ИЗГОТОВЛЕНИЕ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ГРУППЫ ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ AISI 4xx В КОНВЕРТЕРЕ АКР
MANUFACTURING OF NONCORROSIVE STEEL OF FERRITIC STEEL GROUP AISI 4xx IN CONVERTER AKP

Изобретение относится к способу изготовления нержавеющей стали группы ферритных сталей AISI 4хх, в частности из группы сталей AISI 430 из жидкого чугуна и твердых материалов с феррохромом.
Применение конвертера АКР для изготовления высоколегированных сталей известно давно. Так в документе WO 02/075003 описан способ контроля, основанный на непрерывном анализе отходящего газа в комбинации с вычислительным устройством и динамической моделью, при помощи которых осуществляется управление интенсивностью продувки кислородом и инертным газом, а также присадкой материалов. Из документа EP 1310573 A2 известен способ изготовления металлического расплава, в частности окислительного рафинирования металлического расплава для изготовления например легированной нержавеющей стали или высоколегированной стали в конвертере АКР, при этом способ поддерживается вычислительной техникой с реализованной моделью процесса и с управлением металлургическими установками, причем модель процесса описывает способ применительно по меньшей мере к одному изменяемому параметру процесса с учетом действительной величины, установленной величины и конечной величины. На примере описано протекание процесса при изготовлении стали типа AISI 304.
Нержавеющие стали группы ферритных сталей по AISI 4xx обычно производятся на базе лома подобного типа в электродуговой печи и затем подвергаются легированию и обезуглероживанию в конвертере АКР. Для того чтобы обеспечить применение в данном процессе чугуна предусмотрено, что предварительно обработанный в сталеплавильном цехе чугун вне печи, в ковше, смешивается с ломом и легирующими и затем подается в конвертер.
Исходя из указанного уровня техники задачей изобретения является применение технологии АКР для изготовления нержавеющей стали группы ферритных сталей AISI 4xx, в частности стали типа AISI 430, с непосредственной подачей чугуна и последующим легированием в конвертере.
Поставленная задача изготовления нержавеющей стали указанного типа решается при помощи отличительных признаков п.1 формулы изобретения, характеризующих следующие последовательно выполняемые этапы способа:
- изготовление жидкого чугуна в доменной печи, ДДД-обработка чугуна и подача в конвертер АКР жидкого чугуна без шлака,
- жидкий чугун в конвертере АКР подвергают нагреву, рафинированию/легированию и последующему раскислению,
- заключительную корректировку и доводку обработанного стального расплава в жидком состоянии, при этом обработка жидкого чугуна в конвертере АКР включает:
- нагрев поступившего в конвертер АКР после ДДД-обработки чугуна с низкой температурой на уровне примерно 1150°С посредством окисления кремния при подаче извне ферросилиция, или альтернативно путем окисления алюминия,
- установку соответствующей интенсивности вдувания кислорода для предотвращения выбросов металла из конвертера,
- установку основности шлака по окончании нагрева и перед присадкой легирующих компонентов, для обеспечения подходящей вязкости шлака для упрощенного удаления шлака из конвертера,
- скачивание шлака перед осуществлением обезуглероживания расплава посредством высокоэффективного вдувания кислорода сверху.
Известная технология АКР согласно изобретению применяется для рафинирования углеродистой жидкой стали при изготовлении теплостойкой и кислотостойкой стали с высоким содержанием хрома. Способ реализуется в варианте, при котором кислород и инертный газ (не вступающий в реакцию газ) совместно вдуваются через форму в ванну и дополнительно кислород и инертный газ при помощи продувочной фурмы сверху подаются на поверхность расплава. Цель обработки заключается в том, чтобы в течение оптимального промежутка времени закончить текущую плавку, с обеспечением нужной температуры выпуска и нужного химического состава, а также минимизировать потери хрома. Способ, согласно изобретению, при помощи модели процесса обеспечивает обработку расплава на установке АКР. При этом в модели реализованы функции наблюдения, прогнозирования и управления способом обработки, за счет чего обеспечивается приведение плавки/расплава в заданные кондиции. С учетом применяемой технологии и при помощи модели процесса рассчитываются заданные значения для управления вдуванием кислорода и присадками материалов для получения целевых значений состава и температуры стали, при этом расчет основывается на текущем состоянии процесса и учитывает полученные из более ранних практических данных ограничения и правила.
