Результат интеллектуальной деятельности: Способ производства стали с нормируемым содержанием серы

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству сталей с нормируемым содержанием серы с использованием внепечной обработки стали.

Известен способ внепечной обработки стали, который включает отсечку печного шлака, выпуск металла в ковш, подогрев металла в печи-ковше и наведение высокоосновного шлака, десульфурацию металла, наведение низкоосновного шлака, вакуумирование, непрерывную разливку металла и непрерывное перемешивание металла аргоном (патент РФ №2607877, С21С 7/06, опубл. 20.01.2017). При выпуске металла в ковш присаживают 10-12 кг/т стали шлакообразующих материалов в виде извести, алюмокорундовой смеси и карбида кремния при их соотношении (1,0-1,5):(0,20-0,25):(0,10-0,15), соответственно и чушковый алюминий в количестве 1,3-1,4 кг/т стали.

После подогрева металла в печи-ковше, наведения высокоосновного шлака и глубокой десульфурации высокоосновной шлак удаляют, затем раскисленную алюминием сталь вакуумируют при остаточном давлении 0,13-0,067 кН/м². После окончания вакуумирования наводят легкоплавкий низкоосновный шлак без включения электроподогрева, для чего присаживают смесь цемента 28%, сиенитового концентрата 15%, формовочного песка 39%, серпентинита 10%, флюоритового концентрата 3% и углерода 5%. Низкоосновный шлак в количестве 1,5-2,0 кг/т засыпают теплоизолирующей рисовой лузгой. Вводят алюминиевую проволоку на содержание Al=0,025-0,030%, затем - кальцийсодержащую порошковую проволоку в количестве 52 кг и после 5 минутного перемешивания металла аргоном вводят серосодержащую порошковую проволоку в количестве 110 кг, увеличивая содержание серы в металле с 0,002-0,005% до 0,020-0,027%. Разливку металла проводят при перемешивании в сталеразливочном ковше аргоном 50-60% первоначального объема металла. Изобретение обеспечивает комплексное рафинирование металла от серы до 0,002-0,005% с последующим легированием ею до 0,020-0,035%, удаление водорода до 0,0002% и оксидных неметаллических включений на основе глинозема до 0,0030-0,0035% объемных, а также снижает продолжительность внепечной обработки.

Недостатками этого способа являются:

- увеличение расхода серосодержащей проволоки, что повышает затраты на производство стали;

- ввод кальцийсодержащей порошковой проволоки за один прием и введение серосодержащей порошковой проволоки на последнем этапе внепечной обработки не дает возможности значительному количеству трансформированных неметаллических оксисульфидных включений всплыть в процессе вакуумной обработки, что приводит к ухудшению разливаемости металла и к повышенному браку непрерывно-литой заготовки (НЛЗ);

- присадка ассимилирующей смеси после вакуумной обработки стали уменьшает интенсивность и длительность обработки металла шлакообразующей смесью, что снижает качество очистки стали от неметаллических включений.

Известен способ внепечной обработки стали, при котором перед выпуском металла из дуговой сталеплавильной печи в ковш присаживают свежеобожженую известь, кварцевый песок и плавиковый шпат; раскисляют и легируют металл присадками ферросилиция и ферромарганца; образовавшийся в ковше кислый шлак по окончании выпуска скачивают, далее наводят основной шлак в печи-ковше присадками извести и плавикового шпата, при необходимости подогревают металл, затем его вакуумируют; после окончания вакуумирования наводят кислый шлак с основностью 0,7-1,1 и после получении однородного и жидкоподвижного шлака установку нагрева (печь-ковш) отключают и металл отправляют на установку непрерывной разливки стали (А.Н. Паршиков, М.П. Гуляев, Э.В. Иванов, Е.И. Лейнвебер, «Обработка стали для металлокорда кислыми шлаками», Труды IV конгресса сталеплавильщиков, Москва, 1997, с. 264-265).

Недостатками этого способа являются:

- повышенная трудоемкость способа за счет необходимости двух-, трехразовой смены состава шлака;

- не учтено влияние ввода кальцийсодержащей проволоки на очистку стали от неметаллических включений.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ внепечной обработки стали, который включает внепечную обработку раскисленной алюминием и десульфурированной до содержания серы 0,025% и ниже жидкой стали сначала кальцийсодержащей, а затем серосодержащей порошковыми проволоками (патент РФ №2285727, С21С 7/04, опубл. 20.10.2006). Кальцийсодержащую проволоку вводят в два этапа, причем на первом этапе вводят 20-40% кальция от общего количества, необходимого для модифицирования стали, на втором этапе присаживают оставшиеся 60-80% кальция. Между двумя этапами ввода кальцийсодержащей проволоки осуществляют вакуумирование жидкого металла.

