СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ
PROCEDURE FOR MELTING STEEL IN OXYGEN CONVERTER

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к процессу получения стали из передельного чугуна или углеродистого полупродукта в кислородном конвертере.
3
Известен способ нагрева плавки в конвертере (патент на изобретение RU 2296799 C1, МПК C21C 5/28, опубл. 10.04.2007), применяемый при производстве стали в кислородных конвертерах, согласно которому перед додувкой в кислородный конвертер загружают алюминиевый флюс в количестве 0,56-1,00 кг/т, додувку продолжительностью не более 1 мин ведут с расходом кислорода 500-1000 м в зависимости от требуемого повышения температуры.
2
3
2
Недостатком известного способа является недостаточное увеличение стойкости конвертера, т.к. алюминиевый флюс вводят в конце плавки и шлак обогащается оксидом алюминия AlO на конечной стадии плавки, а в начальной ее стадии образуется шлак с повышенным содержанием оксидов железа FeO и кремния SiO (основные оксиды кальция CaO и магния MgO из-за тугоплавкости еще не растворились в жидкой шлаковой фазе), что ведет к разрушению основной футеровки конвертера.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ выплавки стали в конвертере (патент на изобретение RU 2287018 C2, МПК C21C 5/28, опубл. 10.11.2006), включающий завалку металлолома, присадку шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, прогрев кислородом в течение 15-45% от общей продолжительности продувки, заливку жидкого чугуна и продувку расплава кислородом. Дополнительно осуществляют порционную присадку алюминийсодержащих отходов, при этом первую порцию алюминийсодержащих отходов присаживают на металлолом в количестве 40-60% от общего их расхода одновременно со шлакообразующими и углеродсодержащими материалами в соотношении 1:(6-9):(2-6) соответственно, а остальное количество алюминийсодержащих отходов присаживают после заливки чугуна по ходу продувки одновременно со шлакообразующими материалами в соотношении 1:(4-12) соответственно.
Недостатками известного способа являются:
- значительное увеличение времени выплавки стали из-за необходимости дополнительного прогрева металлолома и, соответственно, снижение производительности конвертера из-за увеличения времени продувки и увеличения расхода кислорода;
- ввод в качестве топлива углеродсодержащих материалов неэффективен из-за малого теплового эффекта от сжигания углерода, что приводит к замедлению шлакообразования, повышенному пылеуносу железа в газоочистку на первых минутах продувки и к снижению выхода жидкой стали. Кроме этого углеродсодержащие материалы, как правило, содержат серу, для удаления которой потребуются дополнительные затраты и время, что ведет к удорожанию способа получения стали;
- тепловой эффект от сжигания алюминийсодержащих отходов, присаженных на металлолом, не обеспечит его необходимый нагрев, т.к. значительная часть тепла уйдет с обильно отходящими газами в газоочистку, что замедлит шлакообразование, повысит пылеунос железа в газоочистку на первых минутах продувки и снизит выход жидкой стали;
2
3
- присадка алюминийсодержащих отходов во время продувки малоэффективна, т.к. часть алюминия сгорит на лету, а остальная образует «корундовый орех», т.е. на поверхности относительно крупного (размером от 10 см и выше) куска алюминия образуется корочка из оксида алюминия AlO с температурой плавления свыше 2000°C и участие алюминия в процессе шлакообразования начнется с запозданием, что снизит выход жидкой стали.
Задачей изобретения является создание более эффективного способа получения стали из передельного чугуна или углеродистого полупродукта в кислородном конвертере, позволяющего снизить затраты на производство стали и повысить производительность кислородного конвертера.
Технический результат - увеличение доли лома черных металлов при производстве стали, повышение производительности кислородного конвертера за счет увеличения выхода жидкой стали и уменьшения времени продувки кислородом, повышение стойкости футеровки кислородного конвертера и снижение расхода кислорода.
2
3
2
3
Технический результат достигается тем, что в способе выплавки стали в кислородном конвертере, включающем подачу жидкого передельного чугуна или углеродистого полупродукта, лома черных металлов, лома алюминия, шлакообразующих материалов, продувку кислородом, согласно изобретению лом алюминия в количестве 0,3-2,5% от массы стали брикетируют с ломом черных металлов, при этом доля лома алюминия в брикетах составляет не более 20%, а продувку кислородом осуществляют после подачи жидкого передельного чугуна или углеродистого полупродукта, брикетированного лома черных металлов и алюминия, шлакообразующих материалов. Кроме того, соотношение шлакообразующих материалов соответствует эвтектическому составу системы CaO-AlO-MgO: CaO 45-48%, AlO 45-48%, MgO 5-7%.
