Композиционная шихта для выплавки стали

 

Использование: в черной металлургии, конкретно в составах металлошихты для производства стали, предназначенные, в основном, для выплавки высококачественных сталей в электропечах. Сущность изобретения: композиционная шихта для выплавки стали содержит железоуглеродистый сплав и оксидный материал в следующем соотношении, мас. железоуглеродистый сплав 50-95, оксидный материал 5-50. Оксидный материал содержит свободные оксиды металлов, имеющие сродство к кислороду равное и/или меньше, чем у углерода в количестве 0,25-99,5% Композиционная шихта по изобретению обеспечивает сокращение длительности периода плавления на 20-60 мин, снижение расхода электроэнергии на плавку на 5-15% а также увеличение выхода жидкой стали на 0,5-2,5% и расширяет марочный состав выплавляемого металла. 3 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к составу шихт для производства стали, в частности для выплавки стали в электропечах.

Известен способ производства стали в дуговой электропечи, в котором в качестве исходной металлошихты используют шихтовую заготовку в виде железорудных окатышей, залитых чугуном, в количестве 0,5-5,0 т на 1 т скрапа.

Использование этой шихты с нерегламентированным содержанием железоуглеродистого сплава (в виде чугуна) и окисленных окатышей приводит при выплавке сталей к широкому разбросу концентраций углерода по расплавлении от 0,2 до 2,6% затрудняя рафинирование металла. Это увеличивает длительность плавки и резко ухудшает качество выплавляемых марок сталей, а также стабильность получения их свойств. Кроме того, шихта по прототипу вследствие нестабильности химического состава имеет ограниченные области применения и ее использование ограничено рамками выплавки высокоуглеродистых сталей, например, по расплавлении 1,25% углерода и более.

Технической задачей изобретения является сокращение длительности плавки, повышение качества выплавляемых сталей, а также расширение марочного состава выплавляемого металла.

Технический результат достигается тем, что для выплавки стали применяют композиционную шихту, включающую железоуглеродистый сплав и оксидный материал при следующем соотношении компонентов, мас. Железоуглеродистый сплав 50-95 Оксидный материал 5-50 при этом оксидный материал содержит свободные оксиды металлов, имеющие сродство к кислороду равное и/или меньше, чем у углерода в количестве 0,25-99,50% В качестве металлической составляющей используются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода 0,2-4,5% в частности передельный чугун, сталь.

В качестве оксидного материала используют окисленные офлюсованные и неофлюсованные железорудные материалы; агломерат, окатыши, сырые руды и их отходы, окалина, окисленный металлический лом типа стружки, фрагментированные металлические отходы, твердые окислители, получаемые окускованием пыли и шламов.

Химический состав оксидных материалов приведен в табл.1.

Оксидами металлов, входящими в состав оксидного материала, могут быть двух- и трехвалентные оксиды железа, оксиды марганца (MnO, MnO₂, Mn₂O₃ и Mn₃O₄), а также оксиды легирующих элементов меди, хрома, никеля, молибдена, вольфрама, кобальта при условии, что указанные элементы входят в состав выплавляемой марки стали. Средство этих металлов к кислороду меньше в условиях сталеплавильной ванны, чем у углерода, что обеспечивает в процессе плавки их восстановление до металлического состояния углерода, имеющимся в металлической составляющей шихты.

Составляющими композиционной шихты являются железоуглеродистый сплав и оксидный материал при следующем соотношении компонентов, мас. Железоуглеродистый сплав 50-95 Оксидный материал 5-450 Использование шихты, в которой количество железоуглеродистого сплава составляет более 95% (выше верхнего предела), а количество оксидного материала меньше 5% (ниже нижнего предела), приводит по расплавлении ванны к неполному окислению кремния и других высокоактивных элементов из-за недостатка в шихте кислорода. Это не позволяет провести должным образом окислительный период плавки, затрудняет удаление фосфора и окисление углерода. Дополнительный ввод кислорода для окисления остаточного содержания кремния, а также фосфора и углерода удлиняет окислительный период и цикл плавки в целом, ухудшает качество металла, снижая тем самым эффективность электроплавки. При указанном выше содержании компонентов наблюдается тенденция повышения содержания углерода в металле по расплавлении ванны, что удлиняет окислительный период и требует ввода дополнительного количества кислорода.

При использовании шихты с содержанием железоуглеродистого сплава ниже 50% (ниже нижнего предела) и оксидного материала соответственно выше 50% (выше верхнего предела) концентрация углерода в ванне по расплавлении получается низкой, что затрудняет последующий нагрев ванны и достижение заданной температуры металла на выпуске. Помимо этого наличие чрезмерно высокой доли оксидного материала в составе композиционной шихты вызывает резкое охлаждение металлической ванны. За счет этого увеличивается длительность плавки и расход электроэнергии, а также ухудшается качество металла по содержанию газов и включений.

