шихта для выплавки стали

Формула изобретения

Шихта для выплавки стали, содержащая железоуглеродистый сплав и оксидный материал, отличающаяся тем, что она в качестве железоуглеродистого сплава содержит: 2,5-4,8% С; 0,05-1,20% Si; 0,05-0,70% Mn; 0,01-0,16% V; менее 0,15% Р; менее 0,030% S; менее 0,15% Cr; менее 0,10% Cu; менее 0,10% Ni; менее 0,05% Al; менее 0,008% As; менее 0,15% Ti, а в качестве оксидного материала содержит: 3,0-98,0% FeO; 0,5-15,0% SiO₂; 0,1-8,5% Al ₂О₃; 0,15-12,5% CaO; 0,15-3,8% MgO; 0,1-6,5% MnO; 0,01-0,12% S; 0,03-0,18% P₂ O₅; причем шихта содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: железоуглеродистый сплав 70-99,9; оксидный материал 0,1-30, в виде чушек массой 5-50 кг, с оболочкой из железоуглеродистого сплава и оксидного материала фракции 0,01-10 мм в 1-3 слоя в центральной части чушки, при этом соотношение концентрации оксидов железа в оксидном материале к содержанию углерода в железоуглеродистом сплаве составляет 1:(1-2,5), а отношение плотности оксидного материала к плотности железоуглеродистого сплава - 1:(2,2-7,8).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к составу шихты для выплавки стали.

Известен железоуглеродистый сплав - чугун передельный, используемый при выплавке стали [1], содержащий 0,5-0,9% Si, не более 1,5% Mn, не более 0,05% S, не более 0,30% Р.

Существенными недостатками данного материала являются:

- высокая концентрация кремния, приводящая к увеличению кратности шлака, увеличению расхода извести и электроэнергии для формирования печного шлака;

- высокая концентрация углерода, повышающая длительность плавки в связи с удалением значительного избыточного, для определенной марки стали, его содержания;

- высокие концентрации серы и фосфора, затрудняющих выплавку высококачественных марок стали, при этом увеличивается длительность плавки, расход шихтовых материалов и энергетические затраты на передел;

- возможность, при использовании твердого чугуна с твердым окислителем, сплавления отдельных кусков между собой с последующим перегревом расплава при не расплавившейся рудной части шихты и выбросам из печи в результате бурного протекания экзотермической реакции окисления углерода.

Известен также способ выплавки стали в дуговой электропечи, включающий завалку металлолома и извести, расплавление металлолома, заливку жидкого чугуна, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию, последующий выпуск стали в ковш, присадку в ковш во время выпуска шлакообразующей смеси, отличающийся тем, что взамен жидкого чугуна используют в количестве 30-60% от массы завалки полупродукт, содержащий 2,0-3,5% С, менее 0,01% Si, менее 0,015% Р, менее 0,025% S, который заливают при температуре 1280-1400°С сверху в печь после проплавления металлолома при расходе электроэнергии 180-300 кВт·ч/т металлолома, температуру в печи при окислении углерода поддерживают не более 1700°С, сталь и шлак в печи не раскисляют, выпуск проводят с отсечкой печного шлака с оставлением 10-15% от общей массы жидкого металла в печи, присаживают в ковш при выпуске шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата в соотношении (0,8-1,2):(0,2-0,5) с расходом 10-17 кг/т стали и необходимые ферросплавы [2].

Существенными недостатками данного способа выплавки стали являются:

- значительная длительность плавки, связанная с необходимостью окисления примесей, находящихся в чугуне (углерод, кремний, фосфор) в связи с окислением углерода только газообразным кислородом, без использования твердого окислителя;

- невозможность транспортирования жидкого чугуна на большие расстояния;

- необходимость регламентации режимов заливки жидкого чугуна, в связи с возможными выбросами из печи.

