способ выплавки рельсовой стали

Формула изобретения

Способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, выплавку стали сериями, выпуск плавки с оставлением шлака и части металла в печи, присадку в ковш во время выпуска твердой шлакообразующей смеси, раскислителей и легирующих, отличающийся тем, что перед выпуском в печь присаживают известь в количестве 1-3% от массы завалки, заливку чугуна при температуре 1250-1360°С в количестве 40-70% от массы завалки проводят на оставшийся в печи шлак и часть металла, после заливки проводят завалку извести в количестве 1-4% и металлолом в количестве 30-60% от массы завалки, окисление проводят газообразным кислородом с расходом 8000-12000 м ³/ч до содержания углерода не менее 0,10% и температуры не более 1680°С, в ковш при выпуске присаживают силикомарганец из расчета введения марганца, соответствующего содержанию его нижнего предела в готовой стали, и известь из расчета 3-10 кг/т жидкой стали, дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводят на агрегате ковш - печь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам выплавки рельсовой стали в электропечах.

Известен способ выплавки рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома, чугуна и извести, расплавление металлошихты, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию путем присадки железной руды и извести, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, раскисление стали и шлака в печи, последующий выпуск стали под печным шлаком в ковш, присадку в ковш во время выпуска смеси, состоящей из извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия, отличающийся тем, что в завалку дополнительно присаживают железную руду в количестве 4-5% от веса завалки, известь подают в количестве 4-8% от веса завалки, чугун присаживают в виде жидкого чугуна, который заливают сверху в печь после проплавления металлолома при расходе электроэнергии 220-320 кВт·ч/т металлолома в количестве 30-35% от веса завалки со скоростью 6-12 т/мин, при этом газообразный кислород подают с расходом 15-30 нм³/т стали, а температуру в печи при окислении углерода поддерживают не более 1680°С, железную руду и известь для дефосфорации присаживают с расходом 70-120 кг/т стали в соотношении соответственно (1-2):(2,5-3,5) с последующим спуском окислительного шлака, а расход присаживаемой в ковш во время выпуска стали смеси поддерживают в пределах 18-27 кг/т стали при соотношении в ней извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия (1-1,50):(0,30-0,40):(0,50-0,65):(0,07-0,15) соответственно [1].

Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:

- значительная длительность плавки в связи с необходимостью раскисления стали и шлака в печи, а также разведением операций загрузки металлолома и заливки жидкого чугуна во временном интервале,

- высокие расходы электроэнергии и электродов, связанные с повышенной длительностью плавки,

- высокий "угар" ферросплавов и легирующих в связи с повышенной окисленностью печного шлака и присадкой значительного количества ферросплавов в печь,

- повышенный уровень загрязненности стали неметаллическими включениями экзогенного характера в связи с механическими ударами металлолома о футеровку при загрузке в печь,

- пониженные физико-механические свойства стали из-за повышенного уровня загрязненности стали неметаллическими включениями экзогенного характера.

Известен выбранный в качестве прототипа способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, раскисление в печи стали алюминием и шлака порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата, отличающийся тем, что выплавку стали производят сериями, причем металлошихту первой плавки в серии дают массой на 10-15% больше массы металлшихты последующих плавок, а массу металлошихты последней плавки в серии уменьшают на 10-15%, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода не менее 0,60% и температуры выше ликвидуса на 180-240°С; причем сталь раскисляют на всех плавках серии алюминием в количестве 0,07-0,10% от массы металлошихты, а раскисление шлака в печи порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия в количестве соответственно каждого 0,09-0,10% от массы металлошихты проводят на последней плавке в серии, при выпуске первой и последующих плавок отсекают печной шлак, а последнюю плавку выпускают с печным шлаком, при выпуске плавок в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата, при соотношении (1,0-1,5):(0,3-0,5) соответственно в количестве 3-3,3% от массы жидкой стали, и необходимые раскислители и легирующие [2].

Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:

- значительная длительность плавки в связи с необходимостью раскисления стали и шлака в печи, а также необходимостью дополнительного времени на расплавление "закозленного" остатка металла и шлака в печи после завалки большого количества металлолома на незначительный остаток металла и шлака после выпуска плавки,

- высокие расходы электроэнергии и электродов, связанные с повышенной длительностью плавки,

- высокий "угар" ферросплавов и легирующих в связи с присадкой значительного количества ферросплавов в печь и используемой схемой легирования и раскисления стали.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: снижение концентрации остаточных элементов, сокращение длительности плавки, уменьшение расхода электродов и электроэнергии, увеличение усвоения легирующих и ферросплавов, снижение уровня загрязненности стали неметаллическими включениями, повышение комплекса физико-механических свойств стали.

