Способ снижения содержания азота в расплаве стали в процессе выплавки

1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к области производства стали с низким содержанием азота. В особенности оно применимо при производстве марок стали с низким и сверхнизким содержанием углерода. Уровень техники Известно, что присутствие азота в стали может оказываться нежелательным по различным причинам. Одной из них является негативное воздействие этого элемента на эксплуатационные свойства сталей вследствие снижения пластичности металла, что делает его менее пригодным для обработки штамповкой. В тех случаях, когда азот присутствует в форме нитридов алюминия, ограничивается свариваемость металла вследствие возврата азота в состояние раствора в зоне теплового воздействия (ЗТВ),что вызывает местную механическую хрупкость. Однако присутствие азота может быть также нежелательным из-за его воздействия на этапах технологического процесса выплавки стали, такого как увеличение трещин, связанных с карманами пластичности, при непрерывной выплавке, или со снижением способности получаемого продукта к обработке волочением. Таким образом, способы производства или определенные марки сталей иногда требуют очень низкого содержания азота в конечном получаемом продукте, например, порядка 15-25 частей на миллион или пропромилле для листов,предназначенных для изготовления автомобильных корпусов или оболочек, примерно 50 пропромилле для листов морских (буровых) платформ или 40-60 пропромилле для шинной проволочной арматуры. Эти величины содержания азота должны соблюдаться в сталелитейном производстве на всех этапах выплавки металла,начиная с электрической плавильной печи или конвертера и вплоть до затвердевания металла в процессе непрерывной выплавки. Известно, что производство в электрической плавильной печи отличается именно сильным загрязнением металла азотом из-за расщепления молекулы азота воздуха в термической зоне электрической дуги,что способствует переходу азота в жидкий металл. Это явление признано важным фактором,который препятствует производству посредством электросталеплавильной технологии некоторых марок стали, которые в настоящее время производят путем технологии передела чугуна (преобразованием железной руды в чугун в доменной печи с последующим рафинированием кислородом в пневматическом конвертере). С помощью этого способа получают наименьшие величины содержания азота порядка 20 пропромилле. Физико-химический механизм, управляющий содержанием азота в жидкой стали, хорошо известен (см., например, статью Ch.Gatellier,H.Gaye в REVUE de METALLURGIE, CIT, ян 003345 2 варь 1986, с. 25-42). Величина содержания азота является результатом химического баланса металл-газ, который может быть выражен фор 1/2N2(gaz). Константа баланса этой мулой N реакции, которая описывается уравнением КN = аN/(РN2)1/2, слабо зависит от температуры в области действия соответствующих реакторов(1550-1700 С). В этом уравнении аN представляет активность растворенного азота, который может ассимилироваться в содержание азота в металле в случае сталей с низко связанным углеродом, a PN2 представляет парциальное давление азота того газа, который находится в контакте с жидким металлом. Это означает, что в присутствии атмосферного N2 содержание азота в металле непрерывно повышается до предела насыщения, который при температуре расплава стали (примерно 1600 С) составляет около 430 пропромилле. Снижение содержания азота в металле как таковое получают посредством обеспечения циркуляции в жидком металле промывочного газа, не содержащего азота (РN2=0), с тем, чтобы сместить вправо указанную выше реакцию (эффект промывки). В промышленном производстве этим газом может быть аргон или гелий, которые однако вдувают с низким расходом и высокими затратами, или моноксид углерода, получаемый на месте производства в процессе обезуглероживания металла путем вдувания кислорода, который в классическом случае вдувают в газообразном или специальном состоянии (см., например, статью K.Shinme, T.Matsuopressure" в японском обозрении ISU, 1987). На практике предел вдувания O2 связан с содержанием углерода в металле в начале процесса обезуглероживания, которое определяет объем выделяемого СО в функции времени и, соответственно, возможное снижение содержания азота с учетом начального и желаемого конечного содержания азота в производимом металле. Этот физико-химический подход обзор быть завершен учетом роли, которую играют поверхностно-активные элементы металла, а именно кислород и сера, воздействие которых заключается в блокировке передачи азота между металлом и газом. Вследствие