СПОСОБ ОБРАБОТКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В КОВШЕ
METHOD OF LOW-CARBON STEEL PROCESSING IN LADLE

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к процессам производства низкоуглеродистой низкокремнистой стали, содержащей после ее обработки углерод в пределах 0,01-0,09 мас.% и кремний в пределах 0,01-0,04 мас.%.
Наиболее близким по технической сущности является способ обработки стали в ковше, включающий подачу в ковш в процессе выпуска расплава из конвертера кремнийсодержащего материала, кремний-марганецсодержащего материала, карбонатного материала, подачу в ковш алюминиевой катанки, последующую внепечную обработку расплава в ковше. Кремнийсодержащий материал подают до наполнения 0,3 высоты рабочей полости ковша с расходом 0,1-2,0 кг/т выплавленного расплава, кремний-марганецсодержащий материал подают при наполнении ковша в пределах 0,5-0,95 высоты его рабочей полости в ковш с расходом 1,0-5,0 кг/т выплавленного расплава совместно с карбонатным материалом, расход которого устанавливают в пределах 0,5-4,0 кг/т выплавленного расплава, затем расплав в ковше продувают аргоном через погружную фурму с расходом 0,001-0,007 м/мин·т расплава и подают в ковш алюминий в виде катанки с расходом 0,5-3,0 кг/т расплава и марганецсодержащие материалы с расходом 0,01-3,0 кг/т расплава. В качестве кремнийсодержащего материала используют ферросилиций, в качестве кремний-марганецсодержащего материала используют ферросиликомарганец, в качестве карбонатного материала используют известняк (см. патент РФ №2206625 С1, С21C, 7/00, бюл. изобр. №17, 2003 г.).
Недостатком известного способа является недостаточное снижение окисленности обрабатываемой стали до уровня, позволяющего производить необходимое легирование стали алюминием при внепечной обработке расплава, а также получение повышенного содержания кремния, повышенный угар алюминия и марганца.
Это объясняется тем, что количество присаживаемого ферросиликомарганца ограничено марочными массовыми долями кремния и марганца в обрабатываемой стали. Подача в ковш кремнийсодержащего материала без учета окисленности, температуры и массовой доли углерода выпускаемого расплава не позволяет связать вводимый кремний кислородом, содержащимся в расплаве, поэтому на части плавок металл раскислен недостаточно или избыточно. При этом подача в ковш кремнийсодержащего материала до наполнения 0,3 высоты ковша не позволяет поддерживать окисленность расплава в ковше на необходимом уровне в условиях поступления в ковш нераскисленного расплава в процессе выпуска из конвертера. Кроме того, не происходит ассимиляция образующегося диоксида кремния в специально наведенный шлак по ходу выпуска расплава из конвертера в ковш.
Технический эффект при использовании изобретения заключается в обеспечении оптимального снижения окисленности стали до уровня, позволяющего получать заданное содержание кремния при одновременном снижении угара алюминия и марганца.
Указанный технический эффект достигают тем, что способ обработки низкоуглеродистой стали в ковше включает выпуск расплава из конвертера в ковш, подачу в ковш в процессе выпуска шлакообразующего материала, кремний-марганецсодержащего и кремнийсодержащего материала в качестве раскислителей, последующую внепечную обработку расплава в ковше. С началом выпуска металла до наполнения 0,3 высоты рабочей полости ковша подают шлакообразующий материал, при этом его расход устанавливают по следующей зависимости:
1
P=К·[O],
где P - расход шлакообразующего материала, кг/т расплава;
[О] - массовая доля активного кислорода в расплаве перед выпуском из конвертера, ppm;
1
К - эмпирический коэффициент, характеризующий физико-химические закономерности наведения шлака, образующегося в ковше в процессе выпуска расплава, равный 0,001÷0,005, кг/т·ppm, затем при наполнении ковша в пределах 0,31-0,60 высоты рабочей полости в ковш подают кремний-марганецсодержащий материал с расходом 0,5-5,0 кг/т выплавленного расплава, а при наполнении ковша в пределах 0,70-0,95 высоты его рабочей полости в ковш подают кремнийсодержащий материал, при этом его расход устанавливают по зависимости:
2
3
4
М=К·Ln([O])+К·(Т-А)-К·([С]-D)-В,
где М - расход кремнийсодержащего материала, кг/т расплава;
[О] - массовая доля активного кислорода в расплаве перед выпуском из конвертера, ppm;
Т - температура металла, ºС;
[С] - массовая доля углерода в металле, определяемая по зависимости:
(2,256-1303/T-Lg([O]))
[С]=10, %;
2
К - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность раскисления расплава, равный 0,8÷1,2, кг/т·ppm;
3
К - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность раскисления расплава, равный 0,001÷0,005, кг/т·ºС;
4
К - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность раскисления расплава, равный 1,0÷6,0, кг/т·%;
А - температура расплава стали, равная 1600÷1700ºС, при которой происходит ее интенсивное раскисление кремнием;
В - эмпирическая величина, характеризующая интенсивность раскисления расплава, равная 5,0÷7,0, кг/т расплава;
D - эмпирическая величина, характеризующая интенсивность раскисления расплава, равная 0,01÷0,06, %,
3
затем расплав в ковше продувают аргоном с расходом 0,0005÷0,01 м/мин·т расплава и подают в ковш алюминий с расходом 0,2÷2,0 кг/т расплава.