Предлагаемые пределы соотношения железоуглеродистого сплава и оксидного материала в шихте соответственно в пределах 50-95% и 5-50% отвечают условиям достижения наилучших технико-экономических показателей плавки и качества стали, обеспечивая выплавку широкого сортамента сталей. Указанные пределы компонентов композиционной шихты обеспечивают полное окисление кремния и других высокоактивных элементов типа ванадия и титана в случае наличия их в металлической составляющей шихты, открывая тем самым возможность раннего окисления углерода и фосфора. По мере относительного возрастания доли оксидного материала в шихте выше 5% количество кислорода, содержащегося в шихте, оказывается достаточным для окисления некоторой части углерода. Выделение газоообразных продуктов этой реакции усиливает перенос тепла и вещества в ванне, ускоряет формирование жидкоподвижной шлаковой фазы, усиливает вспенивание шлака и экранирование дуг, улучшает условия нагрева металла, ускоряет окисление углерода и фосфора, облегчает скачивание шлака и удаление фосфора.

При соотношении железоуглеродистого сплава и оксидного материала соответственно в пределах 70-80% и 20-30% количество кислорода оказывается достаточным для тотального окисления всех примесей сплава, включая углерод, кремний, марганец и полного восстановления оксидов железа до металлического состояния. При этом обеспечивается максимальное кипение ванны, исключается влияние шихты на химический состав металлической ванны, обеспечиваются благоприятные условия для рафинирования металла и сокращения продолжительности плавки, поэтому данный состав шихты является оптимальным.

При увеличении соотношения доли железоуглеродистого сплава и оксидного материала выше 70: 30 часть оксидов железа, неизрасходованная на окисление примесей сплава, начинает поступать в шлак, увеличивая его окисленность и ускоряя растворение извести. За счет этого рафинирующие и вспенивающие свойства шлака возрастают и достигается более глубокое удаление углерода, фосфора, серы, газов и происходит совмещение плавления с окислительным периодом. Результатом этого является сокращение общей продолжительности цикла плавки.

Постепенное уменьшение относительной доли железоуглеродистого сплава и увеличение соответственно доли оксидного материала в шихте сопровождается непрерывным уменьшением количества железа, поступающего из шихты в металлическую ванну. Начиная с определенного соотношения компонентов шихты, количество железа, восстанавливаемого из оксидов железа, не компенсирует снижения количества металла, поступающего из железоуглеродистого сплава. Вследствие этого выход жидкого металла снижается. Одновременно с этим возрастает количество шлака и охлаждение ванны. Поэтому увеличение количества оксидного материала в шихте выше 50% приводит к неоправданному росту массы шлака и повышенным затратам тепла на нагрев, разложение и плавление оксидного материала, а также уменьшению выхода годного.

Шихта с повышенной долей железоуглеродистого сплава и пониженным содержанием оксидного материала пригодны для выплавки средне- и высокоуглеродистых сталей, содержащих высокое количество углерода. Шихта с пониженным содержанием железоуглеродистого сплава и высоким содержанием оксидного материала может быть рекомендована применительно к выплавке низкоуглеродистых сталей, в том числе для производства особо низкоуглеродистых сталей типа нержавеющих, электротехнических, сталей для автолиста и т.п. Дополнительной областью применения шихты с высоким содержанием оксидного материала является использование ее в качестве охладителя в кислородно-конверторном процессе, а также в электропечах при работе их на металлизованных окатышах с оставлением в печи части расплава от предыдущей плавки (болото). В последнем случае расплавление исходной завалки сопровождается локальными перегревами металла в зоне под дугами и повышенным износом подины. Такая шихта обладает сочетанием максимального охлаждающего эффекта и чистоты и может использоваться в этих случаях для замены лома как охладителя, в том числе при выплавке сталей с особыми свойствами типа кордовых.

Наличие в оксидном материале свободных оксидов металлов, имеющих сродство к кислороду равное и/или меньше, чем у углерода, в количестве 0,25-99,5% создает условия, с одной стороны, для полного восстановления оксидов железа и других элементов до металлического состояния и поступления в ванну чистого металла, свободного от микропримесей. Разбавление металлической ванны чистым расплавленным железом снижает концентрацию нежелательных элементов, оказывающих отрицательное влияние на свойства стали, а также увеличивает выход жидкого металла.

С другой стороны, кислород оксидного материала окисляет примеси чугуна, в первую очередь кремний, ванадий, титан и др. высокореакционные элементы, а затем и углерод. Перемешивание ванны выделяющимися газообразными продуктами окисления углерода интенсифицирует тепломассообмен в ванне. Эффект перемешивания возникает с момента проплавления первой порции шихты и продолжается на протяжении всего периода плавления. За счет этого уже в конце периода плавления достигается формирование активного жидкоподвижного шлака, его сильное вспенивание, позволяющее закрыть дуги и обеспечить нормальное скачивание шлака, улучшаются условия дефосфорации и десульфурации металла, а также дегазации ванны. Следствием этого является совмещение части окислительного периода с периодом плавления, сокращение продолжительности плавки и улучшение качества металла.

