СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С КИСЛОЙ ФУТЕРОВКОЙ
METHOD FOR STEEL MELTING IN AN ELECTRIC ARC FURNACE WITH ACID LINING

Изобретение относится к металлургии машиностроения, в частности к производству сталей в дуговых электропечах с кислой футеровкой.
В настоящее время в машиностроительной отрасли сохраняется необходимость переработки отходов металлургического производства, в том числе отходов производства алюминиевых сплавов (ОПАС). Потребность в экологизации технологических процессов приходится реализовывать в условиях неуклонного снижения качества металлошихты, используемой для выплавки сталей в дуговых электропечах.
ОПАС отличаются в зависимости от места их формирования. Например, при получении отливок из силуминов образуются сравнительно мелкодисперсные ОПАС с содержанием трехоксида алюминия 50-70% (по массе) и ОПАС с содержанием алюминия 65-75% (по массе). Также в процессе производства формируются отходы графитовых изделий (тиглей, электродов).
Известны способы выплавки стали в кислых дуговых электропечах, см. Крамаров Д.А. «Производство стали в электропечах», М. Металлургия, 1969; Сойфер В.М. «Выплавка стали в кислых электропечах», М. Металлургия, 1987, включающие заправку печи, завалку шихты, ее расплавление, неоднократное скачивание печного шлака, раскисление и выпуск металла в ковш. Указанные способы имеют своей целью удаление фосфора и серы из металла. Этот эффект достигают путем нескольких присадок в сталеплавильную ванну железорудных материалов, извести и шамота по ходу плавки. При этом существенно возрастает время плавок. С этим, как правило, связаны увеличение расхода электроэнергии и расхода огнеупоров на плавку. Дополнительно расходуют перечисленные выше шлакообразующие материалы. Нет условий для создания восстановительной атмосферы в плавильном пространстве печи. Способы не стимулируют вовлечение отходов производства в процесс получения стали.
Известен также способ разжижения шлака после выпуска металла из основной дуговой печи в ковш с основной футеровкой с применением специально приготовленной из разных компонентов алюминиевой раскислительной смеси (АРС), содержащей отходы алюминиевого производства, см. «Литье и металлургия», 2017, №4, С. 109. Этот способ не может быть реализован на заключительных этапах плавки в кислой электропечи из-за повышенного до 65% содержания в АРС трехоксида алюминия и низкого, до 24%, алюминия. В смеси высокое, до 7%, содержание углерода (возможно науглероживание металла) и присутствует оксид магния, способствующий разрушению кислой футеровки.
Кроме того, известен способ выплавки в дуговых электропечах с кислой футеровкой, см. «Литейщик России», 2012, С. 40-43, с применением специально приготовленных ультрадисперсных карбонатов (первичных материалов) в смеси с оксидами алюминия и углеродсодержащими материалами, а также мелкодисперсных углерод-кремний-кальциевых материалов. Способ позволяет экономить ферромарганец, сокращать время плавки, но не стимулирует вовлечение отходов производства в процесс получения стали. Помимо сказанного, получение по специальной технологии ультрадисперсных карбонатов требует затрат на оборудование и не дает возможности обрабатывать отходы литейного производства (вторичные материалы).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ выплавки нержавеющей стали, см. SU 1073291 А1, содержащий загрузку шихтовых материалов, расплавление, продувку расплава кислородом и присадку раскислителей после продувки. После окончания окислительной продувки на нераскисленный расплав присаживают одновременно углеродсодержащий материал в количестве, обеспечивающем введение в металл 0,010-0,025% углерода, и алюминийсодержащий восстановитель. В дуговых электропечах с основной футеровкой, направленный на снижение стоимости плавки, в котором используют алюминийсодержащий восстановитель (отход алюминиевого производства неизвестного состава). Однако способ выплавки нержавеющих сталей реализуют только при температуре металла не ниже 1930 градусов по Цельсию (а температура шлака еще выше в дуговой электропечи). Следовательно, такой процесс невозможно осуществить в дуговой электропечи с кислой футеровкой. Кроме того, способ не решает проблему утилизации порошкообразных ОПАС с высоким содержанием трехоксида алюминия более 73 мас. %. Кроме того, способ требует для своей реализации наличие в цехе газообразного кислорода. К тому же известно, что стоимость плавки в дуговой электропечи с основной футеровкой значительно выше, чем в дуговой электропечи с кислой футеровкой.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание простого в исполнении способа выплавки стали в дуговой электропечи с кислой футеровкой.
