Спосіб виплавки сталі в електродуговій печі

Спосіб виплавки сталі в електродуговій печі, що включає завалку металошихти, подачу марганцевмісних і шлакоутворюючих матеріалів, плавлення, проведення окисного і рафінувального періодів плавки, доведення розплаву до необхідної 3 легуючих елементів, стабілізувати чи збільшити рафінуючий потенціал шлакової фази, що і призводить до підвищеної витрати дорогих феросплавів і легуючих матеріалів, а також вапна і плавикового шпату. Виходячи з цього, у сучасній металургії присутня актуальна потреба в композиціях для оптимізації процесів виплавки сталі шляхом створення умов для прямого легування сталі, що будуть мати такі хімічний склад і властивості, при яких здійснюється підвищення ступеня відновлення марганцю і, як наслідок, його засвоєння металом, а також мінімізація агресивного впливу компонентів композиції на металургійне устаткування і підвищення якості одержуваних продуктів за рахунок більш ефективного використання потенціалу елементів взаємодіючих зі шлако-металевим розплавом. Крім того, для цілей зниження матеріальних витрат на виробництво сталі кращим є використання однієї універсальної композиції, придатної для здійснення прямого легування сталі марганцем і оптимізації шлакового режиму виплавки для різних способів виробництва сталі. Крім хімічного складу, підвищенню ефективності легування сталі сприяє також спосіб подачі легуючої композиції. Найбільш розповсюдженим є попереднє брикетування композицій для легування сталі. Якість брикету обумовлює ефективність процесу легування і також залежить від хімічного складу композиції для легування сталі. Часто для здешевлення таких брикетів до складу композиції додатково вводять вапняк чи використовують комплексні сплави різних металів. Це у свою чергу сприяє передчасному руйнуванню брикету, що у свою чергу призводить до невиконання основного принципу, що забезпечує протікання хімічної реакції відновлення марганцю - це постійний контакт матеріалів, що беруть у ній участь. Використання комплексних сплавів веде до додаткових витрат елементів-відновлювачей в угар, а, отже, збільшує собівартість брикету. Якість одержуваного кінцевого продукту при реалізації різних способів виробництва сталі визначається типом використовуваних феросплавів, шлакоутворюючих матеріалів, а також використовуваних композицій для оптимізації процесів виплавки сталі і шлакового режиму. Процес легування в сталеплавильному агрегаті чи в сталерозливному ковші організовують таким чином, щоб забезпечити синхронізацію плавлення вихідних компонентів реакції і самого процесу відновлення. Така синхронізація досягається строгими технологічними прийомами з використанням вихідних матеріалів заданої фракції. У результаті процес відновлення марганцю лімітується часом плавлення компонентів і швидкістю хімічної реакції. При цьому швидкість відводу продуктів реакції з активної зони випереджає чи дорівнює швидкості плавлення. При електродуговому способі виплавки сталі в якості марганцевмісних матеріалів найчастіше застосовують феромарганець чи феросилікомарганець. Для формування технологічного шлаку найчастіше застосовуються вапно і плавиковий шпат. Головне легування електросталі марганцем 40645 4 здійснюється в ковші під час зливу металу. При використанні композицій із зазначених матеріалів відсутня можливість ефективного регулювання процесів легування і шлакоутворення, що значно впливають на загальні термодинамічні і теплообмінні процеси виплавки сталі. У чорній металургії загальновідомі екзотермічні брикети, що містять як основу легуючий метал чи його сплав із залізом, відновлювач, окислювач, флюси та сполучне. Використання таких брикетів дозволяє перенести легування сталі в ківш, зменшити втрати легуючого елемента, підвищити продуктивність агрегатів. Недоліком цих брикетів є використання в їхній сполуці здрібненого марганцевмісного феросплаву, що робить їх досить коштовними як за рахунок використання феросплаву, так і за рахунок наявності операції по підготовці марганцевмісного феросплаву до брикетування. На сьогоднішній день відомі композиції і суміші для прямого легування сталі марганцем, що включають