СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ
METHOD OF STEELMAKING IN BASIC OXYGEN CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу выплавки стали с низким содержанием фосфора в кислородном конвертере, при котором расплав чугуна продувается технически чистым кислородом, подаваемым на зеркало ванны расплава посредством кислородного копья в соответствии с его программой действия.
Уровень техники
При плавке стали в кислородном конвертере или подобном плавильном агрегате расплав продувается с помощью кислородного копья технически чистым кислородом. На протяжении всего процесса продувки проводятся разные металлургические переделы в следующей последовательности:
2
1) обескремнивание чугуна с образованием SiO,
2) образование реакционноспособного шлака с высо кой степенью растворимости извести (ошлаковывание железа с образованием FeO);
3) обесфосфоривание;
4) обезуглероживание.
Для достижения металлургических целей и обеспечения высокой надежности процесса задается четко обозначенная высота расположения копья над зеркалом ванны для однозначно заданного расхода кислорода. Высота Lx расположения копья над зеркалом ванны, определяется процентной глубиной проникания кислородной струи Lo относительно уровня ванны Lb жидкой стали. Стартовые условия для Lo в начале дутья составляют около 40% и в конце дутья для наиболее глубокого обезуглероживании - до 65%.
При этом: Lb=f (количество скрапа и чугуна * выход в жидком виде, геометрия внутренней части конвертера);
Lo=f (конфигурация головки копья (угол расположения сопла, диаметр сопла, количество сопел), расход кислорода);
Lx=f(Lo/Lb).
%1…х
∑
После достижения процентного частичного количества кислорода (O) от требуемого общего количества (O) кислорода высоту Lx расположения копья постепенно уменьшают. Если однажды для кислорода и донного дутья была найдена оптимальная схема продувки (Blow Pattern), то в большинстве случаев ее применяют на протяжении всей кампании конвертера. Это может быть также вполне возможно при относительно устойчивых показателях содержания кремния в чугуне и при постоянном уходе за огнеупорным материалом футеровки конвертера путем проведения разных мероприятий, таких, как торкретирование, обеспечение всплывания шлака (slag splashing), загущение остаточного шлака и поворачивание, уход за днищем и пр.
При продувке чугуна в разных доменных печах на объединенных металлургических заводах содержание кремния может меняться от одной плавки к другой на 0,3-1,8%. Кроме того при отсутствии оптимального ухода за огнеупорным материалом могут происходить существенные колебания зеркала (Lb) ванны. Это должно учитываться путем активизации схемы продувки.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является оптимизация способа указанного выше типа, при которой обеспечивается низкое содержание фосфора в стали при сохранении высокой надежности процесса.
Согласно изобретению указанная задача решается посредством способа выплавки стали с низким содержанием фосфора в кислородном конвертере, при котором расплав чугуна продувают технически чистым кислородом, подаваемым на зеркало ванны расплава с помощью кислородного копья в соответствии с его программой действия, и который отличается тем, что для обеспечения программы действия копья высота его расположения над зеркалом ванны расплава и абсолютная длительность вдувания частичного количества кислорода регулируются постепенно в зависимости от содержания кремния в используемом чугуне и от необходимого ошлаковывания кремния и железа.
Сущность изобретения состоит, следовательно, в активизации программ действия копья для достижения низких показателей содержания фосфора.
Оптимальные варианты развития приведены в зависимых пунктах формулы изобретения и поясняются ниже.
RE
%1…х
RE
Изменения содержания кремния в чугуне (% Si) от плавки к плавке и зеркала (Lb) ванны на протяжении кампании конвертера (срока службы кислородного конвертера) должны оказывать непосредственное динамическое влияние на схему продувки, т.е. на: 1) абсолютную длительность подачи частичного количества кислорода на отдельных этапах в зависимости от содержания кремния в чугуне (O)=f (%Si) и от необходимой длительности ошлаковывания кремния и железа («горизонтальная активизация»); 2) высоту расположения копья над зеркалом ванны=f (действующий уровень Lb ванны) при х% проникания струи=постоянной величине. (При заново футерованных кислородных конвертерах зеркало ванны над днищем конвертера идентично уровню ванны! Это меняется с увеличением износа огнеупорного материала в зоне стенок конвертера.) («Вертикальная активизация».)
