Способ выплавки стали в кислородном конвертере

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к выплавке стали в конвертере. Способ включает ввод в жидкий шлак предыдущей плавки твердого материала и флюса, загрузку металлолома, заливку жидкого чугуна, продувку ванны кислородом, при этом в жидкий шлак дополнительно вводят твердое газотворное вещество с суммарным содержанием газа, равным 0,1-15 объемам рабочего пространства конвертера, производят вспенивание шлака и его подъем на высоту, равную 0,15-1 высоты конвертера, после чего выдерживают шлак в этом положении в течение 0,1-5 мин, поддерживая непрерывное движение газа через шлак со скоростью 0,2-20 м/с. В шлак дополнительно вдувают газ с расходом 25-300 м³/мин. Во время выдержки конвертер периодически с интервалом 10-60 с наклоняют под углом 0-90 градусов к горизонтали. Использование изобретения обеспечивает снижение скорости износа футеровки. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к выплавке стали в конвертере.

Наиболее близким по технической сущности является способ выплавки стали в кислородном конвертере, включающий скачивание и оставление в конвертере части жидкого шлака предыдущей плавки, ввод в жидкий шлак предыдущей плавки твердого материала и флюса, загрузку металлолома, заливку жидкого чугуна, продувку ванны кислородом, ввод по ходу продувки флюсов и флюсующих добавок, выпуск металла и шлака (см. Технология производства стали в современных конвертерных цехах. С.В.Колпаков, Р.В.Старов, В.В.Смоктий и др. Под общей редакцией С.В.Колпакова. - М.: Машиностроение, 1991, с.81-82). Этот способ позволяет повторно использовать до 20-25% конечного шлака. Вместе с тем способ обладает рядом недостатков. Основные из них:

- количество конечного шлака, которое может быть оставлено в конвертере, ограничено пределами 20-25%, так как дальнейшее увеличение его количества приводит к появлению выбросов;

- оставленный шлак не выполняет по отношению к футеровке стен защитной роли, поскольку он располагается на днище конвертера;

- сохраняется вероятность взрывообразного протекания реакции между углеродом жидкого чугуна и оксидами железа шлака, обусловленная неравномерным охлаждением шлака и сохранением в нем отдельных зон в расплавленном состоянии.

Вследствие этого использование известного способа не позволяет добиться высокой степени утилизации конвертерного шлака и использования его для целей защиты огнеупорной футеровки от повышенного износа.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в увеличении количества оставляемого в конвертере конечного шлака и снижении скорости износа футеровки.

Указанный технический эффект достигается тем, что способ выплавки стали в конвертере включает скачивание и оставление жидкого шлака предыдущей плавки, ввод в жидкий шлак предыдущей плавки флюса, загрузку металлолома, заливку жидкого чугуна, продувку ванны кислородом, ввод по ходу продувки флюсов и флюсующих добавок, выпуск металла и шлака. В оставленный жидкий шлак дополнительно вводят твердое газотворное вещество с суммарным содержанием газа, равным 0,1-15 объемам рабочего пространства конвертера, производят вспенивание шлака и его подъем на высоту, равную 0,15-1 высоты конвертера, после чего выдерживают шлак в этом положении в течение 0,1-5 мин, поддерживая непрерывное движение газа через шлак со скоростью 0,2-20 м/с.

В качестве газотворного вещества используют синтетический композиционный материал в виде чушек, состоящих из оксидо- и углеродсодержащих материалов и шлакообразующих реагентов, предварительно залитых железоуглеродистым сплавом.

В шлак дополнительно вдувают газ с расходом 25-300 м³/мин.

Во время выдержки конвертер периодически с интервалом 10-60 с наклоняют до угла 90 градусов к горизонтали.

Увеличение количества оставляемого шлака и снижение скорости износа футеровки будет происходить вследствие нанесения на поверхность футеровки всего жидкого шлака и последующего его охлаждения, затвердевания и образования на стенках конвертера твердого шлакового покрытия - гарнисажа.

