СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОЙ СТАЛИ В ОБОРУДОВАНИИ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ДЕГАЗАЦИИ
REFINING METHOD OF MOLTEN STEEL IN EQUIPMENT FOR VACUUM DEGASSING

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу рафинирования расплавленной стали для выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали, низкосернистой стали, ультранизкосернистой стали или тому подобной путём вбрасывания (вдувания) порошков, таких как марганцевая руда и обессеривающий реагент на основе CaO, на поверхность расплавленной стали в ванне в оборудовании для вакуумной дегазации из верхней фурмы для вдувания при одновременном нагревании порошков пламенем, образующимся на ведущем конце верхней фурмы для вдувания.
Уровень техники
В последние годы железо-стальные материалы нашли использование в разнообразных областях применения и стали часто использоваться в более жёстких условиях окружающей среды, чем когда-либо. В связи с указанным фактом требования к свойствам, таким как механические характеристики стальных продуктов, также стали более жёсткими, чем прежде. При данных обстоятельствах в целях повышения прочности конструктивных объектов, а также уменьшения их массы и стоимости была разработана низкоуглеродистая высокомарганцевая сталь, которая обладает высокой прочностью и высокой обрабатываемостью. Низкоуглеродистую высокомарганцевую сталь широко используют в различных областях, как например, в производстве стальных листов для магистральных труб и стальных листов для автомобилей. Здесь термин «низкоуглеродистая высокомарганцевая сталь» относится к стали, имеющей концентрацию углерода 0,05 масс.% или меньше и концентрацию марганца 0,5 масс.% или больше.
Дешёвые источники марганца включают в себя марганцевую руду или высокоуглеродистый ферромарганец, или тому подобные, которые используют в процессе производства стали для регулирования концентрации марганца в расплавленной стали. Выплавка низкоуглеродистой высокомарганцевой стали включает в себя вбрасывание марганцевой руды как источника марганца в конвертер; или добавление высокоуглеродистого ферромарганца как источника марганца в расплавленную сталь, выпускаемую из конвертера, в ходе обезуглероживающего рафинирования горячего металла в конвертере. Таким образом, выплавка повышает концентрацию марганца в расплавленной стали до заданной концентрации при одновременном сокращении расходов в связи с источником марганца (смотрите, например, Патентный документ 1).
Однако в случае использования указанных дешёвых источников марганца восстановление марганцевой руды приводит к невозможности снижения в достаточной степени концентрации углерода в расплавленной стали путём обезуглероживающего рафинирования в конвертере, или углерод, присутствующий в высокоуглеродистом ферромарганце, обусловливает повышение концентрации углерода в выпущенной расплавленной стали. Таким образом, если существует риск, что концентрация углерода в расплавленной стали превысит предел, допустимый для низкоуглеродистой высокомарганцевой стали, выпущенную расплавленную сталь необходимо дополнительно обезуглероживать (рафинировать).
В качестве известного способа эффективного удаления углерода из расплавленной стали, выпускаемой из конвертера, имеется один из способов обезуглероживания, который включает в себя воздействие условий вакуума на расплавленную сталь в нераскисленном состоянии с использованием оборудования для вакуумной дегазации, такого как устройство для RH вакуумной дегазации; и обезуглероживание стали в результате реакции между растворённым кислородом, содержащимся в расплавленной стали (кислород, растворённый в расплавленной стали), и углеродом расплавленной стали. Альтернативный способ обезуглероживания включает в себя вдувание источника кислорода, такого как газообразный кислород, в расплавленную сталь в вакууме с тем, чтобы окислять углерод в расплавленной стали источником кислорода, подаваемым таким образом.
Указанные способы обезуглероживания в вакууме называются «вакуумным обезуглероживающим рафинированием», в отличие от конвертерного обезуглероживающего рафинирования, которое имеет место при атмосферном давлении. Для удаления углерода, проистекающего из дешёвого источника марганца, при помощи вакуумного обезуглероживающего рафинирования, например, в Патентном документе 2 предлагается способ, в котором высокоуглеродистый ферромарганец добавляют в расплавленную сталь на начальной стадии вакуумного обезуглероживающего рафинирования в оборудовании для вакуумной дегазации. Кроме того, в Патентном документе 3 предлагается способ, в котором высокоуглеродистый ферромарганец добавляют в ходе выплавки ультранизкоуглеродистой стали в оборудовании для вакуумной дегазации, причём добавление имеет место в тот момент, когда проходит 20% периода времени вакуумного обезуглероживающего рафинирования. Однако при вакуумном обезуглероживающем рафинировании расплавленной стали, содержащей большое количество марганца, кислород реагирует в расплавленной стали не только с углеродом, но и с марганцем, содержащимся в расплавленной стали, с тем результатом, что добавляемый марганец теряется в результате окисления и выход марганца снижается. Кроме того, данная реакция делает трудным регулирование содержания марганца в расплавленной стали с хорошей точностью.
Касательно источника кислорода и подхода для улучшения реакции обезуглероживания при вакуумном обезуглероживающем рафинировании, например, в Патентном документе 4 предлагается способ, в котором твёрдый кислородсодержащий материал, такой как прокатная окалина, добавляют в вакуумный сосуд для создания возможности предпочтительного протекания реакции обезуглероживания при одновременном подавлении окисления марганца. В Патентном документе 5 предлагается способ, в котором расплавленную сталь рафинируют посредством вакуумного обезуглероживания таким образом, что конвертерное вдувание заканчивается при контролируемой концентрации углерода в расплавленной стали и при контролируемой температуре расплавленной стали, а марганцевую руду добавляют к такой расплавленной стали в устройство для вакуумной дегазации.
В Патентных документах 6 и 7 предлагаются способы, в которых расплавленную сталь, выпускаемую из конвертера, рафинируют посредством вакуумного обезуглероживания при помощи устройства для RH вакуумной дегазации таким образом, что порошок MnO или порошок марганцевой руды подают сверху вместе с газом-носителем в направлении поверхности расплавленной стали в вакуумном сосуде. В Патентном документе 8 предлагается способ вакуумного обезуглероживающего рафинирования, в котором порошок марганцевой руды вдувают в расплавленную сталь в вакуумном сосуде устройства для RH вакуумной дегазации вместе газом-носителем через сопла, расположенные на боковой стенке вакуумного сосуда, для обезуглероживания расплавленной стали кислородом, содержащимся в марганцевой руде, а также для повышения концентрации марганца в расплавленной стали.
Между тем, повысились требования к улучшенным характеристикам материалов в связи с увеличением добавленных стоимостей и расширением областей применения материалов из железа и стали. Один из подходов для удовлетворения таких требований заключается в повышении чистоты стали, конкретно, для обессеривания расплавленной стали до достижения ультранизкого уровня.
При выплавке низкосернистой стали, как правило, обессеривание выполняется на стадии горячего металла, где реакция обессеривания достигает высокой эффективности. Однако, в случае обессеривания только на стадии горячего металла трудно достигать достаточного снижения концентрации серы до желаемого содержания 0,0024 масс.% или меньше для низкосернистой стали или 0,0010 масс.% или меньше для ультранизкосернистой стали. Таким образом, получение низкосернистой стали с содержанием серы 0,0024 масс.% или меньше или ультранизкосернистой стали с содержанием серы 0,0010 масс.% или меньше включает в себя обессеривание не только на стадии горячего металла, но и после выпуска расплавленной стали из конвертера.