этого фактора,помимо активности растворенного кислорода,соответствующей верхнему пределу содержания углерода (порядка в среднем 0,1% для углеродистых сталей), снижение содержания азота посредством промывочного газа может быть полностью заблокировано. Таким образом, понятен интерес к возможности разработки способа снижения содержания азота в жидком металле, который позволяет производить посредством электросталеплавильной технологии марки сталей с содержанием азота, близким к величинам, получаемым посредством технологии чугунного передела, то 3 есть порядка 20 пропромилле и ниже в готовом продукте. Сущность изобретения Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование технологии снижения содержания азота в расплаве металла, с тем, чтобы с одной стороны, оптимально использовать потенциальную способность промывочного газа удалять азот, и с другой стороны, контролировать конечное содержание азота независимо от начального содержания углерода в ванне металла, как это практически имеет место в известных способах обезуглероживания. В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания способа снижения содержания азота в расплаве стали в процессе ее производства посредством вдувания кислорода, при этом способ отличается тем, что одновременно производят подачу углерода в виде, пригодном для вдувания, (распыленный или порошкообразный углерод), причем углерод и кислород вдувают одновременно, но раздельно в пределы одной зоны ванны металла (например, на расстоянии примерно 20 см). Таким образом, в зоне подачи углерода и кислорода создают локальные условия, благоприятные для снижения содержания азота. И действительно, в случае простого вдувания одного кислорода (при классическом обезуглероживании) зона вдувания (вблизи наконечника сопла) быстро деградирует из-за обеднения углеродом, что замедляет процесс образования СО, а также из-за соответственно повышающейся активности растворенного кислорода, что,как известно, препятствует удалению азота из металла образующимися пузырьками СО. Одновременная подача углерода в ту же самую зону создает условия для более быстрого образования СО путем реакции между подаваемым углеродом и кислородом и снижения локальной активности растворенного кислорода. За счет этого повышается эффективность удаления азота образующимся СО с компенсацией естественной тенденции стали к азотированию при контакте с азотом воздуха на поверхности,что в целом ведет к снижению содержания азота в металле. Следует учитывать, что в электродуговой печи, как и в любом металлургическом реакторе для выполнения технологического процесса производства металла, внутренняя полость не может быть полностью изолирована от окружающей атмосферы. Вследствие этого конечное содержание азота получаемого продукта является неизбежным результатом компромисса между поглощением азота (например, при попадании воздуха) и удалением азота, которое производится в процессе производства в жидком состоянии металла. 4 Следует отметить, что при регулировании подачи, предпочтительно стехиометрическим образом (а именно, 1 кг С на 0,9 Нм 3 кислородаO2), содержание углерода в ванне металла не изменяется. Таким образом, выделение СО происходит при сохранении постоянного содержания углерода, а продолжительность подачи может быть подобрана в соответствии с желаемой степенью снижения содержания азота (то есть отношения желаемого содержания азота к первоначальному). Перечень фигур чертежей Особенности и преимущества изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает диаграмму относительной динамики весового содержания азота в ванне расплава стали с весовым содержанием углерода больше 0,15% в функции выделяемого в ванне объема СО при производстве стали в электропечи, при этом кривая а изображает указанную зависимость при вдувании одного только кислорода, а кривая b - зависимость при одновременном вдувании углерода и кислорода в соответствии с изобретением; фиг. 2 изображает диаграмму, аналогичную диаграмме по фиг. 1, но для обезуглероженной ванны, то есть с низким весовым содержанием углерода в ванне металла, а именно ниже 0,1%; фиг. 3 изображает диаграмму относительной динамики весового содержания азота в функции объема СО, выделяемого в ванне при одновременном вдувании углерода и кислорода в соответствии с природой газа-носителя вдуваемого углерода. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Технологический процесс одновременного вдувания в соответствии с изобретением был испытан и осуществлен в производственных условиях в небольшой печи емкостью 6 т. Одновременную подачу углерода и кислорода производили с помощью двух независимых сопел для вдувания, выходные наконечники которых были расположены рядом на одном уровне внутри подлежащей обработке ванны расплава стали, на расстоянии 20 см друг от друга. Углерод подавали с низким содержанием серы и азота (весовое содержание обоих элементов ниже 0,1%), в качестве газа-носителя использовали в одном случае аргон, в другом - азот. Подачу кислорода производили в одном случае вдуванием газообразного O2 и в другом случае посредством вдувания железной руды (что эквивалентно 0,2 Нм 3 кислорода O2 на 1 кг руды). Полученные количественные результаты приведены прежде всего на фиг. 1 и 2, на которых представлены сравнительные результаты процесса одновременного вдувания углерода и кислорода (кривая b) и процесса простого обезуглероживания (кривая а). Фиг. 1 и 2 изо 5 бражают диаграммы относительной динамики весового содержания азота в ванне расплава стали с весовым содержанием углерода соответственно больше 0,15% (фиг. 1) и меньше 0,10%(фиг. 2) в функции выделяемого в ванне объема СО. Как видно из диаграммы по фиг. 1, для относительно слабо обезуглероженных сталей содержание растворенного O2 всегда является слишком низким, чтобы блокировать диффузию растворенного азота к пузырькам промывочного газа. Это действительно и для СО обезуглероживания ванны (кривая а) и для СО, генерируемого при реакции углерода и кислорода, подаваемых в ванну в соответствии с изобретением (кривая b). Наблюдается практически сходный профиль двух проходящих рядом кривых динамики снижения содержания азота в функции нарастающей величины количества СО, который выделяется из ванны в течение хода процесса. При этом можно заметить несколько более высокую эффективность, порядка 5 пропромилле, способа комбинированного ввода по изобретению. Совсем другая картина наблюдается на диаграмме по фиг. 2 для сталей с низким весовым содержанием углерода. Порог этой величины обозначен равным 0,10%, так как известно,что при величинах ниже пороговой содержание азота не поддается снижению обычным простым способом обезуглероживания. Как видно на фиг. 2, динамика снижения содержания азота в случае одновременного комбинированного вдувания (кривая b) имеет примерно тот же темп, что и в предыдущем случае и, следовательно, не зависит от первоначального содержания углерода в ванне. В отличие от этого процесса при известном способе вдувания одногоO2 (кривая а) наблюдается систематическое поглощение металлом азота, содержание которого нарастает в течение всего процесса выделения СО обезуглероживания. Это явление поглощения азота, как уже было объяснялось выше, является результатом действия двух механизмов, которые действуют одновременно, но в противоположных направлениях. Диаграмма наглядно показывает, что при низком содержании углерода снижение содержания азота с помощью СО обезуглероживания блокируется локальным образованием вблизи газовых пузырьков окисленных фаз повышенной активности. В результате этого поглощение атмосферного азота является доминирующим механизмом, причем действие этого механизма усиливается еще и тем, что поверхность ванны расплава возмущается лопающимися пузырьками(кривая а). Влияние газа-носителя на полученные результаты отражено на фиг. 3. Как можно видеть,при вдувании углерода в потоке азота (кривая 1) динамика снижения содержания азота происходит более медленно и ведет к предельной вели 003345 6 чине содержания (горизонтальный участок р кривой), ниже которой нельзя опуститься, причем эта величина выше величин содержания,получаемых в случае вдувания в потоке аргона. Тем не менее и в первом случае можно получить степень снижения содержания азота, которая может удовлетворять объективной средней величине желаемого содержания азота (в данном примере горизонтальный участок р соответствует 35 пропромилле). Способ снижения содержания азота в соответствии с изобретением обладает достаточной гибкостью для осуществления во многих вариантах, примеры которых приводятся далее. Использование любого типа подачи углерода и кислорода На практике в качестве источника (носителя) кислорода можно использовать любой окисляющий газ или любой окисляющий порошок(железную руду, но также и марганцевую руду,кремниевый порошок и другие материалы). Таким же образом можно использовать любой углеродосодержащий материал для подачи углерода. Можно использовать также материалы, содержащие сразу оба этих элемента. В этом случае локальную подачу производят известным образом с помощью автоматизированных средств, например, в частности, в виде предварительно приготовленных смесей (например,смесь углерод/железная руда). Использование любой