Механизм этого процесса заключается в следующем. Под воздействием пузырьков газа, поступающего из газотворного вещества в жидкий шлак, последний вспучивается, увеличивается в объеме, вспенивается и постепенно перемещается вверх по поверхности футеровки конвертера на заданную высоту. Во время этого движения и последующей выдержке жидкий шлак, контактируя с огнеупорной футеровкой, охлаждается, загущается и затвердевает, образуя на стенках конвертера слой затвердевшего шлака. Сочетание значительного времени контакта вспененного шлака с футеровкой, большой поверхности раздела жидкого шлака и твердой футеровки, охлаждение жидкого шлака твердым материалом и флюсом, вводимыми в шлак, высокоразвитая поверхность раздела пузырьков газа со шлаком во вспененном состоянии, а также усиленное перемешивание шлака газом (барботаж) и интенсивное омывание футеровки расплавом шлака обеспечивают переход всего шлака из жидкого в твердое состояние, осаждение всего оставленного в конвертере шлака на его футеровке в виде шлакового гарнисажа и, как следствие этого, использование всего количества оставленного шлака в последующих плавках. При подаче в конвертер твердой металлозавалки и жидкого чугуна, а также в процессе плавки затвердевший, но нагретый шлак разрушается и попадает обратно в ванну. По ходу продувки он переходит в жидкое состояние, образуя шлак и обеспечивая тем самым раннее формирование активного шлака, сокращение расхода шлакообразующих, стабильный режим плавки, лучшее рафинирование металла.

Многократное увеличение объема шлака и его вспенивание в сочетании с возможностью подъема его на любую заданную высоту, в том числе на максимальную, отвечающую верхней отметке горловины конвертера, позволяет сформировать по всей высоте футеровки покрытие из шлака с максимальной и равномерной толщиной, защищающее футеровку. В результате этого снижается скорость износа огнеупорной футеровки.

Диапазон значений суммарного содержания газа в газотворном веществе, равном 0,1-15 объема рабочего пространства конвертера, объясняется физико-химическими закономерностями процесса вспенивания шлака.

В указанных пределах достигается необходимое увеличение объема, занимаемого вспененным шлаком, заполнение заданной части или всего свободного пространства конвертера газошлаковой пеной, смачивание и омывание шлаком поверхности участка футеровки на любой высоте, начиная от шлакового пояса и кончая горловиной конвертера. При меньших значениях вспенивание шлака и его объем вследствие малого количества поступающего в шлак газа оказываются недостаточными для смачивания футеровки, расположенной на уровне цапф и нанесения на нее шлака. При больших значениях будет происходить вынос части вспененного шлака из конвертера и его переливание через горловину из-за чрезмерного газовыделения и вспенивания.

Диапазон значений высоты, до которых производят вспенивание шлака в пределах 0,15-1,0 высоты конвертера, объясняется особенностями процесса выплавки стали, неравномерным износом футеровки по высоте и сечению конвертера и необходимостью возможно более полного использования конечного шлака. В указанном диапазоне обеспечивается нанесение всего оставленного в конвертере жидкого шлака на стенки футеровки и его полная утилизация и одновременно достигается возможность формирования шлакового гарнисажа в любой точке футеровки, начиная от зоны наиболее интенсивного ее изнашивания в области цапф и заканчивая верхней частью конвертера - горловиной. При меньших значениях часть жидкого шлака не будет использована, что потребует удаления из конвертера избыточного шлака. Кроме того, наиболее изнашиваемая зона конвертера (район цапф) при этом не будет покрыта слоем гарнисажа. При больших значениях будет наблюдаться вынос части жидкого шлака за пределы рабочего пространства конвертера.