При реализации заявляемого изобретения достигаемый технический результат заключается: а) в реализации способа при более низкой температуре по сравнению с прототипом; б) в вовлечении в технологический процесс порошкообразных ОПАС с высоким, 70-80 мас. %, содержанием трехоксида алюминия путем их ввода в состав заправочного материала; в) в вовлечении в производственный процесс отходов графитовых изделий, используемых для науглероживания металла, для вспенивания печного шлака с целью облегчения его частичного схода в шлаковню и для создания слабо восстановительной атмосферы в плавильном пространстве; г) в вовлечении в технологический процесс ОПАС с высоким, 65-75 мас. %, содержанием алюминия в качестве восстановителя оксидных фаз.
Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе выплавки стали в дуговой электропечи с кислой футеровкой, содержащем заправку печи, завалку шихты, ее расплавление, частичное скачивание печного шлака, раскисление и выпуск металла в ковш,
- заправку шлакового пояса футеровки производят послойно смесью, кварцевого песка, например 7-10 кг/т стали, с жидким стеклом, 6-8 мас. % и порошкообразными отходами производства алюминиевых сплавов (ОПАС), содержащими не менее 70-80 мас. % трехоксида алюминия, в соотношении кварцевого песка к ОПАС по объему 3:1,
- по расплавлении 90-95% шихты в шлак плавления по периферии сталеплавильной ванны присаживают такой же ОПАС в количестве, например, 5-7 кг/т и под электроды печи, например, 10-15 кг/т материала, содержащего оксиды железа и нитридообразующие элементы вместе с дроблеными отходами графитовых изделий в соотношении по массе 1:0,5,
- в процессе полного расплавления шихты, 30-40% шлака плавления удаляют из печи самотеком и, по достижении требуемого содержания углерода в металле, проводят предварительное раскисление ванны, добавляя под электроды печи смесь известняка и ОПАС, например, 1,5-3,0 кг/т, с содержанием алюминия 65-75 мас. % в соотношении по массе 1:1, или, как вариант, для предварительного раскисления ванны используют смесь 1,5-3,0 кг/т известняка и заблаговременно спеченного материала, включающего в себя оксиды железа и нитридообразующих элементов в окомкованном виде, 1,5-3,0 кг/т ОПАС с содержанием алюминия 65-75 мас. % и алюминиевую стружку в соотношении 0,3:0,6:0,1,
- окончательное раскисление жидкой стали производят в ковше ОПАС с содержанием алюминия 65-75% мас. % в количестве, например 1,5-2,5 кг/т стали.
В описанном способе указанный технический результат достигается всей совокупностью существенных признаков. Технологический процесс выплавки стали реализуют при температуре на 150-200 градусов меньшей по сравнению со способом-прототипом, что существенно облегчает условия службы огнеупорной футеровки печи.
2
3
Заправку шлакового пояса футеровки производят послойно смесью кварцевого песка, например, 7-10 кг/т стали, с жидким стеклом, например 6-8 мас. %, и ОПАС, содержащими не менее 70-80 мас. % трехоксида алюминия, в соотношении кварцевого песка к ОПАС по объему 3:1, что позволяет вовлечь в технологический процесс порошкообразные ОПАС с высоким, 70-80 мас. %, содержанием трехоксида алюминия путем их ввода в состав заправочного материала. За счет этого, минимум на 100 градусов, повышается огнеупорность поверхностного слоя заправочных материалов, поскольку трехоксид алюминия имеет более высокую температуру огнеупорности по сравнению с диоксидом кремния. Кроме того, увеличивается устойчивость защитного слоя кислой футеровки к воздействию шлака повышенной основности, формирующегося при выплавке стали по предлагаемому способу, так как угол смачивания шлаком трехоксида алюминия больше примерно на 10-20 градусов, чем угол смачивания шлаком диоксида кремния, что свидетельствует о худшем смачивании шлаком трехоксида алюминия AlO.
Присадка по периферии сталеплавильной ванны такого же ОПАС в количестве, например 5-7 кг/т и, под электроды печи, например 10-15 кг/т материала, содержащего оксиды железа и нитридообразующих элементов вместе с дроблеными отходами графитовых изделий в соотношении по массе 1:0,5 позволяет вовлечь в производственный процесс отходы графитовых изделий, которые используют для науглероживания металла (в период плавления шихты), для вспенивания печного шлака с целью облегчения его частичного схода в шлаковню при скачивании 30-40% шлака плавления, удаляемого из печи самотеком, и для создания слабо восстановительной тмосферы в плавильном пространстве, способствующей меньшему окислению электродов на заключительной стадии плавки.
