ФЛЮС ДЛЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2008 года по МПК C21C5/36 

Изобретение относится к металлургии, в частности к флюсам, используемым при выплавке стали.

Известен магнезиальный флюс, в котором в качестве смеси шлакообразующих компонентов используют ожелезненный доломит с содержанием оксидов магния, алюминия, железа, кремния и кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксиды магния от 32,0 до 33,5; оксиды алюминия от 0,5 до 0,95; оксиды железа от 2,0 до 5,0; оксиды кремния от 2,5 до 3,0; оксиды кальция остальное (патент РФ №2205232, 2003.05.27, С21С 5/36).

Наиболее близким к предлагаемому является известково-магнезиальный флюс, содержащий оксиды магния, алюминия, железа, кремния и кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксиды магния от 26,0 до 35,0; оксиды алюминия от 0,3 до 7,0; оксиды железа от 5,0 до 15,0; оксиды кремния от 0,5 до 7,0; оксиды кальция остальное (патент РФ №2145357, 2000.02.10, С21С 5/36, С21С 5/54).

Недостаток известных флюсов заключается прежде всего в высокой себестоимости и требовании специальных мер для хранения флюса без его разрушения. В частности: сложен и дорогостоящ процесс получения ожелезненного доломита. Оксид кальция получают в результате обжига известняка в шахтах или вращающихся печах, причем используют свежеобожженную известь. Ее высокая стоимость определяется не только затратами на обжиг, но и затратами на создание специальных условий ее транспортировки и хранения из-за высокой гигроскопичности. Выявленные известные флюсы характеризуются высоким содержанием оксида кальция, который обуславливает высокую гигроскопичность флюса, что требует специальных условий его хранения, а именно: сухих помещений с постоянной влажностью воздуха.

Высокая стоимость оксида алюминия обусловлена дорогостоящей схемой его получения, включающей производство из бокситов агломерата, который затем переплавляют в рудовосстановительной печи с целью производства электрокорунда, и дробления порошка оксида алюминия.

Оксид магния является продуктом обжига во вращающихся печах дефицитного материала магнезита. Высокая стоимость магензитового порошка обусловлена также сложной и энергозатратной схемой его получения и необходимостью создания специальных мер хранения и транспортировки.

Необходимость создания специальных условий для хранения составляющих флюса, а следовательно, и для хранения самого флюса, ограничивает срок его хранения. Кроме того, это же исключает возможность хранения известных флюсов на открытом воздухе без их разрушения, что усложняет хранение. Обычно срок хранения в специальных условиях в среднем составляет 30 суток.

Кроме того, трудно добиться однородности состава флюса из-за неравномерности распределения компонентов состава флюса при их смешении. Впоследствии это отрицательно сказывается на однородности теплового режима расплавленного флюса и, как следствие, на равномерность действия оксида железа на футеровку печи.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска флюсы для выплавки стали: аналог и прототип заявленного технического решения, при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в расширении арсенала шлакообразущих средств для выплавки стали, а также в повышении однородности состава флюса, в увеличении срока хранения и в упрощении хранения флюса, в снижении себестоимости.

Заявленное изобретение «Флюс для выплавки стали», решает задачу создания соответствующего флюса, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении арсенала шлакообразущих средств для выплавки стали, а также в повышении однородности состава шлаковой смеси для выплавки стали и снижение себестоимости.

Суть заявленного изобретения состоит в том, что в качестве флюса для выплавки стали применяют красную глину с содержанием (в мас.%) оксида алюминия от 12 до 27, оксидов железа (FeO+Fe₂O₃) от 2,5 до 15, оксида кремния от 43 до 74, оксида магния от 0,7 до 7,3 и оксида кальция от 0,5 до 7,7.

Технический результат достигается следующим образом. Глины - это связные несцементированные осадочные породы с преобладанием глинистых минералов, держатся в куске благодаря межмолекулярным силам и сцеплению между тончайшими частицами. По одной из классификаций глинистые частицы имеют d<0,005 мм (Геологический словарь, т.1, М.: 1972, с.171). Глина - это вторичный продукт земной коры, осадочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания. Образование глины идет, главным образом, на поверхности суши в результате процессов выветривания. Основным источником глинистых пород служит полевой шпат, при распаде которого под воздействием атмосферных явлений образуются каолинит и другие гидраты алюминиевых силикатов. Минералы горных пород, соприкасаясь с атмосферой и подвергаясь механическому и химическому воздействию воды и воздуха, постепенно изменяются, разрушаются и переходят в минералы глины. Первичные глины образовались в геологические эпохи интенсивного выветривания. Континентальные образования глин, возникающие в результате разложения горных пород и в результате накопления глинистых продуктов при выветривании, относятся к элювиальным глинам. Некоторые глины осадочного происхождения образуются в процессе местного накопления упомянутых минералов, но большинство из них представляют собой наносы водных потоков, выпавшие на дно озер и морей, а также являются продуктом разрушения горных пород. Такие глины относятся к аллювиальным. (Краткая химическая энциклопедия, М.: 1961, с.968; http://ru.wikipedia.org.; Геологический словарь, т.1, М.: 1972, с.171, 174).

Глины разного типа широко применяют в промышленности. Красные глины (железисто-монтмориллонитовые, основной состав: MgO, Al₂О₃, 3SiO₂, 1,5Н₂O; FeO, Fe₂О₃) используют в качестве строительных материалов, в изделиях грубой керамики, в гончарном производстве, в производстве разного рода вспученных глин, например керамзита, служащих заполнителем легких бетонов (Краткая химическая энциклопедия, М.: 1961, с.968; http://ru.wikipedia.org.).

