Способ выплавки ванадийсодержащей стали в дуговой электропечи

 

Использование: в области черной металлургии, конкретно в способах выплавки сталей в дуговой электропечи. Сущность изобретения: способ выплавки ванадийсодержащей стали в дуговой электропечи включает загрузку металлошихты из металлолома и передельного чугуна, окислительный период, предварительное раскисление, ввод в расплав легирующих и ванадийсодержащий материалов, доводку расплава по химическому составу и температуре. 20-60% металлошихты загружают в печь в виде шихтовой заготовки из передельного чугуна и железосодержащего оксидного материала. В качестве ванадийсодержащих материалов в расплав вводят магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака в количестве 20-250 кг на тонну расплава. Кроме того, шихтовая заготовка содержит передельный чугун и железосодержащий оксидный материал при следующем содержании компонентов, мас.%: передельный чугун 65-90; железосодержащий оксидный материал 10-35. В качестве железосодержащего оксидного материала используют конечные сталеплавильные шлаки, окалину, агломерат, руды, концентраты, окатыши, отходы огневой зачистки и шлифовки металла или колошниковую пыль. Расплав по химическому составу и температуре доводят в ковше на установке печь-ковш. Магнитная шлакометаллическая фракция размером 1-200 мм ванадиевого конвертерного шлака содержит следующий химический состав, мас.%: железо металлическое 30-90, оксиды железа (в пересчете на FeO) 3-30, углерод 0,5-3,0, окислы ванадия в пересчете на V₂O₅ не менее 2-5, фосфор 0,05-0,08, сера 0,05-0,07. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к выплавке ванадийсодержащей стали в сталеплавильных печах.

Известен способ производства ванадийсодержащих сталей в дуговых печах с присадкой вместо чугуна и части металлолома до 40% от всей завалки первородного материала при производстве углеродистых и легированных сталей (аналог отчет о производстве сталей в 100 т печах с использованием в шихте шихтовой заготовки, состоящей из оксидного материала, залитого чугуном). Готовая сталь имела пониженное содержание вредных примесей.

Известны способы получения ванадийсодержащих сталей с использованием отходов феррованадиевого производства (металлоотсева). При этом использовался качественный металлолом с низким содержанием вредных примесей и металлоотсев. Металлоотсев загружали вместе с металлоломом в печь, вели плавку без окислительного периода, раскисляли шлак в печи с восстановлением окислов ванадия и других. После периода восстановления и нагрева металл сливали в ковш и отправляли на разливку.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ выплавки ванадийсодержащих сталей [1 прототип] когда в завалку загружают рядовой металлолом и передельный чугун. По расплавлении проводят окислительный период, первый шлак убирают с поверхности жидкого металла, присаживают шлакообразующие, полученный шлак раскисляют, затем присаживают металлоотсев и снова присаживают раскислитель, восстанавливают из шлака ванадий и другие окислы. Готовят металл по температуре и химическому составу сливают из печи в ковш.

Техническая задача изобретения осуществление экономического массового производства высококачественной ванадийсодержащей стали с использованием новых шихтовых материалов и легирующих добавок, обеспечивающих получение в расплаве низкого содержания примесей цветных металлов.

Технический результат достигается тем, что в металлическую шихту взамен чугуна и металлического лома загружают 20-60% металлошихты в виде шихтовой заготовки из передельного чугуна и железосодержащего оксидного материала, а в качестве ванадийсодержащих материалов в расплав вводят магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака (металлоотсев) в количестве 20-250 кг на тонну расплава. Шихтовая заготовка содержит передельный чугун и железосодержащий оксидный материал при следующем содержании компонентов, мас.