Диапазон значений продолжительности выдержки вспененного шлака в контакте с огнеупорной футеровкой в пределах 0,1-5 мин объясняется закономерностями теплообмена жидкой среды, содержащей дисперсную газовую фазу в виде пузырьков газа, с твердой нагретой поверхностью. В указанном диапазоне длительности контакта шлака и футеровки достигается согласование параллельно и одновременно протекающих процессов вспенивания шлака, его подъема в конвертере до заданной высоты, непрерывного подвода жидкого шлака к поверхности футеровки, его охлаждения, загущения, затвердевания и образование шлакового гарнисажа на футеровке из всего оставленного в конвертере шлака.

При меньших значениях не будет обеспечиваться надлежащее охлаждение жидкого шлака на стенках конвертера и переход всего шлака из жидкого в твердое состояние. В результате этого снизится количество используемого шлака, толщина гарнисажа и позитивное влияние его на скорость износа огнеупоров. При больших значениях будет иметь место увеличение продолжительности цикла плавки, снижающее эффективность изобретения.

Необходимость непрерывного движения газа через шлак и диапазон значений скорости движения газа через него в пределах 0,2-20 м/с объясняются газодинамическими закономерностями движения газа через слой жидкости. При прекращении газовыделения и поступления в жидкий шлак газа процесс вспенивания шлака сразу же прекращается и происходит осаждение вспененного шлака с возвращением газошлаковой пены в исходное состояние - жидкий шлак. Вследствие этого непрерывное пропускание газа через жидкий шлак является необходимым условием для вспенивания шлака и поддержание его во вспененном состоянии. В указанном диапазоне обеспечиваются надлежащее вспенивание шлака и его подъем, непрерывное поддержание шлака во вспененном состоянии, достижение верхним уровнем газошлакового расплава любой высоты, в том числе максимального уровня - горловины конвертера, смачивание и омывание вспененным шлаком любого участка огнеупорной футеровки. В свою очередь, это обеспечивает нанесение всего оставленного шлака на стенки конвертера, его охлаждение и затвердевание с образованием шлакового гарнисажа, включающего в себя всю массу оставленного жидкого шлака.

При меньших значениях увеличение объема шлака, вспенивание и его подъем по высоте конвертера не получают существенного развития, вследствие чего часть жидкого шлака не может достигнуть требуемой высоты и остается не использованной.

При больших значениях будет происходить вынос части шлака через горловину за пределы конвертера на рабочую площадку. Кроме того, при этом будет наблюдаться чрезмерно быстрое стекание жидкого шлака по поверхности футеровки обратно в слой шлака, находящийся на днище конвертера. Чрезмерно большая скорость смывания уменьшает также количество шлака, остающегося на стенках конвертера, толщину шлакового гарнисажа и стойкость футеровки, а также удлиняет продолжительность операции нанесения шлака на футеровку.

Для повышения эффективности предлагаемого способа в качестве газотворного вещества используют синтетический композиционный материал в виде чушек, состоящих из смеси оксид- и углеродсодержащих материалов и шлакообразующих реагентов, предварительно залитых железоуглеродистым сплавом. Особенностью этого композита является наличие в его составе конденсированного кислорода в виде оксидов железа и/или марганца и углерода в свободном и растворенном состоянии, а также высокоразвитая поверхность контакта их с железоуглеродистой основой. В процессе нагрева до температуры, превышающей температуру плавления железоуглеродистого сплава (более 1150°С), в композите развивается взаимодействие между углеродом и кислородом, сопровождающееся образованием монооксида углерода, поступлением газа в шлак и барботажем. В результате этого происходит увеличение объема жидкого шлака, его вспенивание и перемещение вверх по поверхности футеровки, смачивание этой поверхности жидким шлаком, последующее его охлаждение, загущение и последующее затвердевание. В результате этого жидкий шлак оседает на стенках конвертера, переходит в твердое состояние, образуя шлаковый гарнисаж, и полностью остается в конвертере. Применение указанного материала также улучшает условия газообразования и вспенивания, а также повышает управляемость поведением шлака. Все чушки при их загрузке независимо от их плотности попадают в нижние слои шлака, прилегающие к днищу конвертера, обеспечивая тем самым участие всего шлака во вспенивании. Часть чушек, имеющая плотность меньше плотности шлака, всплывает на поверхность шлака, увеличивая тем самым поверхность газообразования и улучшая вспенивание шлака.

