Способ рафинирования железоуглеродистого расплава

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к рафинированию жидкого доменного чугуна с использованием избирательного удаления из расплава таких элементов как титан, кремний, ванадий, хром, марганец, углерод и фосфор. В способе в качестве источника кислорода используют твердый рафинирующий материал фракцией 50-500 мм, содержащий смесь оксидов железа с металлическим утяжелителем в виде железоуглеродистого сплава, плотностью 0,6-1,0 от плотности рафинируемого расплава при соотношении массы оксидов железа к массе утяжелителя в пределах (10:90)-(30:70) и расходе материала в диапазоне от 1 до 35% от массы расплава. Изобретение позволяет сократить расход вдуваемого кислорода или полностью отказаться от его использования, а также исключить применение неподготовленного железорудного сырья, повысить степень извлечения полезных компонентов в шлак, обеспечить дополнительное поступление первородного железа в расплав в результате восстановления его оксидов. 11 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к рафинированию жидкого доменного чугуна с использованием избирательного удаления из расплава таких элементов как титан, кремний, ванадий, хром, марганец, углерод и фосфор.

Известен способ рафинирования железоуглеродистых сплавов, при котором удаление примесей осуществляют кислородом, вводимым в реакционную зону в виде газообразного дутья через фурму и в виде твердого окислителя, в качестве которого наиболее часто применяют прокатную окалину, железную руду и железорудные окатыши [1].

Способ характеризуется высоким расходом твердых окислителей, образованием большого количества переокисленного шлака, низкой стойкостью футеровки и значительной длительностью процесса перевода примесей в шлак, объясняемой стадийным механизмом перехода кислорода из шлака в расплав вследствие всплывания железорудных материалов к границе раздела фаз металл - шлак.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ комплексной обработки чугуна в ковше перед его заливкой в конвертер с целью удаления из расплава кремния и серы. В основу реализации такой технологии положен принцип организации в рабочем пространстве при продувке чугуна кислородно-топливными и газопорошковыми струями двух обособленных реакционных зон с одновременным или сдвинутым во времени раздельным преимущественным удалением кремния и серы без взаимного соприкосновения шлако- и газообразных продуктов реакций [2].

Данная технология обеспечивает обескремнивание расплава за счет вдувания через фурму газообразного кислорода, а также попутное частичное удаление марганца, углерода, фосфора и серы. Дополнительное снижение содержания серы осуществляют подачей газопорошковой струи, содержащей такие десульфураторы как известь и магний.

Недостатками известного способа являются сложность организации в рабочем пространстве ковша двух независимых реакционных зон, в одной из которых осуществляется десиликонизация расплава, а в другой - его десульфурация, необходимость использования двух фурм и изменения конструкции ковша, включающую в себя установку разделительной перегородки, а также практически неконтролируемое попутное удаление марганца и углерода.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа рафинирования жидкого чугуна, позволяющего сократить расход вдуваемого кислорода или полностью отказаться от его использования.

Ожидаемый технический результат заключается в:

- обеспечении избирательного окисления компонентов жидкого чугуна;

- исключении применения неподготовленного железорудного сырья;

- повышении степени извлечения полезных компонентов в шлак;

- снижении расхода газообразного кислорода или полное исключение его применения;

- повышении производительности подготовки чугуна к его дальнейшему металлургическому переделу;

- дополнительном поступлении первородного железа в расплав в результате восстановления его оксидов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе рафинирования железоуглеродистого расплава, включающем ввод в жидкий чугун кислорода, окисление примесей и перевод продуктов реакции в шлаковую или газовую фазы, по изобретению в качестве источника кислорода используют твердый рафинирующий материал фракцией 50-500 мм, представляющий собой смесь оксидов железа с металлическим утяжелителем в виде железоуглеродистого сплава, плотностью 0,6-1,0 от плотности рафинируемого расплава при соотношении массы оксидов железа к массе утяжелителя в пределах (10:90)-(30:70) и расходе материала в диапазоне от 1 до 35% от массы расплава.

В данном изобретении в качестве источника кислорода для рафинирования предлагается использовать специально подготовленный рафинирующий материал, обладающий плотностью 0,6-1,0 от плотности расплава и состоящий из смеси оксидов железа с металлическим утяжелителем в виде железоуглеродистого сплава. При этом фракция материала составляет 50-500 мм.