у себе компоненти: марганцевий агломерат, алюміній металевий Аl, плавиковий шпат CaF2, оксид кремнію SiO2, залізо Fe, вуглець С, сірку S, фосфор Р, у широких межах вмісту компонентів, у залежності від призначення композиції. Композиції представлені механічними сумішами компонентів, що входять до їх складу та що знаходяться у вигляді дрібно дисперсної чи пилоподібної фракції. Основним недоліком зазначених композицій і сумішей є відносно високий коефіцієнт безповоротних втрат матеріалу (у вигляді пилу і диму) при впровадженні в реакційну зону сталеплавильних агрегатів, що є наслідком взаємодії матеріалу композицій з висхідними тепловими потоками від дзеркала шлакометалевого розплаву і газодимових потоків у робочому просторі плавильних агрегатів. Це в значній мірі знижує цінність і ефективність застосовуваних композицій, є причиною підвищеної витрати композицій. Крім того, найчастіше фракційна сполука матеріалів не забезпечує підвищення рафіновочного потенціалу розплавленої шлакової фази і прискорення активізації ведучих хімічних компонентів шлакового розплаву, що у свою чергу не забезпечує високої якості одержуваного продукту. Відомий спосіб виплавки сталі в електродуговій печі, [описаний у патенті РФ №2041961], що включає завалку металошихти, подачу марганцевмісних і шлакоутворюючих матеріалів, плавлення, проведення окисного і рафіновочного періодів плавки, доведення розплаву до необхідної температури. Марганцевмісний матеріал являє собою металевий концентрат для металургійного переділу фракції 10-250мм, до складу якого входить марганець, окис марганцю, залізо, вуглець, кремній, окис кальцію, окис магнію, закис заліза, кремнезем, глинозем, фосфор, сірка, графіт і п'ятиокис фосфору. До недоліків описаного рішення можна віднести якісний і кількісний склад марганцевмісного матеріалу, призначеного для легування сталі. Марганцевмісний матеріал вводять у не брикетованому вигляді, що сприяє низькому ступеню засвоєння марганцю сталлю. Це у свою чергу знижує цінність 5 і ефективність застосовуваного матеріалу, що є причиною підвищеної його витрати. При використанні марганцевмісного матеріалу з зазначених компонентів відсутня можливість ефективного регулювання процесів легування і шлакоутворення, що значно впливають на загальні термодинамічні і теплообмінні процеси виплавки сталі в електродуговій печі. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є композиція для прямого легування сталі марганцем, [описана в авторському свідоцтві СРСР №771168], що включає оксидний марганцевмісний матеріал, металевий кремній Simet, металевий алюміній Almet. Також композиція містить марганець, залізо, плавиковий шпат і сполучне. Крім того, відповідно до винаходу з метою підвищення ступеня засвоєння марганцю і здешевлення брикету, одержуваного з даної композиції, композиція додатково містить вапняк, а алюміній, кремній, марганець і залізо введені у вигляді комплексного сплаву при наступному вмісті компонентів, мас.%: комплексний сплав алюмінію, кремнію, марганцю і заліза 42,5-48,0 марганцева руда 31-38 вапняк 7,0-12,0 плавиковий шпат 3,0-5,0 сполучне 5,0-9,0. Істотним недоліком використання цієї композиції є зниження технологічної цінності вихідного матеріалу, необхідність додаткових витрат енергії на руйнування брикетів, сформованих з цієї композиції, що при контакті зі шлако-металевим розплавом піддаються поверхневій мінералізації з утворенням тугоплавких комплексів. При цьому, рівень в'язкості шлаку залишається досить високим, що у свою чергу призводить до погіршення умов плавлення композиції і зниженню ефективності процесів виплавки сталі і шлакового режиму. Недоліками композиції при використанні її для прямого легування сталі марганцем також є низький ступінь засвоєння марганцю сталлю, великий вміст алюмінатних неметалічних включень у сталі, додаткова витрата теплової енергії на дисоціацію вапняку, використання коштовних і дефіцитних матеріалів: плавиковий шпат і комплексний сплав алюмінію, кремнію, марганцю і заліза. Наявність у брикеті композиції вапняку, крім додаткових витрат теплової енергії на його дисоціацію, призводить до передчасного руйнування брикету за