Недостатками этого способа являются:

- введение кальцийсодержащей проволоки перед вакуумной обработкой в количестве 20-40% является недостаточным для полной трансформации и всплытия трансформированных неметаллических оксисульфидных включений, что приводит к ухудшению разливаемости стали, увеличению брака НЛЗ;

- отсутствие данных по проведению стабилизации содержания серы в металле на уровне 0,025%. Известно, что применение стандартных шлаков на основе извести приводит к более глубокому удалению серы (до уровня 0,010-0,015%), что требует дополнительной отдачи серосодержащей проволоки и приводит к увеличению затрат на производство стали;

- значительная корректировка химического состава по сере на (0,010-0,015)% производится после отдачи второй порции кальцийсодержащей проволоки. Это не позволяет модифицировать значительную часть включений на основе сульфида кальция, что приводит к затягиванию сталеразливочных каналов, ухудшению разливаемости стали, увеличению брака НЛЗ.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является совершенствование способа производства стали с регламентированным содержанием серы, повышение качества получаемой стали, снижение брака и расхода материалов.

Технический результат заключается в улучшении разливаемости стали за счет уменьшения содержания в стали тугоплавких неметаллических включений и снижении расхода серосодержащей порошковой проволоки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе производства стали с нормируемым содержанием серы, включающем выпуск металла в ковш с отсечкой шлака, присадку рафинирующей шлаковой смеси, внепечную обработку жидкой стали, раскисленной алюминием и десульфурированной до содержания серы не выше 0,025%, кальцийсодержащей порошковой проволокой, вводимой в два этапа до и после вакуумирования, согласно изобретению, рафинирующую шлаковую смесь с содержанием 60-80% Al₂O₃ вводят в количестве 2-20% от массы, отданной при выпуске извести, в процессе десульфурации на шлак присаживают материал с содержанием 50-100% SiO₂ в количестве 5-30% от массы, отданной при выпуске извести, а при обработке кальцийсодержащей проволокой на первом этапе вводят 50-80% кальция от общего количества, необходимого для модифицирования стали, на втором этапе присаживают оставшиеся 20-50% кальция. Кроме того, присадку материала с содержанием 50-100% SiO₂ начинают при содержании серы, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,015-0,025%, а завершают при содержании серы, превышающем этот предел на 0,005-0,010%, окончательную корректировку содержания алюминия осуществляют перед проведением вакуумирования жидкого металла путем присадки 0,01-0,2 кг/т алюминиевой проволоки, а после обработки стали кальцийсодержащей порошковой проволокой вводят серосодержащую порошковую проволоку.

Известно, что при обработке металла алюминием, силикокальцием и серой существует большая вероятность образования в металле сульфида кальция CaS и оксида алюминия Al₂O₃. Эти тугоплавкие соединения являются одной из основных причин затягивания сталеразливочных каналов и ухудшении разливаемости стали.

Во время легирования стали серой, обработанной силикокальцием, выделяются сульфиды кальция, которые обволакивают алюминаты кальция, что препятствует образованию наиболее благоприятных с точки зрения удаления включений типа 12СаО⋅7Al₂O₃. Вместо этого образуются твердые включения типа 10СаО⋅4Al₂O₃⋅CaS, которые всплывают менее интенсивно, чем жидкие включения, что приводит к затягиванию сталеразливочного стакана промковша и стакана коллектора стальковша установки непрерывной разливки стали и ухудшению разливаемости стали.

Для исключения образования твердых включений с сульфидом кальция предложено так называемое легирование металла «природной серой» - удержание серы в металле на уровне, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,005-0,010%. Такое легирование основано на том, что большая часть серы в металле находится в связанном состоянии в виде сульфидов марганца и сульфидов железа, что уменьшает вероятность образования сульфидов кальция при обработке стали силикокальцием.

Известно, что значительное влияние на скорость и полноту удаления серы из металла оказывает состав ковшевого шлака, поэтому была проведена корректировка состава и основности шлака в процессе обработки плавки на печь-ковше. Для этого в процессе десульфурации на шлак присаживали рафинирующую шлакообразующую смесь с содержанием 60-80% Al₂O₃ в количестве 2-20% от массы, отданной при выпуске извести, а также материал с содержанием 50-100% SiO₂ в количестве 5-30% от массы, отданной при выпуске извести. Применение материала на основе SiO₂ приводит к снижению основности шлака, что позволяет снизить скорость процесса удаления серы и удержать содержание серы в диапазоне, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,005-0,010%. Это позволяет улучшить разливаемость стали и сократить расход серосодержащей порошковой проволоки.