Принцип работы предлагаемого материала заключается в следующем. После ввода твердой рафинирующей смеси в жидкий железоуглеродистый расплав происходит ее нагрев и расплавление, в результате чего кислород, поступающий из собственных оксидов железа окисляет примеси материала-утяжелителя и железоуглеродистого расплава. Оксиды железа, отдав свой кислород на процесс окисления, восстанавливаются до металлического железа, которое поступает в расплав, обеспечивая дополнительный приход чистого металла.

Основные характеристики новых материалов для рафинирования железоуглеродистых расплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Основные характеристики новых материалов для рафинирования железоуглеродистых расплавов
Марка	Кол-во железорудного наполнителя, %	Кол-во утяжелителя, %	Содержание элементов, %	Плотность материала, кг/м3	Охлаждающая способность, кВт-ч/т
Feобщ	O2
СК20	20	80	88,7	5,6	6500	465
СК25	25	75	87,3	7,0	6300	510

При плотности материала более 1 от плотности расплава и фракции более 500 мм материал может образовывать на дне металлургического агрегата замороженные конгломераты, возникновение которых приводит к так называемому эффекту «мнимого расплавления», то есть к такому положению, когда на подине (дне) в течение длительного времени сохраняется не расплавившийся материал. Это, в свою очередь, может привести к затягиванию процесса рафинирования и к потере производительности.

При плотности менее 0,6 от плотности рафинируемого расплава и диаметре куска менее 50 мм процессы плавления материала будут протекать на поверхности жидкого железоуглеродистого сплава, а скорость окислительно-восстановительных реакций будет существенно ниже в связи с диффузионным механизмом поступления кислорода вглубь ванны.

Предварительная подготовка материала позволяет осуществлять доставку кислорода вглубь расплава, что практически недостижимо при использовании различных видов железорудного сырья. При этом ввод данного материала возможен в чугуновозный ковш непосредственно перед подачей в него расплава чугуна или в индукционный миксер. В ряде случаев куски материала могут быть подвергнуты предварительному подогреву, что обеспечит увеличение доли вводимой окускованной смеси.

Выбор того или иного способа ввода нового рафинирующего материала во многом зависит от количества примесей в чугуне подлежащих удалению. При малых значениях удаляемых примесей расход кислорода на их окисление невелик. Следовательно, для процесса перевода этого количества примесей необходимо ввести относительно небольшую массу твердого рафинирующего материала (до 9% от массы расплава), что, в свою очередь, не приведет к резкому охлаждению железоуглеродистого расплава и к потере его жидкотекучести. В этом случае ввод окускованной смеси рекомендуется осуществлять непосредственно в чугуновозный ковш. Удаление больших количеств примесей потребует увеличение расхода кислорода на их окисление, а значит и ввода рафинирующего материала в количествах, превышающих 9%. В этом случае необходим подвод стороннего тепла для процесса рафинирования. В качестве такого дополнительного источника энергии может служить индуктор.

Рафинирующий материал вводят в расплав в количестве 1-35% от веса расплава, при этом соотношение в нем массы оксидов железа к массе утяжелителя находится в пределах (10:90)-(30:70). Конкретные значения расхода и соотношение масс оксидов железа и утяжелителя в материале определяются исходя из количества примесей чугуна, подлежащих удалению, и из требуемого состава шлака. Например, при деванадации ванадиевого чугуна и получении шлака, содержащего V₂O₃, кислорода из состава рафинирующего материала должно хватать на окисление примесей, а состав шлака должен быть оптимальным с позиций процесса перевода ванадия в шлак и удержания его в нем.

Важное значение для выбора материала имеет величина охлаждающей способности той или иной его марки и запас тепла в ванне. При недостаточном запасе тепла для реализации изобретения можно применять предлагаемый способ совместно с предварительным подогревом твердого рафинирующего материала или в металлургическом агрегате с возможностью подвода дополнительного количества тепловой энергии (индукционный миксер, установка «печь - ковш»).

Выбор того или иного способа ввода нового рафинирующего материала осуществляют на базе следующей методики.

Исходные данные, необходимые для расчета:

- Химический состав рафинируемого железоуглеродистого расплава: С=4,5%; Si=0,6%; Mn=0,1%; Р=0,04%; S=0,03%.

- Температура жидкого чугуна - 1450°С.

- Масса рафинируемого расплава - 100 т.