Наличие кремния в большинстве железоуглеродистых сплавов, особенно в чугунах, приводит к его окислению, образованию оксида кремния и получению в процессе плавления кислого шлака с низкой основностью и малой жидкотекучестью. Такой шлак плохо сходит из печи, слабо вспенивается, затрудняет дефосфорацию расплава, отрицательно влияет на футеровку печи, замедляет окисление углерода. Содержание свободных окислов металлов в пределах 0,25-99,5% выбрано из условий формирования активного жидкоподвижного шлака к концу периода плавления, а также получения заданного содержания углерода по раскислению с учетом состава железоуглеродистого сплава и его относительной доле в композиционной шихте.

Формирование большого количества жидкоподвижного шлака к концу периода плавления ускоряет дефосфорацию и десульфурацию, обеспечивая получение в металле по расплавлении низких остаточных концентраций фосфора, серы и хрома. Благодаря этому окислительный период частично совмещается с плавлением, что облегчает дальнейшее проведение этого периода, сводя его в основном к корректировке содержания углерода путем присадки небольших твердых окислителей (агломерата и пр.) и подогреву металла до нужной температуры. Ускоренное образование жидкого шлака и металла позволяет через 10-12 мин от начала плавления достичь нагрузку устойчивого горения дуг и резко снизить шумовую.

При минимальном содержании углерода и других примесей в железоуглеродистом сплаве (0,2% ) и минимальной его доле в шихте 50% полного окисления небольшого количества примесей кремния, марганца и др. достаточно концентрации свободных окислов на уровне 0,25% и выше. Меньшее содержание оксидов неприемлемо из-за недостатка кислорода для окисления примесей сплава, большее содержание оксидов нецелесообразно из-за увеличения расхода тепла на их расплавление и большого количества образующегося шлака.

Максимально возможная концентрация свободных окислов, равная 99,5% отвечает случаю максимального содержания кремния и углерода в железоуглеродистом сплаве (чугун) и максимальной доли (95%) его в предлагаемой композиционной шихте. При этих условиях обеспечивается полное окисление кремния, раннее образование жидкоподвижного шлака, обладающего максимальной вспенивааемостью, повышенной рафинирующей способностью в отношении фосфора и серы и высоким окислительным потенциалом. В результате этого достигается одновременное и параллельное окисление фосфора и углерода, а также удаление серы, т.е. совмещение плавления с окислительным периодом. Плавка имеет минимальную продолжительность и высокое качество металла.

П р и м е р. Выплавку электротехнической анизотропной стали, содержащей менее 0,035% углерода, 3% кремния и 0,3-0,6% меди, осуществляли в 100-тонной дуговой электропечи. Металлозавалки включали в себя 13-35 т композиционной шихты, отходы слябов 20-25 т, прокатную обрезь 16-45 т и лом в количестве 8-36 т. Предложенный шихтовый материал загружали в завалку 70% остальное в подвалку. В качестве шлакообразующих материалов использовали известь 2-3,5 т, агломерат 2,5-4,0 т и плавиковый шпат 0,3-0,5 т. Подачу кислорода производили через свободную форму при общем расходе на плавку 1200-1600 м³.

Предложенную шихту получали на разливочных машинах чугуна, заливая чугуном различные оксидные материалы. Большую часть плавок проводили на шихте, содержащей в качестве оксидного компонента железорудные окатыши Михайловского и Лебединского ГОКов. Использовали также агломерат, окалину, окускованные пыль и шламы, смесь из различных твердых окислителей. Металл по расплавлении содержал 0,1-1,0% углерода, 0,05-0,20% марганца, 0,007-0,016% фосфора, 0,018-0,026% серы, менее 0,05% хрома и никеля. После расплавления ванны производили обезуглероживание ванны и ее нагрев, легирование медью, предварительное раскисление, легирование кремнием, выпуск в ковш, внепечную обработку стали, непрерывную разливку. Показатели электропалвки, выплавленной на предложенной и известной шихте, приведены в табл.2, а результаты аттестации готовой продукции, полученной с использованием новой металлошихты и известной, в табл.3 (показатели средние).

Как видно из табл.2, композиционная шлихта обеспечивает сокращение длительности периода плавления на 20-60 мин и снижение расхода электроэнергии на плавку на 5-15% а также увеличение выхода жидкой стали на 0,5-2,5% Наилучшие результаты отвечают заявляемым составам. Продукция, изготовленная из стали, выплавленной на предлагаемой шихте, как это видно из табл.3 имеет более высокие электромагнитные характеристики по сравнению с прототипом. Доля продукции высшего качества составляет при этом более 80% по сравнению с 50% при использовании прототипа. Кроме электротехнической стали, предложенную шихту опробовали при выплавке углеродистых сталей. Опыты подтвердили возможность использования новой шихты при выплавке сталей различного сортамента.

Формула изобретения

КОМПОЗИЦИОННАЯ ШИХТА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ, содержащая железоуглеродистый сплав и оксидный материал, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Железоуглеродистый сплав 50 95 Оксидный материал 5 50 при этом оксидный материал содержит 0,25 99,5% свободных оксидов металлов, имеющих сродство к кислороду, равное и/или меньшее, чем у углерода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3