СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛИ В КОВШЕ
METHOD OF STEEL PROCESSING IN LADLE

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к обработке металлического расплава в ковше во время выпуска для осуществления эффективной десульфурации.
1
1
2
1
2
1
2
к
2
к
2
3
-5
3
2
3
Известен способ обработки стали в ковше, включающий выпуск стали из сталеплавильного агрегата в ковш, подачу в ковш в процессе выпуска стали твердой шлаковой смеси, состоящей, мас.%: известь - 50-90; гранулированный алюминий - 1-30; плавиковый шпат - остальное, расход которой устанавливают по зависимости G=K·(S-S)·(Т-t)·М, где G - расход шлаковой смеси, кг/т стали; S - содержание серы в стали, выпускаемой в ковш из сталеплавильного агрегата, мас.%; S - необходимое содержание серы в стали после ее обработки в ковше, мас.%; T - температура стали в сталеплавильном агрегате при выпуске в ковш, °С; t - необходимое значение температуры стали после обработки в ковше, °С; М - масса стали в ковше, т; K - эмпирический коэффициент, учитывающий физико-химические закономерности процесса обработки стали в ковше шлаковой смесью, равный 0,086-0,2 кг/т·%·°С, последующую подачу в ковш алюминиевой проволоки, продувку стали в ковше сверху через погружную фурму нейтральным газом и кислородом, с расходом, определяемым по зависимости Q=K·G·M·q·a·b·c/t, где Q - расход кислорода, м/мин·т стали; К - эмпирический коэффициент, учитывающий физико-химические закономерности взаимодействия шлаковой смеси и стали в процессе ее продувки кислородом, равный (0,33-4,3)·10, м·°С/мин·кг·(%); q - расход алюминиевой проволоки, кг/т стали; a - содержание извести в шлаковой смеси, мас.%; b - содержание гранулированного алюминия в шлаковой смеси, мас.%; c - содержание плавикового шпата в шлаковой смеси, мас.%; t - температура стали в ковше в начале обработки, °С (RU №2159290 C1, кл. C21C 7/06, C21C 7/064, опубл. 20.11.2000 г.).
Подача в ковш в процессе выпуска стали твердой шлаковой смеси, содержащей в своем составе гранулированный алюминий, приводит к низкой фактической десульфурации стали к окончанию выпуска ее в сталеразливочный ковш, не превышающей величины 10,0%. Это обусловлено тем, что количества алюминия, входящего в состав гранулированного алюминия, оказывается недостаточным для связывания кислорода, растворенного в стали, что препятствует успешному поглощению серы, содержащейся в стали, расплавившимся шлаком. Последующая обработка стали после окончания выпуска подачей алюминиевой проволоки в печи-ковше повышает степень десульфурации до 50,0-57,7%, однако это происходит, в основном, за счет дополнительного расхода алюминия в виде алюминиевой проволоки в количестве 0,5-3,5 кг/т стали, усвоение алюминия из которой, как известно, вдвое превосходит усвоение алюминия из гранул.
3
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ обработки стали в ковше, включающий выпуск металлического расплава из сталеплавильного агрегата (конвертера) в ковш, подачу в ковш в начале выпуска металлического расплава до наполнения 0,3 высоты рабочей полости ковша кремнийсодержащего материала в качестве раскислителя с расходом 0,1-2,0 кг/т металлического расплава, подачу при наполнении ковша в пределах 0,5-0,95 высоты его рабочей полости кремний-марганецсодержащего материала с расходом 1,0-5,0 кг/т металлического расплава совместно с карбонатным материалом, расход которого устанавливают в пределах 0,5-4,0 кг/т металлического расплава, последующую продувку аргоном через погружную фурму с расходом 0,001-0,007 м/мин·т металлического расплава и подачу в ковш алюминия в виде катанки с расходом 0,5-3,0 кг/т металлического расплава и марганецсодержащего материала с расходом 0,01-3,0 кг/т металлического расплава, при этом в качестве кремнийсодержащего материала используют ферросилиций с содержанием кремния в пределах 40-70 мас.%, в качестве кремний-марганецсодержащего материала используют ферросиликомарганец с содержанием марганца в пределах 60-70 мас.% и кремния в пределах 10-20 мас.%, в качестве карбонатного материала используют известняк с расходом 1,0-4,0 кг/т расплава или доломит с расходом 0,5-2,5 кг/т металлического расплава, в качестве марганецсодержащего материала используют ферромарганец с содержанием марганца в пределах 65-95 мас.% (RU №2206625 C1, кл. C21C 7/00, опубл. 20.06.2003 г.).
Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения: подача в ковш от начала выпуска и в процессе выпуска кремнийсодержащего материала в качестве раскислителя, в процессе выпуска - марганецсодержащего материала, и материала, содержащего в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний.