В качестве шлакообразующего материала используют известь или смесь извести и плавикового шпата при следующем соотношении в ней компонентов, мас.%: известь - 70÷90, плавиковый шпат - остальное. В качестве кремний-марганецсодержащего материала используют смесь ферросиликомарганца с содержанием марганца в пределах 50÷75 мас.% и кремния в пределах 10÷30 мас.% и ферромарганца с содержанием марганца в пределах 65÷98 мас.% и кремния в пределах 0,1÷8 мас.%. В качестве кремнийсодержащего материала используют ферросилиций с содержанием кремния в пределах 40÷75 мас.%.
Обеспечение оптимального снижения окисленности стали до уровня 0,010÷0,030 мас.% [О], позволявшего производить эффективное легирование стали алюминием при внепечной обработке, будет происходить вследствие взаимодействия вносимого марганца и кремния с кислородом расплава в процессе выпуска из конвертера.
Диапазон величины наполнения ковша расплавом до 0,3 высоты рабочей полости ковша в процессе подачи шлакообразующего материала объясняется физико-химическими закономерностями наведения шлака, образующегося в ковше в процессе выпуска расплава. При больших значениях будет увеличиваться время растворения шлакообразующего материала сверх допустимых значений.
1
Диапазон значений эмпирического коэффициента К изменяется в пределах 0,001÷0,005 кг/т·ppm и объясняется закономерностями наведения шлака, образующегося в ковше в процессе выпуска расплава. При меньших значениях расход шлакообразующего материала будет недостаточен. При больших значениях расход шлакообразующего материала будет избыточен.
Диапазон величины наполнения ковша расплавом свыше 0,31 до 0,60 высоты рабочей полости ковша в процессе подачи кремний-марганецсодержащего материала объясняется гидрокинетическими закономерностями перемешивания расплава в ковше, а также физико-химическими закономерностями окисления кремния. При меньших значениях будут ухудшаться условия окисления кремния и ассимиляции диоксида кремния после подачи в ковш шлакообразующего материала для наведения шлака. При больших значениях будет недостаточно времени для окисления вводимого кремния перед подачей в ковш кремнийсодержащего материала.
Диапазон значений расхода кремний-марганецсодержащего материала в пределах 0,5÷5,0 кг/т выплавленного расплава объясняется физико-химическими закономерностями окисления кремния и легирования марганцем. При меньших значениях не будет происходить необходимого взаимодействия вносимого марганца и кремния с кислородом расплава и легирования стали марганцем. При больших значениях не будет обеспечиваться необходимый химический состав обрабатываемой стали из-за избыточного количества введенного кремния и марганца.
Диапазон величины наполнения ковша расплавом свыше 0,70 до 0,95 высоты рабочей полости ковша в процессе подачи кремнийсодержащего материала объясняется физико-химическими закономерностями окисления кремния. При меньших значениях не будет обеспечиваться раздельная подача кремний-марганецсодержащего материала и кремнийсодержащего материала и не будет обеспечиваться необходимый химический состав обрабатываемой стали из-за избыточного усвоения кремния. При больших значениях будут ухудшаться кинетические условия окисления кремния и не будет обеспечиваться химический состав обрабатываемой стали.
2
Диапазон значений эмпирического коэффициента К изменяется в пределах 0,8÷1,2 кг/т·ppm и объясняется физико-химическими закономерностями раскисления стали. При меньших значениях интенсивность раскисления будет недостаточна. При больших значениях будет происходить избыточное усвоение кремния и не будет обеспечиваться необходимый химический состав.