Композиционный материал обеспечивает равномерное смешение шлака и введенных на него твердого материала и флюсов, имеющих меньшую плотность по сравнению со шлаком, и быстрое растворение вводимых добавок. Это ускоряет формирование шлака с требуемыми физико-химическими свойствами и улучшает его подготовку для последующего нанесения шлака на футеровку конвертера.

Другим важным свойством этого композита является пониженная температура плавления и наличие в железоуглеродистом сплаве углерода и других элементов, обладающих раскислительными способностями и раскисляющих конечный конвертерный шлак, имеющий повышенную окисленность.

Для управления поведением шлака в конвертере во время его вспенивания, подъема, осаждения на стенках футеровки и образования гарнисажного слоя в конвертер дополнительно вдувают газ в количестве 25-300 м³/мин. Ввод газа во вспененный шлак увеличивает степень дисперсности газовой фазы, объем вспененного шлака и повышает его устойчивость. При меньших значениях этот эффект проявляется незначительно, что затрудняет управление процессом доставки и осаждения шлака на футеровку и его переходом из жидкого в твердое состояние. При больших значениях вследствие сильного воздействия дутья на вспененный шлак наблюдается разрушение газошлаковой пены и быстрое ее осаждение, что снижает эффективность изобретения.

В процессе выдержки периодически с интервалом 10-60 с производят наклоны конвертера до угла 90 градусов к горизонтали. Указанный диапазон интервала времени и угла наклона конвертера устанавливают в прямой зависимости от интенсивности газообразования и вспенивания шлака в газотворном веществе. Наклон конвертера изменяет площадь поверхности шлаковой ванны и ее глубину и, следовательно, время пребывания пузырьков газа в шлаке, скорость их движения и, в конечном счете, суммарный объем газа, проходящего через шлак.

При малом интервале времени и малом угле наклона конвертера выделяющийся газ сильно вспенивает шлак, что приводит к потерям части шлака через горловину, снижая тем самым степень его использования. При большом интервале времени и большом угле наклона вспенивание шлака ухудшается, вследствие чего усложняется процесс нанесения жидкого шлака на футеровку и образования шлакового гарнисажа и возрастает время этой операции.

Указанные значения интервала времени и угла наклона конвертера позволяют исключить перелив вспененного шлака через горловину конвертера и обеспечить вспенивание и подъем шлака на требуемую высоту с формированием шлакового гарнисажа на футеровке конвертера.

Регулирование процесса вспенивания и подъема шлака производят путем изменения скорости движения газов через шлак. Эта скорость при прочих равных условиях зависит от общего расхода газотворного вещества и темпа его подачи в шлак. Подача этого материала в шлак может быть дискретной, непрерывной или комбинированной, что позволяет задавать количество газов, поступающих в шлак по ходу операции вспенивания шлака. При прекращении подачи газотворного вещества в шлак выделение газа прекращается, происходит самопроизвольное слияние пузырьков газа и осаждение шлака. Наличие в составе вводимого газотворного вещества композиционного материала в виде чушек одинакового состава, массы, свойств дополнительно повышает управляемость процессом газообразования. Вместе взятые, эти факторы создают возможности для управления поведением вспененного шлака в широких пределах и при значительных колебаниях температуры и изменения физико-химических свойств шлака.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Ниже дан вариант осуществления изобретения, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.

Способ выплавки стали в конвертере осуществляют следующим образом.