Для обессеривания расплавленной стали, выпускаемой из конвертера, к настоящему моменту предложены многочисленные способы, при этом примеры включают в себя впрыскивание реагента для обессеривания в расплавленную сталь, находящуюся в ковше, и добавление реагента для обессеривания в расплавленную сталь, находящуюся в ковше, с последующим перемешиванием расплавленной стали и реагента для обессеривания. Однако в указанных способах добавляется новая стадия (стадия обессеривания) между выпусканием стали из конвертера и обработкой в оборудовании для вакуумной дегазации, и таким образом обусловливается возникновение проблем, таких как падение температуры расплавленной стали, увеличение затрат на производство и снижение производительности.
Для решения указанных проблем были предприняты попытки, в рамках которых функция обессеривания включалась в оборудование для вакуумной дегазации с целью совместного проведения и упрощения вторичных стадий рафинирования. Например, в Патентном документе 9 предлагается способ обессеривания расплавленной стали с использованием оборудования для вакуумной дегазации, в котором расплавленную сталь вводят в вакуумный сосуд устройства для RH вакуумной дегазации, снабжённый верхней фурмой для вдувания, а реагент для обессеривания на основе CaO вбрасывают (вдувают) вместе с газом-носителем из верхней фурмы для вдувания на поверхность стали в ванне с целью обессеривания расплавленной стали.
Однако, когда оксидный порошок, такой как марганцевая руда, предназначенный для выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали, или обессеривающий реагент на основе CaO, предназначенный для обессеривания, вбрасывают из верхней фурмы для вдувания в ходе рафинирования в оборудовании для вакуумной дегазации, температура расплавленной стали понижается за счёт явной и скрытой теплоты вбрасываемого оксидного порошка, или за счёт теплоты разложения, требуемой для термического разложения. Подобное падение температуры расплавленной стали компенсируется применением такого подхода, как предварительное повышение температуры расплавленной стали на стадии, осуществляемой выше по ходу потока от обработки в оборудовании для вакуумной дегазации, или добавление металлического алюминия к расплавленной стали в продолжение рафинирования в оборудовании для вакуумной дегазации с целью использования теплоты сгорания алюминия для повышения температуры расплавленной стали. Однако подход, который включает в себя повышение температуры расплавленной стали на стадии, предшествующей обработке в оборудовании для вакуумной дегазации, сопряжён со значительным износом и разрушением огнеупорных материалов на предыдущей стадии и приводит к увеличению стоимости. Подход, заключающийся в повышении температуры при добавлении металлического алюминия в оборудовании для вакуумной дегазации, обладает недостатками, например, в том отношении, что ухудшается чистота расплавленной стали вследствие образования оксида алюминия, и повышается стоимость вспомогательных материалов.
Предложены способы, которые включают в себя вбрасывание порошка оксида при одновременном подавлении падения температуры расплавленной стали. Например, в Патентном документе 10 предлагается способ, в котором порошок оксида, такого как марганцевая руда, вбрасывают на поверхность расплавленной стали в ванне при одновременном нагревании пламенем горелки, размещённой на ведущем конце верхней фурмы для вдувания. Далее, в Патентных документах 11 и 12 предложены способы, в которых расплавленную сталь обессеривают при помощи обессеривающего реагента на основе CaO, вбрасываемого из верхней фурмы для вдувания таким образом, что газообразный кислород и горючий газ вместе подаются струёй из верхней фурмы для вдувания так, чтобы образовывать пламя на ведущем конце верхней фурмы для вдувания, а обессеривающий реагент на основе CaO, после нагревания и расплавления под действием пламени, доставляется на поверхность расплавленной стали в ванне.
Указанные выше способы рафинирования имеют своей целью повышение скорости реакции и увеличение температуры расплавленной стали за счёт нагревания порошков, таких как марганцевая руда и обессеривающий реагент на основе CaO, пламенем, образующимся на ведущем конце верхней фурмы для вдувания в оборудовании для вакуумной дегазации, при этом нагретые порошки доставляются таким образом в расплавленную сталь. В данном типе способа рафинирования динамическое давление струйного потока, выбрасываемого из верхней фурмы для вдувания, влияет не только на выплавку марганцевой руды и эффективность обессеривания обессеривающим реагентом на основе CaO, но и на эффективность теплопередачи посредством порошков. То есть, если струйный поток выталкивается из верхней фурмы для вдувания без надлежащего регулирования его динамического давления, воздействие пламени не может быть использовано в достаточной степени. Однако в традиционных способах, включая и те, что описаны в Патентных документах 10, 11 и 12, не указано динамическое давление, при котором струйный поток должен выталкиваться из верхней фурмы для вдувания.
Список цитированной литературы
Патентные документы:
Патентный документ 1: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 4-88114.
Патентный документ 2: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 2-47215.
Патентный документ 3: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 1-301815.
Патентный документ 4: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 58-73715.
Патентный документ 5: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 63-293109.
Патентный документ 6: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 5-239534.
Патентный документ 7: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 5-239526.
Патентный документ 8: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент №1-92312.
Патентный документ 9: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 5-311231.
Патентный документ 10: Японский патент № 5382275.
Патентный документ 11: Японский патент № 2972493.
Патентный документ 12: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 2012-172213.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема
Настоящее изобретение выполнено в свете обстоятельств, обсуждённых выше. С учётом вышесказанного, цель настоящего изобретения заключается в разработке способа рафинирования расплавленной стали в оборудовании для вакуумной дегазации, в котором порошки, такие как марганцевая руда и обессеривающий реагент на основе CaO, нагревают пламенем, образующимся на ведущем конце верхней фурмы для вдувания, в оборудовании для вакуумной дегазации и вбрасывают таким образом из верхней фурмы для вдувания на поверхность расплавленной стали в ванне, так что повышается не только выход при добавлении порошков, таких как марганцевая руда и обессеривающий реагент на основе CaO, но и эффективность теплопередачи посредством порошков.
Решение проблемы
Для достижения указанной выше цели авторы настоящего изобретения выполнили обширные исследования, в которых внимание сосредоточено на температуре расплавленной стали, ингредиентах, содержащихся в расплавленной стали, и изменении концентрации отходящей пыли.
В результате авторы настоящего изобретения обнаружили, что вышеупомянутая цель может достигаться путём оптимизации условий, в которых марганцевую руду вбрасывают в расплавленную сталь. В частности, авторы настоящего изобретения обнаружили, что можно вбрасывать марганцевую руду с высоким расходом, без понижения температуры расплавленной стали за счёт установки верхней фурмы для вдувания на заданной высоте и регулирования динамического давления P струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания в надлежащем диапазоне, при этом динамическое давление рассчитывают исходя из плотности струйного потока, выталкиваемого из верхней фурмы для вдувания, и скорости струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания.
Далее авторы настоящего изобретения подтвердили, что можно эффективно осуществлять обессеривание без понижения температуры расплавленной стали путём вбрасывания обессеривающего реагента на основе CaO, аналогично вбрасыванию марганцевой руды, при одновременном размещении верхней фурмы для вдувания на заданной высоте и регулировании в надлежащем диапазоне динамического давления P струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания, вычисляемого, как описано выше.
Настоящее изобретение осуществлено на основе найденных вышеупомянутых результатов. Сущность настоящего изобретения представляет собой описанную ниже.