рахунок виділення з нього газоподібного діоксиду вуглецю. У даному випадку відновники, що знаходяться в шматках брикету, і не розкиснеш сталь і шлак вступають у безпосередній контакт, при цьому поверхня цього контакту набагато більша, ніж з оксидним марганцевмісним матеріалом, тому вірогідність вступу алюмінію в реакцію з активним киснем, розчиненим у сталі і шлаку, набагато більша, ніж вірогідність проходження реакції відновлення марганцю. У зв'язку з цим значна частина відновників витрачається на розкислення сталі і шлаку. Це призводить до зменшення ступеня відновлення марганцю і, як наслідок, його засвоєння сталлю і погіршенню його якості за рахунок додаткового забруднення алюмінатними 40645 6 неметалічними включеннями, що важко видаляються з рідкого металу. Крім того, у даній композиції міститься комплексний сплав, при виробництві (виплавці) якого завжди існують додаткові втрати елементів-відновників у чад, що знижує економічну ефективність використання даної композиції. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу виплавки сталі в електродуговій печі, у якому за рахунок застосування композиції для прямого легування сталі марганцем удосконаленого складу і її попереднього брикетування буде забезпечене підвищення ефективності виплавки сталі в електродуговій печі. Поставлена задача вирішується тим, що розроблено спосіб виплавки сталі в електродуговій печі, що включає завалку металошихти, подачу марганцевмісних і шлакоутворюючих матеріалів, плавлення, проведення окисного і рафінувального періодів плавки, доведення розплаву до необхідної температури, при цьому в якості марганцевмісного матеріалу на дзеркало металу в електродуговій печі подають композицію для прямого легування сталі марганцем при наступному співвідношенні компонентів композиції, мас.%: металевий кремній Simet 5,0-12,0 металевий алюміній Almet 3,0-15,0 оксиди лужних металів (K2O+Na2O) 1,0-5,0 оксид алюмінію Аl2О3 3,0-15,0 оксиди (CaO+MgO+Fe2O3) 5,0-15,0, марганець у вигляді оксидів решта, при цьому композицію піддають попередньому брикетуванню. Відсутність у складі композиції компонентів, що при контакті композиції і брикетів, сформованих з неї, з рідким металом і нагріванні дисоціюють з виділенням газоподібних продуктів і руйнують брикет на кілька шматків, забезпечує наступну схему фазового перетворення брикету: налипання металу на брикет - розм'якання брикету - розплавлювання брикету. Це дозволяє забезпечити тривалий контакт часток оксидного марганцевмісного матеріалу і відновника. Оксидний марганцевмісний матеріал і відновники знаходяться в безпосередньому контакті відразу після виготовлення композиції і формування з неї брикету. Після присадки в ківш, завдяки фізичному теплу метала, компоненти композиції розм'якають усередині сформованого з неї брикету, і вже до початку його плавлення за рахунок численних і дуже розвитих контактів компонентів усередині брикету починається відновлення марганцю, за рахунок цього частки відновників практично не контактують з нерозкисненою сталлю. Оксидний марганцевмісний матеріал, що міститься в композиції, підвищує прожарювання і міцностні характеристики стали. Марганець разом з тим є єдиним елементом, що дозволяє, зв'язуючи сірку, повністю усунути один з найбільш важливих дефектів сталі - краснолом. Експериментально встановлено, що введення в композицію оксидного марганцевмісного матеріалу в кількості від 34 до 50% від маси всієї композиції дозволяє створити оптимальні умови для прямого легування сталі марганцем, дозволяє здійснити ефективну оптимі 7 зацію шлакового режиму процесу виплавки сталі, що у свою чергу дозволить забезпечити високу якість кінцевого продукту і зниження матеріальних витрат на здійснення металургійних процесів. У більшість марок сталі марганцевмісні матеріали вводяться разом із кремнієм. Подібне сполучення марганцю і кремнію разом з підвищенням міцностних характеристик і усуненням шкідливого впливу сірки, завдяки утворенню легкоплавких евтектик із продуктів, що утворяться при розкисленні сталі, дозволяє одержувати метал більш чистий за киснем і неметалічними включеннями. Експериментально встановлено, що введення в