СПОСОБ РАСКИСЛЕНИЯ, МОДИФИЦИРОВАНИЯ И МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ Российский патент 1999 года по МПК C21C7/06 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к раскислению, модифицированию и микролегированию ванадийсодержащих сталей.

Известен "способ выплавки углеродистой стали", по которому сталь раскисляют и микролегируют в ковше жидким ванадиевым чугуном, в котором предварительно растворяют 20. . .60% силикокальция и 10...90% ферромарганца, а остальное количество силикокальция и ферромарганца вводят в ковш под струю металла. Этот способ предполагает использование ванадиевого чугуна для микролегирования стали, т. е. исключается ряд этапов производства феррованадия [1].

Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков:
- организационные трудности по дозировке и заливке ванадиевого чугуна в ковш;
- необходимость большого перегрева стали в сталеплавильном агрегате (увеличивается расход топлива, кислорода, металла, насыщение газами), т.к. чугун имеет температуру примерно на 300^oC ниже, чем сталь.

- в ванадиевом чугуне содержится повышенное содержание фосфора (0,08... 0,1%) который полностью переходит в сталь;
Известен способ выплавки ванадийсодержащей стали, включающий расплавление шихты, введение ванадийсодержащего материала, рафинирование металла и его выпуск отличающийся тем, что в завалку или окислительный период вводят ванадийсодержащую шлакометаллическую магнитную фракцию из расчета получения в расплаве 0,03-0,08% ванадия, а окончательную корректировку до заданного содержания ванадия проводят в доводку ванадиевым шлаком совместно с молотым коксиком и ферросилицием в соотношении 1:(0,1-0,5):(0,05-0,5) в количестве 0,2-1,0% от веса садки при сливе металла в ковш [2].

Недостатками этого способа является то, что открытое зеркало металла в ковше поглощает кислород из атмосферы, что приводит к ухудшению качества стали. Неметаллические включения, образующиеся при раскислении стали, всплывают на зеркало металла, а затем потоками металла вновь увлекаются в глубь, - что приводит к повышенной загрязненности стали включениями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ раскисления и микролегирования стали ванадием, используемый в конвертерном цехе Нижнетагильского металлургического комбината, по которому в ковш под струю металла при выпуске плавки после подачи всей порции раскислителей присаживают феррованадий (ТУ 14-115-43-94) марки ВД 35 и ВД 45, содержащий, %: V 35-45; C 0,75-1,0; Mn 2,0; Si 2-3; Al 0,5; P 0,1; S 0,1 в количестве 0,75-0,95 кг/т стали. При выпуске плавки разрешается корректировать содержание углерода в металле в пределах до 0,10% путем присадки в воздушно-сухом состоянии (с влажностью не более 12%) коксовой мелочи, графита, молотого кокса. Науглероживатель присаживается в ковш по весу в мешках по ходу выпуска плавки. После чего ковш с металлом передают на установку "печь-ковш", где присаживают феррованадий в количестве 0,5-0,6 кг/т стали, затем присаживают твердые шлакообразующие и 45% ферросилиций. Металл нагревают электродами до нужной температуры и выдают на вакууматор и МНЛЗ для разливки [3].

Однако использование феррованадия для легирования металла имеет ряд недостатков. Известный способ легирования феррованадием не позволяет достигать достаточно полного усвоения ванадия в процессе проплавления ферросплава из-за повышенного угара (более 20%). Кроме того, с феррованадием в металл вводятся такие вредные элементы, как фосфор и сера, содержание которых достигает 0,11%. Ввод углеродсодержащих материалов в ковш во время выпуска металла также приводит к повышенному угару (до 50%).

Транспортный металл (колесный, бандажный, рельсовый) имеет высокое содержание углерода 0,65-0,80%. При продувке ванадиевого чугуна по технологии монопроцесса с использованием 20-25% металлошихты от общего веса плавки из-за напряженного теплового режима работы конвертера трудно достичь необходимой температуры металла при высоком содержании углерода. Поэтому при получении транспортного металла по обычной технологии идет большой расход ферросплавов и углеродсодержащих материалов.

