Рафинирование стали в ковше

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к обработке стали в ковше. Способ включает формирование в ковше расплавленной стали, покрытой шлаком, содержащим оксиды кремния, марганца и кальция, при этом химический состав стали позволяет реализовать режим использования шлака, богатого оксидом кальция. Расплавленную сталь в контакте со шлаком перемешивают путем впрыскивания инертного газа до достижения низких уровней свободного кислорода в стали и обессеривания до уровня серы менее 0,009 мас.%. Использование изобретения обеспечивает получение стали с низким содержанием серы, пригодной для непрерывного литья тонкой полосы. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к рафинированию стали в ковше. В частности, но не исключительно, оно относится к применению рафинирования стали в ковше при непосредственном литье тонкой стальной полосы в литейной машине непрерывного литья полос.

Известно литье металлической полосы способом непрерывного литья в литейной машине со сдвоенными роликами. При осуществлении такого процесса расплавленный металл вводят между парой встречно вращающихся горизонтальных литейных роликов, которые охлаждаются, вследствие чего на поверхностях движущихся роликов затвердевает корка из металла, которая сходится в зазоре между роликами, образуя затвердевшее изделие в виде полосы, которое подается вниз из зазора между роликами. Расплавленный металл можно вводить в зазор между роликами посредством промежуточного разливочного ковша и подающего сопла для металла, расположенного под промежуточным разливочным ковшом, вследствие чего получают поток металла из промежуточного разливочного ковша и направляют его в зазор между роликами, формируя литейную ванну расплавленного металла, опирающуюся на литейные поверхности роликов непосредственно над зазором. Эта литейная ванна может быть заключена между двумя боковыми плитами или порогами, поддерживаемыми в скользящем контакте с торцами роликов.

Литье через сдвоенные ролики применялось с некоторым успехом для цветных металлов, которые быстро затвердевают при охлаждении, например для алюминия. Однако в случае применения этого способа при литье черных металлов возникли проблемы. Одна конкретная проблема заключалась в склонности черных металлов к созданию твердых включений, которые закупоривают очень маленькие каналы для потока металла, необходимые в литейной машине со сдвоенными роликами.

Использование кремниево-марганцевой смеси при раскислении стали в ковше практиковалось в производстве слитков еще на ранних этапах развития производства стали бессемеровским методом, и, как таковые, соотношения в состоянии равновесия между силикатами марганца, являющимися продуктами реакции, и остаточным марганцем, кремнием и кислородом, растворенными в стали, хорошо известны. Однако при разработке технологии производства стальной полосы посредством литья слябов и последующей холодной прокатки, вообще говоря, начали избегать раскисления кремнием и/или марганцем и сочли необходимым применять стали, раскисленные алюминием. В производстве стальной полосы посредством литья слябов и последующей горячей прокатки, после которой часто проводят холодную прокатку, стали, раскисленные кремнием и/или марганцем, дают нежелательно высокую долю строчечных включений и других дефектов, возникающих в результате концентрации включений в центральном слое изделия в виде полосы.

При непрерывном литье стальной полосы в литейной машине со сдвоенными роликами желательно сформировать точно регулируемый поток стали с постоянной скоростью вдоль длины литейных роликов, чтобы достичь достаточно быстрого и равномерного охлаждения стали на литейных поверхностях роликов. Это требует ограничить протекание расплавленной стали через очень малые каналы для текучей среды в огнеупорных материалах в системе подачи металла в условиях, в которых существует тенденция к отделению твердых включений и закупориванию ими этих очень малых каналов для текучей среды.

