способ производства брикетов для прямого легирования и раскисления стали марганцем

Формула изобретения

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БРИКЕТОВ ДЛЯ ПРЯМОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ МАРГАНЦЕМ, включающий выплавку восстановителя, дробление и размол восстановителя, марганцевой руды, их смешение с добавкой связующего и брикетирование, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют ферросилиций, который выплавляют из шихты, содержащий часть марганцевой руды, кварцит, железную стружку и кокс, полученный ферросилиций разливают в слитки и выдерживают на воздухе до рассыпания, оставшуюся часть марганцевой руды обжигают при 900 1000^oС, размалывают в порошок и смешивают с ферросилицием в соотношении 0,7 0,9 1,0 соответственно, затем смесь повторно размалывают в течение 30 40 мин, в смесь добавляют 10 15% от массы сплава порошок шлака мартеновской или конвертерной плавки и 10 30% доломита, после чего смесь в течение 10 20 мин перемешивают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве стали в мартеновских и электрических печах и кислородных конвертерах.

Марганец является практически обязательной составляющей большинства марок стали. Его введение в сталь позволяет устранить краснолом. С другой стороны при наличии в стали марганца образуются легкоплавкие неметаллические включения, что облегчает их удаление и делает сталь более чистой и по содержанию в ней кислорода, и по содержанию неметаллических включений. Обычно марганец вводят в сталь ферросплавами металлическим марганцем, ферромарганцем или силикомаpганцем (Явойский В.И. Левин С.Л. Баптизманский В.И. и др. Металлургия стали. М. Металлургия, 1973, с. 377-380). Однако марганцевые ферросплавы, применяемые для этого, становятся все дороже и дефицитнее, особенно в России. Последнее связано с тем, что марганцевые руды в республике не добываются, а из руды, поставляемой с Украины, производится в крайне ограниченном количестве лишь доменный ферромарганец. Кроме этого, как при производстве марганцевых ферросплавов, так и при их введении в сталь значительная часть марганца (до 25-30% на каждом переделе) теряется, а его полезное использование не превышает 30-50%

Для устранения этих недостатков последнее время широко изучаются процессы прямого легирования стали. Восстановление марганца в этом случае происходит непосредственно в момент его ввода в сталь. Легирующий элемент при этом попадает в сталь в жидком виде, что ускоряет его растворение и уменьшает потери.

Наиболее просто этот способ легирования стали осуществляется путем присадки агломерата или богатой руды в печь или ковш, ее расплавления и обработки восстановителем (алюминием, ферросилицием, коксом). Однако при введении руды в печь восстановление сопровождается большими потерями восстановителей. При введении холодной руды в ковш растут потери тепла, результаты обработки рудного расплава алюминием и кремнием нестабильны, а получаемый металл требует усреднения путем продувки нейтральным газом. По этим причинам применение для прямого легирования неподготовленных материалов при массовом производстве стали невозможно.

Наиболее близким к заявляемому является способ подготовки шихты для прямого легирования стали, включающий измельчение легирующего восстановителя и флюса, их дозирование и смешение между собой и со связующим, брикетирование и сушку брикетов [2] Однако в таких брикетах можно использовать только богатую низкокремнистую руду, а в качестве восстановителя применять алюминий, который дорог и дефицитен. При применении в качестве восстановителя ферросилиция растут потери марганца или вместе с марганцем в сталь вводится очень много кремния. Это либо сужает сортамент выплавляемой этим способом стали, либо приводит к тому, что до 50-70% марганца приходится вводить обычными ферросплавами, что приводит к уменьшению полезного использования марганца.

Целью изобретения является уменьшение затрат руды и восстановителя на прямое легирование стали марганцем при одновременном повышении его извлечения из руды.

