Способ продувки высокохромистых сталей

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к способам производства нержавеющей стали, и может быть использовано при выплавке высокохромистых (более 9% хрома) марок стали в конвертерах с придонным или донным дутьем (процессы AOD, CLU, KCB-S и др.). Технический результат - сокращение длительности плавки в конвертере, получение стабильно низкого содержания углерода в металле по окончании рафинирования, снижение расхода раскислителей, легирующих и энергоносителей, повышение качества готового металла. Способ продувки высокохромистых сталей в конвертере с донным дутьем включает заливку высокохромистого расплава в конвертер с донным дутьем, его окислительную продувку кислородом и нейтральными газами через верхнюю водоохлаждаемую фурму и придонные фурмы, продувку аргонокислородной смесью через придонные фурмы при достижении содержания углерода в металле 0,15-0,20%. Плавно изменяют соотношение О₂ к инертномугазу от 6/1 в начале окислительной продувки до 1/6 к концу продувки аргонокислородной смесью. При достижении содержания углерода в металле 0,04-0,10% через придонные фурмы расплав продувают одним аргоном с интенсивностью 30-70 м³/мин в течение 5-10 минут, после чего присаживают раскислители и шлакообразующие материалы. 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к способам производства нержавеющей стали, и может быть использовано при выплавке высокохромистых (более 9% хрома) марок стали в конвертерах с придонным или донным дутьем (процессы AOD, CLU, KCB-S и др.).

Известен способ производства высокохромистой коррозионностойкой стали в конвертере с донным дутьем, включающий заливку, предварительно выплавленного в электропечи, высокохромистого расплава, его последующую продувку кислородом и нейтральными газами (аргоном, азотом) через верхнюю водоохлаждаемую фурму и придонные фурмы, причем, при достижении содержания углерода в металле, примерно 0,15-0,20%, рафинирование ведут только через придонные фурмы смесью кислорода с нейтральным газом при одновременном подводе защитного газа, по достижении заданного содержания углерода продувку расплава производят чистым аргоном, при такой продувке проводят восстановительный период плавки, целью которого являются восстановление окислившегося хрома из шлака в металл, а также раскисление и десульфурация стали. Окислительную продувку производят с изменением соотношения О₂/ИГ от 6/1 до 1/6. С целью устранения перерывов в продувке и прекращения окисления углерода при повалке конвертера для отбора проб и измерения температуры в конвертер введена дополнительная фурма. В этом способе, с целью интенсификации процесса, снижения расхода инертного газа в период окислительной продувки, для подачи кислорода, используют верхнюю водоохлаждаемую фурму, также для отбора проб и измерения температуры введена дополнительная фурма; для снижения окисленности расплава и эффективного восстановления хрома из шлака, в момент присадки раскислителей, производят интенсивное перемешивание металла аргоном через придонные фурмы (1). Данный способ наиболее близок по технической сущности к изобретению и принят за прототип.

К недостаткам известного способа производства высокохромистой коррозионностойкой стали в конвертере с донным дутьем следует отнести повышенный расход раскислителей на восстановление окислов хрома из шлака и раскисление металла, ввиду высокого содержания растворенного кислорода в расплаве по окончании окислительной продувки.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является сокращение длительности плавки, а также получение стабильно низкого содержания углерода в металле по окончании рафинирования, снижение расхода раскислителей, легирующих и энергоносителей, повышение качества готового металла.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается способ продувки высокохромистых сталей в конвертере с донным дутьем, включающий заливку высокохромистого расплава в конвертер с донным дутьем, его окислительную продувку кислородом и нейтральными газами через верхнюю водоохлаждаемую фурму и придонные фурмы, продувку аргонокислородной смесью через придонные фурмы при достижении содержания углерода в металле 0,15-0,20%, плавное изменение соотношения кислорода к инертному газу от 6/1 в начале окислительной продувки до 1/6 к концу продувки аргонокислородной смесью, продувку расплава одним аргоном через придонные фурмы в период восстановления при достижении требуемых значений содержания углерода в металле, присадку раскислителей и шлакообразующих материалов, при этом продувку расплава одним аргоном через придонные фурмы осуществляют при достижении содержания углерода в металле 0,04-0,10% с интенсивностью 30-70 м³/мин в течение 5-10 минут.