Количество рафинирующей смеси с содержанием 60-80% Al₂O₃ определено опытным путем, причем при присадке в шлак смеси менее 2% от массы, отданной при выпуске извести, шлак имеет недостаточную ассимилирующую способность, что не позволяет удалить необходимое количество включений и вызывает ухудшение разливаемости стали.

При увеличении количества рафинирующей смеси более 20% от массы, отданной на выпуске извести, значительно увеличивается жидкоподвижность шлака, что повышает износ огнеупоров сталь-ковша и снижает качество получаемой стали.

Количество материала с содержанием 50-100% SiO₂ также определено опытным путем. При присадке этого материала в количестве менее 5% от массы, отданной при выпуске извести, недостаточно снижается скорость десульфурации, что не позволяет удерживать содержание серы в требуемом диапазоне и, как следствие, приводит к ухудшению разливаемости стали и повышенному расходу серосодержащей порошковой проволоки.

При увеличении количества материала более 30% от массы, отданной при выпуске извести, наблюдается повышенный износ футеровки сталь-ковша и снижение качества стали из-за загрязнения частицами футеровки.

Однако при увеличении объемов производства стали с регламентированным содержанием серы было отмечено, что процесс удаления и поддержания серы в необходимых пределах нестабилен. Поэтому для своевременного снижения скорости десульфурации присадку материала с содержанием 50-100% SiO₂ начинали при содержании серы, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,015-0,025%, а завершали при содержании серы, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,005-0,010%. За счет удержания содержания серы в этих пределах минимизировано легирование стали путем введения серосодержащей порошковой проволоки после вакуумирования, тем самым минимизировано образование тугоплавких соединений на основе сульфида кальция, что обеспечило улучшение разливаемости стали и сокращение расхода серосодержащей порошковой проволоки.

Для улучшения разливаемости и повышения качества стали осуществляли модифицирование тугоплавких неметаллических включений на основе Al₂O₃ с помощью кальцийсодержащей порошковой проволоки, которую вводили в два этапа, до и после вакуумной обработки. При обработке кальцийсодержащей порошковой проволокой на первом этапе вводили 50-80% кальция от общего количества, необходимого для модифицирования неметаллических включений, на втором этапе присаживали оставшиеся 20-50% кальция.

При вводе на первом этапе менее 50% кальция от общего количества получены неудовлетворительные результаты по разливаемости стали - вследствие неполного удаления шлаковых включений наблюдалось частичное затягивание каналов, что приводило к колебаниям уровня металла в кристаллизаторе при разливке стали и образованию поверхностных дефектов НЛЗ. Именно первичное модифицирование неметаллических включений должно проводиться с максимальной эффективностью, так как после него осуществляют вакуумирование стали, способствующее всплытию и удалению большинства образовавшихся оксисульфидных неметаллических включений. При вводе на первом этапе более 80% кальция от общего количества остается недостаточно кальция для полного модифицирования оставшихся крупных неметаллических включений на втором этапе обработки стали.

После первичного модифицирования и удаления основной массы неметаллических включений вводили вторую порцию кальция - оставшиеся 20-50% от общего количества кальция, что обеспечивает окончательное и полное модифицирование оставшихся включений.

После обработки стали кальцийсодержащей порошковой проволокой и продувки инертным газом при отклонении содержания серы проводили окончательное легирование стали путем введения серосодержащей порошковой проволоки для обеспечения необходимого содержания серы.

Для уменьшения содержания в стали тугоплавких включений на основе оксидов алюминия, оказывающих влияние на разливаемость стали, были проведены опытные плавки с окончательной корректировкой содержания алюминия перед проведением вакуумирования жидкого металла путем присадки в металл 0,01-0,2 кг/т алюминиевой проволоки. Это позволило ускорить процесс всплытия на поверхность металла образовавшихся тугоплавких соединений на основе Al₂O₃ и их ассимиляцию шлаком за счет более интенсивного перемешивания металла в процессе вакуумной обработки (в отличие от внепечной обработки стали), а также увеличить продолжительность периода очистки от неметаллических включений, снизить осаждение соединений на основе Al₂O₃ в сталеразливочных каналах и улучшить разливаемость стали.

