СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛИ В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ
PROCEDURE FOR TREATMENT OF STEEL IN CASTING LADLE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к внепечной обработке стали в сталеразливочном ковше.
2
3
Известно, что при обработке стали в сталеразливочных ковшах используют флюсовый материал, повышающий срок службы футеровки. Материал на основе кальциймагнезиальных алюминатов с высоким первоначальным содержанием MgO (около 12%) в микрокристаллических фазах, содержание СаО в пределах 35-50%, AlO - 25-42% (The impact of synthetic slags on steel ladle refractory life time. 51 Международный коллоквиум по огнеупорам 15-16 октября 2008 г., Аахен, Германия).
В докладе рассмотрены только лабораторные испытания, что не позволяет сделать вывод о целесообразности его практического применения. Кроме того, состав флюса наперед задан, и содержание в нем MgO - 12% (мас.) является более высоким по отношению к концентрации насыщения типичных шлаков внепечной обработки (8-9%), и промышленное использование указанного флюса будет сопровождаться гетерогенизацией шлака из-за нерастворившегося сверхравновесного MgO. В результате шлаки будут иметь низкие рафинировочные и защитные свойства.
Известен способ обработки в ковше металла, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, выпуск из него металла в ковш, подачу в ковш шлакообразующих материалов, продувку металла инертным газом, электродуговой нагрев металла в ковше, в процессе обработки металла в ковш добавляют известь и плавиковый шпат (Кудрин В.А. Внепечная обработка чугуна и стали. - М.: Металлургия, 1992, 268 с).
Недостатком известного способа является низкая стойкость огнеупорной футеровки ковша, основная причина состоит в недостаточном содержании в шлаках оксида магния MgO, что создает химический градиент между футеровкой и шлаком и приводит к реакции растворения. Кроме того, следует отметить негативное воздействие плавикового шпата, так как фторид кальция агрессивно воздействует на футеровку ковша, снижая ее стойкость.
Известен способ обработки стали в сталеразливочном ковше, включающий выпуск из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш расплава металла, подачу материалов для загущения шлака в ковше, например доломита с порогов печи, известь (RU 2170271, С21С 7/00).
Недостатком известного способа является использование доломита, так как для его быстрого растворения требуется высокое содержание в шлаке оксидов железа, негативно влияющих на протекание десульфурации в сталеразливочном ковше. В результате в рафинировочных шлаках с пониженным содержанием оксидов железа растворение доломита происходит медленно и недостаточно полно, что препятствует насыщению шлака оксидом магния и эффективной защите футеровки от воздействия шлака.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ ковшевой обработки стали, который включает выпуск стали в ковш, добавление шлакообразующих материалов, электродуговой нагрев шлака, перемешивание стали. Шлакообразующий материал состоит из обожженных извести, доломитовой извести или их смеси с добавлением шлака доменной печи, при этом указанный материал содержит 10-40% MgO, остальное - СаО (СА 1321075, С21С 7/076).
2
К недостаткам способа относится использование магнезиальных материалов, содержащих оксид кальция в свободном виде, что приводит к их гидратации в процессе хранения и образованию гидроксида кальция Са(ОН). Разложение гидроксида кальция происходит с эндотермическим эффектом и приводит к неконтролируемому охлаждению металлического расплава, что недопустимо при внепечной обработке. Кроме того, выделение воды при разложении гидроксида кальция в условиях повышенных температур приводит к проникновению в сталь водорода, приводящего к возникновению такого опасного дефекта, как флокены.
Другим недостатком прототипа является низкая скорость растворения доломита, требующего для своего растворения повышенного содержания оксида железа в шлаке, что недопустимо при внепечной обработки. В результате происходит гетерогенизация шлакового расплава с повышением вязкости и наличием твердых кусков доломита и извести. Удаление примесей стали в таких условиях происходит неэффективно. Кроме того, низкая скорость растворения доломита в шлаке замедляет процесс насыщения шлака оксидом магния.
