СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРЕ
METHOD OF STEELMAKING IN CONVERTER

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к выплавке стали в кислородном конвертере.
Известен способ выплавки стали с присадкой в конвертер ожелезненного известково-магнезиального флюса, содержащего 26-35% оксида магния, 45-60% оксида кальция и 5-15% оксида железа [патент РФ №2164952, опубл. 10.04.2001 г.]. Этот флюс вводят в конвертер в начале конвертерной плавки, то есть 10-80% флюса присаживается в завалку, а остальное количество - до 8-ой минуты продувки.
Недостатком этого способа выплавки стали является низкое содержание во флюсе оксидов магния, которое не позволяет в начальный период плавки иметь в шлаковом расплаве содержание MgO, равное 8-10%, являющееся предельным насыщением шлака оксидами магния. В результате значительное количество оксидов магния переходит из футеровки в шлак. Раннее формирование начальных шлаков, насыщенных оксидами магния, является одним из решающих факторов, снижающих интенсивность разрушения футеровки конвертера на ранних стадиях продувки металла.
Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является способ выплавки стали в конвертере с использованием ожелезненного магнезиального флюса, который подают в конвертер в количестве 0,2-40,0 кг/т стали при содержании в нем 65-97% оксида магния и 2-15% оксида железа [патент РФ №2260626, опубл. 20.09.2005 г.]. Флюс вводят в конвертер в завалку и (или) в течение 5-95% основного времени кислородной продувки. Изготавливают флюс путем спекания во вращающейся печи тонкоизмельченных сырого магнезита и сидерита.
2
3
Существенным недостатком этого способа является заметалливание продувочной фурмы и ухудшение процессов дефосфорации и десульфурации, вследствие увеличения вязкостных свойств шлака за счет повышенного в нем содержания тугоплавких соединений оксидов магния. Объясняется это тем, что при присадке в конвертер ожелезненного магнезиального флюса, который содержит до 60% чистого периклаза (MgO), в процессе растворения флюса происходит переход периклаза в шлаковую фазу, и за счет высокого содержания в конвертерном шлаке оксидов железа образуются тугоплавкие соединения магнезиовюстита MgO·FeO с температурой плавления 2300°С. В результате резко увеличивается вязкость шлака вплоть до его окомкования, оголяя поверхность продуваемого металла. В процессе продувки плавки жидкий металл, не защищенный шлаковым расплавом, за счет высоких температур приваривается к наружной стенке продувочной фурмы, образуя значительной величины металлический нарост. В результате ухудшаются эксплуатационные характеристики продувочной фурмы и снижается ее стойкость. Так же при окомкованном шлаковом расплаве затрудняются процессы перехода из металла в шлак фосфора и серы.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа выплавки стали, позволяющего при сохранении стойкости футеровки конвертера понизить вязкостные характеристики шлака и тем самым исключить заметалливание продувочной фурмы и улучшить процессы дефосфорации и десульфурации металла.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе выплавки стали в конвертере, включающем завалку лома, заливку чугуна, загрузку извести и ожелезненного магнезиального флюса, продувку расплава металла кислородом, подачу магнезиально-глиноземистого флюса во время продувки расплава металла кислородом и до и/или во время раздува шлака азотом на оставшийся в конвертере шлак после слива расплава металла, а ожелезненный магнезиальный флюс подают в конвертер при завалке лома и в процессе продувки расплава металла кислородом, при этом соотношение расходов ожелезненного магнезиального флюса и магнезиально-глиноземистого флюса составляет 0,2-15, из расчета получения в шлаке по окончании продувки расплава металла кислородом 5-20% оксидов магния, причем содержание оксидов алюминия в магнезиально-глиноземистом флюсе составляет 1,0-20%.
Магнезиально-глиноземистый флюс изготавливают методом брикетирования мелкой фракции (менее 4 мм) магнезита, обожженного совместно с железосодержащими материалами (железная руда, сидерит, металлургический шлам и т.п.) во вращающейся печи и шлака, получаемого в процессе переплава алюминистого лома. В процессе брикетирования флюса в шихту добавляется кокс, уголь, графит. В качестве связки используют органические (смола, пек и т.п.) и (или) минеральные (лингосульфанат, хлористый магний и т.п.) соединения.
2
2
Шлак, получаемый в процессе переплава алюминистого лома, содержит значительное количество оксидов алюминия (до 70%), корольков металлического алюминия (до 40%), а также оксиды и (или) хлориды, и (или) фториды щелочных металлов NaO, KO, NaCl, KCl, NaF, KF (до 30%).