3
Диапазон значений эмпирического коэффициента К изменяется в пределах 0,001÷0,005 кг/т·ºС и объясняется физико-химическими закономерностями раскисления стали. При меньших значениях интенсивность раскисления будет недостаточна. При больших значениях будет происходить избыточное усвоение кремния и не будет обеспечиваться необходимый химический состав.
4
Диапазон значений эмпирического коэффициента К изменяется в пределах 1,0÷6,0 кг/т·% и объясняется физико-химическими закономерностями раскисления стали. При меньших значениях будет происходить избыточное усвоение кремния и не будет обеспечиваться необходимый химический состав. При больших значениях интенсивность раскисления будет недостаточна.
Диапазон значений температуры расплава стали А изменяется в пределах 1600÷1700ºС и объясняется физико-химическими закономерностями раскисления стали. При меньших значениях будет происходить избыточное усвоение кремния и не будет обеспечиваться необходимый химический состав. При больших значениях интенсивность раскисления будет недостаточна.
Диапазон значений эмпирической величины В изменяется в пределах 5,0÷7,0 кг/т расплава и объясняется физико-химическими закономерностями раскисления стали. При меньших значениях будет происходить избыточное усвоение кремния и не будет обеспечиваться необходимый химический состав обрабатываемой стали. При больших значениях интенсивность раскисления недостаточна.
Диапазон значений эмпирической величины D изменяется в пределах 0,01÷0,06% и объясняется физико-химическими закономерностями раскисления стали. При меньших значениях интенсивность раскисления будет недостаточна. При больших значениях будет происходить избыточное усвоение кремния и не будет обеспечиваться необходимый химический состав.
3
Диапазон расхода аргона при внепечной обработке расплава в пределах 0,0005÷0,01 м/мин·т расплава объясняется гидродинамическими закономерностями перемешивания расплава в ковше. При меньших значениях не будет происходить необходимого усреднения расплава в ковше по химическому составу и температуре. При больших значениях будут происходить выплески расплава из ковша, угар и переохлаждение расплава.
Диапазон значений расхода алюминиевой катанки при внепечной обработке расплава в пределах 0,2-2,0 кг/т расплава объясняется физико-химическими закономерностями легирования стали алюминием. При меньших значениях не будет обеспечиваться необходимое легирование обрабатываемой стали. При больших значениях будет происходить перерасход алюминиевой катанки, а также не будет обеспечиваться необходимый химический состав обрабатываемой стали.
Диапазон значений расхода кремний-марганецсодержащего материала при внепечной обработке расплава в пределах 0,1-2,0 кг/т расплава объясняется физико-химическими закономерностями легирования стали марганцем. При меньших значениях не будет происходить необходимого легирования обрабатываемой стали марганцем. При больших значениях не будет обеспечиваться необходимый химический состав обрабатываемой стали из-за избыточного количества введенного марганца.
Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".
Ниже дан вариант осуществления изобретения, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.
Способ обработки низкоуглеродистой стали в ковше осуществляют следующим образом.
Пример. В конвертере выплавляют расплав следующего химического состава, мас.%: С=0,01-0,09; Si<0,01; Mn=0,02-0,10; S-0,01-0,03; Р-0,002-0,015.
Из выплавленного расплава производят сталь марки 08Ю следующего химического состава, мас.%: С=0,02-0,09; Si=0,01-0,04; Mn=0,15-0,45; Al=0,02-0,06; S=0,01-0,03; P=0,006-0,030.
Выплавленный расплав с температурой 1680°С и окисленностью 900 ppm выпускают из конвертера в сталеразливочный ковш соответствующей емкости. В процессе выпуска в ковш подают раскислители, легирующие и шлакообразующие материалы. После выпуска расплав в ковше подвергают внепечной обработке.