Раннее формирование шлаков, насыщенных оксидами магния, является одним из решающих факторов, снижающих интенсивность разрушения футеровки сталеразливочных ковшей. Связано это с тем, что процесс разрушения футеровки на границе раздела фаз шлак-футеровка начинается с момента контакта шлака с футеровкой, и раннее формирование шлаков, насыщенных оксидом магния, позволяет уменьшить продолжительность периода взаимодействия агрессивных шлаков с футеровкой и в результате снижает интенсивность ее износа.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении стойкости огнеупорной футеровки сталеразливочного ковша за счет раннего формирования шлаков, насыщенных MgO, при меньшем расходе магнийсодержащих материалов на плавку.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки стали, включающем выпуск стали из сталеплавильного агрегата в ковш, подачу в ковш шлакообразующих материалов, содержащих известь, продувку стали инертным газом и, в случае необходимости, электродуговой нагрев стали в ковше, согласно предлагаемому изобретению дополнительно в качестве шлакообразующих материалов используется боксит и магнезиально-известковый флюс, указанные шлакообразующие материалы вводят во время выпуска стали из сталеплавильного агрегата под струю стали не ранее наполнения ковша на 1/100 и не позднее наполнения на 2/3, причем магнезиально-известковый флюс вводят в количестве, обеспечивающем достижение соотношения между содержанием оксида магния в шлаке и футеровке в ковше
При этом магнезиально-известковый флюс присаживают порциями по 100-300 кг.
Дополнительно предлагается в качестве магнезиально-известкового флюса использовать гранулы бикерамического состава.
Электродуговой нагрев стали в сталеразливочном ковше производится, в случае необходимости, в зависимости от того, насколько фактическая температура стали не соответствует температуре, при которой производится разливка. В процессе внепечной обработки идут непрерывные теплопотери через футеровку, в результате перемешивания, в результате нагрева ферросплавов и шлакообразующих. Все эти потери компенсируются периодическим нагревом стали в ковше.
Экспериментально установлено, что оптимальным является ввод шлакообразующих материалов начиная с 1/100 наполнения ковша и не позднее времени наполнения ковша на 2/3.
При вводе шлакообразующих материалов ранее 1/100 наполнения сталеразливочного ковша будет происходить слипание частиц шлакообразующих материалов в конгломераты, в результате чего формируется грубодисперсная среда. Прогрев и усвоение шлакообразующих материалов в такой среде происходит медленней по сравнению с более дисперсными средами, формирующимися при вводе шлакообразующих при высоте металла выше 1/100 наполнения.
При вводе шлакообразующих материалов после 2/3 наполнения сталеразливочного ковша вследствие снижения турбулентности движения стали и соответственно ухудшения перемешивания куски или гранулы шлакообразующей смеси будут находиться преимущественно на поверхности стали, что снизит поверхность контакта со сталью и приведет к замедлению их прогрева, вследствие чего феррит кальция во флюсе будет медленней участвовать в процессе шлакообразования, что, в результате, приведет к гетерогенности шлака и тем самым ухудшит как рафинировочные, так и защитные свойства шлака.
Расход извести и боксита определяется исходя из требуемой величины основности ковшевого шлака, определяемой при помощи выражения . Обычно значения основности шлаков во время внепечной обработки находятся в пределах от 2 до 3,5 ед.
Диапазон значений соотношения содержания оксида магния в шлаке и футеровке в пределах 0,05-0,16 обеспечивает достаточную вязкость шлака, а также способствует созданию на поверхности огнеупоров защитного слоя (гарнисажа).
При расходе магнезиально-известкового флюса в общем количестве, обеспечивающем достижение соотношения между содержанием оксида магния в шлаке и футеровке  имеет место высокий градиент химического потенциала между футеровкой и шлаком, что приводит к быстрому переходу оксида магния из футеровки в шлак, т.е. физико-химическому износу футеровки.
При расходе магнезиально-известкового флюса в общем количестве, обеспечивающем достижение соотношения между содержанием оксида магния в шлаке и футеровке  градиент химического потенциала между футеровкой и шлаком мал, и износ практически не происходит, но вязкость ковшевого шлака оказывается слишком велика для протекания рафинировочных процессов внепечной обработки.