Задачей изобретения является повышение качества металла, сокращение расходов ванадийсодержащих ферросплавов и углеродсодержащих материалов. Поставленная задача достигается за счет того, что в известном способе раскисления, модифицирования и микролегирования стали ванадийсодержащими материалами, включающем доводку металла по химическому составу путем ввода в ковш с расплавленным металлом углеродсодержащих материалов в качестве науглероживателя, ферросилиция в качестве раскислителя, твердых шлакообразующих, ванадийсодержащего шлака и порошкового силикокальция, по изобретению ковш с расплавленным металлом подают на установку "печь-ковш" и нагревают металл до температуры на 75-95^oC выше температуры ликвидуса, после чего присаживают углеродсодержащие материалы в количестве 2,0-7,5 кг/т стали, затем вводят ванадийсодержащий шлак, твердые шлакообразующие и ферросилиций, а порошковый силикокальция вводят в конце доводки, при этом количество ванадийсодержащего шлака, ферросилиция и порошкового силикокальция поддерживают в соотношении 1: (0,10-0,40): (0,10-0,30) соответственно, прием расход ванадийсодержащего шлака составляет 6,0-13,5 кг/т стали.

Через 20-25 минут после ввода ванадийсодержащего шлака отбирают пробу для определения содержания ванадия в стали и при необходимости производят корректировку по ванадию, присаживая ванадийсодержащий шлак. В качестве углеродсодержащих материалов используют электродный бой, коксик или пекококсовую мелочь.

Сущность предложенного технического решения заключается в следующем. Обычно применяемые раскислители: ферросилиций, силикомарганец, силикомарганецалюминий и т. д. имеют плотность 4-6 г/см³, а алюминий даже еще меньше - всего около 3 г/см³. Поэтому они всплывают на зеркало металла в ковше и частично сгорают в атмосфере воздуха. Так, угар марганца составляет 20-30%, кремния 15-25%, титана, алюминия 40-50%, ванадия до 20-25% (см. Г.Н. Ойкс, Производство стали, М., Металлургия, 1974, с. 414). Примерно до 50% сгорают и углеродсодержащие материалы. Следовательно, значительная часть раскислителей теряется безвозвратно, т.к. на связывание кислорода, находящегося в металле, расходуется сравнительно небольшое количество раскислителей.

В предложенном варианте во время выпуска металла в ковш под струю металла присаживают только часть ферросплавов, примерно 60-70% от необходимого количества. Остальную навеску ферросплавов, в том числе ванадийсодержащих компонентов и углеродсодержащих материалов, присаживают в ковш на установке "печь-ковш" во время доводки плавки.

После поступления ковша с металлом на установку "печь-ковш" производится 3-х минутный нагрев с одновременной продувкой аргоном и отбирается проба металла. После получения химанализа производится доводка до заданного содержания углерода путем ввода углеродсодержащих материалов (электродный бой, пекококсовая мелочь, коксик) по системе подачи сыпучих материалов или путем вдувания в металл с помощью оборудования для вдувания порошковых материалов. Затем в ковш присаживают навеску дробленого ванадиевого шлака, куски которого имеют размеры до 70 мм в поперечнике. После чего в ковш присаживают твердые шлакообразующие (известь и плавиковый шпат), а затем присаживают 45% FeSi мелкой фракции (10-20 мм в поперечнике). Для определения хим. состава стали отбирают пробу и при необходимости делают корректировку по химическим элементам путем присадки дополнительного количества ферросплавов или ванадиевого шлака. Для снижения активности кислорода и увеличения усвоения ванадия из шлака, а также модификации включений в конце доводки в металл вводится силикокальциевая порошковая проволока в количестве 170-200 г/т кальция. Благодаря наведению восстановительного шлака в ковше создаются условия для восстановления ванадия из присаживаемого ванадиевого шлака, расход которого, в зависимости от марки стали, составляет 6,0-13,5 кг/т стали. Интенсивное раскисление шлака дроблеными ферросплавами и восстановительная атмосфера в ковше предотвращает переход кислорода из шлака и атмосферы в металл и соответственно предотвращает угар ванадия.