Цель достигается тем, что в известном способе производства брикетов для прямого легирования, включающем выплавку восстановителя, дробление восстановителя, марганцевой руды и флюса, их смешение и брикетирование, сначала часть марганцевой руды (примерно 30-50% от ее общего расхода) проплавляют в смеси с кварцитом, железной стружкой и коксом, а полученный при этом 45-50% ферросилиций разливают в слитки и выдерживают на воздухе до рассыпания, куски ферросилиция дробят и размалывают, а другую часть марганцевой руды обжигают при 900-1000^оС, размалывают в порошок, смешивают в соотношении (0,7-0,9):1,0 с порошком ферросилиция, после чего смесь повторно размалывают и перемешивают на бегунах в течение 20-40 мин, а приготовленную смесь добавляют примерно 10-15% от веса ферросилиция порошок шлака от мартеновской или конвертерной плавки и 10-30% доломита, перемешивают в течение 10-20 мин и брикетируют.

В результате введения части марганцевой руды в шихту для плавки ферросилиция получают сплав с содержанием 45-50% Si, 15-30% Mn и 0,05-0,08% Р при извлечении марганца в него 90-94% Этот сплав самопроизвольно рассыпается в порошок. Это позволяет повысить в брикетах отношение марганца к кремнию в 1,5-2 раза и тем самым распространить возможность использования таких брикетов на весь сортамент углеродистой, низколегированной и многих марок легированной стали. С другой стороны, при таком режиме плавки ферросилиция обеспечивается очень высокое извлечение марганца, уменьшение расхода руды, а следовательно, и уменьшение доли фосфора, вносимого в сталь при легировании. С другой стороны, почти ликвидируются и затраты на дробление восстановителя.

Обжиг второй части марганцевой руды удаляют из нее влагу, ликвидирует затраты тепла на ее удаление и повышает качество стали. С другой стороны оксиды марганца при этом переводятся в Mn₃O₄, что уменьшает затраты кремния на его восстановление, уменьшает количество шлака и повышает скорость восстановления. Обжиг руды также уменьшает затраты на ее размол.

Смешение мелочи руды с порошком 45-50% ферросилиция в соотношении (0,7-0,9): 1,0 и совместный их повторный размол в течение 20-40 мин на бегунах позволяет обеспечить наиболее тесный контакт между частицами ферросилиция и частицами руды, высокую скорость восстановления оксидов марганца и минимальный угар кремния. Последнее связано как с хорошим перемешиванием частиц восстановителя и руды, так и с внедрением при совместном размоле твердых частичек ферросилиция в частички менее твердой после обжига руды и даже с "намазыванием" относительно более пластичной руды на поверхность твердого ферросилиция. Эти процессы в основном завершаются при обработке на бегунах в течение 20-40 мин. С другой стороны, соотношение между рудой и ферросилицием (0,7-0,9):1,0 обеспечивает как равное количество в смеси частичек обоих материалов, так и необходимое для легирования стали соотношение между марганцем и кремнием. Это способствует повышению извлечения марганца, уменьшению расхода руды, ферросилиция и флюсов и расширению сортамента выплавляемой стали. Наконец, соотношение (0,7-0,9):1,0 между расходом руды и ферросилиция приводит к тому, что в получаемом в ходе реакции металле содержится примерно 25% Si. Равновесная с таким металлом концентрация (Mn) составляет лишь 2-4% Поэтому при подобном способе приготовления брикетов высокая полнота восстановления марганца обеспечивается не только из той части руды, которая вводится в шихту для плавки ферросилиция (90-94%), но и из руды, вводимой в брикет (80-85% ). Для получения высокого извлечения марганца из руды, вводимой при брикетировании, важным являются и высокая скорость удаления кремнезема, получаемого при восстановлении по реакциям