Известный способ не обеспечивает достижения требуемого технического результата по следующим причинам.
Подача в ковш в качестве раскислителя ферросилиция в количестве 0,1-2,0 кг/т металлического расплава, согласно известному способу, осуществляют для снижения содержания кислорода в металлическом расплаве до значений 0,02-0,05 мас.%. Такая подача ферросилиция и в таком количестве не обеспечивает подготовки выплавленного расплава к десульфурации, поскольку удаление серы начинает быть эффективным при снижении содержания кислорода до величины менее 0,01 мас.%. Последующая подача в ковш ферросиликомарганца одновременно с карбонатами кальция и магния в виде известняка и доломита также не способствует десульфурации, поскольку в присутствии кремния активность марганца к сере значительно снижается, поэтому марганец не может в этих условиях быть эффективным десульфуратором. Этому также способствует повышенная окисленность металлического расплава после обработки его заявленным количеством ферросилиция. Подаваемый в ковш силикомарганец плавится в объеме металлического расплава, создавая в процессе плавления неравномерно расположенные облака металла с повышенной концентрацией марганца, без ощутимого снижения в них содержания кислорода, что препятствует процессу десульфурации металлического расплава.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа обработки стали в ковше путем оптимизации технологических параметров. Ожидаемый технический результат - обеспечение возможности взаимодействия серы с марганцем в верхнем слое металлического расплава в процессе его выпуска, что обеспечивает глубокую десульфурацию в процессе выпуска металлического расплава, позволяя получать сталь с низким содержанием серы.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе обработки стали в ковше, включающем выпуск металлического расплава из сталеплавильного агрегата в ковш, подачу в ковш от начала выпуска и в процессе выпуска кремнийсодержащего материала в качестве раскислителя, в процессе выпуска - марганецсодержащего материала, и материала, содержащего в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, по изобретению кремнийсодержащий материал подают с расходом 2,2-2,5 кг/т металлического расплава и заканчивают подачу при наполнении 0,2 высоты рабочей полости ковша, а подачу марганецсодержащего материала, в качестве которого используют оксиды марганца, и материала, содержащего в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, осуществляют совместно и непрерывно при наполнении ковша, начиная от 0,2 и заканчивая 0,9 высоты его рабочей полости, с равномерным распределением их по поверхности расплава, при этом марганецсодержащий материал подают с расходом, равным 1,05-1,07 расхода, необходимого для получения требуемого количества марганца в стали, а материал, содержащий в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, подают с расходом, превышающим на 3-5% стехиометрически необходимый расход.
При выпуске металлического расплава в начале выпуска и до наполнения 0,2 высоты рабочей полости ковша происходит интенсивное перемешивание металлического расплава с образованием вихревых потоков, способствующих увеличению поверхностей контакта плавящихся в объеме металлического расплава материалов. Структура «завихренной» зоны остается таковой в течение всего времени наполнения ковша металлическим расплавом, несмотря на то, что скорости потоков со временем уменьшаются. Поэтому при непрерывной подаче в ковш от начала выпуска и в процессе выпуска кремнийсодержащего материала в качестве раскислителя и окончание его подачи при наполнении 0,2 высоты рабочей полости ковша, кремнийсодержащий материал попадает в эту «завихренную» зону, в которой происходит не только ускоренное его плавление, но и равномерное распределение в объеме металлического расплава, что способствует интенсивному раскислению металла - образованию зоны пониженной окисленности и подготовке его к процессу десульфурации. Кремнийсодержащий материал подают с расходом 2,2-2,5 кг/т металлического расплава, что примерно в два раза превышает стехиометрически необходимый расход для связывания всего кислорода, находящегося в металлическом расплаве. Такой расход кремнийсодержащего материала обусловлен еще и необходимостью повышения коэффициента активности серы для успешного проведения десульфурации. При уменьшении расхода кремнийсодержащего материала ниже величины 2,2 кг/т металлического расплава снижается уровень раскисленности металлического расплава, а также активность серы, что препятствует процессу десульфурации. Повышение расхода кремнийсодержащего материала выше значений 2,5 кг/т металлического расплава приводит не только к нерациональному его расходу, но и может привести к непопаданию в заданный химический состав стали по верхнему пределу. При повышении активности сера как поверхностно-активное вещество интенсивно перемещается в зону пониженной окисленности и сосредотачивается в ней. В этой зоне повышается концентрация серы, снижается плотность металлического расплава и массы металлического расплава, насыщенные серой, устремляются вверх. Поскольку сера является поверхностно-активным веществом, то ее перемещение в зону сверхнизкой окисленности металлического расплава будет тем интенсивнее, чем ниже будет содержание кислорода в этой зоне. Опытные данные свидетельствуют о том, что при наличии в объеме металлического расплава содержание серы на уровне 0,050%, ее концентрация в поверхностном слое глубоко раскисленного металла (с содержанием кислорода около 0,001%) составляет величину порядка 1,5-2,0%. Таким образом, предварительная подготовка металлического расплава к процессу десульфурации позволяет:
- максимально раскислить металлический расплав перед началом процесса десульфурации;
- создать зону повышенной концентрации кремния в металлическом расплаве, равномерно распределенного в зоне «завихрения»;
- способствовать в результате повышения активности серы перемещению масс раскисленного металла, насыщенного серой, в верхние слои;
- обеспечивать равномерное распределение зон с повышенной концентрацией серы и низким содержанием кислорода в верхних слоях металлического расплава.