Выбор граничных параметров обусловлен тем, что при соотношении компонентов ванадиевый шлак: FeSi:SiCa меньшим предлагаемого (например, 1:0,9:0,08) и расходе ванадиевого шлака менее 6,0 кг/т стали в металле не хватает восстановителя и возникает низкая основность шлака, что ведет к уменьшению количества восстановленного из шлака ванадия и недостаточное его количество в готовой стали. При соотношении компонентов более 1:0,40:0,30 (например 1:0,42: 0,32) и расходе ванадиевого шлака более 13,5 кг/т стали положительного результата также не получали, т.к. шлак при этом становился гетерогенным и вязким, и реакция восстановления ванадия протекала вяло и не до конца.

При нагреве металла на установке "печь-ковш" с помощью графитовых электродов появляется повышенная активность углерода и кремния, как раскислителей. В результате взаимодействия этих элементов с оксидом ванадия усвоение ванадия из шлака достигает до 90%. На процесс восстановления ванадия из V-шлака и усвоение углерода из углеродсодержащих материалов влияет и температура металла, которую поддерживают в пределах выше температуры ликвидуса на 75-95^oC. Данные параметры температур позволяют создать в объеме ковша восстановительную атмосферу, способствующую протеканию восстановительных процессов. Помимо этого углерод и кремний, находящиеся в присаживаемых материалах, более полно довосстанавливают пятиокись ванадия, повышая степень извлечения его из V-шлака. Применение предложенного способа раскисления, модифицирования и микролегирования ванадийсодержащей стали обеспечивает максимальное извлечение ванадия и повышение качества металла (содержание вредных примесей фосфора и серы составляет менее 0,025%). Некоторые показатели механических свойств рельсов, произведенных из металла, раскисленного и легированного ванадиевым шлаком приведены в таблицах N 1, 2, 3.

Пример.

Рельсовую сталь из 160 тонного конвертера сливают в ковш. Сталь имеет следующий хим. состав, %: C 0,10-0,40; Si 0,20-0,30; Mn 0,50-0,60; P ≤ 0,035; S ≤ 0,040. Затем ковш с металлом передают на установку "печь-ковш", где производят доводку металла по химическому составу путем присадки твердых шлакообразующих и дробленых ферросплавов. Сначала металл нагревают графитовыми электродами до температуры выше температуры ликвидуса на 75-95^oC и отбирается проба на определение химсостава металла. После получения химанализа производится доводка до заданного содержания углерода путем присадки углеродсодержащих материалов (электродный бой, пекококсовая мелочь, коксик) по системе подачи сыпучих материалов или путем вдувания в металл порошковых материалов. Затем присаживают 1000-2000 кг V-шлака, содержащего оксид ванадия следующего химсостава:
Y₂O₅ 6,0-30,0; SiO₂ 12-15; TiO₂ 4,0-6,0; MnO 4,0-15,0; FeO 15-20; CaO 0,5-50; MgO 3-15. Следом присаживают твердые шлакообразующие (известь и плавиковый шпат) в количестве 4-6 кг/т стали. После чего вводят 100-300 кг 45% FeSi мелкой фракции. Через 20-25 минут после ввода V-шлака отбирается проба для определения содержания ванадия в металле. При необходимости производят корректировку по ванадию путем присадки дополнительного количества V-шлака. В самом конце доводки на установке "печь-ковш" в металл вводят (для снижения активности кислорода и увеличения усвоения ванадия) силикокальциевую проволоку, в количестве 170-200 г/т кальция. Через 5 минут повторно берут пробу на определение хим. состава стали, а затем ковш с металлом передают на установку вакуумирования и на МНЛЗ.