[1] Способ рафинирования расплавленной стали в оборудовании для вакуумной дегазации, включающий в себя следующие стадии:
вбрасывают порошок вместе с газом-носителем в направлении поверхности расплавленной стали в ванне в вакуумном сосуде оборудования для вакуумной дегазации через центральное отверстие, расположенное в центральной части верхней фурмы для вдувания, способной перемещаться вертикально в вакуумном сосуде; и
подают углеводородный газ из отверстия для выталкивания топлива, расположенного на окружности центрального отверстия, и подают кислородсодержащий газ из отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа, расположенного на окружности так, что порошок падает на расплавленную сталь при одновременном нагревании пламенем, образующимся при сгорании углеводородного газа на ведущем конце верхней фурмы для вдувания;
причём высота расположения верхней фурмы для вдувания составляет от 1,0 до 7,0 м, при этом высота расположения фурмы представляет собой расстояние между неподвижной поверхностью в ванне и ведущим концом в продолжение вбрасывания порошка,
динамическое давление P струйного потока, выталкиваемого из верхней фурмы для вдувания, которое рассчитывают по уравнениям (1) - (5), приведённым ниже, составляет 20,0 кПа или больше и 100,0 кПа или меньше,
P = ρ<sub>g</sub> × U<sup>2</sup>/2
(1)
ρ<sub>g</sub> = ρ<sub>A</sub> × F<sub>A</sub>/F<sub>T</sub> + ρ<sub>B</sub> × F<sub>B</sub>/F<sub>T</sub> + ρ<sub>C</sub> × F<sub>C</sub>/F<sub>T</sub> + V<sub>P</sub>/(F<sub>T</sub>/60)
(2)
U = (F<sub>T</sub>/S<sub>T</sub>) × (1/3600)
(3)
S<sub>T</sub> = S<sub>A</sub> + S<sub>B</sub> + S<sub>C</sub>
(4)
F<sub>T</sub> = F<sub>A</sub> + F<sub>B</sub> + F<sub>C</sub>
(5)
g
A
B
C
P
T
A
B
C
T
A
B
C
3
3
3
3
2
2
2
2
3
3
3
3
где P в уравнениях (1) - (5) представляет собой динамическое давление (кПа) струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания, ρ является плотностью (кг/Нм) струйного потока, ρ является плотностью (кг/Нм) газа-носителя, ρ является плотностью (кг/Нм) кислородсодержащего газа, ρ является плотностью (кг/Нм) углеводородного газа, V представляет собой скорость (кг/мин) подачи порошка, U является скоростью (м/с) струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания, Sпредставляет собой сумму площадей (м) сечения центрального отверстия, отверстия для выталкивания топлива и отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой площадь (м) сечения центрального отверстия на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой площадь (м) сечения отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой площадь (м) сечения отверстия для выталкивания топлива на выходе из верхней фурмы для вдувания, F представляет собой сумму скоростей (Нм/ч) потоков газа-носителя, кислородсодержащего газа и углеводородного газа, F является скоростью (Нм/ч) потока газа-носителя, F является скоростью (Нм/ч) потока кислородсодержащего газа, а F является скоростью (Нм/ч) потока углеводородного газа.
[2] Способ, описанный в [1], в котором порошок представляет собой один, или два, или больше материалов, выбранных из марганцевых руд, марганцевых ферросплавов и обессеривающих реагентов на основе CaO.
[3] Способ, описанный в [1] или [2], в котором уровень вакуума в вакуумном сосуде в продолжение вбрасывания порошка составляет от 2,7 до 13,3 кПа.
Положительные эффекты изобретения
Поскольку в настоящем изобретении регулируют высоту верхней фурмы для вдувания и динамическое давление P струйного потока, выталкиваемого из верхней фурмы для вдувания, в надлежащих диапазонах, порошок можно добавлять к расплавленной стали с высоким выходом. Следовательно, реакция рафинирования активируется. Далее, вследствие того, что порошок можно добавлять к расплавленной стали с высоким выходом, можно достигать высокой эффективности теплопередачи. Таким образом, низкоуглеродистую высокомарганцевую сталь или ультранизкосернистую сталь можно выплавлять с высокой производительностью и низкой стоимостью.
Краткое описание чертежа
На фигуре представлено схематическое вертикальное сечение приведённого в качестве примера устройства для RH вакуумной дегазации, используемого при воплощении настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Далее в настоящем документе способ рафинирования расплавленной стали согласно настоящему изобретению будет описан подробно. Оборудование для вакуумной дегазации, применимое в способе рафинирования расплавленной стали данного изобретения, включает в себя устройство для RH вакуумной дегазации, устройство для DH вакуумной дегазации, печь VAD и печь VOD. Наиболее типичное оборудование представляет собой устройство для RH вакуумной дегазации. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны на примере рафинирования расплавленной стали способом данного изобретения с использованием устройства для RH вакуумной дегазации.
Фигура представляет собой схематическое вертикальное сечение приведённого в качестве примера устройства для RH вакуумной дегазации, используемого при воплощении способа рафинирования расплавленной стали настоящего изобретения. На фигуре, позиция номер 1 представляет устройство для RH вакуумной дегазации, 2 - ковш, 3 - расплавленную сталь, 4 - шлак, 5 - вакуумный сосуд, 6 - верхний сосуд, 7 - нижний сосуд, 8 - восходящую погружную трубу, 9 – нисходящую погружную трубу, 10 – трубу для вдувания циркуляционного газа, 11 – газоход, 12 – загрузочный патрубок и 13 - верхнюю фурму для вдувания. Вакуумный сосуд 5 состоит из верхнего сосуда 6 и нижнего сосуда 7. Верхняя фурма 13 для вдувания способна перемещаться вертикально внутри вакуумного сосуда 5.
Устройство 1 для RH вакуумной дегазации поднимает ковш 2 подъёмником (не показан) так, что восходящая погружная труба 8 и нисходящая погружная труба 9 погружаются в расплавленную сталь 3, находящуюся в ковше. Затем циркуляционный газ вдувают по трубе 10 для вдувания циркуляционного газа в восходящую погружную трубу 8, и откачивают внутреннюю часть вакуумного сосуда 5 при помощи оборудования для откачки (не показано), соединённого с газоходом 11, с целью понижения давления внутри вакуумного сосуда 5. По завершении откачки внутренней части вакуумного сосуда 5 расплавленная сталь 3, находящаяся в ковше, поднимается по восходящей погружной трубе 8 вместе с циркуляционным газом вследствие газлифтного эффекта циркуляционного газа, нагнетаемого из трубы 10 для вдувания циркуляционного газа, и поступает внутрь вакуумного сосуда 5, а затем вытекает обратно или возвращается в ковш 2 по нисходящей погружной трубе 9. Таким образом, осуществляется рафинирование с использованием RH вакуумной дегазации.
Хотя это не показано, верхняя фурма 13 для вдувания представляет собой многотрубную конструкцию, которая имеет независимые каналы для потоков, включая канал для потока порошка, по которому подают порошок, такой как марганцевая руда, марганцевый ферросплав или обессеривающий реагент на основе CaO, вместе с газом-носителем; канал для потока топлива, по которому подают углеводородный газ; канал для потока кислородсодержащего газа, по которому подают кислородсодержащий газ для сжигания углеводородного газа, и каналы для подачи и отвода, по которым подают и отводят охлаждающую воду для охлаждения верхней фурмы 13 для вдувания. Канал для потока порошка непрерывно простирается до центрального отверстия, расположенного в центральной части ведущего конца верхней фурмы 13 для вдувания. Канал для потока топлива непрерывно простирается до отверстия для выталкивания топлива, расположенного на окружности центрального отверстия. Канал для потока кислородсодержащего газа непрерывно простирается до отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа, расположенного на окружности центрального отверстия. Каналы для подачи и отвода охлаждающей воды соединены друг с другом на ведущем конце верхней фурмы 13 для вдувания и, таким образом, выполнены с возможностью принудительного возврата охлаждающей воды на ведущем конце верхней фурмы 13 для вдувания.
