Способ выплавки стали в конвертере

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к кислородно-конвертерному производству стали. При выплавке стали в конвертер заливают жидкий чугун, загружают твердый окислитель и углеродсодержащий материал при их соотношении 1:(0,10 - 0,25) : (0,015-0,075) соответственно, после чего в течение 20-25% общей продолжительности продувки перемешивают ванну смесью нейтрального газа с кислородом в соотношении 1:(0,15-0,25). Расход смеси составляет 100-150% номинальной интенсивности продувки кислорода.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к выплавке стали в кислородных конвертерах.

Известен способ выплавки стали в кислородном конвертере с использованием в качестве твердых охладителей-окислителей подготовленных железосодержащих материалов, например металлизованных окатышей [1]. Известный способ позволяет увеличить содержание окислов железа в шлаке и снизить при необходимости температуру металла в определенные периоды операции, что ускоряет рафинирование металла, увеличивает выход годного и повышает качество металла.

Недостатком известного способа является низкая технологичность процесса, связанная с необходимостью предварительной подготовки и окатывания железосодержащих материалов, ограничением их ввода в ванну в требуемых количествах, что обусловлено изменением динамики обезуглероживания и поведения конвертерной ванны, чрезмерным вспениванием шлака и сложностью контроля за его состоянием. Это приводит к снижению эффективности перераспределения железа между металлом и шлаком, что не позволяет значительно увеличить выход годного металла.

Известен способ выплавки стали в кислородном конвертере с присадкой твердого топлива - углеродсодержащих материалов, и перемещением фурмы в вертикальном направлении по ходу продувки [2].

Известный способ за счет регламентированной продувки и присадки твердого топлива в период интенсивного обезуглероживания позволяет эффективно дожигать CO до CO в объеме конвертера, что дополнительно к теплу от сжигания твердого топлива улучшает тепловую сторону процесса. Кроме того, такая регламентированная продувка позволяет поддерживать на достаточно высоком уровне скорость окисления углерода, обеспечивает наведение жидкоподвижного железистого шлака, а взаимодействие образующих окислов железа с углеродом способствует восстановлению железа, что наряду с уменьшением потерь металла с выбросами и выносами дополнительно увеличивает выход годного металла.

Недостатком известного способа является невозможность его осуществления в условиях дефицита металлолома при необходимости реализации технологии с переработкой повышенной вплоть до 100% доли чугуна в металлозавалке. В этом случае неизбежно значительное снижение выхода годного металла за счет увеличения количества шлака и угара примесей чугуна. Использование твердого топлива в этих условиях обеспечивает увеличение прихода тепла, что соответственно предопределяет необходимость использования других охладителей плавки - заменителей лома, при этом наблюдается вспенивание шлака, что усложняет контроль за состоянием конвертерной ванны.

Известен способ выплавки стали в конвертере с подачей через кислородную фурму в определенные периоды операции нейтрального газа [3]. Известный способ позволяет оптимизировать процессы дожигания отходящих газов в полости конвертера и сжигание топлива, улучшить шлакообразование и увеличить выход годного металла за счет снижения количества выбросов вспененной шлакометаллической и шлаковой фаз с одновременным осаживанием вспененной шлакометаллической эмульсии в конвертере.

Недостатком этого способа является низкий выход стали из-за невозможности ввода в конвертер дополнительно твердых железосодержащих окислителей.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ выплавки стали в кислородном конвертере, включающий заливку чугуна, загрузку твердого окислителя и углеродсодержащего материала, их перемешивание путем продувки ванны газом, продувку ванны кислородом, в котором предварительно отрафи- нированный от серы и фосфора чугун заливают в конвертер для обезуглероживания, а необходимое количество расходуемого кислорода на обезуглероживание определяется исходя из затрат кислорода на обезуглероживание, на окисление примесей чугуна, на окисление углеродсодержащих материалов с учетом кислорода железосодержащих окислителей [4].

Недостатком этого способа является низкий выход годной стали из-за потерь металла при удалении шлака после предварительного рафинирования от серы и фосфора.

Целью изобретения является повышение выхода годного металла.

