СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО ШЛАКА НА РАСПЛАВЕ НЕРЖАВЕЮЩЕГО МЕТАЛЛА В КОНВЕРТЕРЕ
PRODUCTION OF EXPANDED SLAG ON MELT OF STAINLESS STEEL AT CONVERTER

Изобретение относится к способу получения вспененного шлака на расплаве нержавеющего металла в AOD (аргоно-кислородное обезуглероживание)- или MRP (процесс металлургического рафинирования)-конвертере, и, соответственно, процессе CONARC SSt, для нержавеющей стали, путем добавления вспенивающего материала.
Во время рафинирования в конвертере для получения нержавеющей стали образуется шлак, который имеет высокое содержание оксидов металлов, прежде всего оксида хрома. Концентрация оксида хрома во время фазы рафинирования часто достигает значения выше 20%, что сильно повышает вязкость шлака. В большинстве случаев шлак непосредственно перед восстановлением является очень жестким.
Подобные шлаки в технологии металлургии образуются согласно следующим, последовательно протекающим реакционным стадиям:
2
{O}=2[O] - термическая диссоциация кислорода (1)
2
3
2[Cr]+3[O]=(CrO) - окисление хрома в расплаве (2)
2
3
(CrO)+3[C]=2[Cr]+3{CO} - восстановление оксида хрома на поверхности раздела фаз «шлак/металл» (3)
Реакция (3) имеет основополагающее значение для производства нержавеющей стали, поскольку оксид хрома представляет собой важнейшую составную часть при образовании вспененного шлака. Правда, в традиционном процессе эта реакция протекает в очень незначительной степени. Основанием тому является высокая вязкость шлака. Во всех до сих пор общеупотребительных конвертерных способах шлак восстанавливается лишь в последующей стадии, так называемом восстановлении, причем способ для этого обычно предусматривает использование кремния в форме ферросилиция.
Правда, если вязкость шлака является подходящей для вспенивания, становится возможным процесс восстановления (уравнение 3) благодаря образованию газообразного СО в самом процессе рафинирования, а также в результате восстановления оксидов железа во вспенивающем материале. Он добавляется в расплав в форме гранул или брикетов в определенный момент времени. Основными компонентами материала являются носители оксидов железа, например, такие как окалина, кроме того, углерод и материал заполнителя, чем определяется целенаправленное распределение брикетов в расплаве.
Процесс восстановления в таком брикете протекает тогда согласно следующему принципу:
2
3
(FeO)+3[C]=2[Fe]+3{CO} - окисление хрома в расплаве (4)
Тем самым решающими для образования вспененного шлака являются компоненты добавляемого вспенивающего материала, а также вязкость шлака, которая опять же зависит от состава и температуры расплавленного жидкого шлака. Прежде всего, вязкостью определяется диапазон параметров жидкого расплавленного шлака, в котором возможно образование пены. Поэтому является важным регулирование определяющей вязкость основности шлака, в результате чего образующиеся газовые пузырьки принуждаются к временному пребыванию в слое шлака. При этом добавляемый для регулирования основности известняк представляет собой дополнительный источник газа, поскольку вследствие термической диссоциации этого материала выделяется СО согласно следующей схеме:
3
(CaCO)=(CaO)+{CO} (5)
В отношении явления образования пузырьков речь идет о процессе, в котором используется механическая сила реагирующих газовых пузырьков для образования новой области поверхности в шлаке. Подъемные силы газовых пузырьков временно разрывают поверхность шлака и насыщают весь слой шлака с образованием пены. При продолжительном потоке газа от реагирующих веществ число накапливающихся пузырьков увеличивается с нарастанием пены. В результате высота слоя пены увеличивается с ростом количества газа, которое является прямо пропорциональным количеству вспенивающего материала.
При механизме такого рода является важным оптимальное размещение реагентов, чтобы получить максимальное вспенивающее действие. Оптимальное размещение достигается в граничной области между слоем шлака и жидким металлом.
Патентный документ JP 1 116018 А описывает способ повышения эффективности процесса дутья при производстве стали в конвертере путем добавления смеси, при этом предотвращается образование шлака и, соответственно, формирование пены.
В патентном документе DE 195 18 343 А1 описан способ повышения эффективности восстановления расплава носителей окисленного металла и улучшения термического коэффициента полезного действия загружаемых горючих материалов в процессе получения расплава.