Известен также композиционный материал для металлургического передела [3], содержащий конгломерат с характерными геометрическими размерами и сформированный из способной к эндо-экзотермическим реакциям шихтовой смеси, содержащей металлсодержащую добавку, углеродсодержащий, шлакообразующий и железосодержащий окисленный материалы, в котором в качестве металлсодержащей добавки в шихтовой смеси содержится железоуглеродистый сплав или железоуглеродистый сплав и чугунный и/или металлический скрап, железосодержащий окисленный материал содержит оксиды железа в количестве 20-100% от его массы, при этом отношение суммарной внешней поверхности железосодержащего окисленного материала к массе железоуглеродистого сплава равно 5-500 м²/т, а отношение суммарного количества окисляемых элементов шихты к количеству кислорода в оксидах железа равно 0,3-3,6 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железосодержащий окисленный материал	5-35
Шлакообразующий материал	0,2-30
Углеродсодержащий материал	0,1-10
Железоуглеродистый сплав или
железоуглеродистый сплав и чугунный и/или
металлический скрап	Остальное

Существенными недостатками данного материала при использовании являются:

- большое количество шлака, образующегося из оксидсодержащегося материала, в связи с чем увеличивается длительность плавки и затраты на производство, связанные с повышением количества шлака в печи;

- низкая механическая прочность композиционного материала в связи с расположением большого количества оксидного материала в центральной части;

- высокая продолжительность плавления в связи с тем, что оксиды в материале не распределены по объему материала, а находятся в центральной части, что приводит к дополнительному времени для диффузии активного кислорода из оксидсодержащего сплава к углероду железоуглеродистого сплава;

- введение в состав композиционного материала углеродсодержащего материала приводит к увеличению длительности плавления материала и повышению тепловых затрат, связанных с растворением твердого углерода в железоуглеродистом расплаве, в то время как железоуглеродистый сплав уже содержит реакционноспособный углерод, способный вступить в экзотермическую реакцию с кислородом окисленного материала.

Известен также [4] шихтовый брикет для производства высококачественной стали, содержащий железо металлическое, оксиды железа, углерод и пустую породу, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Железо металлическое	63-75
Оксиды железа	18-29
Углерод	5-7
Пустая порода	Остальное,

при этом отношение углерода к кислороду оксидов железа больше или равно 0,8.

Существенными недостатками данного брикета, являются:

- высокие затраты, связанные с изготовлением данного брикета в результате чего увеличивается себестоимость полученной стали;

- пониженная прочность данных брикетов, приводящая к образованию большого количества мелочи при транспортировке брикетов в результате чего ухудшаются технико-экономические показатели плавки;

- высокая продолжительность плавления в связи с тем, что оксиды в материале не распределены по объему материала, а находятся в центральной части, что приводит к дополнительному времени для диффузии активного кислорода оксидсодержащего сплава к углероду железоуглеродистого сплава;

- выбранное отношение углерода к кислороду оксидов железа приводит к нежелательному науглероживанию выплавляемой из материала стали.

Известна также выбранная в качестве прототипа [5] шихта для выплавки стали в дуговых электросталеплавильных печах, содержащая железоуглеродистый сплав, отличающаяся тем, что сплав содержит, мас.%;

Углерод	2,0-4,0
Марганец	0,05-0,30
Кремний	менее 0,01
Хром	менее 0,15
Медь	менее 0,10
Никель	менее 0,10
Сера	менее 0,030
Фосфор	менее 0,030
Мышьяк	менее 0,008
Титан	менее 0,15
Алюминий	менее 0,04
Железо	остальное

Существенными недостатками данной шихты для выплавки стали в дуговых электросталеплавильных печах, являются:

- высокие затраты, связанные с изготовлением и подготовкой шихты к плавке (включающие выплавку, раскисление и разливку шихты);

- значительная длительность плавки, связанная со сплавлением отдельных кусков шихты между собой с образованием тугоплавкого чугунно-стального конгломерата;

- снижение скорости плавления и гомогенизации стали, связанное с развитием реакции обезуглероживания при плавлении данной шихты только в районе подачи газообразного кислорода во внешних горизонтах плавки, при этом развитие реакции обезуглероживания во внутренних горизонтах (объемах) не происходит, в связи с чем повышается концентрация серы, фосфора и неметаллических включений в стали, что значительно снижает качественные показатели стали.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение длительности плавки, снижение себестоимости выплавляемой стали за счет снижения затрат на подготовку шихты, повышение качества выплавляемой стали.