Отверстие для выталкивания топлива и отверстие для выталкивания кислородсодержащего газа выполнены так, что струи из соответственных отверстий будут соединяться вместе. Таким образом, углеводородный газ, извергаемый через отверстие для выталкивания топлива, сжигается при помощи кислородсодержащего газа (газообразного кислорода (чистого промышленного газообразного кислорода), обогащённого кислородом воздуха, воздуха или тому подобного), извергаемого через отверстие для выталкивания кислородсодержащего газа, с образованием пламени горелки ниже ведущего конца верхней фурмы 13 для вдувания. В данном случае запальная горелка может располагаться на ведущем конце верхней фурмы 13 для вдувания с целью содействия зажиганию.
Верхняя фурма 13 для вдувания соединена с бункером (не показан), в котором хранится порошок, такой как марганцевая руда, марганцевый ферросплав или обессеривающий реагент на основе CaO, и порошок подаётся вместе с газом-носителем в верхнюю фурму 13 для вдувания и выталкивается из центрального отверстия на ведущем конце верхней фурмы 13 для вдувания. Газ-носитель для порошка обычно представляет собой инертный газ, такой как газообразный аргон или газообразный азот. При осуществлении вакуумного обезуглероживающего рафинирования расплавленной стали 3, как это имеет место в случае выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали, в качестве газа-носителя можно использовать кислородсодержащий газ. Излишне напоминать, что фурма выполнена с возможностью приостановки извержения порошка и выталкивания инертного газа или кислородсодержащего газа по отдельности.
Верхняя фурма 13 для вдувания соединена также с трубой для подачи топлива (не показана) и трубой для подачи кислородсодержащего газа (не показана). Углеводородный газ, такой как газообразный пропан или природный газ, подают в верхнюю фурму 13 для вдувания по трубе для подачи топлива, а кислородсодержащий газ для сжигания углеводородного газа подают в верхнюю фурму 13 для вдувания по трубе для подачи кислородсодержащего газа. Как упомянуто выше, верхняя фурма 13 для вдувания выполнена так, что углеводородный газ и кислородсодержащий газ извергаются, соответственно, из отверстия для выталкивания топлива и отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа, расположенных на ведущем конце фурмы.
Например, канал для потока топлива и канал для потока кислородсодержащего газа в верхней фурме 13 для вдувания могут представлять собой двойную трубу, в которой внутренняя труба является каналом для потока углеводородного газа, а внешняя труба является каналом для потока кислородсодержащего газа с целью сжигания углеводородного газа (множество таких двойных труб размещено по окружности центрального отверстия). В качестве альтернативы, канал для потока углеводородного газа может быть сконструирован из отдельной трубы, размещённой вне пределов канала для потока порошка, а канал для потока кислородсодержащего газа может быть сконструирован из отдельной трубы, размещённой дальше снаружи.
При использовании устройства 1 для RH вакуумной дегазации, выполненного, как описано выше, порошок выталкивается из верхней фурмы 13 для вдувания при нагревании пламенем, образующимся при сгорании углеводородного газа ниже ведущего конца верхней фурмы 13 для вдувания, и вбрасывается (вдувается) в направлении поверхности находящейся в ванне расплавленной стали 3, циркулирующей в вакуумном сосуде 5. В данном способе высота расположения верхней фурмы 13 для вдувания (расстояние между неподвижной поверхностью расплавленной стали в ванне и ведущим концом фурмы) в ходе вбрасывания порошка регулируется на уровне от 1,0 до 7,0 м, а динамическое давление P струйного потока, выталкиваемого из верхней фурмы 13 для вдувания, регулируется на уровне от 20,0 кПа или больше и 100,0 кПа или меньше, при этом динамическое давление рассчитывают по уравнениям (1) - (5), приведённым ниже:
P = ρ<sub>g</sub> × U<sup>2</sup>/2
(1)
ρ<sub>g</sub> = ρ<sub>A</sub> × F<sub>A</sub>/F<sub>T</sub> + ρ<sub>B</sub> × F<sub>B</sub>/F<sub>T</sub> + ρ<sub>C</sub> × F<sub>C</sub>/F<sub>T</sub> + V<sub>P</sub>/(F<sub>T</sub>/60)
(2)
U = (F<sub>T</sub>/S<sub>T</sub>) × (1/3600)
(3)
S<sub>T</sub> = S<sub>A</sub> + S<sub>B</sub> + S<sub>C</sub>
(4)
F<sub>T</sub> = F<sub>A</sub> + F<sub>B</sub> + F<sub>C</sub>
(5)
g
A
B
C
P
T
A
B
C
T
A
B
C
3
3
3
3
2
2
2
2
3
3
3
3
В уравнениях (1) - (5) P представляет собой динамическое давление (кПа) струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания, ρ является плотностью (кг/Нм) струйного потока, ρ является плотностью (кг/Нм) газа-носителя, ρ является плотностью (кг/Нм) кислородсодержащего газа, ρ является плотностью (кг/Нм) углеводородного газа, V представляет собой скорость (кг/мин) подачи порошка, U является скоростью (м/с) струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой сумму площадей (м) сечения центрального отверстия, отверстия для выталкивания топлива и отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой площадь (м) сечения центрального отверстия на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой площадь (м) сечения отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа на выходе из верхней фурмы для вдувания, S представляет собой площадь (м) сечения отверстия для выталкивания топлива на выходе из верхней фурмы для вдувания, F представляет собой сумму скоростей (Нм/ч) потоков газа-носителя, кислородсодержащего газа и углеводородного газа, F является скоростью (Нм/ч) потока газа-носителя, Fявляется скоростью (Нм/ч) потока кислородсодержащего газа и F является скоростью (Нм/ч) потока углеводородного газа.
«Струйный поток, выталкиваемый из верхней фурмы 13 для вдувания» представляет собой сборный поток из вбрасываемого порошка, газа-носителя для порошка, углеводородного газа и кислородсодержащего газа для сжигания углеводородного газа, при этом всё рассматривается как единый струйный поток. «Неподвижная поверхность расплавленной стали в ванне» представляет собой поверхность расплавленной стали, которая подвергается воздействию условий вакуума и которая является ровной в отсутствие какого-либо газа, такого как газообразный кислород, вдуваемого в неё. Конкретно, в случае устройства 1 для RH вакуумной дегазации, неподвижная поверхность расплавленной стали в ванне представляет собой поверхность расплавленной стали 3, циркулирующей в вакуумном сосуде 5.
Если уровень вакуума внутри вакуумного сосуда 5 является слишком высоким, большее количество порошка уносится из вакуумного сосуда 5 вместе с отходящим газом, который отводят в газоход 11. Для предотвращения этого предпочтительно, чтобы в случае, если имеет место вбрасывание порошка, уровень вакуума внутри вакуумного сосуда 5 составлял от 2,7 до 13,3 кПа.
Далее в настоящем документе будут описаны приведённые в качестве примеров варианты применения способа рафинирования расплавленной стали настоящего изобретения для выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали, низкосернистой стали и ультранизкосернистой стали. Прежде всего, будет описан способ выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали.