Затем на поверхность металлического расплава при наполнении ковша от 0,2 высоты его рабочей полости, в ковш непрерывно подают марганецсодержащий материал в виде оксидов марганца с расходом, равным 1,05-1,07 расхода, необходимого для получения требуемого количества марганца в стали совместно с материалом, содержащим в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, с расходом, превышающим на 3-5% стехиометрически необходимый расход и заканчивают подачу при наполнении ковша 0,9 высоты его рабочей полости.
Начало непрерывной подачи в ковш марганецсодержащего материала в виде оксидов марганца совместно с материалом, содержащим в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, обусловлено необходимостью соблюдения непрерывности в поддержании уровня низкой окисленности вновь поступающего в ковш металлического расплава, а также начала процесса десульфурации предварительно подготовленного металлического расплава с растворенной в нем серой, обладающей повышенной активностью. Подача материалов ранее, чем наполнение ковша 0,2 высоты его рабочей полости нецелесообразна, поскольку интенсивность перемешивания металлического расплава падающей струей высока, что может стать препятствием для создания активной зоны глубоко раскисленного металлического расплава в верхних его слоях и препятствовать тем самым процессу десульфурации. Подача материалов после наполнения ковша металлическим расплавом больше 0,9 высоты его рабочей полости нецелесообразна, поскольку подаваемые материалы не успеют расплавиться до окончания выпуска металлического расплава из сталеплавильного агрегата, что приведет к ухудшению процесса раскисления металлического расплава и его десульфурации.
Расход марганецсодержащего материала в виде оксидов марганца, равный 1,05-1,07 расхода, необходимого для получения требуемого количества марганца в стали, обусловлен тем, что в реальном металлургическом процессе часть оксидов марганца останется в покровном образующемся шлаке. Это способствует более полному удалению серы из металлического расплава в образующийся шлак. Уменьшение расхода марганецсодержащего материала приведет к снижению количества удаленной из металлического расплава серы, а превышение расхода над величиной 1,07 расхода, необходимого для получения требуемого количества марганца в стали, приведет к повышению окисленности металлического расплава, что отрицательно отразится на процессе десульфурации металлического расплава.
Равномерное распределение подаваемых материалов по поверхности металлического расплава сопровождается их интенсивным плавлением и образованием в верхних слоях расплава новых фаз - жидкого марганца и жидкого алюминия, которые вступают в реакцию с еще имеющимся в металлическом расплаве кислородом и серой, концентрация которой в верхнем глубоко раскисленном слое металлического расплава существенно превышает ее концентрацию в объеме ковша.
Капли восстановленного марганца имеют величину, обеспечивающую преодоление вязкого сопротивления образующейся шлаковой пленки, толщина которой сравнима с толщиной диффузионного слоя. В численном выражении - при толщине диффузионного слоя порядка 300 микрон, диаметр предварительно коалисценированных капель восстановленного марганца не превышает величину порядка 150-200 микрон. При этом эти капли образуют плотную поверхность на границе раздела шлак - металл, т.е. поверхность «без пропусков и перекрытий». Попадая в слои глубоко раскисленного металла, капли марганца встречаются с расплавом железа, насыщенного серой. Поскольку сродство марганца к сере значительно выше сродства железа к сере, вполне закономерно протекание реакции:
x
y
x
y
x
y
x
y
Образующееся вещество MnS имеет плотность, уступающую плотности жидкого железа. Так как температура образования твердого стехиометрического сульфида марганца 1610°С, то и температура образования MnS близка к ней, а температура в зоне взаимодействия капель марганца с серой существенно ниже и приближается к температуре плавления марганецсодержащего материала (1300°С). Поэтому образующийся MnS обладает большей вязкостью, чем металлический расплав и может служить в какой-то мере центром «кристаллизации», то есть являться предпосылкой для присоединения к нему в процессе самокоагуляции соединений типа FeS, в результате чего образуются крупные глобули, способные при всплывании преодолеть не только слой образовавшейся в результате восстановительного процесса тонкой шлаковой пленки, но и адсорбироваться покровным шлаком, обладающим высокой серопоглотительной спобностью.
