Способ выплавки стали в мартеновской печи

 

Использование: в черной металлургии, в частности в мартеновском производстве стали. Сущность изобретения: способ выплавки стали в мартеновской печи включает заправку, завалку сыпучих материалов и металлошихты, периоды прогрева и плавления ввод в ванну твердого окислителя в период рудного кипения, раскисление и выпуск металла. Часть твердого окислителя вводят в виде полуфабриката из окислителя, залитого чугуном, в количестве 5 - 25 кг на 1 т расплава. Полуфабрикат содержит окислитель и чугун при следующем содержании компонентов, мас.%: окислитель 5 - 25; чугун остальное. Изобретение позволяет сократить общий расход твердых окислителей в процессе рудного кипения, ускорить переход фосфора из металла в шлак вследствие усиления перемешивания шлака и металла и увеличения их реакционной поверхности, из - за чего содержание фосфора в готовом металле снижается, сократить расход шлакообразующих материалов. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к мартеновскому производству стали.

Известен способ выплавки скрап-процессом, при котором доля твердого чугуна в шихте составляет 35-50% и который включает завалку сыпучих шлакообразующих материалов (известняка 6-8% бокситы 0,5-1%), послойную загрузку металлошихты из скрапа и твердого чугуна, загрузку железной руды 1-3% прогрев, плавление шихты, доводку и выпуск расплава. Недостатками известного способа являются значительная длительность периодов плавления, рудного кипения и плавки в целом, а также недостаточная степень удаления фосфора [1] Известен способ выплавки качественной спокойной углеродистой и легированной стали в основных мартеновских печах скрап-процессом.

Момент начала доводки определяется на основании следующих признаков. Металл должен быть полностью расплавлен и нагрет до температуры, предусмотренной технологической инструкцией для данной марки стали. После расплавления ванны вводят шлакообразующие материалы (боксит, плавиковый шпат, шамот и другие), железную руду, разрешается применять в рафинировку окалину и сварочный шлак. После полного расплавления берется проба металла, из которой в экспресс-лаборатории определяют углерод, марганец, фосфор, серу, хром, никель, медь, молибден. В случае недостаточного удаления фосфора на плавках углеродистых и легированных сталей или в случае повышенного содержания хрома на плавках стали, не легированных хромом, производится второй пуск (скачивание) шлака. При этом при наличии достаточного содержания углерода в ванну дается руда или другие окислители. Показателем нормального проведения полировки (рудного кипения) является скорость выгорания углерода. Скорость выгорания углерода (VC₁) в этот период должна быть не ниже 0,005% в 1 мин и определяется по формуле VC₁= где С₁ содержание углерода в металле по расплавлении, С₂ содержание углерода в начале чистого кипа, t₁ время определения С₁, ч-мин; t₂ время определения С₂, ч-мин [2] Недостатком известного способа является повышенный расход твердых окислителей в период рудного кипения, достигающих для наиболее концентрированного окислителя железной руды расхода 3,0-3,5% от массы садки. Полнота скачивания шлака из печи в условиях его пониженной температуры при значительном вводе твердых окислителей оказывается недостаточной и не обеспечивает необходимой степени удаления фосфора. Кроме того, охлаждение металлической ванны твердым окислителем замедляет окисление углерода и тем самым увеличивая общую продолжительность доводки.

Технической задачей является сокращение расхода твердых окислителей, уменьшение содержания фосфора в металле, снижение расхода шлакообразующих материалов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе выплавки стали в мартеновской печи, включающем заправку, завалку сыпучих материалов и металлошихты, периоды прогрева и плавления, ввод в ванну твердого окислителя в период рудного кипения, чистое кипение, раскисление и выпуск металла, часть твердого окислителя вводят в виде полуфабриката из окислителя, залитого чугуном, в количестве 5-25 кг на 1 т расплава.