Горячий металл, выпускаемый из доменной печи, выливают в ёмкость для выдержки или ёмкость для транспортировки, такую как ковш для заливки горячего металла или чугуновоз, и перемещают в конвертер, где горячий металл подвергают рафинированию способом обезуглероживания. В ходе указанной транспортировки горячий металл обычно подвергают предварительной обработке такими способами, как обессеривание и дефосфоризация. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предпочтительно, чтобы горячий металл подвергался предварительной обработке, в частности, дефосфоризации, даже в случае, если горячий металл не требует никакой предварительной обработки с точки зрения стандартов на ингредиенты для низкоуглеродистой высокомарганцевой стали. Причина этого заключается в том, что выплавка низкоуглеродистой высокомарганцевой стали включает в себя добавление марганцевой руды в качестве дешёвого источника марганца при обезуглероживающем рафинировании в конвертере. Если дефосфоризация не выполнена предварительно, реакцию дефосфоризации необходимо осуществлять одновременно с реакцией обезуглероживания в ходе обезуглероживающего рафинирования в конвертере. Это требует добавления в конвертер большого количества флюса на основе CaO. В результате образуется повышенное количество шлака, и большее количество марганца распределяется в шлаке, что вызывает снижение выхода марганца, введённого в расплавленную сталь.
Транспортируемый горячий металл добавляют в конвертер. После этого в конвертер добавляют марганцевую руду как источник марганца и, при необходимости, добавляют небольшое количество флюса на основе CaO, такого как негашёная известь. Затем горячий металл подвергают обезуглероживанию при помощи верхней и/или нижней продувки газообразным кислородом для того, чтобы образовалась расплавленная сталь, имеющая заданный химический состав. После этого расплавленную сталь выпускают в ковш 2 без добавления каких-либо раскислителей, таких как металлический алюминий и ферросилиций, к расплавленной стали, а именно, к расплавленной стали, находящейся в нераскисленном состоянии. В продолжение указанного процесса можно добавлять заданное количество дешёвого марганцевого ферросплава, такого как высокоуглеродистый ферромарганец.
Как упомянуто ранее, при обезуглероживающем рафинировании в конвертере используют дешёвый источник марганца, такой как марганцевая руда или высокоуглеродистый ферромарганец. Вследствие указанного факта концентрация углерода в расплавленной стали неизбежно повышается. Однако предпочтительно, чтобы даже в данном случае концентрация углерода в расплавленной стали после регулирования концентрации марганца составляла 0,2 масс.% или меньше. Если концентрация углерода в расплавленной стали превышает 0,2 масс.%, вакуумное обезуглероживающее рафинирование в оборудовании для вакуумной дегазации на следующей стадии занимает много времени и, таким образом, обусловливает снижение производительности. Далее, падение температуры расплавленной стали, связанное с увеличением длительности вакуумного обезуглероживающего рафинирования, требует компенсации путём повышения температуры выпускаемой расплавленной стали, что вызывает снижение выхода железа или приводит в результате к повышенному износу огнеупорных материалов и последующему увеличению затрат на них. С учётом вышесказанного, предпочтительно, чтобы концентрация углерода в расплавленной стали после регулирования концентрации марганца составляла 0,2 масс.% или меньше.
Расплавленную сталь 3, выпускаемую из конвертера, транспортируют в устройство 1 для RH вакуумной дегазации. В устройстве 1 для RH вакуумной дегазации расплавленную сталь 3, находящуюся в нераскисленном состоянии, подвергают циркуляции между ковшом 2 и вакуумным сосудом 5. Расплавленную сталь 3, которая не была раскислена, подвергают обезуглероживанию в вакууме за счёт взаимодействия углерода, содержащегося в расплавленной стали, с растворённым в ней кислородом (C + O = CO) в результате воздействия условий вакуума на расплавленную сталь 3 в вакуумном сосуде. После начала циркуляции расплавленной стали 3 марганцевую руду вбрасывают из верхней фурмы 13 для вдувания с использованием газообразного аргона в качестве газа-носителя. Непосредственно перед началом или после начала вбрасывания марганцевой руды углеводородный газ и кислородсодержащий газ выталкиваются из верхней фурмы 13 для вдувания с целью образования пламени ниже ведущего конца верхней фурмы 13 для вдувания. Марганцевую руду нагревают теплом пламени и позволяют падать на поверхность расплавленной стали в ванне.
Марганцевая руда, вбрасываемая на поверхность расплавленной стали в ванне, восстанавливается углеродом в расплавленной стали, что обусловливает увеличение концентрации марганца в расплавленной стали и уменьшение концентрации углерода в расплавленной стали. То есть, марганцевая руда служит не только источником марганца для регулирования химического состава расплавленной стали, но и источником кислорода для реакции обезуглероживания расплавленной стали 3.
В способе, в котором пламя образуется ниже ведущего конца верхней фурмы 13 для вдувания и марганцевую руду вбрасывают из верхней фурмы 13 для вдувания, высоту расположения верхней фурмы 13 для вдувания (расстояние между неподвижной поверхностью расплавленной стали в ванне и ведущим концом фурмы) регулируют на уровне от 1,0 до 7,0 м, а скорости потоков соответственных газов и скорость подачи марганцевой руды регулируют в соответствии с площадями сечения трёх отверстий для выталкивания (центрального отверстия, отверстия для выталкивания топлива и отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа) верхней фурмы 13 для вдувания таким образом, чтобы динамическое давление P струйного потока, рассчитанное по уравнениям (1) - (5), на выходе из верхней фурмы для вдувания составляло 20,0 кПа или больше и 100,0 кПа или меньше.
За счёт регулирования динамического давления P струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания в диапазоне от 20,0 кПа до 100,0 кПа марганцевую руду можно рационально нагревать и эффективно добавлять к расплавленной стали 3. Следовательно, марганцевую руду можно добавлять без падения температуры расплавленной стали 3 или с небольшим падением температуры. Поскольку марганцевую руду можно эффективно добавлять к расплавленной стали 3, марганцевая руда может восстанавливаться в ускоренном режиме и можно повышать выход марганца, что делает возможным сокращение затрат на производство низкоуглеродистой высокомарганцевой стали при использовании дешёвого источника марганца.
Если концентрация марганца в расплавленной стали после добавления только марганцевой руды не удовлетворяет стандартам, перед добавлением марганцевой руды можно добавлять высокоуглеродистый ферромарганец (содержание углерода: около 7 масс.%) через верхнюю фурму 13 для вдувания при одновременном нагревании пламенем, в соответствии со стандартной концентрацией марганца для низкоуглеродистой высокомарганцевой стали. В качестве альтернативы, через верхнюю фурму 13 для вдувания можно добавлять смешанный порошок высокоуглеродистого ферромарганца и марганцевой руды при одновременном нагревании пламенем.
Если по истечении заданного периода времени вакуумного обезуглероживающего рафинирования концентрация углерода в расплавленной стали достигла стандарта для ингредиента, из загрузочного патрубка 12 к расплавленной стали 3 добавляют сильный раскислитель, такой как металлический алюминий, для понижения концентрации кислорода, растворённого в расплавленной стали (раскисление). Таким образом, завершается вакуумное обезуглероживающее рафинирование. В случае, если температура расплавленной стали по окончании вакуумного обезуглероживающего рафинирования ниже значения, требуемого ввиду следующей стадии, такой как, например, стадия непрерывной разливки, температуру расплавленной стали можно повышать путём добавления металлического алюминия к расплавленной стали 3 через загрузочный патрубок 12 и сжигания алюминия в расплавленной стали при одновременном вдувании газообразного кислорода из верхней фурмы 13 для вдувания на поверхность расплавленной стали в ванне.