При производстве нержавеющих сталей дуплекс-процессом (электропечь-конвертер) в дуговой электропечи производится расплавление стальных отходов (как легированных, содержащих хром и никель, так и углеродистых) и легирующих добавок (сплавы хрома, никель и его сплавы и др.). Для снижения угара хрома при получении высокохромистого расплава в ДСП, а также, с учетом необходимости интенсивного ведения последующего процесса в конвертере, обеспечиваемого окислением углерода, и нагрева металла по ходу процесса, плавку в электропечи заканчивают при содержаниях углерода 0,6-1,5% и содержании кремния <0,25%, хрома и никеля в пределах марочного состава или чуть выше.

Процесс газокислородного рафинирования нержавеющей стали основан на понижении парциального давления Р_со инертным газом. Для этого продувку высокохромистого расплава ведут не кислородом, а смесью кислорода и инертного газа. В результате такой продувки, образующиеся при окислении углерода, пузыри СО разбавляются инертным газом, и соответственно Р_со понижается. Это позволяет избежать интенсивного окисления хрома в момент окислительной продувки при постоянных других условиях.

После заливки высокохромистого расплава в конвертер, оборудованный верхней водоохлаждаемой и придонными (донными) фурмами, производят окислительную продувку. Окислительный период плавки ведут с плавным изменением соотношения кислорода к инертному газу в дутье от 6/1 в начале окислительной продувки до 1/6 к концу продувки аргонокислородной смесью, причем подачу кислорода через верхнюю водоохлаждаемую фурму как чистого, так и в виде газокислородной смеси (с инертным газом - азотом или аргоном), осуществляют до соотношения О₂/ИГ - 1/1 или до достижения содержаний углерода в металле 0,15-0,20%. После чего продувку расплава производят аргонокислородной смесью только через придонные фурмы до заданных содержаний углерода, при одновременной защите струи от негативного воздействия на футеровку инертным газом (аргоном, природным газом, метаном и др.).

Ввиду того, что при продувке высокохромистого расплава до содержаний углерода в металле около 0,15-0,20% лимитирующей стадией процесса окисления углерода является внешний массоперенос кислорода, который зависит исключительно от скорости его подвода к месту реакции и не зависит от содержания углерода и доли аргона в смеси, поэтому, с точки зрения интенсификации процессов, протекающих в ванне, целесообразно для ввода кислорода в расплав, использовать верхнюю водоохлаждаемую фурму.

При содержаниях углерода в расплаве 0,15-0,20% происходит смена кинетического режима реакции окисления углерода и ее характер (при содержаниях 0,15-0,20% и ниже) зависит как от диффузии углерода в металле (в большей степени), так и от массопереноса кислорода в металл. Исходя из термодинамических условий протекания реакции окисления углерода, продувку металла при таких содержаниях углерода (до требуемых значений) целесообразнее вести через придонные фурмы аргонокислородной смесью, постепенно понижая окислительный потенциал дутья, путем изменения соотношений O₂/ИГ от 1/1 до 1/6 (снижение парциального давление Р_со).

При достижении содержаний углерода в металле 0,04-0,10% подачу кислорода через придонные фурмы прекращают, продувку высокохромистого расплава ведут одним аргоном в течение 5-10 минут с интенсивностью 30-70 м³/мин до заданных значений. О характере окисления углерода в металле в период аргонной продувки судят по содержанию СО и CO₂ в отходящих газах.

При содержаниях углерода в расплаве менее 0,10% его окисление (при Р_со<1,0) происходит в основном за счет избытка растворенного в металле кислорода, поэтому в конце окислительного периода отпадает необходимость в его введении. В данном случае имеет место процесс «углеродного раскисления» металла.