Для этого предложен способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, выплавку стали сериями, выпуск плавки с оставлением шлака и части металла в печи, присадку в ковш во время выпуска твердой шлакообразующей смеси, раскислителей и легирующих, причем перед выпуском в печь присаживают известь в количестве 1-3% от массы завалки, заливку чугуна при температуре 1250-1360°С в количестве 40-70% от массы завалки проводят на оставшийся в печи шлак и часть металла, после заливки проводят завалку извести в количестве 1-4% и металлолом в количестве 30-60% от массы завалки, окисление проводят газообразным кислородом с расходом 8000-12000 м³/ч до содержания углерода не менее 0,10% и температуры не более 1680°С, в ковш при выпуске присаживается силикомарганец из расчета введения марганца на нижний предел содержания в готовой стали и известь из расчета 3-10 кг/т жидкой стали, дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводят на агрегате ковш-печь.

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.

Количество извести, присаживаемой в печь перед выпуском, определяется, с одной стороны, "захолаживанием" печного шлака и более полной его отсечкой, с другой стороны, защитой элементов печи от брызг при заливке жидкого чугуна в печь. При количестве извести менее 1% от массы завалки загущение печного шлака происходит не в полной мере и возможно попадание печного шлака в ковш, при увеличении извести более 3% от массы завалки растут тепловые потери, связанные с расплавлением извести, в связи с чем увеличивается длительность плавки.

Количество жидкого чугуна в количестве 40-70% от массы завалки выбрано исходя из получения в стали необходимой концентрации углерода, при использовании жидкого чугуна менее 40% от массы завалки концентрация углерода при расплавлении не позволит провести усиленную дегазацию стали и удаление неметаллических включений при повышенном расходе кислорода, а использование жидкого чугуна в количестве более 70% от массы завалки приводит к повышенной концентрации углерода при расплавлении и увеличению длительности плавки в связи с необходимостью окисления "избыточного" углерода стали. Кроме того, при количестве жидкого чугуна менее 40% от массы завалки возможно получение недопустимо высоких концентраций хрома никеля и меди.

Заливка при температуре 1250-1360°С обеспечивает, с одной стороны, незначительное спелеобразование (выделение чешуйчатого графита) и уменьшение вероятности короткого замыкания в электропечных агрегатах, с другой стороны, обеспечивает получение требуемых неметаллических включений экзогенного типа, связанных с размывом огнеупоров перегретым высокоуглеродистым материалом. При снижении температуры менее 1250°С значительно повышается спелеобразование, а при увеличении температуры более 1360°С высокий перегрев над температурой ликвидус приводит к увеличению износа футеровки печи и вероятности образования недопустимых экзогенных неметаллических включений.

Завалка извести в количестве 1-4% после заливки жидкого чугуна позволяет увеличить скорость формирования печного шлака, обладающего высокой рафинирующей способностью. При количестве извести менее 1% невозможно формирование требуемых количеств печного шлака, а при количестве извести более 4% в печи увеличивается количество печного шлака и возрастают непроизводительные расходы и длительность плавки.

Количество металлолома связано с жидким чугуном. При использовании металлолома в количестве менее 40% от массы завалки возрастает концентрация углерода в расплаве, в связи с чем увеличивается длительность плавки в связи с ограничением скорости выгорания углерода.

Расход кислорода выбран исходя из следующих условий: при расходе кислорода менее 8000 м³/ч увеличивается продолжительность плавки, а при расходе кислорода более 12000 м³/ч скорость окисления углерода значительно меньше скорости диффузии кислорода, в связи с чем снижается коэффициент полезного использования кислорода. При этом снижение содержания углерода в печи менее 0,1% приводит к значительной переокисленности стали в печи, высокому "угару" ферросплавов, повышению загрязненности стали неметаллическими включениями и снижению качественных показателей выплавляемой стали.

При превышении температуры в печи более 1680°С при окислении углерода происходит интенсивный размыв футеровки и загрязнение стали неметаллическими включениями, увеличивается расход электродов и электроэнергии.

Присадка силикомарганца в ковш из расчета введения на нижний предел содержания его в готовой стали позволяет снизить концентрацию кислорода в стали и повысить усвоение легирующих и раскислителей.

Присадка извести позволяет сформировать рафинирующий шлак в ковше и снизить тепловые потери. При расходе извести менее 3 кг/т жидкой стали невозможно получить требуемую рафинирующую способность шлака, а при увеличении свыше 10 кг/т жидкой стали возрастают тепловые потери, связанные с формированием шлака.

Заявляемый способ выплавки рельсовой стали был реализован при выплавке стали в дуговых электросталеплавильных печах типа ДСП 100И10. Параметры и показатели 12 опытных плавок приведены в таблицах. Перед выпуском плавки в печь сверху по труботечкам загружалась известь в количестве 1000-3000 кг, после чего производили выпуск через эркерное отверстие с оставлением в печи всего шлака и 10-15 тонн металла.