Магнезиально-глиноземистый флюс в виде брикетов, изготовленных из вышеперечисленных материалов, содержит, мас.%:
оксид кальция
0,5-15,0
оксид железа
0,1-10,0
оксид алюминия
0,1-20,0
оксид кремния
1,0-10,0
оксиды и (или)
хлориды и (или)
фториды щелочных
металлов
0,01-10,0
углерод
0,01-15,0
органические и (или)
минеральные соединения
1,0-10,0
оксид магния
остальное
2
3
2
3
Сущность заявляемого способа выплавки стали заключается в формировании жидкоподвижной прослойки шлакового расплава вокруг зерен магнезиоферритов, образующихся в шлаке при присадках в конвертер ожелезненного магнезиального флюса. Жидкоподвижная прослойка шлака образуется при вводе в конвертер магнезиально-глиноземистого флюса в результате образования в шлаковом расплаве легкоплавких соединений браунмиллерита (4СаО·AlO·FeO) с температурой плавления 1100-1200°С. Жидкоподвижности шлаковой прослойки способствует также наличие в ней соединений щелочных металлов (оксиды, хлориды, фториды).
Наличие вокруг тугоплавких зерен магнезиоферритов шлакового расплава низкой вязкости приводит к снижению вязкостных характеристик в целом конвертерного шлака и тем самым исключаются условия для окомкования конвертерного шлака, что приводит к защите металла шлаковым покровом. В результате в процессе продувки плавки происходит уменьшение заметалливания ствола фурмы, и улучшаются процессы дефосфорации и десульфурации металла.
Количество жидкоподвижной шлаковой прослойки и количество зерен тугоплавких соединений оксидов магния регулируется количеством введенных в конвертер периклаза из ожелезненного магнезиального флюса и количеством оксидов алюминия, оксидов, хлоридов и фторидов щелочных металлов из магнезиально-глиноземистого флюса, то есть степень заметалливания ствола фурмы, а также степень дефосфорации и десульфурации металла зависят от соотношения между количеством присаженного в конвертер ожелезненного магнезиального флюса и количеством магнезиально-глиноземистого флюса. Если соотношение между этими флюсами составит величину менее 0,2, то в конвертерном шлаке будет образовываться незначительное количество тугоплавких зерен оксидов магния, что приведет к коррозии огнеупоров футеровки конвертера в процессе продувки расплава. Если соотношение между этими флюсами составит величину более 15, то в конвертерном шлаке будет образовываться значительное количество тугоплавких соединений оксидов магния, что приведет к заметалливанию ствола фурмы и снижению процессов дефосфорации и десульфурации металла.
Присадка ожелезненного магнезиального флюса в начале плавки позволяет снизить износ футеровки днища конвертера. Тугоплавкий ожелезненный магнезиальный флюс растворяется медленно, полное усвоение его шлаком происходит только к концу продувки кислородом шлакометаллического расплава, поэтому необходимо его подавать в конвертер в начальный период плавки: в завалку и в начальный период продувки расплава металла кислородом. Гетерогенная составляющая шлака при этом увеличивается, повышается вязкость шлака, соответственно ухудшаются процессы рафинирования металла, и увеличивается заметалливание фурм. Подача по ходу продувки расплава металла кислородом магнезиально-глиноземистого флюса, содержащего разжижающие шлак оксиды алюминия, оксиды и (или) хлориды, и (или) фториды щелочных металлов и быстрорастворимые органические и (или) минеральные соединения, позволяет значительно снизить вязкость получаемого высокомагнезиального шлака по ходу плавки и уменьшить заметалливание фурм, а также способствует быстрому усвоению шлаком вносимого магнезиальными флюсами периклаза. Сформированный жидкоподвижный высокомагнезиальный шлак не только способствует повышению стойкости футеровки, но и обеспечивает получение требуемых показателей десульфурации и дефосфорации металла, благодаря снижению вязкости шлака, а также за счет повышения общей его основности  Не решается поставленная задача при подаче магнезиально-глиноземистого флюса в завалку, перед заливкой чугуна в конвертер, так как при взаимодействии горячего чугуна с магнезиально-глиноземистым флюсом в условиях отсутствия шлака происходит резкое выделение летучих составляющих: хлоридов, фторидов щелочных металлов и органических соединений в атмосферу, что значительно снижает влияние данного флюса на разжижение формируемого основного шлака. Подача магнезиально-глиноземистого флюса на оставшийся в конвертере шлак после слива расплава металла до и/или во время раздува шлака азотом позволяет увеличить содержание MgO в конечном шлаке и повысить адгезию шлакового гарнисажа к периклазоуглеродистым огнеупорам.
