Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к выплавке стали в дуговой электросталеплавильной печи.

Известен способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи, включающий подачу в печь металлической шихты, расплавление, присадку в расплавленную шихту ожелезненного доломита в количестве 5-13 кг/т, окислительный период, выпуск плавки с оставлением в печи части металла и шлака. Ожелезненный доломит присаживают в расплавленную шихту порциями по 300-500 кг за 80-90% основного времени окислительного периода до получения содержания оксида магния в шлаке в пределах 8-10% [RU 2404263 от 18.03.2009]. Ожелезненный доломит производят обжигом во вращающейся печи с получением в составе содержания: 30-34% MgO, 55-60% СаО, 2-5% Fe₂O₃, 4-5% SiO₂ и менее 2% потерь при прокаливании. Данный способ улучшает шлаковый режим выплавки стали и повышает стойкость футеровки в сравнении с работой без подачи магнезиальных материалов по ходу плавки. Но применение ожелезненного доломита не позволит сформировать стойкий высокомагнезиальный шлаковый гарнисаж, вследствие формирования жидкоподвижного шлака, насыщенного легкоплавкими фазами ферритов кальция СаО⋅Fe₂O₃ и 2CaO⋅Fe₂O₃ (с температурой плавления соответственно 1218°С и 1437°С), что является недостатком этого способа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи, заключающийся в том, что в период рафинирования при израсходовании 75-88% электроэнергии на плавку в ванну в два приема вводят высокомагнезиальный материал, содержащий более 80% MgO, в количестве 6,5-10,0 кг/т стали для получения магнезиального шлака с содержанием 5,1-10,0% MgO и формирования на футеровке износоустойчивого гарнисажа и оставляют упомянутый магнезиальный шлак в печи на следующую плавку [RU 2493263 от 20.07.2012]. Формирование магнезиальных шлаков позволяет достигнуть полной совместимости шлаков с магнезиальными огнеупорами и способствует стабилизации процесса вспенивания шлаков. Изобретение позволяет увеличить стойкость футеровки шлакового пояса и днища печи и снизить расход электроэнергии.

Недостатком этого способа выплавки стали заключается в том, что его использование не позволяет поднять вспененный шлак на всю высоту электропечи, т.е. не достигает огнеупорного свода печи. Кроме этого высокомагнезиальный материал, содержащий более 80% MgO, получен высокотемпературным обжигом, является не только тугоплавким, но и обладает низким охлаждающим эффектом, что снижает скорость формирования гарнисажа на футеровке.

Известно, что шлаковая пена представляет собой многофазную систему, в состав которой обязательно входят жидкий оксидный расплав, большое количество мелких газовых пузырей и очень мелкие кусочки не растворившихся шлакообразующих материалов в основном извести и магнезиальных добавок. Склонность шлака к вспениванию определяется: поверхностной вязкостью шлака; степенью гетерогенности шлаков; содержанием поверхностно-активных компонентов; температурой шлака; интенсивностью и характером газового потока, пронизывающего слой шлака. Для обеспечения высокого уровня устойчивого вспененного шлака применяемый магнезиальный материал нужно подбирать таким образом, чтобы он мог эффективнее влиять на большинство перечисленных критериев. В частности, поверхностная вязкость шлака, растет с подачей материалов высокой основности, которые замедленно растворяются при увеличении кремнекислородных, кремнефосфористых анионов. Введение хорошо смачиваемых шлаком твердых частиц увеличивает устойчивость шлаковой пены, влияет на степень гетерогенности шлака. Содержание поверхностно-активных компонентов вызывает расклинивающий эффект и поверхностную диффузию в направлении только что образовавшихся участков пленки газового пузыря. Низкая температура определяет повышенную механическую прочность пленки, поверхностную вязкость шлака и замедление растворения взвешенных в шлаке твердых частиц. Увеличение интенсивности газовыделения, а главное дисперсности газовых пузырей, образующих поток, пронизывающий шлаковый расплав, приводит к росту вспениваемости шлака.