Заливка жидкого чугуна (40-70 тонн) проводилась из чугуновозного ковша посредством мостового крана при открытом своде печи на остаток печного шлака и металла. Далее бадьей осуществляли завалку 30-60 тонн металлолома. Работа проводилась без последующих подвалок металлолома в печь. Окисление углерода проводили продувкой стали в печи газообразным кислородом через систему газокислородных горелок. Во время окисления углерода температура в печи не превышала 1700°С, причем температура заливаемого чугуна изменялась в пределах 1250-1360°С. При достижении требуемого содержания углерода (не менее 0,10%), фосфора и температуры проводили выпуск плавки с отсечкой печного шлака. Для полной осечки печного шлака и снижения вероятности загрязнения стали неметаллическими включениями в печи оставляли 10-15 т стали.

При выпуске стали в ковш присаживали силикомарганец МнС17 800-1000 кг и известь в количестве 300-1000 кг. Дальнейшую доводку стали марок НЭ76Ф и Э76Ф по температуре и химическому составу проводили на агрегате типа ковш - печь. Разливку стали проводили на 4-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Далее проводили нагрев непрерывно-литых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа Р65.

При выплавке стали по заявляемому способу сокращается длительность плавки с 70-80 мин до 57-69 мин, электроэнергии с 300-420 кВт·ч/т до 276-295 кВт·ч/т, электродов с 3,54-3,60 кг/т до 1,96-2,7 кг/т, уменьшена загрязненность стали по неметаллическим включениям (снижен индекс общей загрязненности неметаллическими включениями на 0,2), снижен угар ферросплавов (марганецсодержащих на 12%, кремнийсодержащих на 8-18%).

Источники информации

1. Патент РФ №2197536, кл. С21С 5/52, 7/06.

2. Патент РФ №2235790, кл. С21С 5/52, 7/07.

Таблица 1
Параметры опытных плавок
№ плавки	Марка стали	Количество жидкого чугуна/металлолома, т	Количество присаживаемой извести перед выпуском в печи, % от массы завалки	Температура заливки жидкого чугуна, °С	Количество присаживаемой извести после заливки жидкого чугуна, % от массы завалки	Расход газообразного кислорода, м3/т	Содержание углерода перед выпуском, %	Температура в печи при окислении углерода, °С	Количество силикомарганца, присаживаемого в ковш, кг	Известь в ковш, кг/т жидкой стали
1	Э76Ф	40/60	1,0	1250	1,0	8000	0,55	1675	600	3
2	Э76Ф	55/45	1,5	1360	1,1	8500	0,60	1660	610	10
3	Э76Ф	60/40	1,8	1360	4,0	11000	0,10	1680	1000	8
4	Э76Ф	50/50	2,5	1350	2,8	9000	0,40	1660	700	6
5	Э76Ф	70/30	1,4	1330	3,9	10000	0,20	1670	950	10
6	Э76Ф	65/35	2,0	1310	3,4	12000	0,10	1680	800	9
7	НЭ76Ф	70/30	2,5	1310	3,1	11800	0,75	1630	900	5
8	Э76Ф	65/35	2,8	1300	3,2	11000	0,70	1620	800	10
9	НЭ76Ф	65/35	2,9	1300	3,1	12000	0,68	1620	900	9
10	Э76Ф	70/30	2,4	1280	2,8	10000	0,70	1610	880	10
11	НЭ76Ф	70/30	2,1	1290	4,0	12000	0,50	1670	980	6
12	Э76Ф	40/60	3,0	1260	4,0	12000	0,40	1680	1000	8
прототип		30-35/70-65	-	-	-	-	-	1710	-	-

Таблица 2
Технологические показатели
№ плавки	Марка стали	Индекс загрязненности, балл	Общий расход электроэнергии, кВт·ч/т	Общий расход электродов, кг/т	Длительность плавки, мин
1	Э76Ф	0,70	276	2,00	58
2	Э76Ф	0.68	280	2,70	66
3	Э76Ф	0,59	293	2,10	57
4	Э76Ф	0,76	287	2,42	63
5	Э76Ф	0,66	295	2,21	59
6	Э76Ф	0,68	275	2,38	69
7	Э76Ф	0,54	279	1,96	58
8	Э76Ф	0,65	278	2,70	68
9	Э76Ф	0,58	292	1,99	58
10	Э76Ф	0,63	290	2,50	65
11	Э76Ф	0,65	284	2,40	67
12	Э76Ф	0,71	278	2,30	60
прототип		0,40-0,81	300-420	3,54-3,60	70-80