Поставленная цель достигается тем, что в способе выплавки стали в конвертере, включающем заливку чугуна, загрузку твердого окислителя и углеродсодержащего материала, их перемешивание путем продувки ванны газом, продувку ванны кислородом, согласно изобретению, чугун, твердый окислитель и углеродсодержащий материал загружают при их соотношении 1: (0,10-0,25) : (0,015-0,075) соответственно, после чего в течение 20-25% от общей продолжительности продувки перемешивают ванну смесью нейтрального газа и кислорода в соотношении 1 : (0,15-0,25), при этом расход смеси нейтрального газа и кислорода поддерживают в пределах 100-150% от номинальной интенсивности продувки кислорода.

Признаки, отличающие техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, заявляемое техническое решение имеет "Изобретательский уровень".

Технический результат, достигаемый предлагаемым способом выплавки стали в конвертере заключается в том, что в условиях дефицита металлолома и необходимости более эффективного использования его заменителей, например таких как железо, марганец, хромсодержащие материалы, концентраты или агломераты, в конвертер заливают чугун, вводят твердый окислитель и углеродсодержащие материалы и перемешивают ванну смесью нейтрального газа и кислорода в соотношении 1 : (0,15-0,25) для восстановления оксидов металлов твердого окислителя углеродом чугуна и присаживаемых углеродсодержащих материалов и углеродсодержащими газами рабочего пространства конвертера, а также другими примесями чугуна. В качестве твердого окислителя могут использоваться как железосодержащие отходы металлургического производства, так и марганецсодержащие материалы в виде марганцовистого концентрата, марганцевой руды и т.п.

Для рассматриваемых условий и температур, характерных для конвертерного процесса, возможно развитие как твердофазного восстановления, когда восстановление оксидов металлов твердого окислителя протекает в твердой фазе с последующим плавлением и до восстановлением оксидов из расплава, так и жидкофазного восстановления с восстановлением оксидов твердого окислителя из расплава. При твердофазном восстановлении развитие реакций в сторону восстановления оксидов металлов возможно только в том случае, когда фактическая температура процесса выше температуры начала восстановления оксида металла, что также обеспечивается в предлагаемых условиях. При жидкофазном восстановлении на кинетических параметрах процесса благоприятно сказывается повышение температуры процесса и интенсивности перемешивания расплава.

Соотношение расходов жидкого чугуна, твердого окислителя и углеродсодержащих материалов 1:(0,10-0,25) : (0,015-0,075) определяется условиями обеспечения эффективного восстановления оксидов металлов твердого окислителя, увеличение кратного веса плавки при увеличении выхода годного металла и получения надлежащих технологических и технико-экономических показателей процесса.

При превышении этого соотношения будет недостаточно физического и химического тепла чугуна в пределах изменения его химического состава и температуры для расплавления твердого окислителя и углеродсодержащих материалов и восстановления оксидов металла из расплава. В этом случае необходимы дополнительные источники тепла, и реализуется только твердофазное восстановление оксидов металлов, что исключает возможность значительного повышения скорости восстановления, увеличивает время перемешивания расплава струями смеси нейтрального газа и кислорода, что приведет в дальнейшем к увеличению продолжительности продувки кислородом для нагрева ванны до температуры выпуска и возможного "передува" плавки и к дополнительным потерям производительного времени конвертера.

При соотношении расходов чугуна, твердого окислителя и углеродсодержащих материалов менее 1 : (0,10-0,25) : (0,015-0,075) введенные материалы будут полностью растворяться в чугуне с образованием гомогенного расплава при интенсивном перемешивании последнего. При этом твердофазное восстановление полностью исключается, а кинетические параметры жидкофазного восстановления в этих условиях не реализуются, что в целом снижает положительный эффект.

Продолжительность перемешивания расплава, состоящего из жидкого чугуна, твердого окислителя и углеродсодержащего материала струями смеси нейтрального газа и кислорода должна составлять не менее 20% общей продолжительности продувки, включающей собственно предварительное перемешивание для восстановления оксидов металлов и последующую окислительную продувку для нагрева ванны до температуры выпуска и рафинирования металла от вредных примесей, в противном случае не обеспечивается необходимая степень восстановления оксидов металлов. Невосстановленная часть оксидов в условиях последующего рафинирования металла будет взаимодействовать с углеродом чугуна с образованием преимущественно оксида углерода, дополнительно вспенивая ванну и увеличивая потери металла с выбросами и корольками металла в шлаке и поглощением значительного количества тепла.