Хорошее пенообразование и более устойчивая шлаковая пена позволяет исключить влияние электрической дуги на оплавление шлаковой корки на водоохлаждаемых панелях печи, а также приводит к пониженным теплопотерям через печной корпус и снижают нагрузку на него.

В предлагаемом способе поставлена задача: повышение стойкости огнеупорной футеровки на всю высоту электропечи, включая футеровку свода, и снижение расхода электроэнергии и углеродсодержащих материалов при выплавке стали, а также снижение содержания азота в стали.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем завалку металлошихты и шлакообразующих материалов, их нагрев и расплавление, проведение окислительного рафинирования путем продувки ванны кислородом со вспениванием шлака, подачу в печь магнезиального материала, выпуск плавки с оставлением в печи части металла и шлака, в качестве магнезиального материала подают материал, содержащий гидроксид магния, при соотношении содержания оксида магния к потерям при прокаливании , с подачей магнезиального материала после выпуска части шлака периода рафинирования металла и(или) в конце плавки до начала слива металла в ковш с дополнительной подачей или без дополнительной подачи углеродсодержащего материала для вспенивания шлака.

Магнезиальный материал вводят в печь в количестве 1-10 кг/т стали.

Распространенным магнезиальным материалом, содержащим гидроксид магния Mg(OH)₂, является брусит с различным содержанием оксида магния, потерь при прокаливании и примесей: 55-69% MgO; 20-35% п.п.п. 1,0-6,5% СаО; 1,2-8% SiO₂; 0,1-1,0% Fe₂O₃ и др.

Сущность способа заключается в том, что применение магнезиального материала, содержащего гидроксид магния, в котором соотношение содержания оксида магния к потерям при прокаливании составляет , позволяет обеспечить высокий уровень устойчивого вспененного шлака за счет комплексного влияния высокого содержания MgO и Н₂O в составе флюса практически на все факторы, определяющие вспенивание. Поверхностная вязкость шлака возрастает при насыщении шлака (MgO), т.к. в условиях повышенного содержания в шлаке оксидов железа образуются фазы магнезиоферрита (MgO×Fe₂O₃) и магнезиовюстита (MgO×FeO) с температурой плавления 1750-1830°С. Образующийся после дегидратации периклаз хорошо смачивается железистым шлаком и образует гетерогенные фазы ожелезненного периклаза, что увеличивает устойчивость шлаковой пены. Термографические исследования показывают, что дегидратация гидроксида магния обладает более высокой интенсивностью, идет ускоренно и при более низких температурах, чем декарбонизация магнезита MgCO₃. Дегидратация гидроксида магния происходит в пределах температур 350-500°С с поглощением тепловой энергии 606,6 Дж/г. Таким образом, подача магнезиального материала, содержащего гидроксид магния, позволяет понизить температуру шлакового расплава, следовательно, повысить механическую прочность пленки, а также поверхностную вязкость шлака, и способствует замедлению растворения взвешенных в шлаке твердых частиц ожелезненного периклаза, способствуя гетерогенизации шлака.

При попадании вязкого гетерогенного шлака в области с меньшей температурой, ближе к футерованным поверхностям электропечи, происходит дополнительное выделение избыточных масс тугоплавких фаз в шлаковом расплаве в виде твердых дисперсных частиц. В этих условиях происходит не только полное исключение растворения огнеупора в шлаке, но и образование защитных слоев на поверхности футеровки в виде износостойкого шлакового гарнисажа.

Работа электрической дуги в толще шлака позволяет металлу и шлаку более полно аккумулировать выделяемую тепловую энергию, в результате чего расход электроэнергии сокращается. Кроме этого, закрытая дуга не приводит к ионизации воздушного пространства с выделением атомарного азота, поэтому не создаются условия для насыщения металла азотом.