Выполнив обширную программу исследований литья полос из стали различных марок в литейной машине с роликами для непрерывного литья полосы, авторы изобретения обнаружили, что удовлетворительное литье обычных углеродистых сталей, раскисленных алюминием, или частично раскисленных сталей с содержанием алюминия на уровне 0,01% или более в общем случае невозможно ввиду агломерации твердых включений и закупоривания ими маленьких каналов для текучей среды в системе подачи металла, что приводит к появлению дефектов и нарушениям непрерывности в получаемом изделии в виде полосы. Эту проблему можно решить посредством обработки стали кальцием для уменьшения твердых включений, но это дорого и требует точного регулирования, повышая сложность процесса и оборудования. С другой стороны, обнаружено, что можно отливать изделие в виде полосы без строчечных включений и других дефектов, обычно связанных со сталями, раскисленными кремнием и/или марганцем, поскольку быстрое затвердевание, достигаемое в литейных машинах со сдвоенными роликами, позволяет избежать образования крупных включений, так что процесс литья с использованием сдвоенных роликов приводит к включениям, равномерно распределенным по всей полосе, а не сконцентрированным в центральном слое. Более того, можно регулировать содержание кремния и марганца, чтобы получать жидкие продукты раскисления при температуре литья, минимизируя проблемы агломерации и закупоривания.

При осуществлении обычных процессов раскисления кремнием и/или марганцем было невозможно снизить уровни свободного кислорода в расплавленной стали до той же степени, которая достигается с помощью раскисления алюминием, а это в свою очередь препятствовало обессериванию. При непрерывном литье полосы желательно иметь содержание серы порядка 0,009% или менее. В обычных процессах раскисления кремнием и/или марганцем в ковше реакция обессеривания является очень медленной, и поэтому достижение обессеривания до упомянутых низких уровней становится непрактичным в случае производства стали по технологическому маршруту, предусматривающему использование электродуговой печи (ЭДП) и промышленного лома. В типичном случае такой лом может иметь содержание серы в диапазоне от 0,025 до 0,045 мас.%. Настоящее изобретение обеспечивает более эффективное раскисление и обессеривание в стали, раскисленной кремнием и/или марганцем, и рафинирование стали с высоким содержанием серы в режиме раскисления кремнием и/или марганцем для получения стали с низким содержанием серы, пригодной для непрерывного литья тонкой полосы.

Краткое изложение сущности изобретения

В соответствии с иллюстративным конкретным вариантом осуществления изобретения предложен способ рафинирования стали в ковше, заключающийся в том, что нагревают материал, образованный шихтой стали и шлаком, в ковше для формирования расплавленной стали, покрытой шлаком, содержащим оксиды кремния, марганца и кальция, и перемешивают расплавленную сталь путем впрыскивания в нее инертного газа для проведения раскисления кремнием и/или марганцем и обессеривания стали с получением расплавленной стали, раскисленной кремнием и/или марганцем, имеющей содержащие серы менее 0,01 мас.%.

Расплавленная сталь может иметь содержание свободного кислорода, не превышающее 20 частей на миллион во время обессеривания.

Содержание свободного кислорода во время обессеривания может, например, составлять порядка 12 частей на миллион или менее.

Инертным газом может быть, например, аргон.

Инертный газ можно впрыскивать в нижнюю часть расплавленной стали в ковше при расходе, находящемся в диапазоне от 0,35 стандартных кубических футов в минуту (скф/мин) до 1,5 скф/мин на тонну стали в ковше, чтобы оказать жесткое перемешивающее воздействие, способствующее эффективному контакту между расплавленной сталью и шлаком.

Инертный газ можно впрыскивать в расплавленную сталь через форсунку, находящуюся в дне ковша, и/или посредством, по меньшей мере, одной трубки для впрыскивания.

Расплавленная сталь может иметь содержание углерода в диапазоне от 0,001 до 0,1 мас.%, содержание марганца в диапазоне от 0,1 до 2,0 мас.% и содержание кремния в диапазоне от 0,1 до 10 мас.%.

Сталь может иметь содержание алюминия порядка 0,01 мас.% или менее. Содержание алюминия может быть и меньшим, составляя, например, 0,008 мас.% или менее.