Патентный документ DE 10 2008 032975 А1 описывает способ получения вспененного шлака на расплавах нержавеющей стали в электродуговой печи.
При производстве нержавеющей стали вспенивание шлака до сих пор не применялось. В настоящее время добавляются только пылевидные материалы в виде спрессованных гранул или, соответственно, брикетов для обеспечения охлаждающего эффекта. Поскольку восстановительный элемент, а именно углерод, и материал заполнителя в брикетах отсутствует, они остаются без эффективного восстановления только в области шлака.
В патентном документе DE 10 2007 006 529 А1 при получении вспененного шлака на расплаве стали с высоким содержанием хрома дополнительно восстанавливаются находящиеся в шлаке оксиды металлов, преимущественно оксид хрома, с помощью плавающих вблизи поверхности раздела фаз «расплав/шлак» брикетов и/или гранул, причем возникающие газообразные продукты реакции содействуют вспениванию шлака. Для этого загружаемые в электродуговую печь брикеты или, соответственно, гранулы состоят из определенной смеси из носителя железа в качестве материала заполнителя, из углерода и, соответственно, углерода в качестве восстановителя, а также связующего средства.
Во время окислительного рафинирования в конвертере образуется шлак, который имеет высокое содержание оксида хрома. При этом концентрация оксида хрома часто достигает значения, как ранее упоминалось, свыше 20%, отчего подобные шлаки вследствие своего состава не могут разжижаться и вспениваться в желательной степени.
Задачей изобретения является разработка способа, с помощью которого известные способы вспенивания шлака, успешно действующие в электропечах, могут быть применены также в конвертере для производства нержавеющей стали.
Техническим эффектом настоящего изобретения является обеспечение производства нержавеющей стали с использованием окислительного рафинирования в конвертере, в котором производится целенаправленное вспенивание шлака, причем энергетический баланс плавки улучшается за счет изолирующего действия слоя вспененного шлака.
Указанный эффект достигается за счет ускоренного обезуглероживания в насыщенном кислородом шлаке и его взаимодействия с диспергируемыми каплями металла, что ведет помимо прочего также к уменьшению выбросов внутри конвертера, повышению эффективности производства металла из отходов, как то пыль сталеплавильного производства, шламы и так далее, и других подобных отходов. Также добавление брикетов позволяет регулировать охлаждающее действие в энергетическом балансе плавки.
Поставленная выше задача решается согласно признакам, обозначенным в п.1 формулы изобретения, тем, что в конвертер вносится заранее определенная смесь из оксида металла, носителя железа, углерода и связующего материала в форме гранул или, соответственно, брикетов, и под слоем шлака вследствие высокой температуры окружающей среды она реагирует с химическим восстановлением, причем, в частности, газообразный монооксид углерода, образующийся в процессе восстановления оксида металла углеродом, своими газовыми пузырьками вызывает вспенивание шлака, и причем удельная плотность материала и продолжительность растворения в процессе восстановления выбираются так, чтобы достигалось оптимальное образование пузырьков в отношении величины и длительности.
Вспененный шлак развивается квази-экспоненциально в соответствии с составом определенной смеси в форме гранул или, соответственно, брикетов, состоящей из оксида металла, носителя железа, углерода и связующего материала. Будучи введенной в зону между слоем шлака и расплавленным металлом, смесь вследствие преобладающей высокой температуры окружающей среды претерпевает процесс расплавления с параллельным восстановлением оксида железа. Гранула или, соответственно, брикет при поступлении в эту зону, вследствие своей более низкой температуры, тотчас же обволакивается оболочкой из затвердевшего металла. Поскольку средняя температура плавления гранул или, соответственно, брикетов является более низкой, чем температура плавления металла, внутри оболочки происходит процесс расплавления смеси. В зависимости от разности температур процесс восстановления внутри оболочки завершается раньше, чем произойдет расплавление оболочки, или позже. В первом случае процесс может вести к разрыву гранулы и взрывному высвобождению пузырьков газообразного CO, что вызывает сильное перемешивание металла со шлаком. В другой ситуации пузырьки газообразного CO выделяются свободно в зоне между шлаком и расплавленным металлом.