Поставленная задача не решается в случае применения магнезиального материала, содержащего гидроксид магния, при низком показателе соотношения содержания оксида магния к потерям при прокаливании , так как такой материал обладает чрезмерным охлаждающим эффектом, что не только не позволит снизить расход электроэнергии, но и потребует дополнительный расход электроэнергии на плавку. Кроме этого такой материал содержит менее 50% MgO, что не позволит насытить шлак оксидами магния или потребует увеличения его расхода, соответственно его применение приведет к повышению энергозатрат в ДСП. Превышение показателя соотношения содержания оксида магния к потерям при прокаливании , вследствие низкого содержания потерь при прокаливании в магнезиальном материале, не позволит поднять шлак на всю высоту электропечи, так как сформируется вязкий шлак с повышенным содержанием оксида магния, но газообразование будет недостаточным для подъема шлака на требуемый уровень. В случае увеличения расхода углеродсодержащих материалов и кислорода для повышения высоты вспенивания вязкого шлака увеличиваются не только затраты на выплавку, но и повышается содержание серы в металле, ввиду высокого содержания серы в углеродсодержащих материалах.

Подача менее 1 кг/т стали магнезиального материала не обеспечит решения поставленной задачи, так как низкий расход не повлияет ни на один критерий вспениваемости шлака: не соответствует требованиям насыщения шлака оксидом магния, уровню гетерогенизации шлака высокомагнезиальными тугоплавкими фазами и частицами, а также приведет к недостаточному газообразованию. Превышение количества магнезиального материала более 10 кг/т стали не позволит снизить расход электроэнергии, ввиду высокого охлаждающего эффекта материала, содержащего потери при прокаливании.

Подача в ДСП магнезиального материала, содержащего гидроксид магния, в период после выпуска части шлака периода рафинирования металла и(или) в конце плавки до начала слива металла в ковш с дополнительной подачей или без дополнительной подачи углеродсодержащего материала для вспенивания шлака обусловлена высокой агрессивностью окисленного шлака (с высоким содержанием оксидов железа) по отношению к периклазовой футеровке электропечи. Кроме этого обеспечение формирования высокомагнезиального шлакового гарнисажа в конце плавки способствует защите футеровки ДСП в начальный период следующей плавки, т.е. в период плавления металлошихты, а также насыщению формируемого первичного шлака оксидами магния. Подаваемый углеродсодержащий материал при взаимодействии с кислородом в ДСП обеспечивает не только дополнительный тепловой эффект плавке, но и вспенивает шлак, который закрывает электрическую дугу.

Гидроксид магния Mg(OH)₂ содержит Н₂О, основное количество которого при присадке магнезиального материала при взаимодействии с высокотемпературным шлаком в виде пара удаляется через газоотовод в атмосферу. Оставшаяся часть распределяется между шлаком и металлом, при этом большая часть находится в шлаке в виде гидрооксила (ОН)^-. Учитывая, что подача флюса происходит в период рафинирования (дефосфорации) металла, т.е. в период интенсивного окисления углерода до нижнего предела его содержания в выплавляемой стали при взаимодействии с кислородом дутья, водород интенсивно удаляется из металла в результате экстрагирования его пузырьками СО. Водород равновесно распределяется между металлом и пузырьками СО, в которых при их образовании парциальное давление водорода равно нулю. Поэтому в условиях выплавки стали в современных ДСП, где плавка в основном заканчивается окислительным периодом, применение магнезиального материала, содержащего гидроксид магния, не приводит к росту водорода в стали. В условиях выплавки стали в ДСП наиболее сложным является получение низкого содержания азота в металле, который при ионизации воздуха в реакционной зоне под дугами выделяется в виде атомарного азота и растворяется в металле, удаление его из металла с высокой окисленностью затруднено. Поэтому обеспечение закрытия дуги шлаком способствует снижению процессов ионизации воздушного пространства печи, соответственно препятствует процессу насыщения металла азотом, что определяет неочевидность заявляемого способа выплавки стали в дуговой электросталеплавильной печи.