композицію металевого кремнію Simet у кількості від 5 до 12% від маси всієї композиції дозволяє забезпечити високу ефективність проведення процесу легування сталі, що у свою чергу забезпечує високу якість кінцевого продукту, дозволяє скоротити кількість використовуваної композиції для прямого легування сталі, що у свою чергу дозволить скоротити виробничі витрати. Металевий алюміній являє собою власне алюміній у технічно чистому вигляді. Алюміній розкислює рідкий розплав заліза, тобто видаляє кисень, а наявність оксиду алюмінію сприяє асиміляції неметалічних включень, що у свою чергу сприяє зниженню вмісту шкідливих домішок, наприклад сірки, кисню в розплаві заліза. За рахунок вибору різних співвідношень алюмінію й оксиду алюмінію можна регулювати процес шлакоутворення. Експериментально встановлено, що оптимальним є введення в композицію металевого алюмінію від 6 до 15% загальної маси композиції. Саме така кількість алюмінію дозволяє запобігти зниженню здатності композиції до очищення розплаву від небажаних чи шкідливих домішок, дозволяє забезпечити оптимальні умови шлакоутворення, а також сприяє створенню оптимальних умов для протікання процесу легування сталі. Так само експериментально було встановлено, що оптимальним є введення оксиду алюмінію в композицію в кількості від 5 до 15% від загальної маси композиції, що дозволяє забезпечувати зниження в'язкості шлаку до значень, при яких відбувається істотне прискорення шлакоутворення, а також запобігти насичення шлаку тугоплавким глиноземом (Аl2О3). Таким чином, включення до складу композиції для прямого легування сталі марганцем металевого алюмінію Almet і оксиду алюмінію Аl2О3 дозволяє забезпечити прискорення процесу шлакоутворення, що у свою чергу дозволяє підвищити ефективність металургійних процесів і знизити виробничі витрати. Для одержання рідкоактивного шлаку до складу суміші введені легкоплавкі компоненти: оксид натрію й оксид калію в кількості 1-5мас.%. Експериментально встановлено, що введення в композицію легкоплавких компонентів у кількості, зазначеній вище, дозволяє запобігти небажаного збільшення в'язкості шлаку, погіршення умов плавлення суміші і підвищення часу обробки розплаву заліза, а також сприяє підвищенню ефективності процесу легування сталі. Оксид алюмінію (Аl2О3), що міститься в композиції, двоокис кремнію (SiO2), що завжди міститься 40645 8 в оксидних марганцевмісних матеріалах, і той, що виникає в результаті відновлення марганцю кремнієм, у сукупності із СаО утворюють трикомпонентний шлак системи CaO-Al2O3-SiO2 зі значно меншою (1500°С). Такий шлак, у присутності оксидів лугоземельних металів (K2O+Na2O) для забезпечення його рідкорухомості, після утворення знаходиться в безпосередньому контакті з алюмінатами, що виникають під час відновлення марганцю з його оксидів алюмінієм, що забезпечує більш оптимальні умови їхнього видалення на поверхню металу в сталерозливному ковші. Композиція для прямого легування сталі марганцем піддається брикетуванню шляхом непрямого об'ємного обтиснення без використання додаткових сполучних матеріалів. Одержувані цим способом брикети композиції можуть мати прямокутну, округлу чи іншу форму з близькими розмірами в усіх напрямках. У цьому способі брикети з композиції для прямого легування сталі марганцем є каталізатором процесів шлакоутворення й активатором хімічних компонентів шлакового розплаву, за рахунок цього досягається прискорення процесів формування і підвищення відновного і рафінувального потенціалу технологічного шлаку. Додатково за рахунок вхідних до складу композиції металевого алюмінію і металевого кремнію досягається часткове зниження окисненості металевого розплаву насичення його марганцем. Рафінувальний період плавки при реалізації даного способу з використанням зазначеної композиції відрізняється стійкістю горіння електричних дуг у період розплавлювання шлакоутворюючих матеріалів, зниженням витрат графітованих електродів, а також зниженням витрати вапна, кремнієвмісних і марганцевмісних феросплавів. Крім того, відбувається збільшення вмісту сірки в шлаку, що свідчить про підвищення ефективності десульфації металу. Приклад одержання