Проведение предварительного раскисления ванны добавлением под электроды печи смеси известняка и ОПАС, например 1,5-3,0 кг/т, с содержанием алюминия 65-75 мас. % в соотношении по массе 1:1, окончательного раскисления жидкой стали в ковше ОПАС с содержанием алюминия 65-75% мас. % в количестве, например 1,5-2,5 кг/т стали, позволяет вовлечь в технологический процесс ОПАС с высоким, 65-75 мас. %, содержанием алюминия, используемые в качестве восстановителя оксидных фаз взамен слитков алюминия, покупаемых у сторонних производителей.
Таким образом, заявляемый способ выплавки стали в дуговых электропечах с кислой футеровкой не требует затрат на дополнительное оборудование и позволяет решить вопрос утилизации отходов литейного производства.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С КИСЛОЙ ФУТЕРОВКОЙ В СООТВЕТСТВИИ С ПРОТОТИПОМ (процесс выплавки осуществляют из шихтовых и вспомогательных стандартных материалов, имеющихся на производстве, где работают авторы заявляемого изобретения).
В дуговой электропечи с кислой футеровкой номинальной вместимостью по жидкому металлу 4 тонны выплавляют низкоуглеродистую сталь марки 12ДН2ФЛ. Выполнив операцию подварки футеровки печи заправочной смесью на основе кварцевого песка (6-8% жидкого стекла), загружают на под печи 40 кг кокса. Затем заваливают 2,3 тонны металлического лома, после проплавления основной части этой порции подваливают еще 1,7 тонны металлолома совместно с 80 кг никеля. По расплавлении шихты, в шлак добавляют 5 кг железной руды (взамен газообразного кислорода по способу-прототипу) для окисления углерода и когда его содержание снизилось до уровня менее 0,10 мас. %, добавляют в расплав 52 кг меди, доводят температуру до 1820°С (если температуру металла доводить выше 1820°С, возможны повреждения целостности футеровки стен и свода печи). Затем присаживают 20 кг ОПАС с содержанием алюминия 72 мас. %, ферромарганец марки ФМн88 (42 кг), феррованадий ФВд50 (10 кг), 36 кг известняка (с учетом пересчета на СаО, поскольку в способе-прототипе применяют известь). Содержание оксида марганца (MnO) в шлаке перед выпуском металла из печи составляет 9,8 мас. %. Осуществляют корректировку химического состава стали и, при температуре 1710°С, сталь выпускают в ковш, где проводят окончательное раскисление чушковым алюминием (8 кг). Затем проводят разливку стали в литейные формы. Содержание углерода в стали составляет 0,15 мас. %, серы - 0,040%, фосфора - 0,042%, алюминия -0,081 мас. %, ванадия - 0,09 мас. %.
Осмотр футеровки дуговой электропечи после выпуска показал ее значительное (примерно на 30% по сравнению с серийными плавками) разрушение в области шлакового пояса. Это обусловлено как высокой температурой процесса выплавки, так и формированием шлака повышенной основности, который «разъедает» футеровку. Следует отметить, что износ футеровки в районе шлакового пояса и свода дуговой электропечи с кислой футеровкой был бы еще выше, если бы температура металла достигла 1930°С (как в прототипе). Не исключено возникновение аварийной ситуации.
В результате реализации способа-прототипа достигают замену первичного алюминия на ОПАС в количестве примерно 2,5 кг/т, но ухудшают условия службы динасовых огнеупоров футеровки, то есть увеличивают расход заправочных материалов (песка, связующих) на 25-30%. Не стимулируют использование производственных отходов графитовых изделий. Кроме того, в примере осуществления изобретения-прототипа используют отход алюминиевого производства неизвестного состава, см. SU 1073291 А1, где не описаны показатели усвоения алюминия из алюминиевого шлака.
ПЕРВЫЙ ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С КИСЛОЙ ФУТЕРОВКОЙ.