технологии подачи,обеспечивающей требуемые локальные условия Можно использовать классические сопла для вдувания с охлаждением или без него; пристенные погружные трубопроводы или инжекторы любого другого типа, как раздельные для кислорода и углерода, так и объединенные, с концентричными или смежными трубами. Использование данного способа в металлургическом реакторе любого типа Одновременное вдувание в соответствии с изобретением может осуществляться без особых трудностей в электропечи, но также и в кислородном конвертере с подачей сверху (тип LD,AOD) или через днище (тип ОВМ, LWS); в печи-ковше или в вакуумной установке, типа RH,где эффект вакуума благоприятствует снижению содержания азота (низкое РN2 над ванной расплава металла). Модификация отношения углерод/кислород в соответствии со стехиометрией Преимущества регулирования соотношения O2 и С очевидны. Однако понятно, что можно также выдерживать условия процесса снижения содержания азота на наконечнике сопла посредством легкой модификации этого отношения углерод/кислород для того, чтобы,например, производить обезуглероживание металла одновременно с этапом снижения содержания азота. Среди наиболее существенных преимуществ изобретения можно отметить в особенности следующие. Возможность снижения содержания азота при низком содержании углерода За счет модификации локальных условий(содержание углерода, активность растворенного кислорода) данный способ позволяет, как это было показано, производить снижение содержания азота в металле при среднем содержании углерода в ванне расплава металла ниже 0,1%(предел, ниже которого содержание азота не поддается снижению простым обезуглероживанием). Таким образом, этапы снижения содержания азота посредством выделения СО при постоянном содержании углерода в ванне могут осуществляться для средней величины весового содержания углерода в ванне между 0,05 и 0,1%. Простота и гибкость осуществления способа Технологический способ не требует больших капиталовложений. Так в частности, применительно к электропечи на производственном предприятии обычно уже имеются необходимые установки, а именно: сеть подачи кислорода,подсоединенная к устройству вдувания в металл(обычно уже имеется для обезуглероживания), и распределитель порошка, подсоединенный к устройству вдувания углерода в металл (обычно уже имеется для вдувания углерода в шлак). Однако это последнее устройство должно быть дублировано в том случае, если желательно выполнять как одновременное вдувание углерода и кислорода в металл, так и формирование вспененного шлака на поверхности ванны расплава металла. Применительно к другим производственным реакторам может оказаться необходимым предусмотреть устройство подачи углерода в ту же зону, куда вдувают кислород. Таким образом, практически затраты на данную технологию сводятся к затратам на рабочие среды процесса: среды подачи углерода и кислорода и газ-носитель в случае подачи материала в твердом состоянии. Возможность осуществления операции снижения содержания азота в скрытое время Данный технологический способ может представлять особый интерес применительно к электрической печи с двойной шахтой, где этап снижения содержания азота посредством одновременной подачи углерода и кислорода может проводиться в скрытое время, то есть в то время, когда плавка новой порции металла производится в другой шахте, находящейся под электрическим напряжением. Для этого операцию снижения содержания азота проводят в конце производства порции металла, не под электрическим напряжением, когда электрическая мощность переводится на другую шахту для 8 плавки следующей порции металла, без потерь общей производительности выплавки. Разумеется, способ по изобретению может осуществляться в различных вариантах и содержать множество различных эквивалентных признаков в пределах совокупности признаков,данных в пунктах формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ снижения содержания азота в ванне расплава стали в процессе выплавки,включающий подачу кислорода, отличающийся тем, что он дополнительно содержит операцию подачи в ванну также углерода в виде, пригодном для вдувания, причем углерод и кислород вдувают одновременно, но раздельно внутрь одной и той же зоны ванны расплава металла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу углерода и кислорода регулируют в стехиометрическом соотношении. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что углерод вдувают в твердом состоянии с помощью газа-носителя. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что его осуществляют в электрической металлургической установке с двойной шахтой.