После раскисления путём добавления сильного раскислителя дополнительно осуществляют непрерывную циркуляцию расплавленной стали 3 в течение нескольких минут. Если концентрация марганца в расплавленной стали 3 всё ещё остаётся ниже стандартов, для регулирования концентрации марганца в расплавленной стали 3 к ней в ходе указанной циркуляции добавляют металлический марганец или низкоуглеродистый ферромарганец через загрузочный патрубок 12. Для доведения химического состава расплавленной стали до значений заданного диапазона, при необходимости, в ходе циркуляции к расплавленной стали 3 дополнительно добавляют ингредиенты-регуляторы, такие как алюминий, кремний, никель, хром, медь, ниобий и титан, через загрузочный патрубок 12. Давление внутри вакуумного сосуда 5 высвобождают до атмосферного давления. Таким образом, завершается рафинирование с использованием вакуумной дегазации.
Далее будет описан способ выплавки низкосернистой стали или ультранизкосернистой стали.
Горячий металл, выпускаемый из доменной печи, выливают в ёмкость для выдержки или ёмкость для транспортировки, такую как ковш для заливки горячего металла или чугуновоз, и перемещают в конвертер, где горячий металл подвергают рафинированию способом обезуглероживания. В ходе указанной транспортировки горячий металл подвергают предварительной обработке путём обессеривания. В качестве дополнительной предварительной обработки горячего металла, при необходимости, выполняют дефосфоризацию в аспекте стандартной концентрации фосфора в выплавляемой низкосернистой стали или ультранизкосернистой стали. В других случаях дефосфоризацию можно исключать.
Транспортируемый горячий металл добавляют в конвертер. После этого в конвертер, как требуется, добавляют марганцевую руду в качестве источника марганца и, при необходимости, добавляют небольшое количество флюса на основе CaO, такого как негашёная известь. Затем горячий металл подвергают обезуглероживанию при помощи верхней и/или нижней продувки газообразным кислородом для того, чтобы образовалась расплавленная сталь, имеющая заданный химический состав. После этого расплавленную сталь выпускают в ковш 2 без добавления каких-либо раскислителей, таких как металлический алюминий и ферросилиций, к расплавленной стали, а именно, к расплавленной стали, находящейся в нераскисленном состоянии. В продолжение указанного процесса можно добавлять заданное количество дешёвого марганцевого ферросплава, такого как высокоуглеродистый ферромарганец.
Расплавленную сталь 3, выпускаемую из конвертера, транспортируют в устройство 1 для RH вакуумной дегазации. В устройстве 1 для RH вакуумной дегазации расплавленную сталь 3, находящуюся в нераскисленном состоянии, при необходимости подвергают обезуглероживанию в вакууме при вдувании газообразного кислорода в расплавленную сталь 3 через верхнюю фурму 13 для вдувания, регулируя посредством этого концентрацию углерода в расплавленной стали 3. Если концентрация углерода в расплавленной стали достигла стандарта для ингредиента, из загрузочного патрубка 12 к расплавленной стали 3 добавляют сильный раскислитель, такой как металлический алюминий, для раскисления расплавленной стали и понижения концентрации растворённого в ней кислорода. Таким образом, завершается вакуумное обезуглероживающее рафинирование.
Вакуумное обезуглероживающее рафинирование исключают, когда стандартная концентрация углерода в выплавляемой низкосернистой стали или ультранизкосернистой стали достижима без вакуумного обезуглероживающего рафинирования. В случае исключения вакуумного обезуглероживающего рафинирования отсутствует необходимость оставлять расплавленную сталь 3 в нераскисленном состоянии и можно осуществлять раскисление путём добавления металлического алюминия к расплавленной стали 3, выпускаемой из конвертера в ковш 2. В ходе указанного раскисления к выпускаемой стали можно добавлять негашёную известь или содержащий CaO флюс вместе с металлическим алюминием. Предпочтительно, чтобы расплавленную сталь 3, выпускаемую в ковш 2, транспортировали в устройство 1 для RH вакуумной дегазации после добавления модификатора шлака, такого как металлический алюминий, к шлаку 4, плавающему на расплавленной стали, и восстановления оксидов железа, таких как FeO, и оксидов марганца, таких как MnO, в шлаке.
В случае, если температура расплавленной стали по окончании вакуумного обезуглероживающего рафинирования ниже значения, требуемого ввиду следующей стадии, такой как, например, стадия непрерывной разливки, температуру расплавленной стали можно повышать путём добавления металлического алюминия к расплавленной стали 3 через загрузочный патрубок 12 и сжигания алюминия в расплавленной стали при одновременном вдувании газообразного кислорода из верхней фурмы 13 для вдувания на поверхность расплавленной стали в ванне. Когда расплавленную сталь 3 в нераскисленном состоянии подвергают рафинированию способом вакуумного обезуглероживания, обработку можно осуществлять путём вбрасывания марганцевой руды из верхней фурмы 13 для вдувания при одновременном нагревании её пламенем, аналогично упомянутому выше способу выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали.
После этого расплавленную сталь 3 раскисляют сильным раскислителем, таким как металлический алюминий, а затем обессеривают при выталкивании обессеривающего реагента на основе CaO через верхнюю фурму 13 для вдувания на поверхность раскисленной, расплавленной стали 3 в ванне при одновременном нагревании обессеривающего реагента на основе CaO пламенем, образующимся на ведущем конце верхней фурмы 13 для вдувания.
Когда обессеривающий реагент на основе CaO вбрасывают из верхней фурмы 13 для вдувания, при этом пламя образуется ниже ведущего конца верхней фурмы 13 для вдувания, высоту расположения верхней фурмы 13 для вдувания (расстояние между неподвижной поверхностью расплавленной стали в ванне и ведущим концом фурмы) регулируют на уровне от 1,0 до 7,0 м, а скорости потоков соответственных газов и скорость подачи обессеривающего реагента на основе CaO регулируют в соответствии с площадями сечения трёх отверстий для выталкивания (центрального отверстия, отверстия для выталкивания топлива и отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа) верхней фурмы 13 для вдувания таким образом, чтобы динамическое давление P струйного потока, рассчитанное по уравнениям (1) - (5), на выходе из верхней фурмы для вдувания составляло 20,0 кПа или больше и 100,0 кПа или меньше.
2
2
3
За счёт регулирования динамического давления P струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания в диапазоне от 20,0 кПа до 100,0 кПа обессеривающий реагент на основе CaO можно рационально нагревать и эффективно добавлять к расплавленной стали 3. Следовательно, обессеривающий реагент на основе CaO можно добавлять без падения температуры расплавленной стали 3 или с небольшим падением температуры. Поскольку добавляемый обессеривающий реагент на основе CaO можно эффективно добавлять к расплавленной стали 3, реакция обессеривания ускоряется, и может достигаться высокая скорость обессеривания. Например, добавляемый обессеривающий реагент на основе CaO может представлять собой только негашёную известь (CaO) или смесь негашёной извести с 30 масс.% или меньше плавикового шпата (CaF) или оксида алюминия (AlO) (смесь может быть предварительно расплавлена).