- Марка рафинирующего материала - СК20.

- Необходимо удалить 0,2% кремния.

Методика расчета.

Снижение температуры расплава допустимо до 1350°С, то есть на 100°С. Определим запас тепла, имеющийся при принятых условиях. Физическое тепло расплава вычислим по формуле [3]:

Q=(61,9+0,88×Т_чуг)×m_чуг

Q₁=(61,9+0,88×1450)×100000=133790 МДж.

Q₂=(61,9+0,88×1350)×100000=124990 МДж.

Запас тепла ΔQ=133790-124990=8800 МДж.

Согласно данным, приведенным в таблице 1, охлаждающая способность СК 20 равна 465 кВт-ч/т или 1674,5 МДж/т. Таким образом, в расплав можно ввести около 8800/1674,5=5,3 т СК20 (5,3% от массы рафинируемого расплава). Это количество материала внесет 296,8 кг кислорода. При химическом составе утяжелителя, аналогичном рафинируемому расплаву наряду с 0,2% кремния, необходимо окислить еще около 25,4 кг кремния (при его полном окислении), для чего потребуется 28,9 кг кислорода. Оставшиеся 267,9 кг кислорода могут окислить 235,8 кг кремния. Из 100 т расплава необходимо удалить 200 кг кремния. Таким образом, в расплав для корректировки химического состава чугуна по кремнию достаточно ввести около 5,3×200/235,8=4,5 т материала СК20. Ввод такого количества рафинирующего материала не приведет к чрезмерному охлаждению расплава и к потере его жидкотекучести. В связи с этим, для рафинирования 100 т железоуглеродистого сплава указанного состава рекомендуется вводить СК20 непосредственно в чугуновозный ковш, не применяя при этом предварительный подогрев рафинирующей смеси.

Избирательность окисления примесей достигается регулированием массы вносимого с материалом кислорода. В условиях недостатка кислорода на полное окисление примесей в первую очередь окисляются те элементы, сродство которых к кислороду больше. Так, например, при одновременном наличии в рафинируемом расплаве кремния и углерода в условиях недостатка кислорода преимущественное развитие получит реакция окисления кремния.

Примеры реализации изобретения.

Адекватность выдвигаемых положений проверяли для двух случаев.

По первому варианту предлагаемый материал использовали для деванадации ванадиевого чугуна следующего химического состава: С=4,5%; Si=0,4%; Mn=0,1%; V=0,4%. Процесс деванадации осуществляли в индукционной тигельной печи садкой 160 кг без использования кислородного дутья.

Согласно предварительным расчетам для окисления ванадия до V₂O₃ и перевода его в шлак без использования газообразного кислорода необходимо обеспечение следующего соотношения между количеством рафинируемого чугуна и нового материала (в % от массы садки) - 69,4% - чугун, 30,6% - рафинирующий материал марки СК20 или приблизительно 2,3/1. Тогда теоретический расход материалов на процесс с учетом садки данного агрегата составит 111 кг - чугун и 49 кг - СК20.

Всего выполнено три индукционные плавки с целью определения степени деванадации с использованием чугуна и нового материала марки СК20. Химический состав рафинируемого чугуна приведен в таблице 2. Химический состав рафинирующего материала представлен в таблице 3.

Таблица 2 Химический состав рафинируемого чугуна, %
Fe	С	Si	V	Mn	Р	S
94,52	4,5	0,4	0,4	0,1	0,05	0,03
Таблица 3 Химический состав рафинирующего материала, %
Feмет	Fe2O3	FeO	С	Si	V	Mn	Р	S	SiO2	MgO	CaO
75,62	18,70	0,22	3,60	0,32	0,32	0,08	0,04	0,024	0,92	0,05	0,034

Все экспериментальные плавки выполнены в следующей последовательности. В начале в тигель печи загружали чугун, химический состав которого приведен в таблице 2. После его расплавления и нагрева до температуры 1450°С в печь отдавали чушковый рафинирующий материал с геометрической формой в виде усеченной пирамиды со следующими параметрами - высота - 80 мм, ширина основания - 170 мм, длина основания - 240 мм. При этом плотность единичного куска изменялась в узких пределах 6450-6500 кг/м³. Плавки проводили в печи с кислой футеровкой без применения дополнительных шлакообразующих компонентов. Соотношение массы оксидосодержащего наполнителя к массе металлического утяжелителя в рафинирующем материале составило 20:80 или 1:4. На всех плавках фиксировали следующие параметры: массу расплава, массу шлака и температуру металла перед вводом кускового рафинирующего материала.