Mn₃O₄ + 2Si 3Mn + 2SiO₂

H^о₂₉₈ -434300 Дж

Fe₂O₃ + 3/2Si 2Fe + 3/2SiO₂

H^о₂₉₈ -544340 Дж

Обычно для ускорения отвода тугоплавких продуктов в брикеты вводят плавиковый шпат. Однако использование плавикового шпата приводит к выбросу в атмосферу цеха вредных соединений (SiF₄, HF и др.). Кроме этого, плавиковый шпат ускоряет растворение оснований (СаО, MgO и др.), тогда как кремнезем растворяется в этом флюсе медленнее, что возможно связано с образованием летучих соединений. Наконец, плавиковый шпат очень дорог и все более дефицитен. В брикеты по предлагаемому способу их производства вводится вместе с доломитом ковшевой мартеновский или конвертерный шлак. Это позволяет обеспечить и высокую скорость отвода кремнезема (ошлакование SiO₂ идет с выделением тепла и самоускоряется), уменьшает затраты на флюсы и делает брикеты малогигроскопичными. В результате растут скорость и полнота восстановления, а снижение затрат обеспечивается как тем, что используется отвальный продукт, так и тем, что в качестве связующего при этом можно использовать наиболее дешевый материал, например жидкое стекло. Наконец, во многих случаях при этом можно отказаться от сушки или прокаливания брикетов при 200-250^оС. Высокая скорость растворения кремнезема естественно возможна только при хорошем смешении шлака с основными компонентами: ферросилицием и марганцевой рудой. Это обеспечивается тем, что после введения порошка шлака и доломита шихта перед брикетированием 10-20 мин перемешивается.

В качестве восстановителя наиболее целесообразно использовать сплав с содержанием только 45-50% Si. При большем содержании кремния, например 65% затрудняется отделение металла от кремнезема и шлака, что связано как с высокой его адгезией с кислым шлаком, так и низкой плотностью сплава. Это приводит к тому, что из руды восстанавливается, как показали опыты, лишь 8,8-40% марганца. С другой стороны и более низкое, чем 45% содержание кремния в сплаве нежелательно, так как при этом повышается концентрация (MnO) в шлаке и понижается термичность брикетов.

Оптимальный расход сырой руды на плавку ферросилиция с марганцем составляет 30-50% При меньшем, чем 30% расходе руды концентрация марганца понижается ниже 15% что затрудняет использование брикетов для стали с отношением [Mn] /[Si] большем, чем 2-3. При расходе руды, большем чем 50% затрудняется плавка ферросилиция, растут потери марганца испарением.

Оптимальным соотношением между расходом обожженной руды и ферросилиция является 0,7-0,9:1. При меньшем 0-7:1 соотношении уменьшается содержание марганца в сплаве, что затрудняет использование брикетов для металла с содержанием 0,12-0,25% При отношении большем, чем 0,9:1, растут потери марганца, что связано как с ростом кратности шлака, так и уменьшением скорости реакции в брикете.

Оптимальный расход мартеновского или конвертерного шлака составляет 10-15% от веса сплава в брикете. При меньшем, чем 10% его расходе, уменьшается скорость растворения кремнезема, что приводит к уменьшению извлечения марганца. При большем, чем 15% расходе шлака, скорость отвода продуктов почти не изменяется, тогда как потери кремния на восстановление оксидов железа из шлака становятся заметными.

Оптимальный расход доломита составляет 10-30% При подобном расходе доломита содержание SiO₂ в шлаке колеблется в пределах 33-43% Подобные шлаки наиболее жидкоподвижны и легко отделяются от капель металла. При расходе доломита > 30% растет кратность шлака, что увеличивает потери марганца. При расходе доломита < 10% растет концентрация SiO₂ в шлаке, шлак становится вязким, сильно "длинным". Это также увеличивает потери марганца и в виде MnO и в виде корольков и капель в шлаке.

Очень важной для качестве металла и показателей извлечения является теснота смешения и контакта руды и сплава. Это достигается длительным перемешиванием и совместным дроблением руды и сплава. Оптимальная продолжительность их совместного размола и перемешивания колеблется в пределах 30-40 мин. При меньшей их продолжительности уменьшается извлечение марганца, что связано с неоднородностью смеси. При продолжительности смешения > 40 мин растут затраты, тогда как теснота смешения не изменяется. Перемешивание шихты после введения флюсов (шлака + доломита) составляет 10-20 мин. При продолжительности перемешивания меньшей 10 мин понижается скорость проплавления брикета, что связано с недостаточной его однородностью. Большая, чем 20 мин продолжительность перемешивания увеличивает затраты, тогда как качество смеси не повышается.