51…х
RE
1) Колебания показателей содержания углерода и кремния в чугуне в настоящее время способны лишь относительно удлинить или сократить абсолютную продолжительность подачи частичного количества кислорода (O) на этапах схемы продувки (программы действия копья) в зависимости от требуемого общего количества кислорода (уравнение 1). Однако такое относительное изменение не всегда достаточно для оптимального ведения процесса, так как содержание углерода не изменяется по линейной пропорциональности к содержанию кремния в чугуне, и необходимое количество извести определяется в зависимости от содержания кремния в чугуне (%Si) и количества загруженного чугуна. Это количество извести вычисляется через константу основности (В) шлака от 3,0 до 3,5 и, следовательно, четко определяется.
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>О</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mi>е</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mi>ч</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mi>о</mi><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>O</mi><mi>Σ</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>f</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>C</mi><mi>R</mi><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>S</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mi>R</mi><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>m</mi><mi>M</mi><msub><mi>n</mi><mrow><mi>R</mi><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>m</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>R</mi><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>…</mo><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
RE+скрап
где mC - масса углерода в загруженном чугуне и скрапе, соответственно: Si - кремний, Mn - марганец, P - фосфор, (кг).
Содержание углерода в чугуне хотя и влияет на схему продувки через необходимое общее количество кислорода, но оно не влияет на оптимальное шлакообразование. Поэтому необходимо больше уделять внимание влиянию содержания кремния в чугуне на оптимальное ведение процесса.
si→SiO2
Fe→FeO
Сущность изобретения состоит в динамическом изменении частичных количеств кислорода на первых этапах программы действия копья или схемы продувки (40-55% проникания струи кислорода) в зависимости от количества кремния (уравнение 2) путем вычисления, по меньшей мере, необходимого стехиометрического количества кислорода для полного ошлаковывания кремния (mO), и количества кислорода (mO), необходимого для максимальной растворимости извести в шлаке, для частичного ошлаковывания железа с образованием FeO (уравнения 3,4).
<mrow><msub><mrow><mtext>mSi</mtext></mrow><mrow><mtext>RE</mtext><mo>+</mo><mtext>с</mtext><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mtext>(%Si</mtext></mrow><mrow><mtext>RE</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext> * m</mtext></mrow><mrow><mtext>RE</mtext></mrow></msub><mtext>)</mtext><mo>+</mo><msub><mrow><mtext>(%Si</mtext></mrow><mrow><mtext>скрап</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext> * m</mtext></mrow><mrow><mtext>скрап</mtext></mrow></msub><mtext>) </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(2)</mtext></mrow>
,
RE
где %Si - процентное содержание кремния в чугуне,
RE
m - количество загруженного чугуна (t),
скрап
%Si - среднее процентное содержание кремния в скрапе,
скрап
m - загруженное количество скрапа (t),
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>m</mi><msub><mi>O</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mo>→</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0,7967</mn><mo>*</mo><mi>m</mi><mi>S</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mi>R</mi><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>m</mi><msub><mi>O</mi><mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><mo>→</mo><mi>F</mi><mi>e</mi><mi>O</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0,579</mn><mo>*</mo><mi>m</mi><mi>S</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mo>→</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
.
Для достижения определенной, обычной в металлургии основности шлака необходимо применять для ошлаковывания железа кислород в количестве, согласно уравнению (4).
2
В случае ведения процесса в соответствии с линией извести «А», в частности, при А=70, необходимое количество кислорода для ошлаковывания железа определяется из соотношения (SiO)' и (FexO)' согласно линии извести в трехкомпонентной системе, при этом действительно:
<mrow><mtext>mOFe </mtext><mo>→</mo><mtext>FeO</mtext><mo>=</mo><mtext>0</mtext><msub><mrow><mtext>,418* (%FeO)' / (%SiO</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mtext>)'* mO Si </mtext><mo>→</mo><msub><mrow><mtext>SiO</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(4a)</mtext></mrow>
.
Необходимое количество кислорода для обескремнивания сохраняется, как указано в уравнении (3).
Приведенный в таблице 1 расчет призван показать, какие количества кислорода, по меньшей мере, необходимы при количестве чугуна 180 т для обескремнивания и ошлакования железа, необходимого для оптимального растворения извести, при разном содержании кремния в чугуне (35 т скрапа при среднем содержании 0,3% Si).
%Si<sub>RE</sub>
0,3
0,6
0,9
1,2
mO<sub>Si→SiO2</sub>, норм. м<sup>3</sup>
513,9
944,1
1374,4
1804,6
mO<sub>Fe→FeO</sub>, норм. м<sup>3</sup>
297,5
546,6
795,7
1044,8
mO<sub>шлакообразование</sub>
811,4
1490,7
2170,1
2849,4
Продолжительность шлакообразования при 760 норм, м<sup>3</sup> О<sub>2</sub>/мин, мин.
