СПОСОБ ВЫПЛАВКИ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR MELTING RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам выплавки рельсовой стали в электропечах.
3
Известен способ выплавки рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома, чугуна и извести, расплавление металлошихты, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию путем присадки железной руды и извести, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, раскисление стали и шлака в печи, последующий выпуск стали под печным шлаком в ковш, присадку в ковш во время выпуска смеси, состоящей из извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия, в котором в завалку дополнительно присаживают железную руду в количестве 4-5% от веса завалки, известь подают в количестве 4-8% от веса завалки, чугун присаживают в виде жидкого чугуна, который заливают сверху в печь после проплавления металлолома при расходе электроэнергии 220-320 кВт·ч/т металлолома в количестве 30-35% от веса завалки со скоростью 6-12 т/мин, при этом газообразный кислород подают с расходом 15-30 нм/т стали, а температуру в печи при окислении углерода поддерживают не более 1680°С, железную руду и известь для дефосфорации присаживают с расходом 70-120 кг/т стали в соотношении соответственно (1-2):(2,5-3,5) с последующим спуском окислительного шлака, а расход присаживаемой в ковш во время выпуска стали смеси поддерживают в пределах 18-27 кг/т стали при соотношении в ней извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия (1-1,50):(0,30-0,40):(0,50-0,65):(0,07-0,15) соответственно [1].
Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:
- значительная длительность плавки в связи с необходимостью раскисления стали и шлака в печи, а также разведением операций загрузки металлолома и заливки жидкого чугуна во временном интервале,
- высокие расходы электроэнергии и электродов, связанные с повышенной длительностью плавки,
- высокий расход извести и низкая степень дефосфорации,
- высокий «угар» ферросплавов и легирующих в связи с повышенной окисленностью печного шлака и присадкой значительного количества ферросплавов в печь.
2
2
3
2
5
Известна также шихта для выплавки стали, содержащая железоуглеродистый сплав и оксидный материал, в которой в качестве железоуглеродистого сплава используют сплав с содержанием: 2,5-4,8% С, 0,05-1,20% Si, 0,05-0,70% Mn, 0,01-0,16% V, менее 0,15% P, менее 0,030% S, менее 0,15% Cr, менее 0,10% Cu, менее 0,10% Ni, менее 0,05% Al, менее 0,008% As, менее 0,15% Ti, а в качестве оксидного материала используется материал с содержанием: 3,0-98,0% FeO, 0,5-15,0% SiO, 0,1-8,5% AlО, 0,15-12,5% СаО, 0,15-3,8% MgO, 0,1-6,5% MnO, 0,01-0,12% S, 0,03-0,18% РО; причем компоненты содержатся в следующем соотношении, мас.%:
железоуглеродистый сплав
70-99,9
оксидный материал
0,1-30;
шихту изготавливают методом литья в виде чушек массой 5-50 кг, причем оболочка содержит только железоуглеродистый сплав, а оксидный материал фракции 0,01-10 мм располагают в 1-3 слоя в центральной части чушки, при этом отношение концентрации оксидов железа в оксидном материале к содержанию углерода в железоуглеродистом сплаве поддерживают равным 1:(1-2,5) и отношение плотности оксидного материала к плотности железоуглеродистого сплава поддерживают равным 1:(2,2-7,8) [2].
Существенными недостатками данной шихты для выплавки стали являются:
- высокий расход электроэнергии при проплавлении шихты в связи с необходимостью плавления по сравнению с использованием жидкого чугуна при электроплавке;
- повышенный расход извести при плавке в связи с высокими концентрациями кремния и фосфора в шихте;
- снижение качественных показателей стали из-за высокого содержания фосфора в шихте.
3
Известен, выбранный в качестве прототипа, способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, выплавку стали сериями, выпуск плавки с оставлением шлака и части металла в печи, присадку в ковш во время выпуска твердой шлакообразующей смеси, раскислителей и легирующих, в котором перед выпуском в печь присаживают известь в количестве 1-3% от массы завалки, заливку чугуна при температуре 1250-1360°С в количестве 40-70% от массы завалки проводят на оставшийся в печи шлак и часть металла, после заливки проводят завалку извести в количестве 1-4% и металлолом в количестве 30-60% от массы завалки, окисление проводят газообразным кислородом с расходом 8000-12000 м/ч до содержания углерода не менее 0,10% и температуры не более 1680°С, в ковш при выпуске присаживается силикомарганец из расчета введения марганца на нижний предел содержания в готовой стали и известь из расчета 3-10 кг/т жидкой стали, дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводят на агрегате ковш-печь [3].
Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:
- низкая степень дефосфорации,
- высокие расходы электроэнергии и извести, связанные с повышенной длительностью плавки в связи с необходимостью окисления избыточного углерода чугуна.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются:
- повышение качества стали;
- снижение расхода извести и электроэнергии.
3
Для этого предложен способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, выплавку стали сериями, выпуск плавки с оставлением шлака и части металла в печи, присадку в ковш во время выпуска твердой шлакообразующей смеси, раскислителей и легирующих, доводку стали по температуре и химическому составу на агрегате ковш-печь, в котором заливку жидкого чугуна с содержанием кремния не более 0,45% и фосфора не более 0,09% в количестве 25-75% от массы завалки производят на оставшийся в печи шлак и часть металла, после заливки производят завалку металлолома в количестве 15-35% от массы завалки, полуфабрикат композиционный в количестве 10-40% от массы завалки и извести в количестве 3,0-4,3% от массы завалки, при расплавлении и в окислительный период производят продувку газообразным кислородом с расходом 6000-12000 м/ч, присадку извести в количестве 0,4-1,3% от массы завалки порциями по 50-200 кг и вдувание углеродсодержащего порошка с интенсивностью 15-100 кг/мин.
Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.
Количество жидкого чугуна в количестве 25-75% от массы завалки выбрано исходя из получения в стали необходимой концентрации углерода. При использовании жидкого чугуна менее 25% от массы завалки концентрация углерода при расплавлении не позволит провести усиленную дегазацию стали и удаление неметаллических включений при повышенном расходе кислорода, а использование жидкого чугуна в количестве более 75% от массы завалки приводит к повышенной концентрации углерода при расплавлении и увеличению длительности плавки в связи с необходимостью окисления «избыточного» углерода стали. Кроме того, при количестве жидкого чугуна менее 25% от массы завалки возможно получение недопустимо высоких концентраций хрома никеля и меди.
Содержание кремния не более 0,45% и фосфора не более 0,09% в чугуне обеспечивает проведение хорошей дефосфорации при обеспечении желаемой продолжительности плавления.
Количество извести, присаживаемой в печь определяется эффективной степенью дефосфорации. При количестве извести менее 3% от массы завалки степень дефосфорации недостаточная для обеспечения требований стандартов по содержанию фосфора, при увеличении извести более 4,3% от массы завалки растут тепловые потери, связанные с расплавлением извести, в связи с чем увеличивается длительность плавки.
Количество металлолома и полуфабриката композиционного связано с жидким чугуном. При использовании металлолома в количестве менее 15% от массы завалки полуфабриката композиционного менее 10% от массы завалки возрастает концентрация углерода в расплаве, в связи с чем увеличивается длительность плавки из-за ограничения скорости выгорания углерода. При увеличении количества металлолома более 35% от массы завалки и полуфабриката композиционного более 40% от массы завалки содержание углерода получаемого при расплавлении недостаточно для проведения успешной дефосфорации.
3
3
Расход кислорода выбран исходя из следующих условий: при расходе кислорода менее 6000 м/ч увеличивается продолжительность плавки, а при расходе кислорода более 12000 м/ч скорость окисления углерода значительно меньше скорости диффузии кислорода, в связи с чем снижается коэффициент полезного использования кислорода.
Присадки извести порциями по 50-200 кг в количестве 0,4-1,3 от массы завалки обеспечивает хорошую степень дефосфорации. Порция более 200 кг приводит к локальному захолаживанию шлака и требует значительного временного интервала для ассимиляции шлаком, что снижает степень дефосфорации. Порция менее 50 кг приводит к непроизводительным расходам (загрузке оборудования) при задаче, увеличению длительности плавки в связи с временными затратами при формировании шлака. Присадка извести в количестве менее 0,4% от массы завалки, малое количество шлака приводит к снижению степени дефосфорации и, как следствие, получению стали, бракованной по содержанию фосфора. При использовании извести в количестве более 1,3% от массы завалки значительно повышается количество печного шлака, соответственно возрастает расход электроэнергии, а фосфидная емкость сформированной шлаковой системы используется не полностью.
Вдувание углеродсодержащего порошка с интенсивностью менее 15 кг/мин не обеспечивает требуемого вспенивания шлака и, как следствие, увеличивает расход электроэнергии.
Использование углеродсодержащего порошка с интенсивностью более 100 кг/мин нецелесообразно, т.к. при этом происходит раскисление шлака и процесс рефосфорации (переход фосфора из шлака в металл).
Заявляемый способ выплавки рельсовой стали был реализован при выплавке стали в дуговых электросталеплавильных печах типа ДСП 100Н10 с номинальной емкостью 100 тонн.
2
2
3
3
Заливка жидкого чугуна (25-75 тонн) проводилась из чугуновозного ковша посредством мостового крана при открытом своде печи на остаток печного шлака и металла. Далее бадьей осуществляли завалку 15-35 тонн металлолома и 10-40 тонн полуфабриката композиционного без последующих подвалок металлолома в печь. Полуфабрикат композиционный, содержащий в качестве железоуглеродистого материала сплав с содержанием: 3-4% С, 0,1-0,50% Si, 0,1-0,50% Mn, 0,07-0,11% Р, а в качестве оксидного материала окатыши с содержанием: 50-70% Fe, 2-10% SiO, 1-8% AlО, 0,5-10% СаО, в виде чушек массой 10-20 кг, был изготовлен при разливке чугуна в доменном цехе. Окисление углерода проводили продувкой стали в печи газообразным кислородом через систему газокислородных горелок с расходом 6000-12000 м/ч. Вдувание углеродсодержащего порошка проводили с помощью фурм «карб-джет» с интенсивностью 15-65 кг/мин. Для полной отсечки шлака и снижения вероятности загрязнения стали неметаллическими включениями в печи оставляли 10-15 тонн стали.
При выпуске стали в ковш присаживали силикомарганец МнС17 800-1000 кг и известь в количестве 300-1000 кг. Дальнейшую доводку стали марок НЭ76Ф и Э76Ф по температуре и химическому составу проводили на агрегате типа ковш-печь. Разливку стали проводили на 4-ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа Р65.
При выплавке стали по заявляемому способу сокращена длительность плавки с 57-60 мин до 53-57 мин, снижен расход электроэнергии с 276-295 кВт·ч/т до 240-270 кВт·ч/т, уменьшена загрязненность стали по неметаллическим включениям (снижен индекс общей загрязненности неметаллическими включениями на 0,18), снижено содержание фосфора в готовой стали на 0,002%, степень дефосфорации увеличена на 10%.
Список источников
1. Патент РФ №2197536, кл. С21С 5/52, 7/06.
2. Заявка №2007110459, кл. С21С 5/00.
3. Патент РФ №2312901, кл. С21С 5/52, 7/07.