Таким образом, в глубоко раскисленной зоне, прилегающей к зоне химической реакции восстановления марганца, происходит процесс интенсивного поглощения марганцем серы, достигающего, как показывает опыт, величин 90-95%.
Так как зона реакции существует в течение не менее 80% времени выпуска металлического расплава из сталеплавильного агрегата, то только в результате десульфурации стали марганцем степень перехода серы из металла в шлак достигает величины порядка 75-80%. Дополнительное взаимодействие металла, перемещающегося в объеме ковша конвективными потоками, с покровным шлаком с высокой десульфурирующей способностью увеличивает этот показатель до значений 85-90%.
Пример.
Осуществляли опробование заявляемого способа обработки стали в ковше и известного способа - ближайшего аналога для получения стали марки 08Ю следующего химического состава, мас.%: С 0,03-0,09; Si 0,01-0,04; Mn 0,15-0,45; Al 0,02-0,06; S 0,01-0,03; P 0,006-0,030.
В 150-тонном конвертере выплавляли металлический расплав химического состава, мас.%: C 0,02-0,07; Si≤0,01; Mn 0,2-0,10; S 0,01-0,03; P 0,004-0,015.
Металлический расплав с температурой 1680°С выпускали из конвертера в сталеразливочный ковш соответствующей емкости.
Согласно предлагаемому способу в ковш подавали от начала выпуска и в процессе выпуска кремнийсодержащий материал в качестве раскислителя, в процессе выпуска - марганецсодержащий материал, и материал, содержащий в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний.
От начала выпуска металлического расплава до наполнения 0,2 высоты рабочей полости ковша подавали кремнийсодержащий материал с расходом 2,2-2,5 кг/т металлического расплава. В качестве кремнийсодержащего материала использовали ферросилиций, содержащий в своем составе 65,0 мас.% кремния. При наполнении ковша, начиная от 0,2 и заканчивая 0,9 высоты его рабочей полости, в ковш подавали марганецсодержащий материал, в качестве которого использовали оксиды марганца, и материал, содержащий в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний. В качестве марганецсодержащего материала использовали марганцевый агломерат, содержащий в своем составе 55,0 мас.% оксидов марганца, в качестве материала, содержащего в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, использовали: по одному из вариантов - алюминий, а по другому варианту - карбид кальция. Подачу материалов осуществляли совместно и непрерывно с равномерным распределением их по поверхности расплава. Марганецсодержащий материал подавали с расходом, равным 1,05-1,07 расхода, необходимого для получения требуемого количества марганца в стали, а материал, содержащий в своем составе элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем кремний, подавали с расходом, превышающим на 3-5% стехиометрически необходимый расход.
Согласно известному способу в процессе выпуска в ковш подавали раскислители, легирующие и шлакообразующие материалы.
3
От начала выпуска металлического расплава до наполнения 0,3 высоты рабочей полости ковша подавали кремний-марганецсодержащий материал с расходом 1,0-5,0 кг/т металлического расплава совместно с карбонатным материалом, расход которого устанавливали в пределах 0,5-4,0 кг/т металлического расплава. В процессе последующей внепечной обработки расплав в ковше продували аргоном через погружную фурму с расходом 0,001-0,007 м/мин·т расплава и подавали алюминий в виде катанки с расходом 0,5-3,0 кг/т расплава и марганецсодержащий материал с расходом 0,01-3,0 кг/т расплава. В качестве кремнийсодержащего материала использовали ферросилиций с содержанием кремния в пределах 40-70 мас.%. В качестве кремний-марганецсодержащего материала использовали ферросиликомарганец с содержанием марганца в пределах 60-70 мас.% и кремний в пределах 10-20 мас.%. В качестве карбонатного материала использовали известняк с расходом 1,0-4,0 кг/т расплава. В качестве марганецсодержащего использовали ферромарганец с содержанием марганца в пределах 65-95 мас.%.
В таблице приведены технологические параметры предлагаемого и известного способов обработки стали в ковше и полученные результаты.
Из данных, приведенных в таблице, видно, что степень десульфурации стали при реализации предлагаемого способа обработки стали в ковше в 5-6 раз превышает степень десульфурации стали при реализации известного способа. При этом расход марганецсодержащих материалов в пересчете на марганец в известном способе на 13-15% больше, а алюминия на 45-47% больше, чем в предлагаемом.
№ пп
Расход Fe-Si - 65, кг/т
Расход Mn (в пересчете на металл), доли
Расход материала, %
Степень десульфурации, %
Al
CaC<sub>2</sub>
1.
2,2
1,05
103
-
85
2.
2,3
1,06
104
-
90
3.
2,4
1,07
105
-
87
4.
2,2
1,05
-
103
86
5.
2,3
1,06
-
104
89
6.
2,4
1,07
-
105
90
7. ближайший аналог
1,0
1,20
160
-
15