Опытным путем установлено, что в процессе продувки металла чистым аргоном в конце окислительного периода содержание углерода понижается на 0,02-0,05%. Этим фактом и объясняются содержания углерода в металле в пределах 0,04-0,10%, при которых прекращают подвод кислорода через придонные фурмы. Ввиду того, что основной производимый сортамент нержавеющих марок стали (08-12Х18Н10(Т), 08-10Х17Н13М2(3)Т, 04-08Х17Т, 08Х18Т1 и др.) имеет в своем составе пониженное содержание углерода (не более 0,12%), с целью гарантированного обеспечения его требуемых содержаний в готовом металле, подачу кислорода в металл следует прекращать при содержаниях углерода не выше 0,10%. Продувка расплава аргонокислородной смесью ниже 0,04% углерода в металле приведет к увеличению растворенного в металле кислорода и повлечет повышенный расход раскислителей.

Продувку высокохромистого расплава одним аргоном производят в течение 5-10 минут с интенсивностью 30-70 м³/мин, после чего присаживают раскислители и проводят период восстановления, не прекращая продувки аргоном через придонные фурмы. Продувка менее 5 минут не позволяет свести к минимуму количество растворенного металлом кислорода и добиться требуемых содержаний углерода в металле, кроме того, для связывания излишнего количества кислорода потребуется увеличение расхода раскислителей, продувка более 10 минут приведет к увеличению окислительного периода и плавки в целом, а также к повышенному расходу аргона. При интенсивности продувки аргоном менее 30 м³/мин процесс обезуглероживания протекает весьма медленно и для достижения требуемых содержаний углерода необходим длительный период продувки аргоном, интенсивность продувки более 70 м³/мин не целесообразна, ввиду более интенсивного охлаждения расплава.

О прекращении процесса обезуглероживания, протекающего в конвертере в ходе продувки расплава чистым аргоном, судят по содержаниям окиси и двуокиси углерода в отходящих газах при помощи газоанализатора. Постепенное снижение концентраций СО и СО₂ в отходящих газах и их последующая стабилизация свидетельствуют об окончании процесса окисления углерода в металле и начале восстановительного периода плавки.

В ходе восстановительного периода продолжают продувку расплава одним аргоном, в конвертер присаживают шлакообразующие материалы (известь, плавиковый шпат) и раскислители. Проведение восстановительного периода позволяет максимально извлечь из шлака, окислившийся в ходе окислительной продувки расплава хром, получить низкие концентрации кислорода и серы в металле.

По каждому из представленных в таблице 1 вариантов предлагаемой технологии продувки высокохромистого расплава в конвертере, оборудованном придонными фурмами, проведено не менее 5 плавок различных марок нержавеющей стали. Для сравнения, по известной технологии произведено не менее 100 опытных плавок, результаты которых также представлены в таблице 1 (средние значения).

Пример 1. В конвертер (агрегат аргонокислородного рафинирования (АКР)), оборудованный семью придонными, типа «труба в трубе», и верхней водоохлаждаемой фурмой, заливают предварительно выплавленный в электропечи высокохромистый расплав стали марки 08Х18Н10Т с температурой 1580°С в количестве 115 тонн следующего химического состава: углерод - 0,91%, кремний - 0,16%, сера - 0,019%, фосфор - 0,031%, хром - 19,6%, никель -10,8%. Окислительный период плавки ведут с плавным изменением соотношения кислорода к инертному газу в дутье от 6/1 в начале продувки до 1/6 к концу продувки аргонокислородной смесью. Кислород в первые окислительные периоды (соотношения O₂/ИГ -6/1,4/1, 1/1) подается преимущественно через верхнюю водоохлаждаемую фурму в смеси с азотом, через придонные фурмы вдувается азото-(аргоно-)кислородная смесь - через центральные каналы, азот (аргон, природный газ) - по щелевым каналам. При достижении содержания углерода в металле примерно 0,15-0,20% верхнюю фурму поднимают, продувку расплава осуществляют через придонные фурмы аргонокислородной смесью через центральные каналы, аргоном - через щелевые. Температура металла по ходу обезуглероживания не превышала 1720°С, ее корректировку производили присадкой охладителя, в виде обрези прокатных цехов углеродистых или нержавеющих марок стали с низким содержанием фосфора. Кроме того, по ходу рафинирования, для корректировки металла по химическому составу присаживали углеродистый феррохром и ферроникель или никель. При получении в металле 0,085% углерода продувку расплава аргонокислородной смесью прекращают, расплав продувают одним аргоном в течение 7 минут с интенсивностью 60 м³/мин, после чего на шлак присаживают раскислители и шлакообразующие материалы (известь, плавиковый шпат) и, не прерывая продувки расплава аргоном, проводят восстановительный период плавки. Основность шлака, не менее 1,8, по ходу всей плавки в конвертере поддерживали присадками свежеобоженной извести; причем основное количество извести, требуемое для периода восстановления, отдавали в конце окислительного периода.

