ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЧУГУНА Российский патент 2002 года по МПК C21C1/02 C21C1/00 C21C7/00 

Порошковая проволока может быть использована в черной металлургии и литейном производстве для глубокой десульфурации чугуна в ковшах. Возможно также использование ее для модифицирования металла с целью производства отливок из чугуна с графитом шаровидной и вермикулярной формы.

Известна порошковая проволока для внепечной обработки чугуна, которая состоит из металлической оболочки толщиной менее 1 мм, заполненной металлическим магнием (см. патент США 4205981, м. кл. С 21 С 7/02, опубликовано 3.06.1980).

В условиях металлургических заводов эта проволока не может быть эффективно использована для обработки чугуна в ковшах по следующим причинам. При температурах внепечной обработки чугуна введенный в металл магний испаряется и удаляется из расплава в виде пузырьков пара, у поверхности которых протекают химические реакции между магнием и примесями чугуна. Поэтому для эффективного использования магния необходимо, чтобы разрушение металлической оболочки проволоки и выход пара магния в металл имели место в донной части ковша. С этой целью подачу проволоки в расплав требуется вести с высокой скоростью. При использовании проволоки большого диаметра это приводит к образованию в чугуне большого количества пара, формированию неблагоприятных газометаллических потоков, выбросам обрабатываемого металла из ковша и неэффективному использованию магния. Уменьшение диаметра вводимой в расплав проволоки приводит к тому, что вследствие нагревания в металле она быстро теряет жесткость и не может проникать в чугун на необходимую глубину.

Известна также порошковая проволока для ввода магния в расплавы на основе железа, которая состоит из металлической оболочки и наполнителя, содержащего механическую смесь 20-40% порошка магния и 80-60% обожженного доломита (см. авт. свидетельство СССР 1655996, м. кл С 21 С 7/06, опубликовано 15.06.1991). Ее использование дает возможность уменьшить количество пара магния, которое поступает в расплав при неизменных диаметре проволоки и скорости введения ее в металл.

Но в условиях глубокой десульфурации чугуна эта проволока также не обеспечивает эффективного использования введенного в металл магния.

При указанном составе наполнителя проволоки магний поступает в обрабатываемый металл в виде непрерывной струи пара, дробление которого на отдельные пузыри происходит в объеме металла. В этих условиях размер возникающих в металле пузырей пара магния определяется только величиной межфазного натяжения на границе раздела пара магния с чугуном. Большой размер возникающих пузырей приводит к тому, что при низком содержании серы в металле за время движения пузырей к поверхности расплава большая часть магния не может быть использована для протекания химических реакций. Не прореагировавший в металле пар магния сгорает в атмосфере над расплавом, что сопровождается образованием большого количества пылегазовых выбросов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является порошковая проволока для десульфурации чугуна, которая состоит из металлической оболочки, заполненной порошкообразным сплавом следующего химического состава, мас. %: 8-15 Mg; 42-48 Si; 0,2-3,5 Са; 0,1-1,5 Al; до 3 РЗМ; Fe - остальное (см. заявку ФРГ 4035631, м. кл. С 21 С 1/10, опубликовано 14.05.1992). Более высокая эффективность использования магния при введении его в металл в составе сплава системы железо - кремний - магний достигается благодаря особенностям распределения магния в структуре твердого сплава.

Исследование этих сплавов свидетельствует о том, что главными их структурными составляющими являются кремний, лебоит (FeSi₂) и силицид магния (Mg₂Si). В структуре твердого сплава кремний и лебоит присутствуют в виде крупных зерен, между которыми находятся мелкие эвтектические области, содержащие включения силицида магния. Именно в них сосредоточено основное количество магния, находящегося в сплаве.

Температура плавления силицида магния составляет 1102^oС, что значительно ниже температур плавления окружающих его кремния и лебоита, которые составляют соответственно 1220 и 1414^oС. Поэтому растворение силицида магния в чугуне происходит быстрее, чем растворение более тугоплавких фаз, составляющих матрицу сплава. При этом возникающие в чугуне пузырьки пара магния формируются вследствие растворения каждого из включений силицида магния отдельно. Вследствие малого количества магния в них пузырьки имеют малые размеры и большую удельную площадь поверхности раздела с обрабатываемым металлом. Благодаря этому ввод магния в чугун в составе сплава обеспечивает высокую степень использования магния для десульфурации и модифицирования металла.

Несмотря на высокую степень использования магния, десульфурация чугуна порошковой проволокой указанного состава связана с неоправданно высокой стоимостью обработки. Это обусловлено тем, что вместе с магнием в металл необходимо вводить большое количество кремния и железа, которые входят в состав сплава, а также металлической оболочки.

