ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ РАСКИСЛЕНИЯ, РАФИНИРОВАНИЯ, МОДИФИЦИРОВАНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ Российский патент 2005 года по МПК C21C7/00 C21C7/06 

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для их раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования как при внепечной обработке стали, так и в процессе разливки.

Известно применение экзотермических смесей для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая, мас.%: оксиды и/или карбонаты кальция, магния, бария - 50-70, оксиды редкоземельных металлов 1-10, боратовую руду 2-5, алюминий 5-20, кремний 20-35. Указанная смесь позволяет снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, в том числе серой, регулировать содержание вводимых элементов в обрабатываемый расплав [1].

Однако данной экзотермической смеси присущи следующие недостатки. Из-за высокого содержания кремния в смеси и недостаточного содержания в ней алюминия замедляется реакция раскисления стали, так как кремнеземсодержащие оксиды всплывают из жидкой стали медленнее, чем продукты раскисления алюминием. Основная часть кислорода в виде глиноземистых включений удаляется из жидкого железа в течение первой минуты после добавки алюминия. Удаление же кремнеземсодержащих включений при добавках кремния выше 0,1% протекает в течение всей выдержки металла в печи или ковше, в связи с чем содержание кислорода в железе не достигает равновесных концентраций [2]. Это приводит к перерасходу раскислителей и легирующих, взаимодействующих с оксидами железа в шлаке, а также к повышенной загрязненности металла трудноудаляемыми неметаллическими включениями - оксидами кремния. Кроме того, наличие в шлаке кислых кремнеземсодержащих включений снижает срок службы основной футеровки металлургической емкости, в которой находится обрабатываемая сталь.

Задачей изобретения является разработка универсального состава экзотермической смеси для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, которую можно использовать при производстве различных марок стали.

Желаемым техническим результатом изобретения является снижение длительности обработки стали при повышении ее качества, снижение содержания в ней неметаллических включений, повышение степени десульфурации стали, предотвращение растворения азота в металле, повышение эффективности процесса рафинирования, модифицирования и легирования стали, а также расширение технологических возможностей путем использования заявленной экзотермической смеси при производстве различных марок стали и повышение стойкости футеровки металлургического агрегата.

Это достигается тем, что известная экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая алюминий, оксиды кальция, магния по изобретению дополнительно содержит оксиды алюминия, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий 5,0-83,

оксид алюминия 2,5-75,

оксид кальция 0,5-10,

оксид магния не более 8,

оксид железа не более 15,

оксид меди не более 2,

оксид титана не более 7,

оксид марганца не более 12,

оксиды натрия и/или калия 5-7,

при этом ее влажность не превышает 2,2%.

Алюминий раскисляет жидкую сталь, то есть удаляет кислород, а шлак, содержащий оксид алюминия, эффективно ассимилирует неметаллические включения, что способствует снижению содержания вредных примесей, например серы, кислорода и неметаллических включений в стали. Раскисление жидкого металла алюминием и одновременное рафинирование его шлаком, содержащим оксид алюминия, зависит от процесса растворения и горения экзотермической смеси. При выборе различных соотношений алюминия и оксида алюминия в смеси можно регулировать процесс шлакообразования.

Кроме того, при введении алюминия и оксидов железа в жидкую сталь начинается экзотермическая реакция восстановления активных элементов смеси из их оксидов: марганца, кальция, магния, меди, титана, при этом формируется жидкоподвижный высокоактивный шлак и образуется комплексный модифицирующий и легирующий сплав. Это обеспечивает эффективный отвод из зоны горения реакции ее продуктов - восстановленного легирующего элемента в объем металла, а также оксидов элементов-восстановителей - в шлаковую фазу.

Для получения жидкоподвижного шлака в состав смеси введены легкоплавкие компоненты: оксиды натрия и/или калия в количестве 5-7 мас.%. Снижение содержания в смеси оксидов натрия и/или калия ниже 5% приведет к образованию вязкого шлака, что приводит к ухудшению условий плавления смеси, повышению времени обработки стали. При совместном использовании в экзотермической смеси оксида натрия и оксида калия их желательно вводить в количестве соответственно не более 4 мас.%. и не более 3 мас.%.

Введение в смесь более 7% оксидов натрия и/или калия приведет к понижению температуры металла и шлака в зоне реакции и снижению эффективности его обработки экзотермической смесью.

Снижение содержания алюминия в смеси ниже 5% приведет к недостаточному восстановлению из смеси модифицирующих компонентов, понижает ее рафинирующую способность.

Увеличение содержания в смеси алюминия выше 83 мас.% может привести к чрезмерному повышению температуры в зоне горения, что приведет к возгоранию высокоактивных элементов и их удалению в газовую фазу, возникновению взрывоопасной ситуации при изготовлении смеси, уменьшению рафинирующего, модифицирующего и легирующего эффекта.

Для исключения возникновения пожароопасных ситуаций при изготовлении, хранении и транспортировке смеси необходимо соблюдать также условие, чтобы ее влажность не превышала 2,2%.

Кроме того, в случае выполнения смеси в виде брикета при ее влажности более 2,2% возможно саморассыпание брикета при его хранении и транспортировке.

Широкий диапазон содержания алюминия в смеси позволяет применять ее для обработки различных марок стали. При этом, чем больше в смеси алюминия, тем меньше следует в нее вводить оксида алюминия, так как в противном случае повышается температура плавления образующегося шлака, что приводит к снижению эффективности обработки стали экзотермической смесью.