О характере окисления углерода по ходу окислительного периода и прекращении процесса обезуглероживания, протекающего в конвертере в ходе продувки расплава чистым аргоном, судят по содержаниям окиси и двуокиси углерода в отходящих газах при помощи газоанализатора.

После восстановительного периода температура металла составила 1660°С, химический анализ был следующим: углерод - 0,036%, кремний - 0,28%, сера - 0,008%, фосфор - 0,032%, хром - 17,79%, никель - 10,98%. Химический анализ шлака перед его удалением из конвертера, после восстановительного периода, был следующим: СаО - 57,9%, SiO₂ - 30,2%, Cr₂О₃ - 0,72%, MnO - 0,48%, FeO - 0,22%; извлечение хрома, окислившегося за период окислительной продувки, из шлака высокое - более 97%.

Длительность плавки от заливки высокохромистого расплава до выпуска металла составила 63 минуты, содержание углерода за период аргонной продувки снизилось на 0,047%, удельный расход ФС65 низкий - 20,3 кг/т, расход аргона- 15,1 м³/г.

Пример 2. То же, что и в примере 1, только длительность продувки одним аргоном составила 5 минут (в заявляемых пределах) при интенсивности 60 м³/мин. Средняя продолжительность плавки по варианту 2 несколько меньше, удельный расход ФС65 и аргона также не велики, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,036%.

Пример 3. То же, что и в примере 1, только длительность продувки одним аргоном составила 10 минут (в заявляемых пределах) при интенсивности 60 м³/мин. Средняя продолжительность плавки по варианту 3 несколько выше, удельный расход ФС65 низкий, расход аргона также не высок, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,046%.

Пример 4. То же, что и в примере 1, только длительность продувки одним аргоном составила 3 минуты, ниже заявляемых пределов, при интенсивности 60 м³/мин. Средняя продолжительность плавки по варианту 4 не изменилась, расход аргона ниже, однако существенно вырос удельный расход ФС65, вследствие повышенного содержания растворенного кислорода в расплаве, на момент присадки раскислителей, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,020%.

Пример 5. То же, что и в примере 1, только длительность продувки одним аргоном составила 12 минут, выше заявляемых пределов, при интенсивности 60 м³/мин. Средняя продолжительность плавки по варианту 5 увеличилась, удельный расход ФС65 низкий, расход аргона вырос из-за увеличения длительности аргонной продувки, за период продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,049%.

Пример 6. То же, что и в примере 1, только длительность продувки расплава одним аргоном составила 10 минут при интенсивности 60 м³/мин (в заявляемых пределах), среднее содержание углерода, при котором начинали продувку расплава аргоном 0,152%, выше заявляемых пределов. Средняя продолжительность плавки по варианту 6 практически не увеличилась, удельный расход ФС65 и аргона низкие, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,053%, однако, задаваемую марку стали с содержанием углерода не более 0,08%, получить не удалось.

Пример 7. То же, что и в примере 1, только длительность продувки одним аргоном составила 7 минут при интенсивности 60 м³/мин (в заявляемых пределах), содержание углерода, при котором начинали продувку расплава аргоном 0,036%, ниже заявленных пределов. Средняя продолжительность плавки по варианту 7 значительно выше, из-за более длительного окислительного периода, по этой же причине расход аргона несколько выше, удельный расход ФС65 высокий, ввиду повышенного содержания растворенного кислорода в металле к моменту присадки раскислителей, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,016%.

Пример 8. То же, что и в примере 1, длительность продувки одним аргоном составила 7 минут при интенсивности 30 м³/мин (в заявляемых пределах). Средняя продолжительность плавки по варианту 8 не изменилась, удельный расход ФС65 и аргона низкие, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,045%.

