Способ внепечной обработки стали в ковше
METHOD OF OUT-OF-FURNACE TREATMENT OF STEEL IN LADLE

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали с низким содержанием серы с применением методов внепечной обработки шлакообразующими смесями для наведения и разжижения шлаков в установках «ковш-печь» (УКП) и вакууматорах.
2
2
2
2
Известно, что для уменьшения вязкости высокоосновных шлаков в качестве флюса, предназначенного для разжижения, применяют плавиковый шпат (CaF), песок и шамотный бой. Особенно сильно понижает вязкость CaF. Использование плавикового шпата позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основности, что особенно важно для эффективного удаления серы. Широко применяемый для наводки шлака плавиковый шпат обычно содержит 90-95% CaF, <3,0% SiO и <0,2% S. Однако плавиковый шпат отрицательно влияет на экологию и снижает стойкость шлакового пояса футеровки сталеразливочного ковша.
Известен способ выплавки рельсовой стали в дуговой электросталеплавильной печи (патент РФ №2235790, Способ выплавки рельсовой стали, МКИ С21С 5/52, С21С 7/076 (2000.1), опубл. 10.09.2004 Бюл. №25), включающий выпуск полученного расплава из печи в ковш с отсечкой печного шлака. При выпуске плавки в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь, состоящую из компонента, повышающего основность шлака (кальцийсодержащий компонент - известь), и компонента, способствующего повышению жидкотекучести шлака (флюс - плавиковый шпат), при соотношении (1,0-1,5):(0,3-0,5), соответственно, и необходимые раскислители и легирующие с доведением до заданной температуры и требуемого химического состава, в том числе по содержанию серы. В связи с отсечкой печного шлака в ковше наводят шлак из твердой шлакообразующей смеси, соотношение и количество смеси выбрано исходя из рафинирующей и теплоизолирующей способности ковшевого шлака.
Существенным недостатком известного способа является недостаточная степень десульфурации и значительное содержание фосфора в стали вследствие рефосфорации при выпуске плавки в ковш.
Известен способ внепечной обработки стали (патент РФ №2440421, Способ внепечной обработки стали, МПК С21С 7/00 (2006.1), опубл. 20.01.2012 Бюл. №2), включающий выпуск металла из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, раскисление стали алюминием и ввод кальцийсодержащих шлакообразующих материалов, при этом при выпуске металла из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш в качестве кальцийсодержащих шлакообразующих материалов вводят известь в количестве 600-700 кг/т и плавиковый шпат в количестве 150-180 кг/т. После проведения усреднительной продувки аргоном в расплав вновь подают 300-350 кг/т извести, 120-150 кг/т плавикового шпата и 150-200 кг/т алюминиевой катанки.
Недостаток известного способа заключается в том, что при взаимодействии высококонцентрированного фтористого кальция с расплавом металла фтор выделяется в атмосферу - загрязняя окружающую среду, а также снижает стойкость огнеупорной футеровки ковшей.
Известен способ производства низкокремнистой стали (патент РФ №2465340, Способ производства низкокремнистой стали, МПК С21С 7/00, опубл. 27.10.2012 Бюл. №30), в котором внепечную обработку металла проводят на агрегате «печь-ковш», после поступления плавки на указанный агрегат удаляют покровный шлак из сталеразливочного ковша, наводят новый покровный шлак присадкой извести и плавикового шпата в пропорции (4-5):1 с суммарным расходом материалов 7-12 кг/т, проводят раскисление стали первичным алюминием, нагрев металла до температуры не менее 1620°С, после чего снова производят инжектирование флюидизированной извести в количестве 2,8-4,2 кг/т.
3
Известен способ производства стали с низким содержанием серы (патент РФ №2479636, МПК С21С 5/52, С21С 7/076, опубл. 20.04.2013 Бюл. №11), включающий получение полупродукта в сталеплавильном агрегате, выпуск плавки в ковш, отсечку во время выпуска печного шлака, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси, внепечную обработку на агрегате «печь-ковш». При выпуске плавки в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь в количестве 2,0-2,7 кг/т, состоящую из извести 75-80 мас. % и флюорит-селлаитового концентрата 20-25 мас. %, обработку проводят на агрегате «печь-ковш» в течение 45-75 минут, причем для завершения десульфурации металла в ковш дополнительно присаживают такую же твердую шлакообразующую смесь в количестве 0,3-0,6 кг/т, состоящую из извести 75-80 мас. % и флюорит-селлаитового концентрата 20-25 мас. %, во время обработки сталь продувают аргоном через донные пористые фурменные блоки с расходом 20-50 м/ч (прототип).