Передельный чугун 65 90 Железосодержащий оксидный материал 10 35 В качестве железосодержащего оксидного материала используют конечные сталеплавильные шлаки, окалину, агломерат, руды, концентраты, окатыши, отходы огневой зачистки и шлифовки металла или колошниковую пыль. Полученный расплав доводят по химическому составу и температуре в ковше на установке печь-ковш. Для легирования расплава используют магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака размером 1-200 мм и следующего химического состава, мас. железо металлическое 30-90,0; окислы железа в пересчете на FeO 3,00-30,0, углерод 0,5-3,0, окислы ванадия в пересчете на V₂O₅ 2,0-5,0, фосфор 0,05-0,08; сера 0,05-0,07. Магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака, содержащую окислы ванадия присаживают в расплав в процессе слива его в ковш, обеспечивая восстановление ванадия из окислов в период доводки расплава в ковше. Замена части металлолома и передельного чугуна указанной выше шихтовой заготовкой обеспечивает проведение активного процесса расплавления шихты в печи, раннее образование шлака и окисление вредных примесей, получение стали с пониженным содержанием цветных металлов. Замена части металлолома и передельного чугуна в виде шихтовой заготовки в количестве 20-60% от массы металлошихты вызывает раннее окисление углерода чугуна кислородом, содержащимся в твердом окислителе. Эта реакция начинается при температуре 850-1150^oC еще до расплавления чугуна, постепенно ускоряясь с повышением температуры. Интенсивность окисления углерода кислородом твердого железосодержащего окислителя растет благодаря большой поверхности соприкосновения (C) и (O).

При этом нижний предел относится к выплавке рядовых углеродистых марок стали неответственного сортамента, а верхний предел 60% относится к производству качественных углеродистых и легированных марок сталей. Приведенные пределы подтверждены также экспериментально.

Шихтовая заготовка представляет собой металлическую чугунную чушку с частицами твердого окислителя, распределенными равномерно по объему чушки (при изготовлении на днище мульды засыпается твердый окислитель, а затем заливается чугуном). Шихтовая заготовка имеет по сравнению с температурой металлической ванны (1500-1580^oC) пониженную температуру плавления 1170-1200^oC, обладает развитой поверхностью контакта частиц твердого окислителя с чугуном.

После ввода шихтовой заготовки в ванну в начальный период расплавления, когда металл еще нагрет относительно слабо, пониженная температура плавления основы шихтовой заготовки (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 поступают в реакцию с компонентами чугуна углеродом, кремнием, марганцем и фосфором, окисляя их. При этом окисление углерода в шихтовой заготовке начинается с момента расплавления чугуна и протекает благодаря благоприятным термодинамическим и кинетическим условиям с высокими скоростями, достигающими согласно экспериментальным данным 0,4-0,8 C/мин.

Замена феррованадия отходами его производства обеспечивает экономию этого дефицитного материала. Пределы его ввода выбраны экспериментально.

Влияние ванадия на свойства как углеродистых, так и легированных сталей общеизвестно. Особый интерес представляет использование ванадия в качестве упрочнителя. Повышение, даже на относительно небольшую величину долговечности изделий за счет повышения прочности металла позволяет получить значительную экономию металла и денежных средств.

По имеющимся в литературе и мировой металлургической практике данным о влиянии ванадия на комплекс механических и служебных свойств известно, что микролегирование стали ванадием до 0,10% обеспечивает повышение ее прочности (особенно при пониженных температурах), снижает склонность к перегреву, улучшает свариваемость. Оптимальным для повышения прочности без заметного влияния на пластичность считается содержание ванадия в среднеуглеродистых и некоторых легированных марках стали в пределах 0,10-0,15 При выплавке электростали легирование ванадием обычно производят в конце плавки, после восстановительного рафинирования путем присадки феррованадия. В прототипе имеются сведения о возможности легирования стали ванадием (минуя стадию получения феррованадия) путем использования отходов конвертерного ванадийсодержащего шлака (металлоотсева), добавляемого в период рафинирования электроплавки.

В условиях научно-производственного объединения "Тулачермет" при подготовке ванадийсодержащего шлака для выплавки феррованадия выявляется некоторое количество "заметалленного" шлака (куски шлака, пропитанные металлом), получившего технологическое наименование металлоотсев. Механическое разделение металла и шлака трудно выполнимо и требует применения специального оборудования, а порой и вообще невозможно. Лишь небольшую часть металлоотсева (из-за ограниченности производственных мощностей) переплавляют в дуговой электропечи. При расплавлении шихты происходит разделение металла и шлака. Последний возвращают в технологическую цепь производства феррованадия. Большая же часть магнитной шлакометаллической фракции конвертерного шлака (металлоотсев) складируется.

