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 для десульфурации чугуна магнием в ковшах.

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 г.).

В условиях металлургических заводов эта проволока не может быть эффективно использована для десульфурации чугуна по следующим причинам. При температуре внепечной обработки чугуна введенный в металл магний испаряется и удаляется из расплава в виде пузырей 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. Это приводит к образованию в чугуне большого количества пара, формированию неблагоприятных газометаллических потоков, выбросам обрабатываемого металла из ковша и неэффективному использованию магния для десульфурации чугуна.

Пар магния, который за время движения пузырей в металле не был использован для химического взаимодействия с примесями чугуна, сгорает над его поверхностью с образованием большого количества пылегазовых выбросов. Поэтому использование этой проволоки для десульфурации чугуна возможно только при наличии мощного оборудования для отвода и очистки отходящих газов. Это существенно усложняет использование этой проволоки для десульфурации чугуна в условиях действующих цехов и значительно повышает стоимость строительства новых отделений внепечной десульфурации чугуна.

Известна также порошковая проволока для введения 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. Авторское свидетельство СССР 1655996, м. кл. С 21 С 7/06, опубликовано 15.06.1991 г.). Ее использование дает возможность уменьшить количество пара магния, которое поступает в металл при неизменных диаметре проволоки и скорости ввода ее в расплав. Это в свою очередь способствует некоторому увеличению степени использования магния для десульфурации металла и уменьшению количества выбросов во время обработки.

Несмотря на это, количество пылегазовых выбросов во время десульфурации чугуна с использованием порошковой проволоки этого состава слишком высокое, вследствие чего ее использование также возможно только при наличии мощного оборудования для отвода и очистки отходящих газов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является порошковая проволока для десульфурации и модифицирования чугуна, которая состоит из металлической оболочки, заполненной порошкообразным сплавом системы железо-кремний-магний следующего химического состава, (мас. %): 8-15 Mg; 42-48 Si; 0,2-3,5 Са; 0,1-1,5 А1; до 3 РЗМ; Fe - остальное (см. Патент ФРГ 4035631, м. кл. С 21 С 1/10, В 22 D 1/00, опубликовано 14.05.1993 г.). Более высокая эффективность использования магния при введении его в металл в составе сплава системы железо-кремний-магний достигается благодаря особенностям распределення 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 составе сплава.

Температура плавления силицида магния составляет 1102^oС, что значительно ниже температур плавления окружающих его лебоита и кремния, которые составляют соответственно 1220 и 1414^oС. Поэтому растворение силицида магния в чугуне протекает быстрее, чем растворение образующих матрицу сплава более тугоплавких фаз. При этом возникающие в чугуне пузырьки пара магния формируются вследствие растворения каждого включения силицида магния отдельно. Ввиду малого количества магния в них пузырьки имеют малые размеры и большую удельную площадь поверхности раздела с обрабатываемым металлом. Благодаря этому введение магния в чугун в составе сплава обеспечивает высокую эффективность десульфурации и модифицирования металла, а также значительное уменьшение количества пылегазовых выбросов во время обработки чугуна в относительно малых ковшах литейного производства.

Использование этой проволоки для десульфурации чугуна в крупных ковшах металлургических заводов также дает возможность резко уменьшить количество пылегазовых выбросов, но эффективность десульфурации металла при этом значительно снижается.

Это связано с тем, что активность магния по отношению к растворенному в металле кислороду намного превышает его активность к сере. При введении сплава с указанным содержанием магния в донную часть крупных металлургических ковшей преобладающее большинство образующихся в расплаве пузырьков пара магния будет полностью израсходовано в химических реакциях с примесями чугуна ранее, чем пузырьки достигнут поверхности расплава. Это ведет к тому, что сульфиды магния, образовавшиеся около поверхности пузырьков пара десульфуратора, не выносятся из расплава вместе с всплывающими пузырьками, а остаются в металле. Поэтому после десульфурации металла в крупных ковшах порошковой проволокой, которая содержит сплав системы железо-кремний-магний приведенного выше состава, обычно требуется продуть чугун азотом, чтобы ускорить удаление сульфидов магния в шлак. На протяжении времени, которое необходимо для введения порошковой проволоки в металл и продувки чугуна азотом, вследствие высокой активности растворенного в металле кислорода, часть сульфидов магния будет окислена по реакции
(MgS)+[О]=(MgO)+[S].

В результате протекания этой реакции значительное количество введенного в металл магния расходуется на раскисление чугуна, а сера возвращается в металл, что ведет к снижению эффективности его десульфурации.

Количество алюминия, который поступает в чугун в составе описанной выше порошковой проволоки, незначительно и недостаточно для существенного снижения содержания кислорода в металле.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования порошковой проволоки для десульфурации чугуна, в которой за счет изменения состава наполнителя повышение эффективности десульфурации металла может быть достигнуто при сохранении низкого уровня пылегазовых выбросов во время введения проволоки в расплав.