В дуговой электропечи с кислой футеровкой номинальной вместимостью по жидкому металлу 4 тонны выплавляют сталь марки 12ДН2ФЛ. Подварку футеровки печи производят послойно смесью 32 кг кварцевого песка (6-8% жидкого стекла) и порошкообразными (размер частиц 1-2 мм) ОПАС, содержащими 70-80 мас. % трехоксида алюминия, в соотношении песка к ОПАС по объему 3:1. На под печи загружали 32 кг (8 кг/т) дробленых отходов графитовых электродов, затем 2,2 т металлического лома. После проплавления основной части этой порции осуществляют подвалку еще 1,8 т металлолома совместно с 80 кг (20 кг/т) никеля. По расплавлении примерно 95% шихты в шлак плавления по периферии сталеплавильной ванны присаживают ОПАС охарактеризованного выше химического и фракционного состава в количестве 24 кг (6 кг/т). Под электроды загружают 8 кг (2 кг/т) железной руды, 16 кг (4 кг/т) известняка и 12 кг (3 кг/т) дробленых отходов графитовых электродов, затем в процессе полного расплавления шихты до 30% (60 кг) шлак плавления удаляют из печи самотеком. Когда содержание углерода в металле снизится до уровня 0,11 мас. %, добавляют 52 кг (13 кг/т) меди и доводят температуру до 1812°С. После этого присаживают 20 кг (5 кг/т) заблаговременно спеченного материала, включающего в себя оксиды железа и оксиды нитридообразующих элементов в составе железорудных окатышей, ОПАС с содержанием алюминия 65 мас. % и алюминиевую стружку (в соотношении 0,3:0,6:0,1), 1,9 кг/т (7,6 кг) феррованадия ФВд50, 9 кг/т (34 кг) известняка. Содержание (MnO) в шлаке перед выпуском металла из электропечи в ковш составляет 5,2 мас. %. Температура металла на выпуске 1714°С, в ковше с кислой футеровкой осуществляют операцию легирования ферромарганцем ФМн88 36 кг (9 кг/т) и раскисление ОПАС (65 мас. % алюминия) в количестве 9,6 кг (2,4 кг/т). Затем проводят разливку стали в литейные формы. Содержание углерода в стали составляет 0,11 мас. %, серы - 0,035 мас. %, фосфора - 0,033 мас. %, алюминия - 0,059 мас. %, ванадия - 0,10 мас. %.
Осмотр футеровки дуговой электропечи с кислой футеровкой после выпуска показал ее меньшее (на 5-10%, по сравнению с серийными плавками) разрушение в области шлакового пояса. Это обусловлено добавкой ОПАС с 70-80 мас. % трехоксида алюминия, имеющих более высокую температуру огнеупорности по сравнению с диоксидом кремния и, соответственно, обладающих повышенной устойчивостью к воздействию шлака повышенной основности, формирующегося при выплавке стали по предлагаемому способу.
В результате реализации предлагаемого способа достигнута замена первичного алюминия на ОПАС в количестве 4,5 кг/т, при этом улучшаются условия службы динасовых огнеупоров футеровки (расход заправочных материалов снижается на 10%), в технологический процесс вовлекают отходы графитовых изделий. В стали снижено содержание фосфора и серы, созданы предпосылки для поддержания в дуговой электропечи с кислой футеровкой слабо восстановительной атмосферы в отдельные периоды плавки. По сравнению с выплавкой по способу-прототипу на 6 кг (1,5 кг/т) уменьшился расход ферромарганца.
ВТОРОЙ ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С КИСЛОЙ ФУТЕРОВКОЙ.
В дуговой электропечи с кислой футеровкой номинальной вместимостью по жидкому металлу 4 тонны выплавляют сталь марки 35Л. Подварку футеровки печи производят послойно смесью 7-10 кг/т кварцевого песка (6-8% жидкого стекла) и порошкообразными (размер частиц 1-2 мм) ОПАС, содержащими 70-80 мас. % трехоксида алюминия, в соотношении песка к ОПАС по объему 3:1. На под печи загружают 44 кг дробленых отходов графитовых тиглей, затем 2,4 т металлического лома. После проплавления основной части этой порции осуществляют подвалку еще 1,5 т металлолома. По расплавлении основной части шихты в шлак плавления по периферии сталеплавильной ванны присаживают ОПАС охарактеризованного выше химического и фракционного состава в количестве 24 кг (6 кг/т). Под электроды загружают 2 кг/т железной руды, 4 кг/т известняка и 3 кг/т дробленых отходов графитовых электродов, затем, в процессе полного расплавления шихты до 33%, шлак плавления (62 кг) удаляют из печи самотеком. Когда содержание углерода в металле снизится до уровня 0,31 мас. % доводят температуру до 1756°С. После этого присаживают 4 кг/т ОПАС с содержанием алюминия 74,6 мас. % и 9 кг/т известняка. Содержание (MnO) в шлаке перед выпуском металла из печи в ковш составляет 4,3 мас. %. Температура металла на выпуске 1683°С, в ковше с кислой футеровкой осуществляют операцию легирования ферромарганцем ФМн88 (9 кг/т) и раскисление ОПАС (74,6 мас. % алюминия) в количестве 4 кг/т. Затем проводят разливку стали в литейные формы. Содержание углерода в стали составит 0,33 мас. %, серы - 0,032%, фосфора - 0,029%, алюминия - 0,041 мас. %.