Доказана термодинамическая возможность легирования металла ванадием в дуговой сталеплавильной печи как при сливе в ковш, а также в ковше с расплавом путем присадки материалов, содержащих окислы ванадия, в частности, металлоотсева, за счет восстановления этих окислов кремнием или углеродом расплава. Следует отметить, что присадка металлоотсева на струю расплава при впуске в ковш более предпочтительна чем присадка в печь, так как сокращается продолжительность плавки, отпадает необходимость в выплавке стали с двумя шлаками. Для определения термодинамических возможностей восстановления ванадия углеродом и кремнием были проведены расчеты с использованием следующих уравнений и зависимостей, а также параметров взаимодействия: 2[V] + 3[O] = V₂O₃ ΔG°= -204930 + 80,32 T (1) [C]+[O]CO_r lgK₃=lg(P_co/a_c·a_o=1160/T+2,003 (3) [Si] + 2[O] = SiO_2ж ΔG°= -139433 + 52,47 T (4) а также параметров взаимодействия:
Результаты расчетов представлены в виде равновесных кривых на фиг. 1 (показаны значения равновесных с углеродом (1) и кремнием (2).

Из чертежа следует, что легирование конструкционных марок сталей ванадием до оптимальных его концентраций (0,10-0,15%) путем присадки содержащих окислы ванадия материалов (металлоотсева) осуществимо как за счет восстановления ванадия кремнием, так и углеродом, так как обычные концентрации этих элементов в рафинированный период обеспечивают даже более высокий равновесный уровень концентрации ванадия в металле.

Таким образом, обычный процесс в дуговой сталеплавильной печи обеспечивает полную возможность использования металлоотсева с целью переработки ванадийсодержащих шлаков для легирования конструкционной стали ванадием.

Использованная при проведении опытных плавок магнитная шлакометаллическая фракция ванадиевого конвертерного шлака (металлоотсев) не имеет стандартного химического состава и методик для ее определения не существует. Поэтому в расчетах принимали усредненный по 60 валовым плавкам состав металла и шлака, полученный при переплаве металлоотсева в период проведения опытных плавок. В табл. 1 приведен принятый химический состав и соотношение компонентов (металла и шлака), установленное при проведении балансовой плавки металлоотсева, а в табл. 2 усредненный состав шлака при переплаве.

Металлическая часть металлоотсева, чиста по примесям, обеспечивает увеличение количества металла плавки и дополнительно к шихтовой заготовке за счет своей первородности, обеспечивает требуемое качество.

Для восстановления ванадия из окислов присаживают раскислители: ферросилиций 75% коксик, алюминий. С восстановлением ванадия происходит восстановление марганца и железа. В ковше образуется шлак, способствующий десульфурации металла и снижению потерь тепла. Загрузка в ковш извести из расчета 12-15% от массы металлоотсева обеспечивает получение шлака основностью 1,3-1,5, что позволяет более полно восстановить ванадий из окислов, активно проводить с этим шлаком десульфурацию металла плавки.

Опытные плавки по легированию марочной стали ванадием проводили на выпуске расплава из 5-тонной дуговой электропечи с трансформатором мощностью 1800 кВа (номинальная осадка печи 3 т) с проведением окислительного и восстановительного периода в полном объеме. В печь после скачивания шлака на жидкий металл присаживали ферромарганец из расчета получения среднего содержания его в заданной марке стали. Раскисление металла проводили ферросилицием из расчета введения в металл 0,10-0,12% кремния. Затем вводили шлаковую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и шамота. Металлоотсев вместе загружали в ковш в процессе слива расплава с присадкой на струю раскисляющей смеси из извести, молотого ферросилиция и мелкого кокса. По достижению необходимой температуры и после доведения состава стали до марочного металл разливали на фасонное литье.