Полуфабрикат представляет собой металлическую чугунную чушку с частицами твердого окислителя, расплавленными равномерно по объему чушки. Для получения полуфабриката можно использовать разливочную машину, заливая жидким чугуном твердый окислитель пари различном соотношении их масс в пределах 1:(3-19). Полуфабрикат имеет пониженную по сравнению с металлической ванной (1460-1560) температуру плавления (1170-1200)^оС и, падая в расплавленную ванну с определенной высоты, погружается в ее толщу на дно ванны и обладает развитой поверхностью контакта частиц твердого окислителя с чугуном. После ввода полуфабриката в ванну в период рудного кипения, когда металл еще нагрет относительно слабо, пониженная температура плавления основы полуфабриката-чугуна обеспечивает быстрое его расплавление даже в плохо нагретой ванне. Одновременно с этим происходит нагрев и разложение оксида железа на закись железа и свободный кислород, которые вступают в реакцию с компонентами чугуна углеродом, кремнием, марганцем и фосфором, окисляя их. При этом окисление углерода в полуфабрикате начинается с момента расплавления чугуна и протекает благодаря благоприятным термодинамическим и кинетическим условиям с высокими скоростями, достигающими согласно экспериментальных данных 0,4-0,8% С/мин. Это превышает скорости окисления углерода в кислородно-конвертерной ванне. В условиях реальной мартеновской плавки темп окисления углерода и других компонентов полуфабриката определяется скоростью расправления чугуна, т.е. интенсивностью теплообмена полуфабриката с жидким расплавом. В процессе расплавления чушек полуфабриката некоторая часть окислителя, входящая в состав полуфабриката и не успевшая прореагировать с компонентами чугуна, высвобождается и всплывает через толщу расплава. При этом продолжается нагрев и разложение окислителя с выделением газообразного кислорода. Горячие оксиды железа и кислород, перемещаясь через металлическую ванну, окисляют фосфор и частично углерод, находящиеся в ванне. Пузырьки оксида углерода интенсивно перемешивают ванну, усиливают перенос тепла и вещества из атмосферы печи через шлак вглубь ванны, интенсифицируя окисление фосфора и углерода. Под влиянием выделения больших количеств пузырьков СО шлак вспенивается и самотеком легко сходит из печи, унося с собой окислившийся фосфор. В результате скорость и степень удаления фосфора резко увеличиваются. Количество оставшегося в печи шлака получается относительно небольшим и может в зависимости от марки выплавляемой стали, садки печи, концентрации углерода и фосфора в ванне, а также степени нагрева металла в печи регулироваться в широких пределах. Преимуществом ввода полуфабриката из чугуна и твердого окислителя является также более высокая степень использования оксидов железа, находящихся в шлаке, на удаление фосфора и углерода. Это способствует резкому сокращению расхода твердых окислителей, вводимых в ванну в период рудного кипения.

При обычных расходах твердого окислителя в рудное кипение 15-35 кг на 1 т расплава предлагаемый способ обеспечивает сокращение расхода окислителей до 3-12 кг/т, т.к. средняя концентрация окислителя в полуфабрикате 15% Рекомендуемые значения расхода полуфабриката в количестве 5-25 кг на 1 т расплава продиктованы следующими факторами. При расходе менее 5 кг/т эффективность способа снижается вследствие кратковременности воздействия вводимого материала на ванну и малого количества окислителя. В этом случае полуфабрикат расплавляется в ванне за 3-7 мин, что и определяет время его воздействия на процессы, происходящие в печи. Кроме того, количество твердого окислителя, введенного в ванну в виде полуфабриката, оказывается недостаточным и требуется ввод на ванну значительного количества окислителей в свободном виде. Ввод полуфабриката в количестве выше 25 кг/т нецелесообразен, поскольку требуемое содержание фосфора в металле, полнота скачивания шлака и необходимое количество окислителя уже обеспечено. Показатели плавки из-за увеличенного расхода чугуна, составляющего основу полуфабриката, несколько ухудшаются по сравнению с оптимальным вариантом. Кроме того, дополнительное охлаждение ванны, обусловленное увеличенным расходом полуфабриката, затягивают начало чистого кипения и продолжительность доводки в целом. Отсюда оптимальным значением является ввод полуфабриката в количестве 5-25 кг на 1 т расплава.

Обычный расход твердых окислителей в период рудного кипения составляет 2-3,5% Примем нижнее значение, что соответствует 20 кг/т металла. Для сравнения возьмем расход полуфабриката максимальным 25 кг/т. При соотношении чугуна и твердого окислителя в полуфабрикате 4:1 (ближе к верхнему пределу) расход чугуна и окислителя составят соответственно 20 и 5 кг/т.