Поставленная задача решается тем, что порошковая проволока состоит из мегаллической оболочки и наполнителя из порошкообразного сплава системы железо-кремний-магний с содержанием магния 7-15%, согласно изобретению содержание алюминия в составе наполнителя проволоки составляет 1,6-15%.

Увеличение количества алюминия в составе наполнителя проволоки может быть достигнуто как повышением содержания его в составе сплава, так и введением в состав наполнителя металлического алюминия в виде порошка, стружки или гранул в количестве 0,5-14%. Результаты опытно-промышленных исследований показывают, что эффективность десульфурации чугуна определяется суммарным количеством введенного в металл алюминия и практически не зависит от того, в каком виде он входит в состав наполнителя проволоки.

Целесообразно также, чтобы сплав системы железо-кремний-магний дополнительно содержал кальций, барий, титан и РЗМ в количестве 0,1-5%.

Если для повышения количества алюминия в состав наполнителя вводят металлический алюминий, с этой целью целесообразно также использовать вторичные сплавы системы алюминий-магний с содержанием магния 0,1-15%.

Для уменьшения количества пылегазовых выбросов во время десульфурации чугуна при изготовлении проволоки целесообразным является также использование быстро охлажденных сплавов, в структуре которых размер не менее чем 70% включений силицида магния или других фаз, которые содержат магний, не превышает 0,03 мм.

Увеличение количества алюминия, который поступает в чугун в составе порошковой проволоки, способствует глубокому раскислению чугуна, вследствие чего резко уменьшается интенсивность окисления сульфидов магния и увеличивается эффективность десульфурации металла.

Содержание алюминия в составе наполнителя проволоки менее 1,5% не обеспочивает необходимой глубины раскисления чугуна. Повышение содержания алюминия в составе наполнителя сверх 15% нецелесообразно, так как не способствует дальнейшему увеличению эффективности десульфурации металла, но сопровождается значительным ростом стоимости проволоки.

Пример: Для оценки технического результата от использования для внепечной десульфурации чугуна порошковой проволоки предложенного состава была выполнена серия экспериментов в 140-т ковшах. Во всех случаях температура чугуна во время обработки находилась в пределах 1340 - 1380^oС. Пробы для определения начального содержания серы в металле отбирали при помощи пробниц с глубины 0,5 м от поверхности расплава.

Во время экспериментов сплавы вводили в металл в виде порошковой проволоки диаметром 10 мм, оболочка которой была изготовлена из стали 08Ю толщиной 0,4 мм. Количество наполнителя на 1 м длины проволоки было близким к 0,125 кг. Скорость ввода проволоки в металл изменялась в пределах 1,8-2,2 м/с.

Во всех случаях во время введения проволоки в металл количество пыли в отходящих газах не превышало 0,2-0,5 г/м³. Это обеспечивало возможность практически полной аспирации газов и снижения содержания пыли на рабочих местах отделения десульфурации чугуна до фонового уровня.

После введения порошковой проволоки чугун продували азотом через погружаемые в металл фурмы на протяжении 4-5 минут, после чего отбирали пробы для определения конечного содержания серы в металле. Данные о химическом составе проволоки и эффективности десульфурации металла в каждом из проведенных экспериментов показаны в таблице.

Анализ результатов экспериментальных исследований доказывает, что использование предложенного изобретения дает возможность существенно увеличить эффективность десульфурации чугуна при сохранении низкого уровня содержания пыли в отходящих газах.

Изобретение может быть использовано в металлургии для десульфурации чугуна магнием в ковшах. Порошковая проволока состоит из металлической оболочки и наполнителя из порошкообразного сплава системы железо-кремний-магний-алюминий с содержанием магния 7-15%. Состав наполнителя проволоки дополнительно содержит металлический алюминий в количестве 1,6-15%. Использование порошковой проволоки дает возможность существенно увеличить эффективность десульфурации чугуна при сохранении низкого уровня содержания пыли в отходящих газах. 4 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-алюминий с содержанием магния 7-15%, отличающаяся тем, что содержание алюминия в составе наполнителя проволоки составляет 1,6-15%. 2. Порошковая проволока по п.1, отличающаяся тем, что наполнитель проволоки дополнительно содержит металлический алюминий в количестве 0,5-14%. 3. Порошковая проволока по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что сплав дополнительно содержит кальций, барий, титан и РЗМ в количестве 0,1-5%. 4. Порошковая проволока по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что алюминий в состав проволоки вводят в виде сплавов системы алюминий-магний с содержанием магния 0,1-15%. 5. Порошковая проволока по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что в структуре сплава размер не менее чем 70% включений силицида магния или других фаз, которые содержат магний, не превышает 0,03 мм.