Осмотр футеровки дуговой электропечи с кислой футеровкой после выпуска показал ее меньшее (на 9% по сравнению с серийными плавками) разрушение в области шлакового пояса. Это обусловлено добавкой ОПАС с 70-80 мас. % трехоксида алюминия.
В результате реализации предлагаемого способа достигнута замена первичного алюминия в количестве 4,5 кг/т на ОПАС, при этом улучшаются условия службы динасовых огнеупоров футеровки печи (расход заправочных материалов снижен на 10%), в технологический процесс вовлечены отходы графитовых изделий. В стали снижено содержание фосфора и серы, созданы предпосылки для поддержания в дуговой электропечи с кислой футеровкой слабо восстановительной атмосферы в отдельные периоды плавки.
ТРЕТИЙ ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С КИСЛОЙ ФУТЕРОВКОЙ.
В дуговой электропечи с кислой футеровкой номинальной вместимостью по жидкому металлу 4 тонны выплавляют сталь марки 32Х06ФЛ. Подварку футеровки печи производят послойно смесью 7-10 кг/т кварцевого песка (6-8% жидкого стекла) и порошкообразными (размер частиц 1-2 мм) ОПАС, содержащими 70-80 мас. % трехоксида алюминия, в соотношении песка к ОПАС по объему 3:1. На под печи загружают 41 кг (10,8 кг/т) дробленых отходов графитовых электродов и графитовых тиглей, затем 2,0 т металлического лома. После проплавления основной части этой порции осуществляют подвалку еще 1,8 т металлолома. Всего загружено 3,8 т металлошихты. По расплавлении примерно 90% шихты, в шлак плавления по периферии сталеплавильной ванны присаживают ОПАС охарактеризованного выше химического и фракционного состава в количестве 7 кг/т (27 кг). Под электроды загружают 2 кг/т железорудных окатышей, 4 кг/т известняка и 3 кг/т дробленых отходов графитовых электродов, затем в процессе полного расплавления шихты удаляют из печи самотеком примерно 62 кг шлака плавления. Когда содержание углерода в металле снизится до уровня 0,29 мас. %, доводят температуру до 1743°С. После этого присаживают 4 кг/т ОПАС с содержанием алюминия 74,6 мас. %, 9 кг/т известняка, 1,8 кг/т феррованадия марки ФВд50. Содержание (MnO) в шлаке перед выпуском металла из печи в ковш составляет 4,1 мас. %. Температура металла на выпуске 1687°С, в ковше с кислой футеровкой осуществляют операцию легирования ферромарганцем ФМн88 (9 кг/т) и раскисление ОПАС (72 мас. % алюминия) в количестве 4 кг/т. Затем проводят разливку стали в литейные формы. Содержание углерода в стали составляет 0,32 мас. %, серы - 0,031%, фосфора - 0,028%, алюминия - 0,038 мас. %, ванадия - 0,1%.
Осмотр футеровки дуговой электропечи с кислой футеровкой после выпуска показал ее меньшее (по сравнению с серийными плавками) разрушение в области шлакового пояса, что обусловлено добавкой ОПАС с 70-80 мас. % трехоксида алюминия.
В результате реализации предлагаемого способа достигнута замена первичного алюминия в количестве 4,5 кг/т на ОПАС, при этом улучшаются условия службы динасовых огнеупоров футеровки (расход заправочных материалов снизили на 8-10%), в технологический процесс вовлечены отходы графитовых изделий. В выплавленной стали содержится пониженное количество фосфора и серы, созданы предпосылки для поддержания в дуговой электропечи с кислой футеровкой слабо восстановительной атмосферы в отдельные периоды плавки, что способствует снижению расхода графитовых электродов.