2
3
2
3
2
3
2
При осуществлении предлагаемого способа лом алюминия используют в качестве дополнительного топлива, т.к. алюминий, обладая низкой температурой плавления, окисляется из всех составляющих шихты первым с наибольшим тепловым эффектом. Брикетирование лома алюминия с ломом черных металлов, благодаря которому лом алюминия попадает в конвертер не скученно, а вперемешку с ломом черных металлов, обеспечивает максимальное и быстрое растворение алюминия при плавлении в металлическом расплаве и препятствует образованию при продувке кислородом так называемых «корундовых орехов», когда на поверхности относительно крупных (размером от 10 см и выше) кусков алюминия образуется корочка из оксида алюминия AlO с температурой плавления свыше 2000°C, которая замедляет процесс растворения алюминия. Доля лома алюминия в брикетах не должна превышать 20%, иначе брикеты в связи с меньшей плотностью будут плавать по поверхности металлического расплава, при этом часть алюминия не растворится в расплаве, а окислится на поверхности брикета, в результате чего тепловой эффект от использования алюминия при выплавке стали будет снижен. При продувке кислородом металлического расплава, содержащего растворенный в нем алюминий и шлакообразующие материалы, алюминий окисляется в первые две минуты продувки с выделением большого количества тепла, при этом тепло от окисления алюминия не улетает с отходящими газами в газоочистку, а остается в металлическом расплаве, что резко повышает температуру последнего и приводит к более раннему расплавлению шлакообразующих материалов. В результате на первых минутах продувки кислородом образуется жидкоподвижный шлак, масса которого возрастает за счет присоединения к нему массы оксида алюминия ALO, при этом толщина шлакового слоя увеличивается, что значительно снижает пылеунос железа на первых минутах продувки кислородом и повышает выход жидкой стали. Кроме этого в результате обогащения шлака содержанием оксида алюминия AlO происходит обеднение начального шлака по содержанию оксидов железа FeO и кремния SiO, разрушающих футеровку конвертера, а содержащиеся в шлакообразующих материалах тугоплавкие основные оксиды кальция CaO и магния MgO переходят в жидкую шлаковую фазу значительно быстрее благодаря выделяемому при окислении алюминия большому количеству тепла, в итоге возрастает основность шлака, что повышает стойкость футеровки кислородного конвертера.
Таким образом, благодаря предлагаемому способу выплавки стали, достигается максимально эффективное использование тепла от окисления алюминия, что позволяет увеличить долю лома черных металлов при выплавке стали. Теоретические обоснования этого вывода следующие.
2
3
Теплота образования оксида алюминия AlO составляет 1675 кДж/моль («Термодинамические свойства неорганических веществ", У.Д. Верятин и др., Атомиздат, Москва, 1965 г., стр. 118), а затраты тепла на нагрев и расплавление присаживаемого в конвертер лома черных металлов составляют примерно 1410 кДж/кг («Конвертерный передел ванадиевого чугуна», Л.А. Смирнов и др., Екатеринбург, Средне-Уральское книжное издательство, 2000 г., стр. 440). При окислении 1 кг алюминия выделяется 1000 г × 1675 кДж/моль / 54 г/моль = 31018 кДж теплоты. Следовательно, сжигание 1 т алюминия позволяет дополнительно ввести 31018 МДж / 1410 МДж = 22 т лома черных металлов.
Увеличение доли лома черных металлов при выплавке стали снижает затраты на производство стали, при этом концентрация углерода в шихте уменьшается пропорционально увеличению доли лома черных металлов, в результате сокращаются время продувки кислородом и пылеунос железа, увеличивается выход жидкой стали, что повышает производительность конвертера, уменьшает расход кислорода и дополнительно снижает затраты на производство стали.
2
3
2
3
Доля лома алюминия при выплавке стали согласно предлагаемому способу составляет 0,3-2,5% от массы стали. В случае подачи в конвертер лома алюминия в количестве менее 0,3% от массы стали эффективность способа резко снижается, так как при этом пропорционально уменьшается доля лома черных металлов и возрастает концентрация углерода в шихте, что увеличивает время продувки кислородом, при этом содержание оксида алюминия AlO в шлаке на первых минутах продувки кислородом недостаточно для быстрого образования жидкоподвижного шлака, что приводит к повышенному пылеуносу железа в начале продувки и к снижению выхода жидкой стали. При подаче в конвертер алюминиевого лома в количестве более 2,5% от массы стали количество шлака за счет присоединения к нему оксида алюминия AlO увеличивается настолько, что толщина образовавшегося шлакового слоя снижает эффективность продувки кислородом, увеличивает ее время и расход кислорода.