композиції з її наступним брикетуванням, а також вплив зміни кількісного вмісту компонентів композиції для прямого легування сталі марганцем на якість сталі ілюструється наступними прикладами. Приклад 1. Отримання композиції для прямого легування сталі марганцем з її наступним брикетуванням. Компоненти композиції: оксиди марганцю, карбід кремнію SiC, оксиди (СаО+ MgO+Fe2O3), оксид кремнію SiO2, металевий Simet, металевий алюміній Almet і оксид алюмінію Аl2О3, при цьому композиція додатково включає оксиди лужних металів (K2O+Na2O) піддали попередньому здрібнюванню, нормалізували вологість компонентів і класифікації по фракціях для одержання наступного фракційнго складу компонент, %: менше 3,0мм ≥90 більше 3,0мм ≤10. Потім композицію піддають непрямому об'ємному обтисненню без використання сполучних добавок до заданих розмірів брикету (10-30)×(2040)×(30-50)мм відповідно. 9 40645 Таким чином, композиція, що заявляється, для прямого легування сталі марганцем і брикети з зазначеної композиції забезпечують оптимальний хімічний склад і підвищення відновлювального та рафінувального і потенціалу шлакової фази за рахунок прискорення активізації ведучих хімічних компонентів шлакового розплаву, а також більш швидкого формування активної шлакової фази з заданими властивостями і мінімальними втратами вихідного матеріалу у вигляді пилу і диму, створюють оптимальні умови для прямого легування сталі марганцем. Приклад 2. Електродугова виплавка сталі. В електродуговій печі садкою 100 тонн здійснювали виплавку сталі марки S235J2G3. Здійснювали завалку металошихти, подачу шлакоутворюючих матеріалів, плавлення, проведення окисного і рафінувального періодів плавки, доведення розплаву до необхідної температури. При цьому в рафінувальний період плавки на дзеркало металу в електродугову піч подавали 650кг композиції, що заявляється, у вигляді брикетів для прямого легу 10 вання сталі марганцем та інші феросплави і розкиснювачі, при цьому вміст компонентів у брикетах відповідав співвідношенню, що заявляється. Розмір брикету складав 20´30´40мм і був виготовлений з компонентів фракцією 0-3мм. До і після введення матеріалів в електродугову піч відбирали проби металу на хімічний аналіз. Після цього проводили позапічну обробку сталі на установці "ківш-піч" і розливали її на слябовій МНЛЗ на заготівлі перетином 150´1200мм. На всіх технологічних етапах, починаючи з випуску сталі з електродугової печі і закінчуючи її розливанням, здійснювали виміри температури металу. Від отриманих слябів відрізали темплети для визначення макроструктури за ДСТ 14-1-235-91. При легуванні сталі марганцем з використання феромарганцю марки ФМн78, що здійснювалося для порівняння з прямим легуванням сталі марганцем композицією, що заявляється, були отримані наступні показники (таблиця 1). Таблиця 1. Кількість Ступінь дослідних засвоєння Тип композиції плавок, марганцю, шт. % Феромарганець ФМн78 64 72,4 Композиція, що заявляється 43 83,2 Бал макроструктури ЛПТ, од. Як випливає з показників, приведених у таблиці 2, застосування для прямого легування сталі марганцем композиції, що заявляється, дозволяє збільшити ступінь засвоєння марганцю (+10,8%), знизити забруднення металу неметалічними домішками до 2,0-2,5 бали, знизити втрати температури металу в печі в середньому на 15°С. З прикладу видно, що брикет, що заявляється, може бути застосований у промисловому виробництві сталі з використанням існуючого металургійного устаткування. Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 3,0-4,5 Падіння тем- Швидкість Кількість ператури розливу затягування сталі в печі, сталі, рівчаків, шт °С м/хв 47 0,83 4 2,0-2,5 32 0,87 0 Таким чином, композиція для прямого легування сталі марганцем за рахунок свого оптимізованого хімічного складу дозволяє забезпечити підвищення ефективності виплавки сталі електродуговим способом і якісних характеристик металів, оптимізацію шлакового режиму процесу виплавки сталі, створення оптимальних умов для прямого легування сталі марганцем, а також дозволяє забезпечити зниження матеріальних витрат на здійснення металургійних процесів. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601