После снижения концентрации серы в расплавленной стали 3 до заданного уровня или ниже вбрасывание обессеривающего реагента на основе CaO из верхней фурмы 13 для вдувания прекращают и завершают обессеривание. Даже после окончания обработки осуществляют непрерывную циркуляцию расплавленной стали 3 в течение нескольких минут, и в ходе указанной циркуляции к расплавленной стали 3 добавляют, как требуется, ингредиенты-регуляторы, такие как алюминий, кремний, никель, хром, медь, ниобий и титан, через загрузочный патрубок 12 для доведения химического состава расплавленной стали до заданного диапазона. Давление внутри вакуумного сосуда 5 высвобождают до атмосферного давления. Таким образом, завершается рафинирование с использованием вакуумной дегазации.
Как описано в настоящем документе выше, надлежащее регулирование высоты расположения верхней фурмы 13 для вдувания и динамического давления P струйного потока, выталкиваемого из верхней фурмы 13 для вдувания, согласно настоящему изобретению позволяет добавлять порошок к расплавленной стали 3 с высоким выходом. Следовательно, реакция рафинирования активируется и, вследствие того, что порошок можно добавлять к расплавленной стали 3 с высоким выходом, можно достигать высокой эффективности теплопередачи.
Хотя примеры, обсуждённые выше, иллюстрируют рафинирование с использованием устройства для RH вакуумной дегазации, выплавка стали, такой как низкоуглеродистая высокомарганцевая сталь, низкосернистая сталь или ультранизкосернистая сталь, возможна в соответствии с вышеупомянутым способом даже с использованием другого оборудования для вакуумной дегазации, такого как устройство для DH вакуумной дегазации или печь VOD.
Пример 1
Проводили испытания, в которых приблизительно 300 тонн расплавленной стали подвергали рафинированию способом вакуумного обезуглероживания с использованием устройства для RH вакуумной дегазации, отображённого на фигуре, для выплавки низкоуглеродистой высокомарганцевой стали.
Расплавленная сталь в нераскисленном состоянии, выпускаемая из конвертера, имела концентрацию углерода от 0,03 до 0,04 масс.% и концентрацию марганца от 0,07 до 0,08 масс.%. Концентрация растворённого кислорода в расплавленной стали при поступлении в устройство для RH вакуумной дегазации составляла от 0,04 до 0,07 масс.%.
Высоту расположения верхней фурмы для вдувания, вставленной через верх вакуумного сосуда, устанавливали равной от 0,5 до 9,0 м. В продолжение вакуумного обезуглероживающего рафинирования в устройстве для RH вакуумной дегазации СПГ (углеводородный газ) и газообразный кислород (кислородсодержащий газ для сжигания углеводородного газа) выталкивали через верхнюю фурму для вдувания так, чтобы образовывалось пламя горелки ниже ведущего конца верхней фурмы для вдувания. После образования пламени горелки марганцевую руду (далее в настоящем документе иногда пишется как «Mn руда») вбрасывали при скорости подачи 200 кг/мин во всех испытаниях с использованием газообразного аргона в качестве газа-носителя. Во всех испытаниях количество добавляемой Mn руды составляло 5,0 кг/т расплавленной стали. В ходе вбрасывания порошка уровень вакуума в вакуумном сосуде находился в диапазоне от 1,3 до 17,3 кПа, а скорость потока газообразного аргона для циркуляции составляла 3000 нл/мин во всех испытаниях.
A
B
C
P
A
B
C
A
B
C
3
3
3
2
2
2
3
3
3
В испытаниях оценивают скорость теплопередачи к расплавленной стали и выход марганца (Mn). С целью вычисления динамического давления P струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания по уравнениям (1) - (5) их параметры использовали в следующем виде: плотность ρ газа-носителя составляла 1,5 кг/Нм, плотность ρ кислородсодержащего газа составляла 2,5 кг/Нм, плотность ρ углеводородного газа составляла 1,5 кг/Нм, скорость V подачи порошка составляла 200 кг/мин, площадь S сечения центрального отверстия на выходе из верхней фурмы для вдувания составляла 0,0038 м, площадь S сечения отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа на выходе из верхней фурмы для вдувания составляла 0,0006 м, площадь S сечения отверстия для выталкивания топлива на выходе из верхней фурмы для вдувания составляла 0,0003 м, скорость F потока газа-носителя составляла от 120 до 1000 Нм/ч, скорость F потока кислородсодержащего газа составляла от 240 до 2200 Нм/ч, а скорость F потока углеводородного газа составляла 400 Нм/ч.
В таблице 1 приведена высота расположения фурмы и рабочие условия, такие как динамическое давление P, в течение вакуумного обезуглероживающего рафинирования, использованные в испытаниях, а также результаты проведения испытания, такие как концентрация марганца в расплавленной стали после вакуумного обезуглероживающего рафинирования, выход марганца и скорость теплопередачи. В примечаниях таблицы 1 «Пример изобр.» означает, что условия испытания находились в пределах объёма настоящего изобретения, а «Сравн. пример» означает, что условия испытания находились за пределами объёма настоящего изобретения. Скорость теплопередачи, приведённую в таблице 1, вычисляли с использованием уравнения (6), изложенного ниже.
Скорость теплопередачи (%) = Тепло (кал), подводимое к расплавленной стали × 100/Общее количество тепла (кал), выделяющегося при горении горелки (6)
3
3
В уравнении (6) тепло (кал), подводимое к расплавленной стали, представляет собой часть от общего количества тепла, выделяющегося при горении горелки, которая передалась расплавленной стали, а общее количество тепла (кал), выделяющегося при горении горелки, представляет собой произведение теплотворной способности (кал/Нм) топлива на объём (Нм) топлива.
Как показано в таблице 1, в испытаниях № 3 - 5, 9 – 11 и 14 - 19, в которых высота расположения фурмы находилась в диапазоне от 1,0 до 7,0 м, а динамическое давление P струйного потока, рассчитанное по уравнениям (1) - (5), находилась в диапазоне от 20,0 до 100,0 кПа, достигался выход марганца 70 масс.% или больше и высокая скорость теплопередачи, составляющая 80% или больше.
В отличие от этого, испытания №№ 1, 2, 6 - 8, 12 и 13 в результате демонстрировали низкий выход марганца и низкую скорость теплопередачи вследствие того, что динамическое давление P струйного потока, вычисленное по уравнениям (1) - (5), находилось за пределами диапазона от 20,0 до 100,0 кПа, или высота расположения фурмы находилась за пределами диапазона от 1,0 до 7,0 м.
В частности, в испытаниях №№ 1, 2, 12 и 13 динамическое давление струйного потока на поверхности расплавленной стали в ванне было низким вследствие того, что фурма находилась слишком высоко или само динамическое давление P струйного потока было низким, что обусловливало увеличение количества порошка, сбрасываемого через газоход вместе с отходящим газом. Вероятно, это является причиной низкого выхода при добавлении порошка.
Далее, в испытаниях №№ 6 - 8, на внутренней стенке вакуумного сосуда после окончания рафинирования осаждалась некоторая масса гарнисажа. Динамическое давление струйного потока на поверхности расплавленной стали в ванне излишне повышалось вследствие низкой высоты расположения фурмы или высокого динамического давления P струйного потока, а, следовательно, порошок разбрасывался внутри вакуумного сосуда и закреплялся вместе с расплавленной сталью на огнеупорном материале внутри вакуумного сосуда. Вероятно, это является причиной низкой скорости теплопередачи и низкого выхода марганца.