Для этого предлагается шихта для выплавки стали, содержащая железоуглеродистый сплав и оксидный материал, в которой в качестве железоуглеродистого сплава используют сплав с содержанием: 2,5-4,8% С, 0,05-1,20% Si, 0,05-0,70% Mn, 0,01-0,16% V, менее 0,15% P, менее 0,030% S, менее 0,15% Cr, менее 0,10% Cu, менее 0,10% Ni, менее 0,05% Al, менее 0,008% As, менее 0,15% Ti, а в качестве оксидного материала используется материал с содержанием: 3,0-98,0% FeO, 0,5-15,0% SiO₂, 0,1-8,5% Al₂ О₃, 0,15-12,5% СаО, 0,15-3,8% MgO, 0,1-6,5% MnO, 0,01-0,12% S, 0,03-0,18% P₂O ₅; причем компоненты содержатся в следующем соотношении, мас.%:

железоуглеродистый сплав	70-99,9
оксидный материал	0,1-30

шихту изготавливают методом литья в виде чушек массой 5-50 кг, причем оболочка содержит только железоуглеродистый сплав, а оксидный материал фракции 0,01-10 мм располагают в 1-3 слоя в центральной части чушки, при этом отношение концентрации оксидов железа в оксидном материале к содержанию углерода в железоуглеродистом сплаве поддерживают равным 1:(1-2,5) и отношение плотности оксидного материала к плотности железоуглеродистого сплава поддерживают равным 1:(2,2-7,8).

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.

Железоуглеродистый сплав является основной составляющей шихты для выплавки стали, причем при изготовлении шихты с содержанием менее 70% железоуглеродистого сплава механическая прочность чушки заметно снижается, а при увеличении более 99,9% нет эффекта активного перемешивания металла при расплавлении за счет реакции взаимодействия углерода сплава с оксидами оксидного материала.

Концентрация углерода в железоуглеродистом сплаве выбрана исходя из того, что при содержании углерода менее 2,5% невозможно проведение активного окислительного периода, а при увеличении содержания углерода более 4,8% увеличивается продолжительность плавки в связи с окислением «избыточной» концентрации углерода.

При увеличении содержания кремния более 1,20% для нейтрализации SiO₂, образующегося при окислении, необходимо значительное количество извести, в связи с чем наблюдаются значительные теплопотери и увеличивается расход электроэнергии и электродов, при снижении содержания кремния менее 0,05% снижается экзотермичность шихты, связанная с химическим теплом заявляемой шихты.

Содержание марганца выбрано исходя из следующих предпосылок: при содержании марганца менее 0,05% необходимо введение значительного количество марганецсодержащих ферросплавов для доведения стали до требуемых Государственными стандартами содержаний; напротив, при увеличении концентрации марганца в заявляемом материале более 0,70% необходимо проведение дополнительных мероприятий по окислению избыточного содержания марганца, что увеличивает длительность плавки.

Превышение заявляемых концентраций фосфора и серы в железоуглеродистом сплаве приводит к увеличению длительности плавки в связи с более интенсивной дефосфорацией и десульфурацией стали, что, в свою очередь, повышает расход электроэнергии и электродов.

Концентрация хрома, никеля, меди и мышьяка выбрана исходя из получения требуемых концентраций данных элементов (с учетом использования металлолома) в особокачественных марках стали с регламентированной концентрацией примесей.

Содержание ванадия, титана и алюминия выбрано исходя из исключения получения неметаллических включений оксидов титана и алюминия в готовой стали, резко снижающих механические свойства качественных сталей.