Продолжительность перемешивания ванны должна составлять не более 25% общей продолжительности продувки, иначе наблюдается значительный охлаждающий эффект за счет вдуваемой газовой смеси, что приведет к дополнительным теплопотерям, снижению фактической температуры расплава и изменению кинетических параметров процесса, что исключает возможность развития реакций в сторону восстановления оксидов металлов. Дополнительное снижение фактической температуры расплава перед началом окислительной продувки кислородом для нагрева ванны до температуры выпуска и рафинирования от вредных примесей приводит к так называемому "холодному" началу операции и дополнительным потерям металла за счет чрезмерного вспенивания ванны, перелива шлакометаллической эмульсии через горловину конвертера и выбросов.

Предварительное перемешивание чугуна, твердого окислителя и углеродсодержащих материалов в конвертере струями смесью нейтрального газа и кислорода в соотношении 1 : (0,15-0,25) и расходом 100-150% номинальной интенсивности подачи кислорода преследует своей целью обеспечение интенсивного перемешивания расплава для создания максимального контакта между восстановителем и восстанавливаемым оксидом, что при прочих условиях обеспечивает лавинообразное нарастание скорости восстановления.

Соотношение расходов нейтрального газа и кислорода в перемешивающем газе не должно быть больше 1: (0,15-0,25), иначе изменение окислительного потенциала газовой фазы в условиях избытка кислорода приведет к снижению эффективности процесса восстановления металлов из твердого окислителя и дополнительному окислению ванны.

Уменьшение соотношения расходов нейтрального газа и кислорода в перемешивающем газе менее 1: (0,15-0,25) в условиях нестабильности химического состава и температуры чугуна приведет к снижению фактической температуры процесса ниже температуры начала восстановления оксидов металла, развитие реакций в сторону восстановления металлов будет невозможным.

Расход смеси нейтрального газа и кислорода не должен превышать 150% номинальной интенсивности подачи кислорода, что ограничено пропускной способностью газоотводящего тракта.

При снижении расхода смеси нейтрального газа и кислорода менее 100% номинальной интенсивности подачи кислорода не обеспечивается интенсивное перемешивание расплава, необходимое для создания максимального контакта между восстановителем и восстанавливаемым оксидом, что не позволяет обеспечить необходимой степени восстановления металлов из твердого окислителя и увеличить выход годного металла.

Пример. В 160-т конвертер заливают чугун в количестве 1,30 т. Температура заливаемого чугуна 1360^oC; химический состав, мас.% 4,2 углерода; 0,80 кремния; 0,75 марганца; 0,016 серы; 0,21 фосфора. Затем вводят прокатную окалину в количестве 22,5 т и антрацит 4,2 т. При этом соотношение расхода чугуна, прокатной окалины (твердый окислитель) и антрацита (углеродсодержащего материала) составляет соответственно 1 : 0,16 : 0,032. Конвертер переводят в рабочее положение, опускают кислородную фурму и начинают перемешивать ванну смесью азота (400 м/мин) и кислорода (100 м/мин) в соотношении 1 : 0,25, что соответствует 125% номинальной интенсивности подачи кислорода. Перемешивание ванны осуществляют в течение 6 мин (21,4% общей продолжительности продувки), после чего переходят на окислительную продувку металла кислородом, продолжительность которой составляет 22 мин. По ходу продувки присаживают шлакообразующие материалы и перемещают фурму в вертикальном направлении. Температура металла на повалке 1630^oC, металл содержит, мас.% 0,10 углерода; 0,12 марганца; 0,010 фосфора и 0,010 серы. Основность шлака составляет 4,1; содержание FeO 26,8%. Выход жидкого металла 97,3%.

Способ выплавки стали промышленно применим при выплавке стали в кислородных конвертерах.

Формула изобретения

Способ выплавки стали в конвертере, включающий заливку чугуна, загрузку твердого окислителя и углеродсодержащего материала, их перемешивание путем продувки ванны газом, продувку ванны кислородом, отличающийся тем, что чугун, твердый окислитель и углеродсодержащий материал загружают при их соотношении 1 : (0,10 - 0,25) : (0,015 - 0,075) соответственно, после чего в течение 20 - 25% от общей продолжительности продувки перемешивают ванну смесью нейтрального газа и кислорода в соотношении 1 : (0,15 - 0,25), при этом расход смеси нейтрального газа и кислорода поддерживают в пределах 100 - 150% от номинальной интенсивности продувки кислорода.