2
3
2
2
2
Количество вводимых в конвертерный шлак оксидов магния из обоих магнезиальных флюсов не должно превышать предела растворимости этого оксида в шлаке, то есть до определенного содержания в шлаке оксида магния он может растворяться в шлаке, образовывая с другими компонентами шлака различные соединения, такие как магнезиоферрит (MgO·FeO), монтичеллит (CaO·MgO·SiO), мервинит (3CaO·MgO·2SiO), форстерит (2MgO·SiO). В случае увеличения количества оксидов магния выше полного насыщения шлака по содержанию MgO, то есть выше предела растворимости оксида магния, этот оксид образует значительное количество тугоплавкой самостоятельной фазы - периклаз. Повышенное количество образующегося в шлаке периклаза повышает вязкость шлака, увеличивая его комкуемость.
Предел растворимости оксида магния в конвертерном шлаке зависит от основности шлака. Чем выше основность шлака, тем меньше предел растворимости оксида магния в шлаке. В начальный период продувки, когда известь еще полностью не растворилась, шлак имеет низкую основность, предел растворимости оксида магния достигает высокой величины 20%. При вводе оксидов магния магнезиальными флюсами свыше этой величины повышается вязкость шлака и увеличивается его гетерогенность, что приводит к повышенному заметалливанию ствола фурмы и снижению процесса дефосфорации. По мере продолжительности продувки металла увеличивается основность шлака, в связи с этим снижается предел растворимости в шлаке оксидов магния, и в конце продувки кислородом он составляет 5%. В этот период желательно иметь в шлаке количество оксидов магния выше предела его растворимости, так как образующийся периклаз благотворно влияет на футеровку конвертера. Поэтому, если при использовании магнезиальных флюсов получить в шлаке менее 5% оксидов магния, то не будет образовываться периклаз и, тем самым влияние присадки флюсов на увеличение стойкости футеровки конвертера сказываться не будет.
Вязкость шлаковой прослойки между зернами тугоплавких соединений в основном регулируется количеством фаз браунмиллерита, которые формируются количеством присаживаемых в конвертер оксидов алюминия из магнезиально-глиноземистого флюса. Если содержание оксидов алюминия в этом флюсе составит величину менее 1%, то при прочих равных условиях вязкость шлаковой прослойки будет высокой, что приведет к заметалливанию фурмы и ухудшению процессов дефосфорации и десульфурации. Если содержание оксидов алюминия в магнезиально-глиноземистом флюсе составит величину более 20%, то при прочих равных условиях вязкость шлаковой прослойки будет низкой, и при конвективных потоках шлака в процессе продувки кислородом или раздува шлака азотом при нанесении шлакового гарнисажа шлак не будет образовывать защитный шлаковый слой, предохраняющий огнеупоры футеровки от коррозии.
Образование жидкоподвижного шлакового расплава вокруг зерен тугоплавких фаз оксидов магния позволяет одновременно сохранить преимущества присадки в конвертер ожелезненного магнезиального флюса с целью повышения стойкости футеровки конвертера и достичь технического результата при использовании этого флюса в определенном соотношении с магнезиально-глиноземистым флюсом, с целью снижения заметалливания продувочной фурмы и улучшения условий дефосфорации и десульфурации металла определяет неочевидность заявляемого способа выплавки стали в конвертере.
Сопоставление заявляемого способа выплавки стали со способом, выбранным за прототип, показывает, что заявляемый способ выплавки стали в конвертере, при котором ожелезненный магнезиальный флюс и магнезиально-глиноземистый флюс, содержащий оксиды алюминия, используемые при определенном соотношении между собой, наряду с получением в конвертерном шлаке высоких содержаний тугоплавких оксидов магния, позволяет получать конвертерный шлак с низкой вязкостью.
Предлагаемый способ может осуществляться следующим образом.
В конвертер после завалки лома или на залитый чугун загружают известь и ожелезненный магнезиальный флюс (марки ФОМ). После установки конвертера в вертикальное положение опускают кислородную фурму и начинают продувку металла кислородом. Вводят известь и ФОМ. По истечении 5-40% времени продувки в конвертер вводят магнезиально-глиноземистый флюс (марка МГФ). После окончания продувки, отбора проб металла и шлака, замера температуры металл сливается в ковш, шлак отсекается от металла и остается в конвертере. Конвертер устанавливают в вертикальное положение, опускают фурму и начинают раздув шлака азотом для нанесения шлакового гарнисажа на поверхность футеровки, перед и (или) в процессе подачи азота подают МГФ. После окончания нанесения гарнисажа остатки шлака сливают в чашу.