В процессе производства контролировали химический состав металла отбором проб и корректировали его добавками необходимых реагентов. В зависимости от содержания ванадия в магнитной шлакометаллической фракции ванадиевого конвертерного шлака ее вводили в расплав, 20-250 кг. Ввода менее 20 кг (даже очень богатой в пересчете на V₂O₅) не достаточно для легирования стали, остаются только следы. Ввод более 250 кг нецелесообразен из-за повышенного расхода ванадия.

С использованием для легирования ванадийсодержащих материалов было проведено 5 плавок, из них три плавки NN 3,4 и 5 осуществлено с использованием магнитной шлакометаллической фракции ванадиевого конвертерного шлака (металлоотсева) в ковше. В ковш присаживали раскислители (ферросилиций, коксик, алюминий, фракцией 3-20 мм).

Химический состав металла, полученный на этих плавках, приведен в табл. 3.

Для определения степени восстановления ванадия на некоторых плавках расплав перед присадкой металлоотсева проверяли на содержание ванадия, что показало на отсутствие дополнительных источников поступления ванадия в металл.

Концентрацию ванадия в металле определяли по истечении 20-25 минут после окончания присадки. К этому моменту процесс восстановления ванадия из шлака, как показали опытные плавки, практически заканчивался.

Результаты опытных плавок, приведенные в табл. 4 показывают также, что степень извлечения ванадия из металлоотсева довольно высокая (от 82,1 до 97% ).

Использование металлоотсева не повлияло на работу электрооборудования печи. Ход плавки спокойный и совершенно аналогичен периоду рафинирования классического процесса.

Состояние электродов и футеровки печи (по осмотру после выпуска металла из печи) на плавках с использованием металлоотсева по сравнению с обычной плавкой отличий не имело.

Баланс ванадия в опытных плавках показывает, что он весь остается в расплаве: основная часть его восстанавливается в металл, небольшие количества остаются в шлаках. Поэтому отходящие газы и пыль периода рафинирования не анализировались. Визуально усиление пылевыделения не отмечено. Поскольку режим пыле- и газовыделения остается на уровне, характерном для обычной плавки, дополнительных мероприятий для ограничения пыле- и газовыделения проводить не требуется. Возможные незначительные невязки по балансу ванадия или его окислов можно отнести к влажности используемого в плавках металлоотсева, поскольку перед плавкой тщательной сушке его не подвергали.

Формула изобретения

1. Способ выплавки ванадийсодержащей стали в дуговой электропечи, включающий загрузку металлошихты из металлолома и передельного чугуна, окислительный период, предварительное раскисление, ввод в расплав легирующих материалов и магнитной шлакометаллической фракции ванадиевого конвертерного шлака в качестве ванадийсодержащего материала, доводку расплава по химическому составу и температуре, отличающийся тем, что в печь загружают шихтовую заготовку из передельного чугуна и железосодержащего оксидного материала в количестве 20 60% от массы загружаемой шихты, а магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака вводят в расплав в количестве 20 250 кг на 1 т расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихтовая заготовка содержит передельный чугун и железосодержащий оксидный материал при следующем содержании компонентов, мас.

Передельный чугун 65 90
Железосодержащий оксидный материал 10 35
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве железосодержащего оксидного материала используют конечные сталеплавильные шлаки, окалину, агломерат, руды, концентраты, окатыши, отходы огневой зачистки шлифовки металла или колошниковую пыль.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав по химическому составу и температуре доводят в ковше на установке печь-ковш.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака размером 1 200 мм следующего химического состава, мас.

Железо металлическое 30 90
Окислы железа в пересчете на FeO 3 30
Углерод 0,50 3,0
Окислы ванадия в пересчете на V₂O₅ 2 5
Фосфор 0,05 0,08
Сера 0,05 0,07
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитную шлакометаллическую фракцию ванадиевого конвертерного шлака присаживают в расплав в период слива его в ковш.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4