Пример. По окончании продувки производили выпуск металла, скачивание и оставление в конвертере жидкого шлака. На шлак вводили флюсы, засыпая на шлак известь, марганец и магнийсодержащие материалы. После этого в конвертер дополнительно вводили твердое газотворное вещество - синтетический композиционный материал в виде чушек массой 10-12 кг, состоящих из оксидо- и углеродсодержащих компонентов и шлакообразующих реагентов, залитых предварительно железоуглеродистым сплавом. Составы газотворного вещества представлены в табл.1. Газотворное вещество содержало в своем составе газ в количестве, равном 0,1-15 объемам рабочего пространства конвертера. В результате нагрева этих веществ до температуры шлака из них непрерывно выделялся газ. Одновременно с этим в композиционном материале происходила реакция между углеродом и кислородом оксидов железа и марганца с образованием монооксида углерода. Часть углерода из газотворного вещества взаимодействовала с кислородом оксидов железа шлака, давая дополнительное количество монооксида углерода. Поступающий в жидкий шлак газ образовал в шлаке дисперсную систему из пузырьков газа, увеличил объем, первоначально занимаемый шлаком, вспенил его и поднял на высоту, равную 0,15-1 высоты конвертера. Далее производили выдержку в течение 0,1-5 мин, давая тем самым возможность жидкому шлаку находиться в контакте с поверхностью футеровки, охладиться и затвердеть с образованием на футеровке шлакового гарнисажа, состоящего из всего оставленного в конвертере шлака. По ходу выдержки через шлак пропускали газ со скоростью 0,2-20 м/с.

Таблица 1
№состава	Содержание основных компонентов, мас.%
железоуглеродистый сплав	оксидный материал	углеродсодержащий материал	шлакообразующий реагент
1	70,4	19,6	5,1	4,9
2	74,6	15,4	6,6	3,4
3	80,1	15,0	1,4	3,5
4	90,5	4,5	3,5	1,5
5	93,0	5,5	1,0	0,5
6	69,1	22,9	7,5	0,5

После ввода в шлак газотворного вещества производили периодически с интервалом 10-60 сек наклон конвертера до угла 90 градусов к горизонтали. В ходе операции по нанесению жидкого шлака на футеровку конвертера и его затвердеванию с образованием твердого шлакового гарнисажа в конвертер подавали газообразное дутье в количестве 25-300 м³/мин. После завершения операции нанесения всего оставленного жидкого шлака на футеровку и превращения его в твердый шлаковый гарнисаж загружали металлолом, заливали жидкий чугун, продували ванну кислородом через многосопловую фурму, производили ввод флюсов и флюсующих добавок. После завершения продувки выпускали жидкий металл, производили скачивание и оставление конечного жидкого шлака. Далее процесс повторяли.

В таблице 2 приведены примеры осуществления способа выплавки стали в конвертере с различными технологическими параметрами.

Таблица 2
Параметры	Примеры
1	2	3	4	5	6
1. Объем рабочего пространства конвертера, м3	290	290	290	290	290	290
2. Суммарное содержание газа в газотворном веществе по отношению к объему рабочего пространства конвертера, безразмерное	0,08	0,11	1,3	10,3	14,6	16,5
3. Суммарное содержание газа в газотворном веществе, м3	290*0,08=26.1	290*0,11=31,0	290*1,3=377	290*10,3=2987	290*14,7=4234	290*16,5=4785
4. Высота подъема вспененного шлака в конвертере, отнесенная к высоте конвертера, безразмерная	0,13	0,15	0,45	0,84	0,97	1,04
5. Высота подъема вспененного шлака в конвертере, м	9,2*0,13=1,20	9,2*0,15=1,38	9,2*0,45=4,14	9,2*0,84=7,73	9,2*0,97=8,92	9,2*1,04=9,57
6. Продолжительность выдержки вспененного шлака, мин	0,09	0,11	1,2	3,8	5,1	5,4
7. Скорость движения газа через шлак, м/с	0,18	0,21	5,1	16.3	19,2	21,4
8. Расход вдуваемого в шлак газа, м3/с	4,7	25,3	67,5	114	297	313
9. Интервал времени между наклонами конвертера, с	9	11	38	57	61	6,3
10. Угол наклона конвертера	0	30	47	60	90	90
11. Количество шлака, оставленного в конвертере, кг	36,1	37,2	38,3	36,5	37,3	37,8
12. Количество жидкого шлака, перешедшего в твердый гарнисаж, т/%	11,9/31	18,2/49	29,9/78	36,5/100	35,8/96	37,8/92
13. Скорость износа огнеупоров за плавку, мм/плавку	0,30	0,25	0.21	0,16	0,12	0.17
14. Удельный расход торкрет-массы, кг/т стали	2,23	1,93	1,61	0,89	1,03	1,77