Сопоставление заявляемого способа выплавки стали в дуговой электросталеплавильной печи со способом, выбранным за прототип, показывает, что применение магнезиального материала, содержащего гидроксид магния, при заявленном соотношении содержания оксида магния к потерям при прокаливании, с подачей его в период окислительного рафинирования металла после выпуска части шлака и/или в конце плавки до начала слива металла в ковш с дополнительной подачей или без дополнительной подачи углеродсодержащего материала обеспечивает повышение стойкости огнеупорной футеровки на всю высоту электропечи, включая футеровку свода, позволяет снизить расход электроэнергии и углеродсодержащих материалов при выплавке стали, а также способствует снижению содержания азота в стали. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Способ осуществляется следующим образом.

В дуговую электросталеплавильную печь загружают металлошихту и шлакообразующие материалы, проводят их нагрев и расплавление, работают при регулируемых мощностях дуги и режимах работы газокислородных горелок и кислородной фурмы. После расплавления проводят интенсивное удаление шлака, вспенивая его при необходимости подачей углеродсодержащего материала, проводят окислительное рафинирование металла с корректировкой шлака шлакообразующими материалами, включая известь и магнезиальный материал, содержащий гидроксид магния, при заявленном соотношении содержания оксида магния к потерям при прокаливании, что обеспечивает требуемые показатели основности шлака и содержания в нем оксида магния по ходу плавки. После достижения температуры и содержания углерода, фосфора и др. примесей требуемым показателям выплавляемой марки проводят выпуск плавки, с оставлением в печи части металла и шлака в виде «болота» на следующую плавку.

Конкретный пример осуществления способа.

В дуговую электросталеплавильную печь емкостью 150 тонн для выплавки стали марки 13ХФА загрузили металлолом и 2,5 т извести, после проплавления середины шихты и ее оседания провели подвалку с общим расходом металлолома 158 т, затем в процессе доплавления завалки подали 0,3 т коксовой мелочи. Подачу кислорода производили через фурму. После расплавления шихты начали вдувать коксовую пыль и вспенивать сформированный шлак с интенсивным удалением шлака из печи. Для рафинирования металла осуществляли корректировку шлака известью и присаживали магнезиальный материал - минерал брусит, обеспечивая нужную основность шлака и содержание в нем оксида магния. Брусит содержал: 55-69% MgO; 20-35% п.п.п., остальное - примеси. После получения температуры металла 1650°С и содержания углерода 0,06% и фосфора 0,007% закончили работу под током, отобрали пробы металла и шлака. Начали выпуск металла в ковш, при этом конечный шлак, модифицированный магнезиальным материалом, частично прилипал к футеровке печи, образуя гарнисаж. После выпуска плавки, часть металла и шлака в виде «болота» осталась на следующую плавку. По предлагаемому техническому решению проведено 3 плавки с различными вариантами присадки брусита в ДСП-150:

Вариант 1 - Брусит присадили сразу после схода первого окисленного шлака из печи, со вспениванием шлака при вдувании коксовой пыли;

Вариант 2 - Брусит присадили в конце процесса рафинирования, перед сливом металла в ковш.

Вариант 3 - Брусит подавали 2-мя порциями по 0,75 кг: первая порция присажена сразу после схода первого окисленного шлака из печи и вторая порция присажена в конце процесса рафинирования, перед сливом металла в ковш, для вспенивания в заключительный период рафинирования подавали коксовую пыль.

Для определения толщины нанесенного гарнисажа футеровку печи сканировали перед проведением способа и после его проведения, что качественно характеризует как уровень вспениваемости шлака и его высоту, так и защиту футеровки от износа.

Согласно полученным результатам плавок предложенного и известного способа, показатели которых представлены в таблице, прослеживается снижение расхода электроэнергии и кокса в условиях работы на всех вариантах предложенного способа. Содержание азота в металле после плавки в ДСП с применением брусита ниже на 0,001-0,002%, чем в известном способе, при одинаковом показателе содержания водорода в металле. При всех вариантах выплавки стали в ДСП с применением магнезиального материала в диапазоне заявленного соотношения , обеспечено формирование гарнисажа на футеровке электропечи, включая верхнюю панель печи и свод, что обеспечит меньший износ огнеупоров и повысит стойкость футеровки.