Согласно данным Р.М.Бигеева 1 кг руды эквивалентен по охлаждающему эффекту 3,2 кг лома. Отсюда получается, что ввод 20 кг железной руды эквивалентен 64 кг/т лома. Ввод полуфабриката в количестве 25 кг/т или 20 кг/т чугуна и 5 кг/т окислителя эквивалентен 20 + 5 х 3,2 36 кг/т лома. Следовательно, с позиций охлаждающего эффекта полуфабрикат, вводимый в максимальном количестве, дает эффект, соответствующий 36 кг/т лома, что в 1,7 раза меньше эффекта охлаждения ванны при вводе твердого окислителя в минимальном количестве. С учетом же тепла от окисления компонентов чугуна нагретым кислородом, высвободившимся при разложении Fe₂O₃ на FeO и газообразный кислород, и нагретым FeO охлаждающий эффект присадок полуфабриката даже при максимальном расходе его 25 кг/т оказывается меньше по сравнению с вводом железной руды в минимальном количестве 20 кг/т, т.е. 5,8-2,5 т. Благодаря этому расход твердого окислителя снижается в 1,5-3,5 раза.

Полуфабрикат содержит окислитель и чугун при следующем соотношении компонентов: Окислитель 5-25 Чугун Остальное
Числовые значения окислителя определены экспериментально при засыпке из бункера железорудных окатышей или агломерата, железной руды, окалины и последующей их заливке чугуном.

П р и м е р. Выплавку стали по предлагаемому способу осуществляли в 250 т мартеновской печи.

Завалку печи производили следующим образом.

На подину загружали 30-40 т стружки и мелкого металлолома, затем известняк 18-20 т и прогревали ее в течение 10-15 мин, далее загружали 110-120 т металлолома с последующим прогревом его в течение 10-15 мин, после чего заваливали 90-110 т чугуна. Общий вес завалки 260 т.

По окончании завалки начинали прогрев шихты и по расплавлении ее в период рудного кипения часть твердого окислителя вводили в виде полуфабриката из окислителя, залитого чугуном, в количестве 5-25 кг на 1 т расплава. По окончании полировки осуществляли доводку металла до заданного состава и температуры и выпускали в два ковша емкостью по 130 т. Результаты опытных плавок приведены в таблице. В качестве прототипа взяты средние показатели плавок, выплавленных по базовой технологии, которая была принята в цехе до использования предлагаемого способа.

Преимущества ввода полуфабриката по сравнению с железной рудой заключаются в следующем:
сокращается общий расход твердых окислителей;
ускоряется переход фосфора из металла в шлак вследствие усиления перемешивания шлака и металла и увеличения их реакционной поверхности, вследствие чего содержание фосфора в готовом металле снижается;
повышается степень удаления шлака, скачиваемого из печи, причем она перестает зависеть от температуры шлака;
сокращается расход шлакообразующих материалов;
охлаждение ванны такое же или чуть меньше, но при этом удаление фосфора и углерода не только не прекращаются, но и даже усиливаются и начинаются раньше с момента ввода полуфабриката в объем металла;
общий средний расход полуфабриката чугуна и твердых окислителей не превышает расхода железной руды, но благодаря меньшей доли руды в полуфабрикате и ее меньшему охлаждающему эффекту по сравнению с чугуном охлаждение ванны уменьшается в 1,5-3,5 раза, с учетом тепла экзотермических реакций окисления элементов чугуна охлаждение ванны становится еще меньше.

Более полное использование шлака и оксидов железа в целях дефосфорации.

Количество шлака к моменту начала кипения и содержания оксидов железа снижается, что сдерживает неконтролируемое окисление углерода.

В целях исключения влияния состава полуфабриката на состав металлической ванны, в том числе на количество кислорода в металле и шлаке, содержание кислорода в полуфабрикате может быть взято в количестве, отвечающем стехиометрическому значению по реакции с углеродом, кремнием, марганцем и фосфором. В этом случае весь кислород окислителя расходуется на внутренние цели полное окисление компонентов чугуна, что исключает их переход в расплав металлической ванны и изменение ее состава. Вследствие этого требуемый расход окислителя хотя и увеличивается, но благодаря более полному использованию дефосфорирующей способности шлака он все же будет меньше, чем в известном способе. Повышение дефосфорирующей активности шлака связано с интенсивным перемешиванием металла и шлака и увеличением вследствие этого поверхности взаимодействия шлака с металлом.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ, включающий заправку, завалку сыпучих материалов и металлошихты, периоды прогрева и плавления, ввод в ванну твердого окислителя в период рудного кипения, чистое кипение, раскисление и выпуск металла, отличающийся тем, что часть твердого окислителя вводят в виде полуфабриката из окислителя, залитого чугуном, в количестве 5 - 25 кг на 1 т расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полуфабрикат содержит окислитель и чугун при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окислитель - 5 - 25
Чугун - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2