Общими недостатками данных способов является использование в качестве флюса, способствующего увеличению жидкотекучести шлака, плавикового шпата, что приводит к низкой стойкости футеровки и загрязнению окружающей среды фтором, выделяющимся в атмосферу при взаимодействии высококонцентрированного фтористого кальция с расплавом металла.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность наведения жидкоподвижного шлака с низкой температурой плавления путем использования в качестве твердой шлакообразующей смеси материала инертного по отношению к огнеупорной футеровке ковшей, повышение стойкости футеровки периклазоуглеродистых ковшей без снижения качества плавки за счет обеспечения высокой степени десульфурации металла, улучшение экологической обстановки в цехе, снижение затрат на производство стали.
Указанный технический результат достигается в способе внепечной обработки стали в ковше, включающем выпуск расплава из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, отсечку в процессе выпуска печного шлака, подачу в ковш твердой шлакообразующей смеси (ТШС), содержащей кальцийсодержащий материал в виде извести и флюс, предназначенный для разжижения шлака, согласно изобретению в качестве флюса используют шлаковые отходы производства лигатур следующего состава, мас. %: 50,0-85,0 оксида алюминия, не более 5,0 оксида кремния, не более 0,5% оксида железа, остальное - оксид кальция, в количестве 0,4-0,9 кг/т стали, с размером кусков 5-50 мм, при этом соотношение компонентов твердой шлакообразующей смеси соответственно флюс: известь не выше 1:5,6, а суммарный расход смеси не более 6,4 кг/т стали.
Использование для наведения шлака твердой шлакообразующей смеси на основе извести и шлаковых отходов производства лигатур, содержащих оксиды алюминия и оксиды кремния, в виде флюсующей добавки, предназначенной для разжижения шлака, инертного по отношению огнеупорной футеровке установки ковш-печь обеспечивает стойкость шлакового пояса футеровки ковша и улучшает экологическую обстановку без ухудшения степени десульфурации металла.
При содержании в шлаковых отходах оксида алюминия более 85% резко увеличивается стоимость материала и время растворения кусков флюса. При его содержании менее 50% возрастает количество флюса, необходимое для наведения жидкоподвижного шлака.
2
3
2
3
2
3
2
2
Кроме того, минимальная температура плавления в двойной системе СаО-AlO равна 1390°С и соответствует эвтектическому составу майенита 12СаО⋅7AlO, а в тройной системе CaO-AlO-SiO, минимальная температура плавления составляет 1190°С, что позволяет существенно снизить вязкость и температуру плавления шлака, т.е. флюсовая составляющая шлакообрразующей смеси обязательно должна содержать в составе оксид кремния SiO. При содержании во флюсе более 5% оксида кремния увеличивается количество извести, необходимое для получения требуемой основности, что при суммарном расходе шлакообразующей смеси выше 6,4 кг/т стали приводит к увеличению энергетических затрат. Содержание оксида железа во флюсе менее 0,5% отрицательно не влияет на качество стали, позволяя присаживать шлакообразующую смесь во все периоды плавки, обеспечивая возможность поддержания жидкоподвижности шлака по ходу выпуска, улучшая рафинирование стали и тепловой баланс плавки.
Куски флюса размером менее 5,0 мм будут выдуваться из установки «печь-ковш», а более 50 мм требуют большего времени их растворения.
2
3
Диапазон значений расхода флюса в пределах 0,4-0,9 кг/т обусловлен необходимостью ускоренного наведения покрывного шлака в ковше за счет образования легкоплавкой эвтектики AlO физико-химическими процессами раскисления и легирования стали в ковше. При меньших значениях не будет снижаться избыточная окисленность стали. При больших, будет происходить перерасход алюминия. При этом повышается эффективность удаления серы из расплава за счет снижения температуры плавления и вязкости шлака.
При этом соотношение компонентов в ТШС флюс : известь необходимо поддерживать не выше 1:5,6, так как при большем соотношении снижается жидкоподвижность наведенных шлаков и снижется степень десульфурации металла.
В качестве основы твердой шлаковой смеси используется известь, представляющая собой оксидное соединение кальция (СаО), которую получают обжигом известняка в шахтных печах при 1100-1300°С. Известно, что оксид кальция в металлургических процессах является шлакообразующим компонентом, обеспечивающим удаление вредных примесей, в частности серы, из расплавленного металла. Однако оксид кальция имеет высокую температуру плавления (2630°С) и требует для расплавления больших затрат тепла. Поэтому для снижения температуры плавления извести вместе с ней в шлаковых смесях используют различные добавки.
