении в состав шихты данного карбюратора выделения в атмосферу в процессе плавки фтористых соединений не происходит.
Таким образом, при использовании предлагаемого состава шихты при выплавке в мартеновской печи скрап-процессом стали отливок, в том числе вагонных, проявляется положительный технический результат.
Источники информации:
1. А.М. Бигеев, Расчеты мартеновских плавок (технологическая часть) - М. Металлургия, 1966, с. 144.
2. А.Н. Морозов, «Современный мартеновский процесс», ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии, Свердловское отделение, Свердловск, 1961, с. 421-424.
3.  А.М. Бигеев, В.А. Бигеев, «Металлургия стали», Изд. третье, переработанное и дополненное, Магнитогорск, МГТУ, 2000, с. 459-460.
4.  Патент РФ на изобретение № 2208050, Опубл. 10.07.2003.