2
3
2
3
2
3
2
2
3
Эффект от предлагаемого способа выплавки стали дополнительно увеличивается, если подачу шлакообразующих материалов, содержащих оксид кальция CaO и оксид магния MgO, производить в соответствии с эвтектикой системы CaO-AlO-MgO, а именно: CaO 45-48%, AlO 45-48%, MgO 5-7%. При такой шлаковой системе температура наиболее легкоплавкой эвтектики составляет 1345-1350°C («Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск четвертый. Тройные окисные системы», Торопов Н.А. и др., Л.: "Наука", Ленингр. отд., 1974, стр. 31, диаграмма состояния системы MgO-CaO-AlO по Маджумдару). Для определения количества алюминия, необходимого для образования указанной шлаковой системы, необходимо применить стехиометрический коэффициент при окислении алюминия по реакции 4Al+3O=2AlO, равный 1,89.
Применение указанного соотношения шлакообразующих материалов позволяет максимально снизить температуру плавления тугоплавких оксидов кальция CaO и магния MgO, в результате дополнительно сокращаются: время образования высокоосновного активного и легкоподвижного шлака, пылеунос железа на первых минутах продувки кислородом, время продувки и расход кислорода, а, значит, выход жидкой стали и стойкость футеровки конвертера возрастают.
Таким образом, благодаря данному техническому решению выполняется задача изобретения, т.к. предлагаемый способ выплавки стали в кислородном конвертере позволяет снизить затраты на производство стали за счет увеличения доли лома черных металлов и снижения расхода кислорода, а также повысить производительность кислородного конвертера за счет увеличения выхода жидкой стали и уменьшения времени продувки кислородом, при этом стойкость футеровки кислородного конвертера повышается.
Дополнительным техническим результатом, благодаря максимально эффективному использованию тепла от окисления алюминия по предлагаемому способу, является возможность переработки передельного чугуна с пониженным содержанием кремния без уменьшения доли лома черных металлов и уменьшение расхода кокса в доменном переделе.
Примеры конкретного выполнения способа.
1. Пример конкретного выполнения способа получения стали из углеродистого полупродукта.
2
3
2
3
2
В 160-тонный конвертер загружают брикеты, содержащие 2 т лома алюминия и лом черных металлов в общем количестве (3+22×2) т = 47 т, их которых 44 т - это дополнительное количество лома черных металлов за счет введения 2 т лома алюминия, заливают углеродистый полупродукт состава: 3,2% С, 0,01% Si, 0,1% Mn, железо-основа с температурой 1320°C в количестве 115 т, засыпают шлакообразующие материалы из расчета получения шлака эвтектического состава в системе CaO-MgO-AlO. Т.к. количество оксида алюминия AlO в шлаке будет составлять 2000 кг × 1,89=3780 кг, то, исходя из этого, засыпают известь и доломит из расчета получения 3780 кг оксида кальция CaO и 482 кг оксида магния MgO в шлаке, после чего продувают кислородом 11 мин. Температура металла на повалке 1645°C, содержание оксида кремния SiO в шлаке менее 7%, выход жидкой стали 95,1%.
Применение предлагаемого способа получения стали из углеродистого полупродукта в 160-тонном кислородном конвертере позволяет дополнительно использовать до 44 т лома черных металлов, повысить производительность кислородного конвертера за счет увеличения выхода жидкой стали и уменьшения времени продувки кислородом, повысить стойкость футеровки и снизить расход кислорода.
2. Пример конкретного выполнения способа получения стали из передельного чугуна.
2
3
2
3
2
В 160-тонный конвертер загружают брикеты, содержащие 1,5 т лома алюминия и лом черных металлов в общем количестве (40+22×1,5) т = 73 т, их которых 33 т - это дополнительное количество лома черных металлов за счет введения 1,5 т лома алюминия, заливают передельный чугун состава: 4,3% C, 0,45% Si, 0,31% Mn, железо-основа с температурой 1420°C в количестве 89, засыпают шлакообразующие материалы из расчета получения шлака эвтектического состава в системе CaO-MgO-AlO. Т.к. количество оксида алюминия AlO в шлаке будет составлять 1500 кг × 1,89=2835 кг, то, исходя из этого, загружают известь и доломит из расчета получения 2835 кг оксида кальция CaO и 362 кг оксида магния MgO в шлаке, после чего продувают кислородом 13 минут. Температура металла на повалке 1645°C, содержание оксида кремния SiO в шлаке менее 14%, выход жидкой стали 94,0%.
Применение предлагаемого способа получения стали из передельного чугуна в 160-тонном кислородном конвертере позволяет дополнительно использовать до 33 т лома черных металлов, повысить производительность кислородного конвертера за счет увеличения выхода жидкой стали и уменьшения времени продувки кислородом, повысить стойкость футеровки и снизить расход кислорода.