Пример осуществления
После выплавки в конвертере емкостью 300 т низкоуглеродистой стали ее выпускают из конвертера в сталеразливочный ковш соответствующей емкости с отсечкой печного шлака и производят внепечную обработку на установке ковш- печь.
2
3
2
На установке УКП в условиях промышленного производства были проведены опытные плавки, в которых плавиковый шпат был заменен на флюс, содержащий, мас. %: 58 AlO, 5,0 SiO, 0,4 FeO, 36,6 СаО. По приходу плавок на УКП, производилась доводка расплава по окисленности и обработка металла путем подачи на его поверхность ТШС, состоящей из извести крупностью 20-40 мм и флюса (шлаковых отходов производства лигатур) крупностью 5-50 мм.
Компоненты подавались в ковш порциями: до и во время нагрева металла. По результатам визуального контроля состояния шлака добавлялась дополнительная порция ТШС.
Для оценки эффективности использования предлагаемого флюса при обработке стали на установке ковш-печь и проведения десульфурации, была произведена опытная партия плавок: 13 плавок - низкоуглеродистая сталь (содержание кремния на выпуске до 0,03%), 1 плавка - среднеуглеродистая сталь (содержание кремния на выпуске от 0,05 до 0,15%); 1 - плавка низколегированная сталь (содержание кремния на выпуске от 0,17 до 0,37%). Содержание серы на выпуске металла в ковш составило от 0,01 до 0,015.
В качестве сравнительных плавок использовались плавки текущего производства, в которых формирование высокоосновного, жидкоподвижного раскисленного шлака на УКП достигается присадками чушкового алюминия с расходом от 0,5 до 0,7 кг/т 0,15 до 0,20 т, извести и плавикового шпата в соотношении 4:1 суммарно от 6,7-8,3 кг/т.
Продолжительность одной присадки шлакообразующих материалов составляет от 2,0 до 3,0 минут. В целом, жидкоподвижный шлак при использовании плавикового шпата обычно наводится на шестой - восьмой минуте.
К недостаткам данной технологии относятся:
1 Формирование рафинирующего шлака занимает продолжительное время и затрудняет проведение процесса десульфурации.
2 Используемый в качестве разжижителя шлака, плавиковый шпат отрицательно влияет на экологию и снижает стойкость футеровки шлакового пояса сталеразливочного ковша.
3. В процессе плавки происходит испарение фтора и, в связи с этим, загущение шлака, что понижает его десульфурирующую способность
Ниже приведены основные параметры опытных и сравнительных плавок с использованием плавикового шпата и предлагаемого флюса.
Средняя степень десульфурации опытного низкоуглеродистого металла с содержанием кремния не более 0,03% выше на 25,24%, чем на сравнительных и в среднем составила 40,75%, против 29,5% на сравнительных.
Суммарный расход шлакообразующих материалов известь и предлагаемый флюс на опытных плавках составил от 4,67 до 12,51 кг/т, в т.ч. с расходом флюса от 0,3 до 3,0 кг/т). На сравнительных плавках суммарный расход шлакообразующих материалов известь плюс плавиковый шпат составил от 3,37 до 15,26 кг/т, в т.ч. с расходом плавикового шпата от 0,49 до 2,00 кг/т.
Оптимальный интервал соотношения расхода предлагаемого флюса к извести - до 1:5,6, при этом суммарный расход шлакообразующих не должен превышать 6,4 кг/т.
Оптимальный расход флюса для наведения шлака на УКП находится в интервале от 0,4 до 0,9 кг/т. Оптимизация состава флюса и количества ТСШ позволяет выплавлять сталь, содержащую 0,01-0,015 серы.
2
3
Использование предлагаемого флюса при десульфурации металла позволило, за счет увеличения содержания AlO в шлаке, снизить суммарный расход алюминия (чушковый плюс пирамидальный). На опытных плавках он составил в среднем 0,5 кг/т, против 0,58 кг/т - на сравнительных.
Расход извести практически остался на прежнем уровне, в среднем - 5,40 кг/т против - 5,35 кг/т на сравнительном металле.
По визуальной оценке, при наблюдении за ходом опытных плавок отмечено достаточно быстрое: уже на третьей минуте продувки, наведение жидкоподвижного шлака.
Таким образом, результаты проведенных испытаний показывают, что предлагаемое изобретение направлено на расширение арсенала средств для разжижения шлаков в сталеплавильном производстве, использование комплексного флюса способствует улучшению управления режимами шлакообразования, улучшению жидкоподвижности шлаков, увеличивает возможности использования шлаковых отходов в металлургическом производстве, снижение себестоимости процесса.