П р и м е р 1. В печи 100 кВА на шихте, навеска которой состояла из 10 кг кварцита, 6 кг марганцевой руды (Mn 43,5% Fe 5,6%). 2,2-2,3 кг железной стружки и 5,8-6,3 кг сухого кокса, плавили ферросилиций. Плавку проводили непрерывным процессом. Сплав выпускали через каждый час работы печи. Сплав имел содержание кремния в начале опытов примерно 40% начиная с 4-го выпуска примерно 45% Содержание марганца при этом колебалось в пределах 15-25% Сплав во всех выпусках через 7-8 сут терял прочность или рассыпался в порошок. Расчетно извлечение марганца в сплав колебалось в пределах 90-94%

П р и м е р 2. Из стандартного сплава ФС 45 (Si 45% Al 1,5%) и порошка сплава, полученного в примере 1, обожженного при 1000^оС руды (Mn 50,6% Fe 6,5% ), 10% порошка мартеновского шлака (SiO₂ 20% CaO 48% MgO 10% Mn 7% FeO 12% ) и 20% доломита от веса сплава изготовили брикеты. Для этого сначала смешали в соотношении 1,0:0,7 ферросилиций и руду. Смесь затем обрабатывали (дробили, перемешивали) на бегунах в течение 30 мин. После этого к смеси добавили 10% от веса сплава мартеновского шлака и 20% обожженного доломита, перемешали в течение 15 мин, после чего брикетировали с помощью пресса с усилием 10 т. Брикеты затем загружали в печь, нагретую до 1000^оС, и после 3-минутной выдержки металл и шлак сливали и анализировали.

Результаты опытов представлены в таблице.

П р и м е р 3. Предлагаемый способ подготовки брикетов реализуется в промышленных условиях следующим образом. Марганцевая руда дробится до крупности 25-0 мм и рассеивается на две фракции 12-25 и 12-0 мм. Руда крупностью 12-25 мм в количестве 30-50% от общего расхода затем в смеси с кварцитом, железной стружкой и коксом проплавляется в руднотермической печи мощностью 16,5 МВА. Для плавки могут использоваться как открытые, так и закрытые печи. Навеска шихты состоит из 300 кг кварцита, 60-65 кг железной стружки, 160-220 кг марганцевой руды и 160-190 кг сухого кокса. Сплав выпускают из печи через 2 ч и разливают в слитки толщиной 200-250 мм, которые затем выдерживаются на воздухе до полного рассыпания. Марганцевая руда крупностью 0-12 мм обжигается при 1000^оС в течение 1-2 ч, после чего размалывается и смешивается с порошком ферросилиция в зависимости от заказа в соотношении (0,7-0,9): 1,0, после чего смесь загружается в бегуны и дополнительно размалывается (перемешивается) в течение 30-40 мин. Затем в бегуны добавляется порошок мартеновского или конвертерного шлака в количестве 10-15% от веса сплава и 10-30% доломита и дополнительно перемешивается в течение 10-20 мин. Во время перемешивания в бегуны добавляется 5-8% жидкого стекла плотностью 1,25 г/см³. Затем полученная смесь брикетируется, брикеты подсушиваются путем выдержки их на открытом воздухе или в сушилке при температуре примерно 200-250^оС, после чего брикеты загружаются в коробки и отгружаются в сталеплавильный цех. Использование предлагаемого способа приготовления брикетов позволяет получить следующие преимущества: по сравнению с использованием обычных ферросплавов повысить сквозное извлечение марганца в сталь не менее чем на 20-30% расширить сортамент стали, выплавляемой с использованием брикетов для прямого легирования стали от обычной углеродистой (Si примерно 0,25% Mn примерно 0,5%) до низколегированной (Si примерно 0,2-0,3% Mn примерно 1,0%) и легированной (Si 0,6-1,0% Mn 1-2%); резко уменьшить угар кремния при раскислении стали, используя ранее имевшиеся потери кремния для восстановления марганца из руды.