В испытаниях №№ 14 - 17, в которых порошок вбрасывали при уровне вакуума внутри вакуумного сосуда, находящемся в диапазоне от 2,7 до 13,3 кПа, достигались высокая скорость теплопередачи и высокий выход марганца по сравнению с остальными примерами согласно изобретению в испытаниях №№ 3 - 5, 9 - 11, 18 и 19. Вероятно, указанный результат объясняется тем фактом, что регулирование уровня вакуума в вакуумном сосуде в диапазоне от 2,7 до 13,3 кПа при вбрасывании порошка стабилизировало циркуляцию расплавленной стали и уменьшало количество порошка, сбрасываемого через газоход вместе с отходящим газом.
Пример 2
Проводили испытания, в которых приблизительно 300 тонн расплавленной стали подвергали обессериванию путём добавления обессеривающего реагента на основе CaO с использованием устройства для RH вакуумной дегазации, отображённого на фигуре, для выплавки низкосернистой стали (концентрация серы: 0,0024 масс.% или меньше).
Расплавленная сталь до рафинирования в устройстве для RH вакуумной дегазации имела концентрацию углерода от 0,08 до 0,10 масс.%, концентрацию кремния от 0,1 до 0,2 масс.%, концентрацию алюминия от 0,020 до 0,035 масс.% и концентрацию серы от 0,0030 до 0,0032 масс.%. Температура расплавленной стали составляла от 1600 до 1650°C.
В случае необходимости, температуру расплавленной стали измеряли для проверки того, была ли достигнута требуемая температура расплавленной стали перед добавлением обессеривающего реагента на основе CaO. Здесь «требуемая температура расплавленной стали» представляет собой температуру расплавленной стали, определяемую в каждой операции в зависимости от устройства для обработки и принятых условий обработки с учётом падения температуры по истечении запланированного времени обработки и падения температуры вследствие добавления обессеривающего реагента на основе CaO. Если температура расплавленной стали являлась недостаточной, осуществляли обработку путём нагревания, в ходе которой добавляли металлический алюминий через загрузочный патрубок и вдували газообразный кислород из верхней фурмы для вдувания.
2
3
2
3
После этого к расплавленной стали добавляли металлический алюминий для раскисления и регулирования химического состава. Далее, высоту расположения верхней фурмы для вдувания, вставленной через верх вакуумного сосуда, устанавливали равной от 0,5 до 9,0 м, а СПГ (углеводородный газ) и газообразный кислород (кислородсодержащий газ для сжигания углеводородного газа) выталкивали через верхнюю фурму для вдувания так, чтобы образовывалось пламя горелки ниже ведущего конца верхней фурмы для вдувания. После образования пламени горелки предварительно расплавленный обессеривающий реагент CaO-AlO во всех испытаниях вбрасывали при скорости подачи 200 кг/мин с использованием газообразного аргона в качестве газа-носителя. Во всех испытаниях количество добавляемого, предварительно расплавленного обессеривающего реагента CaO-AlO составляло 1500 кг на загрузку. Во всех испытаниях скорость потока газообразного аргона для циркуляции составляла 3000 нл/мин.
A
B
C
P
A
B
C
A
B
C
3
3
3
2
2
2
3
3
3
В испытаниях показатели оценивали на основе того, выплавилась ли низкосернистая сталь с концентрацией серы 0,0024 масс.% или меньше. С целью вычисления динамического давления P струйного потока на выходе из верхней фурмы для вдувания по уравнениям (1) - (5) их параметры использовали в следующем виде: плотность ρ газа-носителя составляла 1,5 кг/Нм, плотность ρ кислородсодержащего газа составляла 2,5 кг/Нм, плотность ρ углеводородного газа составляла 1,5 кг/Нм, скорость V подачи порошка составляла 200 кг/мин, площадь S сечения центрального отверстия на выходе из верхней фурмы для вдувания составляла 0,0028 м, площадь S сечения отверстия для выталкивания кислородсодержащего газа на выходе из верхней фурмы для вдувания составляла 0,0006 м, площадь S сечения отверстия для выталкивания топлива на выходе из верхней фурмы для вдувания составляла 0,0003 м, скорость F потока газа-носителя составляла от 50 до 700 Нм/ч, скорость F потока кислородсодержащего газа составляла от 80 до 1400 Нм/ч, а скорость F потока углеводородного газа составляла 400 Нм/ч.
В таблице 2 приведена высота расположения фурмы и рабочие условия, такие как динамическое давление P в течение вакуумного обезуглероживающего рафинирования, использованные в испытаниях, а также результаты проведения испытания, такие как концентрация серы в расплавленной стали после обессеривания, оценка обессеривания и скорости теплопередачи. В примечаниях таблицы 2 «Пример изобр.» означает, что условия испытания находились в пределах объёма настоящего изобретения, а «Сравн. пример» означает, что условия испытания находились за пределами объёма настоящего изобретения. «Прошёл испытания» и «не прошёл испытания» в колонке оценки обессеривания таблицы 2 означает, что концентрация серы в обессеренной расплавленной стали составляла 0,0024 масс.% или меньше («прошёл испытания») или выше 0,0024 масс.% («не прошёл испытания»). Скорость теплопередачи рассчитывали с использованием уравнения (6), изложенного в настоящем документе выше.
Как показано в таблице 2, испытания № 53 - 55 и 59 - 61, в которых высота расположения фурмы находилась в диапазоне от 1,0 до 7,0 м, а динамическое давление P струйного потока, рассчитанное по уравнениям (1) - (5), находилась в диапазоне от 20,0 до 100,0 кПа, приводили в результате к успешной выплавке желаемой низкосернистой стали и достижению высокой скорости теплопередачи порядка 80%.
В отличие от этого, испытания № 51, 52, 56 - 58, 62 и 63 приводили в результате к низкой скорости обессеривания и низкой скорости теплопередачи вследствие того, что динамическое давление P струйного потока, рассчитанное по уравнениям (1) - (5), находилось вне диапазона 20,0 - 100,0 кПа или высота расположения фурмы находилась за пределами диапазона 1,0 - 7,0 м.
В частности, в испытаниях № 51, 52, 62 и 63 динамическое давление струйного потока на поверхности расплавленной стали в ванне было низким вследствие того, что фурма находилась слишком высоко или само динамическое давление P струйного потока было низким, что обусловливало увеличение количества порошка, сбрасываемого через газоход вместе с отходящим газом. Вероятно, это является причиной низкого выхода при добавлении порошка.
Далее, в испытаниях № 56, 57 и 58, на внутренней стенке вакуумного сосуда после завершения рафинирования осаждалась некоторая масса гарнисажа. Динамическое давление струйного потока на поверхности расплавленной стали в ванне излишне повышалось вследствие низкой высоты расположения фурмы или высокого динамического давления P струйного потока, а, следовательно, порошок разбрасывался внутри вакуумного сосуда и закреплялся вместе с расплавленной сталью на огнеупорном материале внутри вакуумного сосуда. Вероятно, это является причиной низкой скорости обессеривания и низкой скорости теплопередачи.
Перечень позиций
1 Устройство для RH вакуумной дегазации
2 Ковш
3 Расплавленная сталь
4 Шлак
5 Вакуумный сосуд
6 Верхний сосуд
7 Нижний сосуд
8 Восходящая погружная труба
9 Нисходящая погружная труба
10 Труба для вдувания циркуляционного газа
11 Газоход
12 Загрузочный патрубок
13 Верхняя фурма для вдувания