На основании определенной ранее на базе практических результатов схемы продувки и с учетом необходимого для обезуглероживания и окисления других элементов количества кислорода управляют скоростью истечения и смесью газов (кислород и аргон/азот), вдуваемых посредством фурм, расположенных под поверхностью расплава, и через фурму, расположенную над расплавом, а также устанавливают момент переключения с подачи азота на подачу аргона для обеспечения приемлемых содержаний азота в стали.
Далее модель процесса устанавливает количество шлакообразующих, охлаждающего лома и легирующих, а также момент начала присадки легирующих и их скорость загрузки.
Далее описано изготовление, согласно изобретению, нержавеющей стали группы сталей по AISI 4хх, в частности стали типа AISI 430. Технология получения сталей AISI 4хх с обработкой по схеме ДДД и с использованием конвертера АКР на базе жидкого чугуна и присадки материалов с FeCr делится на три основных этапа:
- предварительная обработка жидкого чугуна в доменной печи,
- нагрев, рафинирование и легирование жидкого чугуна в конвертере АКР,
- заключительная корректировка и доводка в жидком состоянии.
На фиг.1 показан пример линии для осуществления способа изготовления высоколегированной стали AISI 430. Жидкий чугун после выпуска из доменной печи 1 сначала подвергается обработке по схеме ДДД (Дефосфорация, Десиликонизация, Десульфурация) в соответственно оборудованной металлургической установке 2. Затем может осуществляться подогрев жидкого чугуна на установке печь-ковш 3. После этого обработанный и нагретый расплав подают в конвертер 4 АКР. В нем осуществляется рафинирование и легирование жидкого чугуна с дополнительной подачей оборотного лома, охлаждающего лома и FeCr60 (ФХ с 60% Cr). После обработки в конвертере АКР стальной расплав сливают в литейный ковш 5 для заключительной корректировки и доводки и затем передают на разливочную машину 6 (разливочная машина отдельно не показана).
Перед подачей жидкого чугуна в конвертер 4 АКР загружают шлакообразующие материалы, такие как известь и доломит, для обеспечения необходимой основности шлака. После заливки бесшлакового жидкого чугуна, поступившего от установки 2 обработки по схеме ДДД и от печи-ковша 3, конвертер 4 АКР наклоняют в положение отбора проб и осуществляют измерение температуры. После этого конвертер 4 АКР устанавливают в вертикальное положение и в зависимости от температуры осуществляют экзотермическую обработку. Повышение температуры обеспечивается присадками ФС и/или алюминия.
Далее способ согласно изобретению описывается на этапе обработки стального расплава в конвертере 4 АКР. Процесс обработки в конвертере 4 АКР делится на три основных этапа, а именно а) нагрев жидкого металла, b) рафинирование и c) восстановление.
На фиг.2 показана общая последовательность этапов способа. Показаны измеренные и технологические показатели, осуществляемые этапы обработки, заранее заданные целевые значения, а также управление отдельными этапами.
Нагрев жидкого металла в конвертере 4 АКР обычно осуществляется при помощи кремния. Высокий экзотермический эффект данного элемента при реакции с кислородом обеспечивает быстрое достижение целевой температуры с высокой точностью. Реакция протекает, как показано ниже:
2
(Si)+2(O)=(SiO), энтальпия на 1 кг кремния составляет 6,44 кВт-час.
В качестве альтернативы может также применяться алюминий:
2
3
2(Al)+3(O)=(AlO), энтальпия на 1 кг алюминия составляет 7,36 кВт-час.
Целевая температура при нагреве должна устанавливаться в зависимости от последующего ввода энергии, в том числе от процесса обезуглероживания и от окисления металла, а также учитывать теплопотери и последующий ввод содержащих легирующие элементы материалов.
Протекание процесса в целом схоже с первым этапом продувки в традиционном основном кислородно-конвертерном процессе. Параметрами, которые определяют на данном этапе качество вспенивания и вытекания шлака, являются содержание углерода, наличие шлакообразующих, высокая интенсивность подачи кислорода и высота фурмы над расплавом.
Правильно выбранная высота фурмы и интенсивность, с которой кислород вдувается через верхнюю фурму (интенсивность подачи кислорода), предотвращают выбросы шлака и обеспечивают устойчивый характер нагрева.