Конкретный пример осуществления способа.
Проведено 3 варианта осуществления способа выплавки стали в конвертере (таблица) с использованием различных составов магнезиально-глиноземистого флюса (МГФ) при различном соотношении расхода ожелезненного магнезиального флюса (ФОМ) к расходу флюса МГФ, содержащего:
2
2
3
2
3
Вариант 1 - 42,7% MgO, 14,8% CaO, 3,5% SiO, 1,0% FeO, 20,0% AlO, 9,5% - оксиды, фториды и хлориды Na и K, 0,1% С, 8,4% - органические и минеральные соединения.
2
2
3
2
3
Вариант 2 - 71,6% MgO, 1,0% CaO, 1,5% SiO, 8,5% FeO, 9,3% AlO, 2,3% - оксиды, фториды и хлориды Na и K, 4,3% С, 1,5% - органические и минеральные соединения.
2
2
3
2
3
Вариант 3 - 58,5% MgO, 8,0% CaO, 7,8% SiO, 5,8% FeO, 1,0% AlO, 0,1% - оксиды, фториды и хлориды Na и К, 12,5% С, 6,3% - органические и минеральные соединения.
3
3
При всех вариантах выплавку стали проводили в конвертере емкостью 400 т. Доля массы металлолома в общей массе металлошихты составляла 23%. Удельный расход кислорода составил 59 м/т стали. Температура металла по окончании продувки кислородом составляла 1670°С, при полученном содержании углерода в металле 0,05%. После слива металла в сталеразливочный ковш оставшийся конвертерный шлак раздували на футеровку конвертера азотом с интенсивностью 1100 м/мин. Флюс МГФ подавали в конвертер как в период подачи азота, так и непосредственно перед раздувом шлака азотом (вариант 3).
Технологические показатели плавок, проведенных в конвертере по предлагаемому способу и по способу, взятому за прототип, представлены в таблице, из которой видно, что использование в конвертерной плавке ожелезненного магнезиального флюса и магнезиально-глиноземистого флюса, содержащего оксиды алюминия в пределах от 1,0% до 20%, при соотношении расходов флюсов ФОМ:МГФ в интервале 0,2-15, позволило повысить степень дефосфорации и десульфурации металла соответственно на 11,2-15,2% и 7,5-15,4%, значительно снизить количество металла на стволе фурмы после продувки на 2,2-5,1 т, что свидетельствует об улучшении вязкостных характеристик конвертерного шлака, содержащего от 5 до 20% оксидов магния, причем количество растворенной футеровки за плавку было ниже, чем при использовании способа, взятого за прототип.
Результаты плавок, проведенных в конвертере по предлагаемому техническому решению и по способу, взятому за прототип.
ПОКАЗАТЕЛИ
Варианты осуществления предложенного способа
Известный способ
1
2
3
Содержание Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> в МГФ*, %
20,0
9,3
1,0
-
Расход материалов (кг/т стали):
в завалку:
известь
14,7
13,9
15,0
14,3
ФОМ**
7,6
8,0
4,0
8,0
по ходу продувки кислородом:
известь
28,5
24,3
21,6
24,8
ФОМ
10,4
5,7
1,0
16,6
МГФ
0,7
3,4
19,5
-
на оставшийся шлак после слива металла:
- до раздува шлака азотом:
МГФ
-
-
3,0
-
- в период раздува шлака азотом:
кокс
2,7
2,3
1,2
3,0
МГФ
0,5
1,4
2,5
-
Отношение расходов флюсов ФОМ:МГФ
15
2,8
0,2
-
Содержание (MgO) в шлаке после продувки, %
5,0
10,7
20,0
8,3
Степень дефосфорации металла, %: <img file="00000002.tif" he="11" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" />
84,6
88,6
86,8
73,4
Степень десульфурации металла, %: <img file="00000003.tif" he="11" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" />
25,2
23,4
17,3
9,8
Количество металла на стволе фурмы после продувки, т
1,7
0,2
3,1
5,3
Количество растворенной футеровки за плавку, кг
70,5
56,9
32,6
97,3
<sup>1</sup>МГФ - магнезиально-глиноземистый флюс;
<sup>2</sup> ФОМ - ожелезненный магнезиальный флюс;
<sup>3</sup> [Р]<sub>ч</sub> - содержание фосфора в чугуне, %;
[Р]<sub>n.n.</sub> - содержание фосфора в металле после продувки, %;
<sup>4</sup>[S]<sub>ч</sub> - содержание серы в чугуне, %;
[S]<sub>n.n.</sub> - содержание серы в металле после продувки, %.