Расплавленную сталь, полученную способом согласно настоящему изобретению, можно лить в литейной машине для непрерывного литья тонкой полосы, получая тонкую стальную полосу толщиной менее 5 мм.

Нагревание ковша можно проводить в металлургической печи для ковша (МПдК). МПдК может выполнять несколько функций, включая:

1. нагревание жидкой стали в ковше до требуемой выходной температуры, которая является подходящей для последующей обработки, такой как операция непрерывного литья;

2. коррекция состава стали в соответствии со специальными требованиями последующего процесса;

3. достижение уменьшения содержания серы в стали до целевого конечного содержания серы;

4. достижение тепловой и химической однородности в ванне жидкой стали;

5. агломерирование и флотация оксидных включений и их последующее улавливание и фиксация в кричном шлаке.

В обычной металлургической печи для ковша (МПдК) нагревание можно проводить с помощью электродуговых нагревателей. Жидкая сталь должна быть покрыта массой кричного шлака, а для поддержания однородности температуры требуется плавная принудительная циркуляция. Этого достигают посредством электромагнитного перемешивания или плавного барботажа аргона. Масса и толщина шлака достаточны для окружения им электрических дуг, а его состав и физические характеристики (например, текучесть) таковы, что шлак улавливает и удерживает серу, а также твердые и жидкие оксидные включения, являющиеся результатом реакций раскисления и/или реакции с атмосферным кислородом.

Расплавленную сталь можно перемешивать, впрыскивая инертный газ, например, такой, как аргон или азот, для облегчения смешения шлака с металлом в ковше и обессеривания стали. Как правило, инертный газ можно впрыскивать через проницаемую очистную пробку из огнеупорного материала, установленную в дне ковша, или через трубку. Авторы изобретения к настоящему моменту обнаружили, что если достигается необычайно жесткое или интенсивное перемешивающее воздействие, например, посредством впрыскивания аргона через трубку, которая погружена в сталь, сопровождаемое режимом использования шлака, богатого СаО, то посредством раскисления кремнием можно получать параметры, характеризующие отчетливо неравновесное состояние, такие, как очень низкие уровни свободного кислорода в стали. В частности, можно легко достичь уровней свободного кислорода порядка 10 частей на миллион, в противоположность ожидаемому результату, составляющему 50 частей на миллион. Это низкое содержание свободного кислорода обеспечивает более эффективное обессеривание, вследствие чего становится возможным достижение очень низких уровней серы в стали, раскисленной кремнием и/или марганцем.

В частности, авторы изобретения обнаружили, что путем впрыскивания аргона через трубку при расходах, составляющих от 0,35 скф/мин до 1,5 скф/мин на тонну расплавленной стали при наличии жидкого шлака, богатого СаО, можно в режиме раскисления кремнием и/или марганцем при температуре 1600°С достичь содержания свободного кислорода, составляющего менее 12 частей на миллион и даже 8 частей на миллион, а также быстро достичь обессеривания до уровней серы менее 0,009%. Считается, что интенсивное перемешивание расплавленного металла способствует смешиванию жидкого шлака и стали и способствует удалению диоксида кремния SiO₂, являющегося продуктом реакции кремния со свободным кислородом в стали, тем самым способствуя продолжению реакции раскисления кремнием для получения низких уровней свободного кислорода, достижения которых чаще ожидают при раскислении алюминием.

По окончании этапа обессеривания толщину шлака можно увеличить, чтобы предотвратить возврат серы в сталь, а затем можно провести впрыскивание кислорода в сталь, чтобы увеличить содержание свободного кислорода до 50 частей на миллион, чтобы получить сталь, литье которой в литейной машине со сдвоенными роликами не представляет проблем.