Проведенный анализ заявляемого изобретения свидетельствует, что положительный эффект при использовании технического решения будет получен благодаря тому, что при осуществлении изобретения повышается степень восстановления окислов из шлака, уменьшается окисленность металла. За счет использования ванадийсодержащего шлака взамен дорогостоящего феррованадия существенно снижается себестоимость выплавляемой стали. Согласно данным проведенных опробований в промышленных условиях при использовании предлагаемого способа в сравнении с прототипом прочностные характеристики рельсов в горячекатаном состоянии даже несколько выше, а механические свойства рельсов в термообработанном состоянии практически не изменяются (см. табл. 2, 3). Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что предложенное техническое решение восстановления ванадия из моношлака на установке "печь-ковш" существенно отличается от существующих ранее способов раскисления и легирования ванадийсодержащих сталей, что подтверждает соответствие критерию "Новизна".

Анализ патентов и научно-технической литературы не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении, которые отличают его от прототипа, что позволяет сделать вывод о его соответствии признаку "изобретательский уровень". Конкретное использование предлагаемого технического решения в условиях конвертерного цеха НТМК подтверждает промышленную применимость изобретения.

Источники информации
1. А.С. 539081, C 21 C 7/06, Б.И. N 46, 1976.

2. А.С. 781217, C 21 C 5/52, 1979.

3. Технологическая инструкция (ТИ 102 - СТ. КК - 65 - 95). Производство ванадиевого шлака и стали в конвертерах, ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат", 1995.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к раскислению, модифицированию и микролегированию ванадийсодержащих сталей. Техническим результатом является повышение качества металла, сокращение расходов ванадийсодержащих ферросплавов и науглероживание металла прямо в ковше. Доводку металла по химическому составу проводят на установке "печь-ковш", присаживая вначале углеродсодержащий материал, затем ванадийсодержащий шлак (ВШ), твердые шлакообразующие, ферросилиций (ФС) и порошковый силикокальций (ПКС) - в конце доводки. Соотношение (ВШ) : (ФС) : (ПСК) равно 1 : (0,10 - 0,40) : (0,10 - 0,30) соответственно. Расход (ВШ) составляет 6,0 - 13,5 кг/г. Углеродсодержащие материалы присаживают в количестве 2,2 - 7,5 кг/т, в качестве которых могут использовать электродный бой, коксик или пекококсовую мелочь. Температуру металла в ковше поддерживают выше температуры ликвидуса на 75 - 95^oС, предварительно подогревая металл в ковше на установке "печь-ковш" перед его доводкой. При необходимости могут производить корректировку по ванадию путем присадки дополнительного количества (ВШ) через 20 - 25 мин после ввода его основного количества. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ раскисления, модифицирования и микролегирования стали ванадийсодержащими материалами, включающий доводку металла по химическому составу путем ввода в ковш с расплавленным металлом углеродсодержащих материалов в качестве науглероживателя, ферросилиция в качестве раскислителя, твердых шлакообразующих, ванадийсодержащего шлака и порошкового силикокальция, отличающийся тем, что ковш с металлом подают на установку "печь-ковш" и нагревают металл до температуры на 75 - 95^oC выше температуры ликвидуса, после чего присаживают углеродсодержащие материалы в количестве 2,0 - 7,5 кг/т стали, затем вводят ванадийсодержащий шлак, твердые шлакообразующие и ферросилиций, а порошковый силикокальций вводят в конце доводки, при этом количество ванадийсодержащего шлака, ферросилиция и порошкового силикокальция поддерживают в соотношении 1 : (0,10 - 0,40) : (0,10 - 0,30) соответственно, причем расход ванадийсодержащего шлака составляет 6,0 - 13,5 кг/т стали. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих материалов используют электродный бой, коксик или пекококсовую мелочь. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что через 20 - 25 мин после ввода ванадийсодержащего шлака отбирают пробу для определения содержания ванадия в стали и, при необходимости, производят корректировку по ванадию путем присадки ванадийсодержащего шлака.