После проведения плавок, отобранные пробы металла и шлака анализировали на содержание следующих элементов и соединений:

- металл - Fe, С, Si, Mn, V;

- шлак - SiO₂, V₂O₃, FeO, MnO, CaO, MgO.

Химический состав расплава после деванадации приведен в таблице 4. Химический состав шлака приведен в таблице 5.

Таблица 4 Химический состав расплава после деванадации, %
№ плавки	Feмет	С	V	Si	Mn
1	96,26	3,61	0,03	следы	следы
2	96,28	3,56	0,05	следы	следы
3	96,29	3,59	0,02	следы	следы
Таблица 5 Химический состав шлака, %
№ плавки	FeO	V2О3	SiO2	MnO	MgO	CaO
1	31,24	19,95	43,00	4,76	0,63	0,43
2	31,48	19,00	43,63	4,79	0,65	0,44
3	31,05	20,25	42,91	4,73	0,63	0,43

Расход материалов на проведение плавок и выход жидкого расплава приведен в таблице 6.

Таблица 6 Расход материалов на проведение плавок и выход жидкого расплава
№ плавки	Масса чугуна, кг	Масса рафинирующего материала, кг	Суммарный расход материалов, кг	Масса полученного расплава, кг
1	107,0	50,0	157,0	150,2
2	107,5	52	159,5	152,5
3	108,3	51,7	160,0	153,0

Степень деванадации составила поплавочно:

1-92%;

2-87%;

3-94%.

В среднем по проведенной серии плавок степень извлечения ванадия в шлак составила 91%, что не ниже аналогичного показателя, характерного для деванадации в кислородном конвертере, а содержание углерода в расплаве в среднем на 1% выше, чем по существующей технологии [1].

По второму варианту новый материал использовали для частичного обезуглероживания расплава чугуна в ковше. Перед исследованием стояла задача снизить содержание углерода с 4,5 до 4,3%. Эксперимент проводили в следующей последовательности. В начале осуществили выплавку чугуна в индукционной тигельной печи садкой 160 кг. Затем полученный расплав перегрели до температуры 1500°С и выпустили в три заранее подготовленных ковша. Предварительная подготовка ковшей заключалась в дозировании в них рафинирующего материала в виде шаров диаметром 80 мм и последующем их совместном нагреве до температуры 700°С. Плотность используемого материала составляла 6470-6520 кг/м³, а соотношение массы оксидосодержащего наполнителя к массе металлического утяжелителя - 20:80 или 1:4. Значения массы отдельных кусков изменялись в пределах 1,50-1,65 кг.

Химический состав рафинируемого чугуна приведен в таблице 7. Химический состав рафинирующего материала представлен в таблице 8.

Таблица 7 Химический состав рафинируемого чугуна, %
Fe	С	Si	Mn	Р	S
94,77	4,50	0,50	0,15	0,05	0,03
Таблица 8 Химический состав рафинирующего материала, %
Feмет	Fe2O3	FeO	С	Si	Mn	Р	S	SiO2	MgO	CaO
76,11	18,72	0,26	3,52	0,24	0,08	0,032	0,020	0,920	0,05	0,034

В ходе проведения эксперимента фиксировали следующие параметры: массу расплава в ковше; массу шлака, полученного в результате взаимодействия компонентов рафинирующего материала с расплавом чугуна; температуру чугуна перед выпуском и температуру предварительного нагрева кусков используемой смеси.

После полного расплавления кусков рафинирующего материала и завершения реакции окисления углерода отбирали ковшевые пробы металла и шлака. Пробы анализировали на содержание следующих элементов и соединений:

- металл - С, Si, Mn, Р, S;

- шлак - SiO₂, FeO, MnO, CaO, MgO.

Химический состав расплава после ковшевого обезуглероживания приведен в таблице 9. Химический состав шлака приведен в таблице 10.