Баланс тепла для данного этапа в целом может быть представлен как: необходимое количество тепла = поступление тепла от окисления Si/Al - (охлаждающий эффект шлакообразующих материалов + потери тепла).
На фиг.3 представлены необходимые параметры нагрева чугуна при весе плавки 70000 кг и основности 1,8 с учетом температурных условий в конвертере.
После этапа нагрева конвертер 4 АКР наклоняется и осуществляется скачивание шлака. Данная операция является необходимой для эффективного рафинирования металла. Значительные количества шлака препятствуют воздействию вдуваемого кислорода и дегазации металла отходящими газами. При скачивании шлака измеряют температуру стали и отбирают пробу.
Последующее рафинирование металла осуществляется посредством вдувания кислорода через верхнюю фурму на поверхность металла и перемешивание расплава смесью кислорода и инертного газа (азот или аргон), вдуваемой через боковые фурмы. Соотношение кислорода и инертного газа изменяется во время процесса продувки, при этом вначале смесь обогащена кислородом.
Подобная технология надежно обеспечивает получение низкого содержания углерода, которое является необходимым начальным условием осуществления процесса АКР с минимальным окислением хрома. Альтернативно может применяться технология ВКР (VOD - Vacuum Oxygen Decarburization) в так называемой TRIPLEX-схеме.
В течение продувки общее количество кислорода постоянно распределяется между находящейся сверху продувочной фурмой и боковыми фурмами. После этапа рафинирования осуществляется обработка, предусматривающая восстановление шлака, при этом также происходит восстановление хрома из шлака. После присадки содержащих кремний материалов, например ферросилиция, или алюминия, в жидкий металл и после достаточного перемешивания металл имеет по существу желаемый конечный или квазихимический состав, при этом в нем еще содержится сера.
Вследствие высокого содержания серы в легирующих присадках, а также в шлакообразующих обработку высоколегированной стали заканчивают отдельным этапом десульфурации. Эффективность такой обработки значительно зависит от глубины раскисления жидкого металла, обеспечиваемого присадкой алюминия. После обработки осуществляется выпуск плавки с оставшимся шлаком в ковш 5.
Процесс рафинирования высоколегированной стали планируется, отслеживается и регулируется, согласно изобретению, на основании модели АКР для обеспечения получения расплава с заданным химическим составом и температурой. Существенные преимущества, которые дает модель АКР, заключаются в следующем:
Расчет плавки с обеспечением оптимизации себестоимости выбором легирующих компонентов и сортов лома.
Управление целевой температурой.
Обеспечение высокой производительности посредством управления процессом.
Минимизация расхода восстановителей.
Во время обработки действительное состояние расплава/плавки наблюдается через доступные циклические и начальные введенные параметры, которые определяются на основе базовой системы автоматизации.
При вводе материалов их влияние на вес и состав стали и шлака, а также на температуру стали учитывается с помощью специфических параметров влияния материала и элементов. Действительные составы стали и шлака по каждому отдельному элементу задаются на основании данных лабораторного анализа и измерений в момент отбора пробы с учетом присадок и потерь.
Основные части металлургической модели АКР включают в себя расчет конечных количеств материалов, прогнозирование на основании расчета и динамическое моделирование.
При расчете конечных количеств материалов в принципе суммируются присадки материалов на всех этапах обработки для регулирования температуры и состава стали.
При прогнозировании рассчитывается схема осуществления процесса АКР. Она включает процесс АКР полностью с действительным состоянием плавки в начале обработки и оканчивается выпуском. В соответствии с обычным временем обработки на основании заданных практических данных планируется обработка конкретной плавки с необходимыми этапами обработки и отбором проб.
Динамическая модель рассчитывает балансы углерода, кислорода и баланс энергии, а также необходимую в процессе интенсивность дутья.
На основании начальных параметров плавки в процессе обработки рассчитываются концентрации углерода, кислорода и других компонентов ванны жидкой стали, а также температура.
На фиг.4 и 5 показаны существенные компоненты металлургической модели АКР, разделенные в группы расчета материалов (фиг.4) и энергетического и материального балансов (фиг.5). На этих изображениях отдельно показано, соответственно, какие параметры из базы данных и какие параметры процесса вводят в модель, и какие результаты расчета по модели получаются.
Список обозначений
1 - доменная печь.
2 - устройство для обработки ДДД.
3 - печь-ковш.
4 - конвертер АКР.
5 - ковш.
6 - разливочная машина.