2
Согласно изобретению, добавление вспенивающего материала при специальном регулировании на значения между 2-30 кг гранул или, соответственно, брикетов на тонну жидкого металла в минуту выполняется так, чтобы получалась заданная высота слоя вспененного шлака, и также она поддерживалась в течение заранее определенного времени. Распределение этого добавления вспенивающего материала производится послойно и с охватом площади при заданном расходе на единицу поверхности, и для оптимального эффекта вспенивания составляет между 1-5 кг/м/мин.
Для достижения целевого вспенивания шлака является важным соблюдение определенной вязкости шлака, для чего необходимо соответствующее регулирование свойств шлака.
При эксплуатации конвертера окислительному рафинированию кислородом подвергается одна загрузка, то есть металлическая шихта. При этом шлак выполняет свою главную функцию улавливания нежелательных компонентов из расплава. Вследствие слабой теплопроводности вспененного шлака значительно сокращаются потери тепла, и тем самым улучшается подведение энергии в расплавленный металл.
Вспененный шлак также имеет значение сильного шумоподавления. Окруженная вспененным шлаком верхняя дутьевая фурма испускает в окружающую среду меньше шума и тем самым улучшает условия окружающей среды в области конвертера.
Дополнительными преимуществами хорошо вспененного шлака в конвертере являются:
улучшенный энергетический баланс плавки благодаря изолирующему слою вспененного шлака,
ускорение обезуглероживания насыщенным кислородом в шлаке и его реакцией с диспергированными каплями металла,
сведение к минимуму разбрызгивания и образования настылей во внутреннем пространстве конвертера,
повышение эффективности процесса извлечением металла из остатков материала, например, таких как пылевидные отходы, из электропечи и конвертера, шламы, а также другие повторно используемые остаточные материалы сталеплавильного производства, которые могут быть примешаны в гранулы и, соответственно, брикеты в качестве оксида металла или, соответственно, носителя железа;
охлаждающее действие от добавления брикета.
2
Авторами настоящего изобретения проведены многочисленные лабораторные и промышленные эксперименты, показавшие, что для широкого сортамента нержавеющих сталей возможно осуществление процесса AOD с получение нержавеющей стали при осуществлении вспенивания шлака целенаправленной подачей гранула 4, состоящих, например, из смеси сухих шламов конвертерного производства стали, содержащих железо и хром (до 80% от массы смеси), необожженого доломита (15-20%) и углеродного связующего. При введении указанной смеси в виде гранул в количестве 2-30 кг на тонну расплавленного металла (1) в минуту и при удельном расходе на единицу поверхности 1-5 кг/м/минуту было достигнуто целевое вспенивание шлака, которое, по оценкам заявителя, позволило сократить теплопотери в процессе величину до 4-5% при высоком извлечении металла из гранул.
2
3
2
В схематическом изображении на приведенной ниже фиг.1 представлено соответствующее изобретению вспенивание шлака. Поверх имеющегося в конвертере (конвертер не показан) расплавленного металла 1 находится плавающий на расплавленном металле 1 слой 2 шлака с размещенными в нем гранулами 4. Эти гранулы 4 были до этого загружены в конвертер, где они вследствие своего предварительно установленного объемного веса и благодаря образованию на них оболочки 6 из затвердевшего металла сначала располагаются в зоне 3 между слоем 2 шлака и расплавленным металлом 1. После расплавления этой оболочки 6 и соответствующего облегчения некоторые гранулы 4 покидают зону 3 и находятся внутри слоя 2 шлака. Пузырьки 7 газообразных CO/CO, образовавшиеся при восстановлении имеющихся в гранулах 4 носителей железа и присутствующего известняка (CaCO), ведут к образованию слоя 8 вспененного шлака, в котором пузырьки 7 газообразных CO/CO представлены увеличенными.
2
Для наглядности точно так же показана увеличенной гранула 4 из смеси 5 примерных компонентов (CO, CO, Fe, Cr, CaO) и образовавшейся в зоне 3 оболочки 6 из затвердевшего металла.
Список условных обозначений
1 - Расплавленный металл
2 - Слой шлака
3 - Зона между слоем шлака и расплавленным металлом
4 - Гранула
5 - Определенная смесь гранулы
6 - Оболочка, образовавшаяся из затвердевшего металла
7 - Газовый пузырек
8 - Слой вспененного шлака