1,07
1,96
2,86
3,75
При этом не было учтено количество кислорода для ошлаковывания марганца и фосфора. Содержание кремния в чугуне определяет время, необходимое для оптимального шлакообразования на протяжении первых минут продувки кислородного конвертера. До окончания ошлаковывания кремния реакция обезуглероживания не начинается, т.е. в это время не происходит образования газа СО. Высота расположения копья задается с таким расчетом, чтобы продолжительность первых этапов при проникании кислородного потока в количестве 40% или 48% в пределах заданной схемы продувки соответствовала в процентном отношении от необходимого общего количества кислорода количеству кислорода, по меньшей мере, необходимому для ошлаковывания кремния и железа. Поскольку необходимое для конвертерного процесса количество извести находится в пропорциональной зависимости от содержания кремния в чугуне, то в результате активизации этапов схемы продувки гарантируется оптимальная растворимость извести в начале процесса.
Одновременно предлагается, чтобы производительность систем подачи извести в конвертер была приведена в соответствие с активизированной схемой продувки. Т.е. введение необходимого количества извести в конвертер должно быть завершено до того, как копье займет положение для наиболее глубокого обезуглероживания (проникание кислородной струи составляет 60-65%). Тем самым должно быть обеспечено оптимальное обесфосфоривание при одновременной надежности процесса. Это может происходить динамически или путем выбора, по меньшей мере, необходимой производительности, обеспечивающей положение, при котором все количество извести подается в конвертер до занятия копьем упомянутого выше положения над ванной расплавленной стали для проведения самого глубокого обезуглероживания.
2) На протяжении кампании (срока службы) конвертера огнеупорная футеровка конвертера изнашивается, и уровень ванны уменьшается, т.е. зеркало ванны снижается в зависимости от количества проведенных плавок. Для обеспечения постоянного расстояния между копьем и ванной после каждого измерения зеркала ванны через кодирующее устройство положения копья в системе (в большинстве случаев уровень 1) проводится коррекция задаваемой высоты копья над зеркалом ванны. Это - общепринятая практика в сталеварении.
Сущность способа состоит, следовательно, также и в том, что надежность процесса обеспечивается не только абсолютной высотой расположения копья над ванной, но что также требуется определять этапы через соотношение между абсолютной глубиной (Lo) проникания кислородной струи и уровнем (Lb) заполнения ванны, т.е. при снижении уровня ванны на протяжении кампании конвертера необходимо увеличивать расстояние (Lx) между копьем и ванной для гарантии процентного соотношения «проникание кислородной струи=(Lo/Lb)=константе».
В таблице 2, в качестве конкретного случая 1, приведено изменение глубины проникания кислородной струи на протяжении кампании конвертера при снижении зеркала ванны=уровню ванны (100-процентный износ стенок, отсутствие износа днища). В этом случае с увеличением степени износа и снижением зеркала ванны становится все сложнее продувать конвертер, хотя абсолютная высота расположения копья над ванной жидкой стали сохраняется неизменной.
Замеренное зеркало ванны, мм
1610
1550
1500
1400
1350
Расстояние между копьем и ванной, Lx=пост. величине
Глубина проникания кислородной струи в начале процесса, %
40
41,56
42,94
46,01
47,71
3483
Глубина проникания. кислородной струи в начале обезуглероживания, %
55
57,12
59,03
63,24
65,59
2583
Глубина проникания кислородной струи при основном обезуглероживании, %
65
67,52
(69,77)
(74,75)
(77,52)
2110
В экстремальном случае при глубине проникания кислородной струи в ванну жидкой стали на величину свыше 70% могут произойти массивные размывания в зоне днища. Это не только вызывает необходимость в повышенных мерах технического ухода, но и в экстремальном случае может создать серьезный риск для оборудования. Кроме того, в конце продувки становится все сложнее обеспечивать необходимые показатели по содержанию фосфора.
В таблице 3 показана предложенная в заявке на патент «вертикальная активизация» программы действия копья (схемы продувки) путем приведения в соответствие задаваемой высоты положения копья с зеркалом или уровнем ванны, понижающимся на протяжении кампании конвертера.