Краткое описание чертежа

Для более полного пояснения изобретения ниже будет приведено описание иллюстративного конкретного варианта осуществления изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, представляющий собой вид сбоку в частичном разрезе металлургической печи для ковша.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

В показанном варианте осуществления изобретения материал, образованный шихтой стали и шлаком, нагревают в ковше 17 с помощью металлургической печи 10 для ковша (МПдК 10) с формированием ванны расплавленной стали, покрытой шлаком. Шлак может содержать, помимо прочих ингредиентов, оксиды кремния, марганца и кальция. Ковш 17 опирается на ковшовую тележку 14, конфигурация которой обеспечивает перемещение ковша из МПдК 10 по полу 12 цеха в литейную машину (не показана) со сдвоенными роликами. Шихту стали или ванну нагревают внутри ковша 17 с помощью одного или более электродов 38. Электрод 38 поддерживается проводящим держателем 36 и электродной стойкой 39. Проводящий держатель 36 поддерживается электродной стойкой 39, которая расположена с возможностью перемещения внутри опорной конструкции 37. Токопроводящий держатель 36 поддерживает электрод 38 и направляет в него ток из трансформатора (не показан). Электродная стойка 39 имеет конфигурацию, обеспечивающую перемещение электрода 38 и проводящего держателя 36 вверх, вниз или вокруг продольной оси стойки 39. При эксплуатации, когда стойка 39 опускается, электрод 38 опускается через отверстие (не показано) в шлемной части или вытяжной трубе 34 печи и отверстие (не показано) в крышке 32 печи в ковш 17 под низ шлака, чтобы нагреть металл внутри ковша 17. Гидравлический цилиндр 33 перемещает крышку 32 и шлемную часть 34 вверх и вниз из поднятого положения в рабочее опущенное положение, при этом крышка 32 садится на ковш 17. Теплозащитный щит 41 защищает компоненты, поддерживающие и регулирующие электрод, от тепла, вырабатываемого печью. Хотя показан лишь один электрод 38, должно быть ясно, что можно предусмотреть дополнительные электроды 38 для операций нагревания. Различные компоненты печи, например, такие, как крышка 32, подъемный цилиндр 33 и проводящий держатель 36, охлаждаются водой. Можно также использовать другие подходящие охлаждающие вещества и способы охлаждения.

На опорной стойке 46 с помощью опорного держателя 47 установлена с возможностью перемещения трубка 48 для перемешивания. Опорный держатель 47 выполнен с возможностью скольжения вверх и вниз по опорной стойке 46, а также с возможностью поворота вокруг продольной оси стойки 46, способствуя быстрому повороту трубки 48 над ковшом 17 и последующему опусканию трубки 48 вниз через отверстия (не показаны) в шлемной части 34 и крышке 32 для погружения в ванну ковша. Трубка 48 и опорный держатель 47 показаны пунктирными линиями в поднятом положении. Посредством трубки 48 для перемешивания осуществляют барботаж инертного газа, например, такого, как аргон или азот, чтобы реализовать перемешивание или циркуляцию в ванне для достижения равномерной температуры и однородного состава и обеспечения раскисления и обессеривания стали. В альтернативном варианте тех же результатов можно достичь путем барботажа инертного газа через огнеупорную пробку (не показана), такую, как изотропная пористая или капиллярная пробка, реализовав конфигурацию, предусматривающую наличие такой пробки в дне ковша 17. Перемешивание также можно осуществить способом электромагнитного перемешивания или посредством других альтернативных способов, реализуя их совместно с впрыскиванием инертного газа.

Химический состав стали является таким, который позволяет реализовать режим использования шлака, богатого СаО. Впрыскивание инертного газа, например, такого, как аргон, с целью перемешивания позволяет достичь очень низкого уровня свободного кислорода при раскислении кремнием, а также позволяет провести последующее обессеривание до очень низкого уровня серы. Затем толщину шлака увеличивают путем добавки извести с целью предотвращения возврата серы обратно в сталь и впрыскивают кислород в сталь, пользуясь, например, трубкой, чтобы увеличить содержание свободного кислорода до величины порядка 50 частей на миллион и получить сталь, литье которой в литейной машине со сдвоенными роликами не представляет проблемы. Затем сталь подают в литейную машину со сдвоенными роликами и льют тонкую стальную полосу. Соединения, подлежащие удалению путем рафинирования, будут реагировать со свободным кислородом, образуя оксиды, такие как SiO₂, MnO и FeO, которые будут переходить в шлак.