Оксидный материал ввиду наличия кислородной составляющей способствуют раннему началу окисления примесей железоуглеродистого сплава, причем при количестве менее 0,1% не удается достичь эффективного перемешивания и гомогенизации железоуглеродистого сплава, а при увеличении более 30% уменьшается механическая прочность и снижаются технико-экономические показатели плавки в связи с увеличением кратности шлака.

Содержание оксидов железа в оксидном материале выбрано исходя из того, что при содержании оксидов железа менее 3% эффект проведения окислительного периода почти полностью отсутствует, а при увеличении концентрации оксидов железа более 98% метод подготовки оксидного материала требует дополнительных расходов и увеличение стоимости продукции.

Содержание оксидов кремния, алюминия, кальция, магния и марганца выбрано исходя из получения требуемых концентраций данных оксидов для наведения оптимального шлакового режима.

Превышение заявляемых концентраций фосфора и серы в оксидном материале приводит к снижению качественных показателей выплавляемой стали, а также приводит к увеличению длительности плавки в связи с более интенсивной дефосфорацией и десульфурацией стали, что, в свою очередь, повышает расход электроэнергии и электродов.

Масса изготовляемых чушек выбрана из того, что при массе менее 5 кг не обеспечивается прочность чушки для ее перегрузки и транспортировки, а при увеличении массы более 50 кг снижается насыпная плотность шихты и возникает необходимость работы с дополнительными подвалками, кроме того, в ряде случаев необходимо использование различных подъемных механизмов для присадки в печь.

Фракция добавляемого оксидного материала выбрана исходя из того, что при фракции менее 0,01 мм требуются определенные расходы на дополнительный помол, а при содержании фракции более 10 мм снижается поверхность взаимодействия рудного материала с углеродом железоуглеродистого сплава в результате чего повышается длительность плавки.

Количество слоев оксидного материала в чушки более трех снижает прочность чушки и приводит к разламыванию чушки при транспортировке.

Отношение концентрации оксидов железа в оксидном материале к содержанию углерода в железоуглеродистом сплаве поддерживают равным 1:(1-2,5) исходя из шихтовки плавки: для полного окисления углерода оксидным материалом в чушке поддерживают соотношение 1:1, при необходимости науглероживания стали из заявляемой шихты поддерживают соотношение 1:2,5.

Отношение плотности оксидного материала к плотности железоуглеродистого сплава поддерживают равным 1:(2,2-7,8) исходя из обеспечения прочности и реакционной способности реакции окисления углерода заявляемой шихты кислородом оксидного материала.

Заявляемая шихта для выплавки стали была получена методом заливки оксидных материалов железоуглеродистым расплавом по специальной технологии. Далее полученную шихту использовали при выплавке стали в 100-тонных дуговых электропечах с трансформатором мощностью 95 МВА как в смеси с металлошихтой, так и при 100% загрузке печи заявляемой шихтой. При выплавке по заявляемому способу на 176 плавках стали марок НЭ76Ф, Э76Ф, ст. 80-90, 50-70Г сокращена длительность плавки по сравнению с использованием чушкового неподготовленного чугуна в зависимости от марки стали на 6-9 минут. При производстве стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов марок НЭ76Ф, Э76Ф, уменьшено содержание хрома и никеля на 0,02%, меди до 0,03%, снижена загрязненность стали неметаллическими включениями (средняя длина строчки оксидов не превышает 0,3 мм). Себестоимость выплавленной стали снижена на 0,9-8,8 руб./кг стали.

Источники информации

1. ГОСТ 805-95 «Чугун передельный. Технические условия».

2. Патент РФ №2258084, МПК⁷ С21С 5/52, 7/06.

3. Патент РФ№2231558, кл. С21С 5/28, С22В 1/00, 1/24, В22D 3/00.

4. Патент РФ №2150514, кл. С21С 5/52, С22B 1/24.

5. Заявка №2005115632/02(017896), МПК С21С 5/52, С22С 37/00.