Замеренное зеркало ванны, мм
1610
1550
1500
1400
1350
Глубина проникания. кислородной струи, Lo/Lb=постоянной величине, %
Высота расположения копья над ванной в начале продувки, мм
3483
3590
3684
(3879)
(3982)
40
Высота расположения копья над ванной в начале обезуглероживания, мм
2583
2690
2783
2978
3081
55
Высота расположения копья над ванной при основном обезуглероживании, мм
2110
2218
2310
2505
2608
65
3
С увеличением степени износа футеровки конвертера и со снижением зеркала ванны высота расположения копья должна корректироваться в целях гарантии постоянной глубины проникания кислородной струи. Однако в начале продувки при снижающемся зеркале ванны это становится все сложнее, поскольку копье не должно выходить из цилиндрической части конвертера. Путем уменьшения расхода кислорода только на первом этапе (при 40% проникания кислородной струи) с 760 до 700 норм.м/мин становится возможным снижение необходимой высоты расположения копья с 3982 мм до 3622 мм.
Для конкретного случая 2 (100-процентный износ днища и отсутствие износа стенок) можно допустить в первом приближении в отношении уровня Lb ванны, что зеркало ванны=уровню ванны во вновь футерованном конвертере (ISDEMIR на 200 т=1610 мм). Т. е. зеркало ванны при таком конкретном случае стало бы уменьшаться только по вертикали в направлении днища и оказывало бы мало влияния на уровень жидкой стали.
В практике применения конвертеров отмечен износ днища и стенок, футерованных огнеупорным материалом. Интерес при этом представляет влияние износа стенок на снижение уровня ванны. Путем проведения разных мер по уходу за стенками указанное влияние может колебаться и при сохранении приблизительно одинакового износа днища после проведения мероприятия по уходу может вызвать увеличение замеренного зеркала ванны. В целом на протяжении кампании конвертера было установлено влияние износа стенок в размере около 24% на изменение зеркала ванны.
(cal)
Для расчета пригодных на практике, вертикально активизированных программ действия копья на протяжении всей кампании конвертера для конкретного случая 2 в таблице 2 был введен поправочный коэффициент 0,24 для зеркала ванны, который приблизительно может отображать уровень Lb ванны (см. уравнение 5). Результаты приведены в таблице 3.
<mrow><msub><mrow><mtext>Lb</mtext></mrow><mrow><mtext>(cal</mtext><mtext>.)</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mtext>BS </mtext></mrow><mrow><mtext>new ref</mtext><mtext>. </mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mtext>(BS </mtext></mrow><mrow><mtext>new ref</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mo>=</mo><msub><mrow><mtext> BS </mtext></mrow><mrow><mtext>actuell</mtext></mrow></msub><mtext>) * 0</mtext><mtext>,24 </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(5)</mtext></mrow>
,
new ref
где BS - зеркало ванны вновь футерованного конвертера,
actuell
BS  - замеренное действующее зеркало ванны.
Замеренное зеркало ванны, мм
1610
1550
1500
1400
1350
Проникание кислородной струи, Lo/Lb=пост, величине, %
Расчетный уровень ванны, мм
1610
1595,6
1583,6
1559,6
1547,6
Высота расположения копья над ванной в начале продувки, мм
3483
3509
3530
3573
3595
40
Высота расположения копья в начале обезуглероживания, мм
2583
2608
2630
2673
2695
55
Высота расположения копья. над ванной при основном обезуглероживании, мм
2110
2135
2157
2200
2222
65
new ref.
actuell
Уравнение 5 справедливо только для случая: BS-BS>=0. В случае, когда замеренное действующее зеркало ванны выше зеркала ванны во вновь футерованном конвертере, то уровень ванны принимался равным зеркалу ванны во вновь футерованном конвертере. В этом случае на практике речь идет большей частью о конструкции ванны с нарушенной эффективностью промывки днища.
3
Были рассчитаны и опробованы показатели для копья кислородного конвертера вместимостью 200 т при расходуемом количестве кислорода 760 норм, м/мин.
Для горизонтальной активизации были разработаны и применены разные схемы продувки с учетом содержания кремния в чугуне.
(Схемы продувки 1-3). Учитывалась вертикальная активизация, при этом после приблизительно 1500 садок и при зеркале ванны, составившем 1350 мм несмотря на меры по уходу, схема продувки №1 при среднем содержании кремния 0,6%±0,2% была скорректирована на около 11 см.
При последовательном режиме работы были получены низкие показатели содержания фосфора в конце продувки при одновременном обеспечении надежности процесса (без выброса металла).
Активизация с помощью модели процесса позволяет получать значительно более точные показатели, основанные на текущих исходных данных, которые необходимо вводить в схему продувки текущей плавки. Для каждой плавки, в зависимости от данных по чугуну, действующего зеркала ванны и возраста (срока службы) конвертера, необходимо рассчитывать индивидуальную активизированную схему продувки с соответствующими запросами о достоверности и с учетом требования к качеству (промывка днища №2 или Ar). Это обеспечивает большое преимущество особенно конвертерам, использующим отходящие газы.