Результаты эксперимента, связанного с применением проиллюстрированного способа и проведенного в ковше вместимостью 120 тонн в МПдК с впрыскиванием газообразного аргона через погружную трубку, приведены в нижеследующей таблице 1.

1. Способ рафинирования стали в ковше, заключающийся в том, что нагревают материал, образованный шихтой стали и шлаком, в ковше для формирования расплавленной стали, покрытой шлаком, содержащим оксиды кремния, марганца и кальция, при этом расплавленная сталь имеет содержание углерода в диапазоне 0,001-0,1 мас.%, содержание марганца в диапазоне 0,1-2,0 мас.% и содержание кремния в диапазоне 0,1-10 мас.%, расплавленную сталь перемешивают путем впрыскивания в нее инертного газа для проведения раскисления кремнием и/или марганцем и обессеривания стали с получением расплавленной стали, раскисленной кремнием и/или марганцем, имеющей содержание серы менее 0,01 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленная сталь во время обессеривания имеет содержание свободного кислорода, не превышающее 20 частей на миллион (0,002 мас.%).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержание свободного кислорода во время обессеривания составляет примерно 12 частей на миллион (0,0012 мас.%) или менее.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что инертным газом является аргон.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что инертным газом является азот.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что инертный газ впрыскивают в нижнюю часть расплавленной стали в ковше с расходом в диапазоне 0,35-1,5 скф/мин на тонну стали в ковше для жесткого перемешивающего воздействия, способствующего эффективному контакту между расплавленной сталью и шлаком.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что по меньшей мере часть инертного газа впрыскивают в расплавленную сталь через форсунку, находящуюся в дне ковша.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что по меньшей мере часть инертного газа впрыскивают в расплавленную сталь посредством по меньшей мере одной трубки, проходящей вниз в нижнюю часть стали в ковше.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что сталь имеет содержание алюминия примерно 0,01 мас.% или менее.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что содержание алюминия составляет 0,008 мас.% или менее.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что содержание серы в стали после обессеривания составляет менее 0,009 мас.%.

12. Способ рафинирования стали в ковше, заключающийся в том, что нагревают материал, образованный шихтой стали и шлаком, в ковше для формирования расплавленной стали, покрытой шлаком, содержащим оксиды кремния, марганца и кальция, и перемешивают расплавленную сталь путем впрыскивания в нее инертного газа для проведения раскисления кремнием и/или марганцем и обессеривания стали с получением расплавленной стали, имеющей содержание серы менее 0,01 мас.%, при этом по окончании обессеривания увеличивают толщину шлака для предотвращения возврата серы в сталь и впрыскивают кислород в сталь для увеличения содержания свободного кислорода в ней.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что толщину шлака увеличивают, добавляя в него известь.

14. Способ по любому из пп.12 и 13, отличающийся тем, что впрыскиванием кислорода увеличивают содержание свободного кислорода в стали примерно до 50 частей на миллион (0,005 мас.%).

15. Способ по любому из пп.12-14, отличающийся тем, что расплавленная сталь имеет содержание углерода в диапазоне 0,001-0,1 мас.%, содержание марганца в диапазоне 0,1-2,0 мас.% и содержание кремния в диапазоне 0,1 10 мас.%.

16. Способ по любому из пп.12-15, отличающийся тем, что инертный газ впрыскивают в нижнюю часть расплавленной стали в ковше с расходом в диапазоне 0,35-1,5 скф/мин на тонну стали в ковше для жесткого перемешивающего воздействия, способствующего эффективному контакту между расплавленной сталью и шлаком.