В начале выпуска металла до наполнения 0,3 высоты рабочей полости ковша подают шлакообразующий материал, при этом его расход устанавливают по зависимости:
1
P=К·[О],
где P - расход шлакообразующего материала, кг/т расплава;
[О] - массовая доля активного кислорода в расплаве перед выпуском из конвертера, ppm;
1
К - эмпирический коэффициент, характеризующий физико-химические закономерности наведения шлака, образующегося в ковше в процессе выпуска расплава, равный 0,001÷0,005, кг/т·ppm, затем при наполнении ковша в пределах 0,31÷0,60 высоты его рабочей полости в ковш подают кремний-марганецсодержащий материал с расходом 0,5÷5,0 кг/т, а при наполнении ковша в пределах 0,70÷0,95 высоты его рабочей полости в ковш подают кремнийсодержащий материал, при этом его расход устанавливают по зависимости:
2
3
4
М=К·Ln([O])+К·(Т-А)-К·([С]-D)-В,
где М - расход кремнийсодержащего материала, кг/т расплава;
[О] - массовая доля активного кислорода в расплаве перед выпуском из конвертера, ppm;
Т - температура металла, ºС;
[С] - массовая доля углерода в металле, определяемая по зависимости:
(2,256-1303/T-Lg([O]))
[С]=10, %;
2
К - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность раскисления расплава, равный 0,8÷1,2, кг/т·ppm;
3
К - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность раскисления расплава, равный 0,001÷0,005, кг/т·ºС;
4
К - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность раскисления расплава, равный 1,0÷6,0, кг/т·%;
А - температура расплава стали, равная 1600÷1700ºС, при которой происходит ее интенсивное раскисление кремнием;
В - эмпирическая величина, характеризующая интенсивность раскисления расплава, равная 5,0÷7,0, кг/т расплава;
D - эмпирическая величина, характеризующая интенсивность раскисления расплава, равная 0,01÷0,06, %,
3
в процессе последующей внепечной обработки расплав в ковше продувают аргоном с расходом 0,0005÷0,01 м/мин·т и вводят алюминий в виде катанки с расходом 0,2÷2,0 кг/т расплава.
При этом происходит раскисление расплава. В результате разброс по массовой доле активного кислорода в расплаве снизится с 0,02÷0,05% (как в прототипе) до 0,01÷0,030%, что приводит к снижению угара алюминия и марганца.
В таблице приведены примеры осуществления способа обработки низкоуглеродистой стали в ковше с различными технологическими параметрами.
В 1-ом и 5-ом примерах не обеспечивается необходимая окисленность обработанной стали при одновременном повышении угара алюминия и марганца вследствие несоблюдения необходимых технологических параметров.
В оптимальных примерах 2-4 вследствие соблюдения необходимых технологических параметров достигается необходимая окисленность обработанной стали и уменьшение угара алюминия и марганца.
Таблица
Параметры
Примеры
1
2
3
4
5
1. Емкость ковша, т
150
150
250
350
350
2. Высота рабочей полости ковша, м
4
4
4,5
5
5
3. Максимальная высота наполнения ковша при подаче шлакообразующего материала, м
4,0×0,3=1,2
4,0×0,3=1,2
4,5×0,3=1,35
5,0×0,3=1,5
5,0×0,3=1,5
4. Величина К<sub>1</sub>, кг/т·ppm
0,0005
0,001
0,003
0,005
0,006
5. Массовая доля активного кислорода в расплаве перед выпуском из конвертера, ppm
1000
1000
1000
1000
1000
6. Расход шлакообразующего материала, кг/т
0,5
1
3
5
6
7. Максимальная высота наполнения ковша при подаче кремний-марганецсодержащего материала, м
4,0×0,6=2,4
4,0×0,6=2,4
4,5×0,6=2,7
5,0×0,6=3,0
5,0×0,6=3,0
8. Расход кремний-марганецсодержащего материала, кг/т
0,2
0,5
2,5
5
6
9. Температура расплава, ºС
1680
1680
1680
1680
1680
10. Максимальная высота наполнения ковша при подаче кремнийсодержащего материала, м
4,0×0,95=3,8
4,0×0,95=3,8
4,5×0,95=4,28
5,0×0,95=4,75
5,0×0,95=4,75
11. Величина К<sub>2</sub>, кг/т·ppm
0,5
0,8
1
1,2
1,4
12. Величина К<sub>3</sub>, кг/т·ºС
0,0005
0,001
0,003
0,005
0,009
13. Величина К<sub>4</sub>, кг/т·%
0,5
1
3,5
6
7
14. Температура расплава стали А, ºС
1550
1600
1650
1700
1750
15. Величина В, кг/т
3
5
6
7
8
16. Величина D, %
0,005
0,01
0,03
0,05
0,08
17. Массовая доля углерода в металле, %
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
18. Расход кремнийсодержащего материала, кг/т
0,51
0,59
1,00
1,31
1,39
19. Массовая доля активного кислорода в обработанном расплаве, ppm
400
300
200
100
50
20. Угар алюминия, мас.%
80
62
53
46
34
21. Угар марганца, мас.%
35
18
10
16
34
22. Массовая доля кремния в обработанном расплаве, мас.%
0,005
0,010
0,018
0,024
0,050