Таким образом, предлагаемый способ производства стали с нормируемым содержанием серы позволяет улучшить разливаемость стали за счет снижения тугоплавких неметаллических включений в стали на основе сульфида кальция и оксида алюминия, повысить качество получаемой стали, снизить расход серосодержащей порошковой проволоки и брак НЛЗ за счет стабилизации процесса разливки.

Предлагаемый способ производства стали с нормируемым содержанием серы осуществляют следующим образом.

После окончания выплавки в дуговой электросталеплавильной печи сталь выпускают в 150-тонный ковш с отсечкой шлака, проводя раскисление, в том числе алюминием, отдают ферросплавы, присаживают шлакообразующие, в частности известь в количестве 800-1000 кг и алюмокорундовую смесь с содержанием 60-80% Al₂O₃ в количестве 80-130 кг, что обеспечивает содержание серы в металле не выше 0,025%. Затем ковш с жидким металлом передают на установку внепечной обработки стали, где производят нагрев металла, продувку аргоном, доведение химического состава плавки до требуемого с помощью ферросплавов, в частности силикомарганца, ферросилиция, феррохрома, отбирают пробы для проведения химического анализа стали.

При содержании серы, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,015-0,025%, начинают присадку материала с содержанием 50-100% SiO₂ порциями по 50 кг, контролируя содержание серы в металле, а завершают присадку при содержании серы, превышающем нижний предел марочного содержания на 0,005-0,010%. Общий расход материала с содержанием 50-100% SiO₂ на плавку составляет до 300 кг.

После доведения температуры и химического состава металла до требуемых значений при необходимости проводят окончательную корректировку содержания алюминия в металле путем присадки 0,01-0,2 кг/т алюминиевой проволоки. Затем скачивают шлак и плавку переставляют на вакууматор. Перед вакуумированием вводят первую порцию кальцийсодержащей порошковой проволоки - 115-120 м из расчета присадки в металл кальция в количестве 10,5-11 кг (50-80% от общего количества кальция, необходимого для модифицирования стали). После ввода первой порции кальцийсодержащей проволоки проводят вакуумирование металла в течение 15 минут. Затем вводят вторую порцию кальцийсодержащей порошковой проволоки - 50-55 м из расчета присадки в металл кальция количестве 4,5-5 кг (20-50% от общего количества кальция). После обработки кальцийсодержащей порошковой проволокой возможно проведение продувки, например аргоном в течение 2-10 мин для удаления образовавшихся включений.

При отклонении содержания серы от требуемых значений проводят окончательное легирование стали путем введения серосодержащей порошковой проволоки.

После этого ковш с жидким металлом передают на разливку, в процессе которой отбирают пробы для определения химического состава металла и наличия неметаллических включений.

По предлагаемому способу были проведены 12 опытных плавок. На всех плавках было достигнуто заданное содержание серы в металле, разливка металла проведена без замечаний. Окончательную корректировку содержания серы проводили на одной плавке путем введения серосодержащей порошковой проволоки.

Также был осуществлен способ производства стали с нормируемым содержанием серы по действующей технологии, содержащий внепечную обработку стали, включающую в себя выпуск стали в ковш емкостью 150 т с отсечкой шлака, раскисление, присадку извести в количестве 1500-1900 кг, алюмокорундовой смеси в количестве 200-250 кг, ферросплавов, удаление серы до содержания не более 0,008% в процессе внепечной обработки жидкой стали, вакуумирование, корректировку содержания алюминия, обработку кальцийсодержащей порошковой проволокой из расчета присадки 15-17 кг кальция, а затем - легирование металла серосодержащей порошковой проволокой до требуемых значений. При использовании действующей технологии наблюдалось затягивание сталеразливочных каналов вплоть до полного перекрытия канала. В серию удавалось разлить не более двух плавок при норме - не менее четырех. Затягивание каналов и неравномерность разливки стали приводили к повышенной отбраковке НЛЗ по шлаковым включениям и другим наружным дефектам.

В таблице представлены результаты средних показателей качества получаемой стали и расход серосодержащей порошковой проволоки по действующей технологии и предлагаемому изобретению.

Как видно из таблицы, увеличена масса разливаемой стали в серию на 192 т (разлито 4 плавки), сокращен брак серосодержащей НЛЗ на 34,05 кг/т, сокращены обрезь дефектов НЛЗ на 2,7 кг/т и обрезь технологическая на 7,2 кг/т, сокращен расход серосодержащей порошковой проволоки на 0,32 кг/т.

Предлагаемый способ производства стали с нормируемым содержанием серы обеспечивает улучшение разливаемости стали, повышение качества стали и непрерывно-литой заготовки из таких марок стали, снижение расхода серосодержащей порошковой проволоки и брака.