В первом примере технологические параметры не обеспечивают полного перехода оставленного жидкого шлака в твердый шлаковый гарнисаж, в результате чего степень повторного использования конечного шлака не превышает 31%, а скорость износа футеровки за плавку возрастает до 0,30 мм, что в свою очередь увеличивает удельный расход торкрет-массы. Помимо этого, возникает необходимость скачивания части шлака, оставшегося на днище конвертера.

Причиной этого служат недостаточное количество газа, поступающего из газотворного вещества (композита) и вдуваемого газа, малая высота подъема вспененного шлака, небольшая выдержка шлака во вспененном состоянии, недостаточная скорость движения газа через слой шлака, а также относительно малые длительность интервала качания конвертера и угол его наклона.

В шестом примере наблюдается значительное избыточное выделение газов из-за слишком большого содержания газов в газотворном веществе и большого количества вдуваемого газа. По этой причине, а также из-за значительной выдержки высокой скорости движения через шлак высота подъема вспененного шлака получается чрезмерной и превышает высоту конвертера, что приводит к переливанию шлака через горловину конвертера и потере части шлака. Большие значения интервала времени между наклонами конвертера и угла наклона оказываются не в состоянии предотвратить уход шлака. Большее увеличение этих параметров трудно осуществимо технически, требует затрат времени и приводит к большим значениям нагрузки на привод механизма поворота конвертера. В результате этого количество шлака, перешедшего из жидкого в твердое состояние (гарнисаж), начинает падать со 100 до 92%, а скорость износа футеровки и расход торкрет-массы вновь возрастают - соответственно до 0,17 мм за плавку и 1,77 т/т стали.

В оптимальных примерах 2-5 достигается максимальный технологический и экономический эффект от дополнительного ввода в оставленный жидкий шлак газотворного вещества. При этом достигается высокая степень повторного использования шлака, меньшая скорость износа футеровки, снижение расхода шлакообразующих материалов и огнеупоров и огнеупорных масс. Одновременно с этим вследствие полного перевода оставленного жидкого шлака в твердый гарнисаж исключается появление выбросов.

1. Способ выплавки стали в кислородном конвертере, включающий скачивание и оставление в конвертере жидкого шлака предыдущей плавки, ввод в жидкий шлак предыдущей плавки флюса, загрузку металлолома, заливку жидкого чугуна, продувку ванны кислородом, ввод по ходу продувки флюсов и флюсующих добавок, выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что в оставленный жидкий шлак дополнительно вводят твердое газотворное вещество с суммарным содержанием газа, равным 0,1-15 объемам рабочего пространства конвертера, производят вспенивание шлака и его подъем на высоту, равную 0,15-1 высоты конвертера, после чего выдерживают шлак в этом положении в течение 0,1-5 мин, поддерживая непрерывное движение газа через шлак со скоростью 0,2-20 м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердого газотворного вещества используют синтетический композиционный материал в виде чушек, состоящих из оксидо- и углеродсодержащих материалов и шлакообразующих реагентов, предварительно залитых железоуглеродистым сплавом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шлак дополнительно вдувают газ с расходом 25-300 м³ /мин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время выдержки шлака конвертер периодически с интервалом 10-60 с наклоняют до угла 90° к горизонтали.