Использование магнезиально-известкового флюса в виде гранул бикерамического состава с определенным градиентом химического состава, характеризующегося неравномерным содержанием основных оксидов в оболочке и ядре гранулы, позволяет обеспечить во флюсе высокую долю оксида кальция как связанного в легкоплавкие ферриты кальция, так и в виде свободной извести, защищенной от гидратации магнезиальной оболочкой. Бикерамический состав магнезиально-известкового флюса представлен следующим образом. Ядром гранулы является зерно доломита, на поверхности которого за счет высокотемпературного воздействия его с железистой компонентой сырьевой шихты образуются низкоплавкие фазы, такие как ферриты кальция и силикаты. Ядро гранулы приобретает термопластичное состояние, которое способствует налипанию на него магнезиальной составляющей, при этом происходит рост гранулы и пропитка ее легкоплавкими фазами. Рост гранулы прекращается по мере расхода легкоплавких фаз, связанного с пропиткой магнезии.
Центральная зона гранулы (ядро) содержит до 75% оксида кальция, до 25% периклаза, до 4% феррита кальция и до 2% силикатов, а периферийная, блокирующая доступ влаги воздуха к центру, включает до 90% периклаза, до 7% «замоноличенного» феррита кальция и до 5% силикатов магния и кальция. Ферриты кальция обеспечивают быстрое растворение флюса, что крайне важно для ковшевого шлака. Свободная известь повышает основность ковшевого шлака, улучшая его рафинировочные свойства.
Пример промышленного использования.
Заявленный способ используется на металлургических предприятиях следующим образом.
В течение кампании ковша низколегированную сталь, выплавленную в кислородном конвертере, выпускали в ковш вместимостью 350 т, футерованный периклазоуглеродистыми изделиями. При этом принимали меры по предотвращению попадания конвертерного шлака в ковш. Вместе с раскислителями, легирующими присадками, начиная с 1/100 наполнения ковша и не позднее времени наполнения ковша на 2/3, вводили шлакообразующие материалы: известь, боксит и магнезиально-известковый флюс в виде бикерамических гранул. Химический состав исходных сырьевых материалов представлен в таблице 1. Известь и боксит вводили в количестве 1200 и 350 кг соответственно для получения жидкоподвижного шлака основностью 2,5 ед. Магнезиально-известковый флюс в виде бикерамических гранул вводили порциями по 100 кг в общем количестве 200 кг. Одновременно с этим проводилась продувка стали через донные продувочные устройства. Отбор проб металла и шлака производился в начале и перед окончанием внепечной обработки.
Использование предлагаемого способа обработки стали позволило увеличить срок эксплуатации футеровки с 35 до 63 плавок.
Вариант осуществления способа в сравнении с прототипом представлен в таблице 2.
При проведении опытных плавок экспериментально установлено, что оптимальной является технология, осуществляемая по предложенному способу, который позволяет повысить стойкость футеровки сталеплавильного ковша за счет раннего формирования шлаков, насыщенных MgO при меньшем расходе магнийсодержащих компонентов на плавку.
Таким образом, заявляемый способ обработки стали в сталеразливочном ковше позволяет как можно раньше увеличить содержание оксида магния в шлаке и предотвратить реакцию растворения огнеупоров (футеровки) в жидком шлаке.
Таблица 1.
Химический состав исходных сырьевых материалов
Материалы
Химический состав, % (масс.)
MgO
СаО
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Известь
6,3
85,6
4,2
3,9
-
Боксит
-
-
8,4
87,3
4,3
Магнезиально-известковый флюс в виде бикерамических гранул
67,1
23,7
3,0
-
6,2
Таблица 2.
Вариант осуществления способа обработки стали в сталеразливочном ковше
Вариант осуществления способа
Известный способ
Предложенный способ
Расход материалов, т/плавку (кг/т)
известь (MgO)=6% (масс.)
0,98 (2,8)
1,20 (3,4)
известь доломитизированная (MgO)=20% (масс.)
0,98 (2,8)
0
доменный шлак (MgO)=12%(масс.)
1,96 (5,6)
0
боксит
0
0,35 (1,0)
магнезиально-известковый флюс в форме бикерамических гранул (MgO)=66% (масс.)
0
0,20 (0,6)
Содержание MgO в шлаке, %
в начале внепечной обработки*
6,2
11,2
перед окончанием внепечной обработки
10,1
11,3
Степень десульфурации, %
[С] на повалке <0,05%
50,6
56,5
[С] на повалке >0,05%
61,2
66,4
Стойкость футеровки, плавок
35
63
* после введения шлакообразующих материалов