Пример 9. То же, что и в примере 1, длительность продувки одним аргоном составила 7 минут при интенсивности 30 м³/мин (в заявляемых пределах). Средняя продолжительность плавки по варианту 9 выросла, ввиду повышенного исходного содержания углерода в расплаве и, соответственно, более длительного окислительного периода, удельный расход ФС65 и аргона не высокие, за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,047%.

Пример 10. То же, что и в примере 1, длительность продувки одним аргоном составила 7 минут при интенсивности 20 м³/мин, ниже заявляемых пределов. Средняя продолжительность плавки по варианту 10 практически не изменилась, расход аргона значительно ниже, однако ввиду невысокой интенсивности перемешивания расплава, реакция обезуглероживания в период аргонной продувки носила «вялый» характер, чем объясняется повышенное содержание растворенного кислорода и как следствие, высокий расход ФС65; за период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,027%.

Пример 11. То же, что и в примере 1, длительность продувки одним аргоном составила 7 минут при интенсивности 80 м³/мин, выше заявляемых пределов. Средняя продолжительность плавки по варианту 11 не изменилась, расход аргона вырос, удельный расход ФС65 не высокий, однако ввиду более интенсивной продувки расплава аргоном, температура металла перед выпуском из агрегата АКР оказалась ниже требуемых значений, что привело к повышенному расходу электроэнергии при дальнейшей обработке на агрегате «ковш-печь». За период аргонной продувки содержание углерода в металле снизилось на 0,042%.

Представленные в таблице данные показывают, что продувка высокохромистых марок стали в конвертере с донным дутьем по предлагаемому способу, в сравнении с известным, позволит сократить длительность плавки, значительно снизить расход раскислителей, легирующих и энергоносителей на плавку, повысить качество готового металла. Кроме того, использование предлагаемого способа дает возможность получать стабильно низкие содержания углерода в металле, как по окончании рафинирования, так и в готовом металле.

Таблица
	Номер варианта	Начальное содержание углерода в расплаве, %	Содержание углерода по окончании окислительной продувки, %	Содержание углерода после восстановительног о периода, %	Содержание кремния после восстановительног о периода, %	Время продувки аргоном, мин	Интенсивность продувки аргоном, м3/мин	Удельный расход ФС65, кг/т	Удельный расход аргона, м3/т	Длительность плавки, мин
Предлагаемая технология	1	0,824	0,081	0,034	0,321	7	60	20,3	15,1	63
	2	0,789	0,079	0,043	0,256	5	60	23,1	14,9	62
	3	1,013	0,075	0,029	0,401	10	60	20,5	15,9	67
	4	0,984	0,098	0,078	0,097	3	60	28,3	13,7	63
	5	0,85	0,08	0,031	0,389	12	60	21,9	17,5	71
	6	1,204	0,152	0,099	0,364	10	60	22,4	15,9	69
	7	1,01	0,036	0,02	0,102	6	60	27,8	16,7	75
	8	0,854	0,069	0,024	0,293	7	30	23,2	14,8	64
	9	1,351	0,078	0,031	0,318	7	70	22,9	15,4	70
	10	0,913	0,084	0,057	0,185	7	20	25,9	14,2	65
11	0,798	0,091	0,049	0,244	7	80	23,5	16,5	63
Известный способ		1,128	0,049	0,053	0,089	-	-	29,4	18,3	83

Способ продувки высокохромистых сталей, включающий заливку высокохромистого расплава в конвертер с донным дутьем, его окислительную продувку кислородом и нейтральными газами через верхнюю водоохлаждаемую фурму и придонные фурмы, продувку аргонокислородной смесью через придонные фурмы при достижении содержания углерода в металле 0,15 - 0,20%, плавное изменение соотношения кислорода к инертному газу от 6/1 в начале окислительной продувки до 1/6 к концу продувки аргонокислородной смесью, продувку расплава одним аргоном через придонные фурмы в период восстановления при достижении требуемых значений содержания углерода в металле, присадку раскислителей и шлакообразующих материалов, отличающийся тем, что продувку расплава одним аргоном через придонные фурмы проводят при достижении содержания углерода в металле 0,04-0,10% с интенсивностью 30-70 м³/мин в течение 5-10 мин.