Таблица 9 Химический состав расплава после ковшевого обезуглероживания, %
№ ковша	С	Si	Mn	Р	S
1	4,293	0,282	0,115	0,049	0,029
2	4,289	0,280	0,115	0,049	0,029
3	4,305	0,281	0,087	0,048	0,028

Таблица 10 Химический состав шлака, %
№ ковша	FeO	SiO2	MnO	MgO	CaO
1	2,83	89,03	6,93	0,72	0,49
2	2,85	89,04	6,88	0,73	0,50
3	2,62	83,81	12,44	0,67	0,46
Таблица 11 Материальный баланс процесса рафинирования
№ ковша	Масса чугуна, кг	Масса рафинирующего материала, кг	Доля рафинирующего материала, %	Суммарный расход материалов, кг	Масса расплава, кг	Масса шлака, кг
1	53,0	4,7	8,87	57,7	57,15	0,32
2	50,0	4,5	9,00	54,5	53,97	0,31
3	56,0	4,9	8,75	60,9	60,31	0,37

Как показывают данные таблицы 9, поставленная цель, а именно снижение содержания углерода в расплаве с 4,5 до 4,3% при его обработке новым рафинирующим материалом была полностью достигнута. При этом содержание углерода в полученном металле находится в пределах 4,289-4,305%.

Данные, полученные в ходе отработки технологии рафинирования расплава чугуна в индукционной тигельной печи и в разливочном ковше, свидетельствуют об эффективности предлагаемого способа, основанного на использовании твердой смеси железорудных материалов с утяжелителем.

Внедрение в производство разработанного способа позволит в ряде случаев отказаться от применения дуплекс - процесса «кислородный конвертер - кислородный конвертер», который используется на металлургических заводах с целью передела природно-легированных чугунов в сталь. По имеющейся схеме на первой стадии (конвертер 1) осуществляют перевод ванадия из расплава ванадиевого чугуна в шлак путем продувки кислородом или воздухом с добавлением в качестве охладителей - окислителей окалины или железорудных окатышей. Продуктами плавки в данном случае являются ванадиевый шлак, который затем используют для получения ванадия и углеродистый полупродукт. На второй стадии передела (конвертер 2) полученный углеродистый полупродукт, из состава которого полностью удалены такие элементы как кремний и марганец, а также значительно снижено содержание в нем углерода путем продувки кислородом, перерабатывают в сталь. Использование нового способа рафинирования железоуглеродистых расплавов позволит перенести операцию деванадации из кислородного конвертера в индукционный миксер с отказом от работы по схеме дуплекс - процесса. Это позволит упростить технологическую цепочку передела природно-легированного ванадием чугуна в сталь и повысить производительность конвертерного цеха по выплавляемой стали.

Предлагаемый способ рафинирования железоуглеродистых расплавов за счет использования нового рафинирующего материала является универсальным и может быть применен для перевода в шлак не только кремния и ванадия, но и титана, марганца, хрома и фосфора. Наряду с этим, результаты выполненных исследований позволяют сделать вывод об эффективности использования подобных материалов при частичном обезуглероживании железоуглеродистых сплавов. При этом образующаяся в результате реакции окисления углерода газовая фаза, состоящая из СО и СО₂, способствует перемешиванию расплава, усреднению его химического состава и ассимиляции в шлаке неметаллических включений.

Библиографический список

1. В.И.Ильин, С.Б.Батуев, Е.В.Шеховцов, О.Н.Кокареко, Ю.А.Дерябин. Отработка технологии деванадации чугуна с использованием неофлюсованных окатышей. Сталь, 2000 г., № 5, с.20-21.

2. А.Г.Чернятевич, В.Н.Селищев, А.С.Вергун, А.Н.Кравец, К.И.Чубин. Новые разработки по ковшевому рафинированию чугуна перед кислородно-конвертерной плавкой. Сборник трудов 6 конгресса сталеплавильщиков, 2000 г., с.424-430.

3. А.М.Бигеев. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1982 г., 160 с.

Способ рафинирования железоуглеродистого расплава, включающий ввод в расплав кислорода, окисление примесей и перевод продуктов реакции окисления в шлаковую или газовую фазы, отличающийся тем, что в качестве источника кислорода используют твердый рафинирующий материал фракцией 50-500 мм, содержащий смесь оксидов железа с металлическим утяжелителем в виде железоуглеродистого сплава, плотностью 0,6-1,0 от плотности рафинируемого расплава при соотношении массы оксидов железа к массе утяжелителя в пределах (10:90)-(30:70) и расходе материала в диапазоне от 1 до 35% от массы расплава.