Для снижения затрат на десульфурацию металла целесообразно использование сплавов с более высоким содержанием магния. Но увеличение содержания магния в сплаве приводит к тому, что в ограниченном объеме металла, где происходит разрушение металлической оболочки проволоки, одновременно будет возникать значительно большее количество пузырьков пара магния. Это ведет к высокой вероятности столкновения пузырьков во время движения в металле и быстрого их укрупнения, вследствие чего увеличение содержания магния в сплаве сверх 15%, как правило, сопровождается быстрым снижением степени использования магния для десульфурации чугуна.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования порошковой проволоки для десульфурации и модифицирования чугуна, в которой за счет использования сплавов оптимальной структуры высокая степень использования магния для десульфурации чугуна может быть достигнута при значительно большем содержании магния в сплаве. Вследствие этого появляется возможность существенно снизить затраты на обработку.

Поставленная задача решается тем, что порошковая проволока состоит из металлической оболочки и наполнителя из порошкообразного сплава системы железо - кремний - магний, согласно изобретению содержание магния в сплаве составляет 16-35%, к тому же в структуре твердого сплава не менее 50% магния сконцентрировано во включениях силицида магния, размер которых не превышает 0,05 мм.

Целесообразно также, чтобы сплав системы железо - кремний - магний дополнительно содержал кальций, алюминий, барий, титан и РЗМ в количестве 2-10%.

Избежать уменьшения эффективности использования магния при использовании сплавов с повышенным содержанием реагента можно в случае, когда размер возникающих в металле пузырьков значительно уменьшается и высокая степень использования магния имеет место еще при образовании пузырьков во время растворения включений силицида магния. Экспериментально установлено, что достаточно высокая степень использования десульфуратора при использовании богатых магнием сплавов может быть достигнута в случае, когда в структуре твердого сплава не менее 50% магния сконцентрировано во включениях силицида магния, размер которых не превышает 0,05 мм.

Использование сплавов с содержанием магния менее 16% связано с заметным увеличением затрат на десульфурацию металла за счет стоимости кремния и железа в сплаве, а также металлической оболочки проволоки. Использование сплавов с содержанием магния более 35% также сопровождается увеличением затрат на обработку чугуна. Это вызвано тем, что централизованное промышленное производство этих сплавов ферросплавными заводами не ведется, а выплавка мелких их партий в условиях металлургических и машиностроительных предприятий связана со значительными техническими трудностями и высокой стоимостью сплавов.

Пример. Для оценки технического результата от использования для внепечной десульфурации чугуна порошковой проволоки предложенного состава был выполнен ряд экспериментов в 100-тонных ковшах. Во всех случаях температура чугуна во время обработки находилась в пределах 1310-1350^oС.

Во время экспериментов сплав вводили в металл в виде порошковой проволоки диаметром 10 мм, оболочка которой была изготовлена из стали 08Ю толщиной 0,4 мм. Скорость ввода проволоки в металл изменялась в пределах 1,8-2,2 м/с.

Результаты проведенных экспериментов, данные о химическом составе использованных в качестве десульфураторов сплавов и о затратах на реагент приведены в таблице. Выборочные исследования структуры сплавов предложенного состава показали, что 70-90% общего количества магния присутствовало в структуре сплавов в виде включений силицида магния, размер которых не превышал 0,05 мм.

Анализ приведенных в таблице результатов экспериментальных исследований доказывает, что использование предложенного изобретения дает возможность достигнуть высокой степени использования магния для десульфурации чугуна при повышенном содержании его в сплаве, существенно снизить затраты на реагент и общую стоимость глубокой внепечной десульфурации чугуна.

Изобретение может быть использовано в черной металлургии и литейном производстве для глубокой десульфурации и модифицирования чугуна в ковшах. Порошковая проволока состоит из металлической оболочки и наполнителя из порошкообразного сплава системы железо - кремний - магний с содержанием магния 16-35%. При этом в структуре твердого сплава не менее 50% магния сконцентрировано в виде включений силицида магния, размер которых не превышает 0,05 мм. Сплав системы железо - кремний - магний дополнительно содержит кальций, алюминий, барий, титан и редкоземельные металлы в количестве 2-10%. Использование порошковой проволоки позволяет достигнуть высокой степени использования магния для десульфурации чугуна при повышенном содержании магния в сплаве, существенно снизить затраты на реагент и общую стоимость глубокой внепечной десульфурации чугуна. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Порошковая проволока для десульфурации чугуна, которая состоит из металлической оболочки и наполнителя из порошкообразного сплава системы железо-кремний-магний, отличающаяся тем, что содержание магния в сплаве составляет 16-35%, к тому же в структуре твердого сплава не менее 50% магния сконцентрировано во включениях силицида магния, размер которых не превышает 0,05 мм. 2. Порошковая проволока по п.1, отличающаяся тем, что сплав системы железо-кремний-магний дополнительно содержит кальций, алюминий, барий, титан и РЗМ в количестве 2-10%.