Оксиды кальция и магния являются шлакообразующими материалами. Кроме того, восстановленный в процессе экзотермической реакции кальций при выплавке высоколегированных, углеродистых и конструкционных марок сталей выполняет роль модификатора. В присутствии алюминия кальций также способствует снижению содержания неметаллических включений в стали, например ее десульфурации.

Оксид магния способствует повышению стойкости основной футеровки металлургической емкости, в которой находится обрабатываемый расплав стали, так как предотвращает взаимодействие образующегося шлака с ней.

Повышение содержания оксида кальция в смеси свыше 10% нецелесообразно, так как приведет к повышению температуры плавления образующегося шлака и снижению его рафинирующей способности.

Марганец, восстановленный в процессе экзотермической реакции из оксидов марганца, является раскислителем и легирующим элементом.

Титан образует прочные карбиды, нитриды и карбонитриды и способствует защите сталей от растворения азота в них.

Медь также является легирующим элементом, например, для углеродистых, хромоникелевых и нержавеющих сталей.

Количество вводимых в состав экзотермической смеси оксидов марганца, титана, меди выбирают в зависимости от выплавляемой марки стали.

Предлагаемая экзотермическая смесь была использована при выплавке углеродистых и легированных марок сталей.

Пример

На опытных плавках с применением экзотермической смеси выплавляли сталь 20 трубн. и сталь 15Х5М, химический состав которых приведен в таблице 1. Всего провели по 15 плавок каждой марки с применением экзотермической смеси из одной партии.

Таблица 1.
Химический состав сталей опытных плавок (регламентируемый)Марка сталиСодержание элементов, мас.%СSiMnРSАlTiМоNiСuCr20 трубн.   н.б.н.б.  
 н.б.н.б.н.б.н.б.0,20-0,250,30-0,350,45-0,500,0150,0200,01-0,020,005 -0,010,0100,250,250,2515Х5М   н.б.н.б.   н.б.н.б. 0,10-0,150,35-0,400,25-0,350,0150,0200,01-0,0150,01-0,020,40-0,500,2300,255,0-
5,5

Общая схема выплавки обоих марок сталей была следующая. В дуговой сталеплавильной печи выплавляли окисленный железоуглеродистый полупродукт, который при температуре 1620°С выпускали в ковш с отсечкой печного шлака. При выпуске в полупродукт присаживали раскислители, ферросплавы и шлакообразующие, в том числе экзотермическую смесь. Затем ковш с плавкой передавали на агрегат печь-ковш, где при периодическом подогреве плавки дораскисляли металл, корректировали содержание легирующих присадкой ферросплавов, доводили состав и количество шлака до заданных величин подачей на поверхность ванны извести и экзотермической смеси, затем выдерживали металл в течение 10-15 мин при невысокой интенсивности продувки аргоном через днище (около 100 л/мин) для удаления из него неметаллических включений и усреднения химического состава и температуры, а затем передавали плавку на разливку.

Содержание компонентов в применяемой на опытных плавках экзотермической смеси приведен в табл. 2.

Таблица 2.
Содержание компонентов в экзотермической смеси, мас.%АlАl₂O₃СаОMgOFeO^*)CuOТiO₂MnOК₂О+Nа₂O15,031,010,08,010,02,05,012,07,0 ^t) в пересчете на FeO

Средняя суммарная подача ферросплавов, раскислителей и шлакообразующих в процессе внепечной обработки 15 опытных плавок каждой марки приведена в табл.3.

Таблица 3.
Количество поданных материалов при внепечной обработке, кг (среднее по 15 плавкам каждой марки)Марка сталиФС45ФХр100СиМн17ФМн
угл.ФМоАВ86СК30ФТиЭкзосмесьИзвесть15Х5М550440010005560,512040250110020 трубн.3500200150020,612030150752

Состав сталей, полученных на опытных плавках (средний), приведен в табл.4.

Таблица 4.
Состав сталей, полученных на опытных плавках (средний)Марка сталиСодержание элементов, мас.%СSiMnРSАlTiМоNiСuCr20 трубн.0,220,330,480,0120,0110,0160,0070,0080,190,190,1015Х5М0,110,370,280,0150,0130,0150,0150,4700,200,225,02

Анализ полученных результатов показал, что при использовании экзотермической смеси, предусмотренной изобретением, за счет эффективного раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали повышается ее ударная вязкость, снижается холодноломкость, в целом повышается качество стали, снижается ее себестоимость.

Источники информации

1. RU 2192479 C1, C 21 C 1/00, 7/06, 10.11.2002.

2. Хан Б.Х. и др. Раскисление, дегазация легирование стали. М., “Металлургия”. 1965. С.49-50.

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали как при внепечной обработке стали, так и в процессе ее разливки. Технический результат - снижение длительности обработки стали при повышении ее качества за счет использования универсального состава экзотермической смеси для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, которую можно использовать при производстве различных марок стали для повышения эффективности процесса рафинирования, модифицирования и легирования стали. Экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали содержит при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 5,0-83, оксид алюминии 2,5-75, оксид кальция 0,5-10, оксид магния не более 8, оксид железа не более 15, оксид меди не более 2, оксид титана не более 7, оксид марганца не более 12, оксиды натрия и/или калия 5-7. Влажность смеси не превышает 2,2%. 4 табл.

Экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая алюминий, оксиды кальция, магния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксиды алюминия, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов, мас. %,:

алюминий 5,0-83

оксид алюминия 2,5-75

оксид кальция 0,5-10

оксид магния не более 8

оксид железа не более 15

оксид меди не более 2

оксид титана не более 7

оксид марганца не более 12,

оксиды натрия и/или калия 5-7,

при этом ее влажность не превышает 2,2%.