Применение красной (железисто-монтмориллонитовой) глины при выплавке стали неизвестно, поэтому заявленное изобретение расширяет арсенал шлакообразующих средств для выплавки стали.

Возможность применения красной глины для выплавки стали подтверждается следующим образом. Из результатов патентного поиска (патент РФ №2205232, 2003.05.27, С21С 5/36; патент РФ, №2145357, 2000.02.10, С21С 5/36, С21С 5/54) известно, что для шлакообразования при выплавке стали используют флюсы, в состав которых входят оксиды магния, алюминия, железа, кремния и кальция в требуемых соотношениях компонентов. Из литературы известно, что значительную часть глинообразующих минералов составляют оксид алюминия и оксид кремния. Кроме того, в состав глин входят оксиды магния, железа и кальция, (http://ru.wikipedia.org.).

Авторами изобретения выполнен лабораторный анализ химического состава нескольких природных месторождений красной железисто-монтмориллонитовой глины элювиального и аллювиального типов и определены массовые соотношения между шлакообразующими компонентами глины: оксиды магния, алюминия, железа (FeO+Fe₂O₃), кремния и кальция. В результате авторами изобретения установлено, что в красной глине содержится смесь шлакообразующих минералов: оксидов алюминия, железа, кремния, магния и кальция при следующем соотношении, мас.%:

оксид алюминияот 12 до 27оксиды железа (FeO+Fe₂O₃)от 2,5 до 15оксид кремнияот 43 до 74оксид магнияот 0,7 до 7,3оксид кальцияот 0,5 до 7,7.

Кроме того, авторами опытным путем установлено, что температура плавления красной глины, имеющей указанный выше состав, составляет от 1250 до 1380°С, т.е. красная глина является легкоплавким материалом.

Высокое содержание оксида кремния в красной глине при низком содержании оксида кальция и оксида магния (оксид кремния от 43 до 74%; оксид кальция от 0,5 до 7,7%; оксид магния от 0,7 до 7,3%) обеспечивает низкую водопроницаемость флюса. Как показал опыт, заявленный флюс имеет низкую основность (3,5), что объясняется низким содержанием во флюсе освобожденных несвязанных ионов кислорода благодаря заявленному составу красной глины.

Известно, что двуокись кремния, так же как и оксид алюминия, увеличивает электросопротивление шлака, что повышает производительность процесса, а также увеличивает окислительный потенциал шлака и улучшает состояние поверхности слитка. Повышенное содержание двуокиси кремния в красной глине (от 43 до 74%) увеличивает окислительный потенциал шлаковой ванны, что благодаря заявленному массовому соотношению между оксидом кремния и оксидом алюминия в красной глине препятствует восстановлению алюминия, нежелательному при переплаве, например кислой стали. Как показал опыт, присутствие в красной глине оксида кремния при соотношении масс оксида кремния и оксида алюминия, в которых они находятся в природном материале красной глине (оксид кремния от 43 до 74%; оксид алюминия от 12 до 27%), позволяет максимально снизить восстановление более прочного термодинамически оксида алюминия и устранить нежелательные для стали ряда стали марок (например, кислой стали) последствия его восстановления.

Несмотря на высокое содержание в красной глине оксидов алюминия это не приводит к заметному содержанию во флюсе тугоплавких алюминатов кальция, что объясняется низким содержанием оксидов кальция (оксид алюминия от 12 до 27%; оксид кальция от 0,5 до 7,7%). В результате это не отражается на повышении температуры плавления флюса, что позволяет сохранить постоянный и равномерно распределенный тепловой режим плавки. При этом имеющееся количественное содержание оксидов алюминия в красной глине (оксид алюминия от 12 до 27%), используемой для шлакообразования, не снижает скорость растворения флюса в шлаковом расплаве.

Известно, что от количественного содержания оксидов железа зависят тепловые потери расплава, которые образуются при разложении оксидов железа. Наличие в составе красной глины в заданном соотношении оксидов алюминия и оксидов железа (оксид алюминия от 12 до 27, оксид железа от 2,5 до 15) повышает активность оксидов железа до величины, которая позволяет увеличить скорость растворения флюса в шлаковом расплаве, сохраняя при этом низкую температуру плавления. При этом, как показал опыт, присутствие в красной глине оксидов железа в пределах от 2,5 до 15% обеспечивает минимальное отрицательное воздействие оксидов железа в шлаке на футеровку печи. Это объясняется тем, что имеющееся в красной глине, используемой в заявленном флюсе, соотношение масс между оксидами алюминия, магния и оксидами железа (оксид алюминия от 12 до 27%, оксид магния от 0,7 до 7,3%, оксиды железа от 2,5 до 15%) оптимизирует содержание оксидов железа в шлаке, замедляя переход оксида железа в самостоятельную фазу, что не приводит к повышению активности оксидов железа до такой величины, при которой оксиды железа агрессивно воздействуют на огнеупорную футеровку сталеплавильного агрегата, проявляя свои разрушительные действия.

Количественное содержание оксидов железа (FeO+Fe₂O₃ от 2,5 до 15%) в используемой для флюса красной глине позволяет присаживать флюс во все периоды продувки, обеспечивая возможность поддержания жидкоподвижности шлака по ходу плавки, улучшая рафинирование стали и тепловой баланс плавки.

При шлакообразовании несмотря на высокое содержания оксидов кремния (оксид кремния от 43 до 74%) образование двух- или трехкальциевых силикатов в шлаке отсутствует из-за низкого содержания оксида кальция оксид кальция (от 0,5 до 7,7%), что не ухудшает шлакообразование сталеплавильной плавки.

Низкое содержание оксида магния оксид магния (от 0,7 до 7,3%) в совокупности с заданным соотношением масс других компонентов смеси придает флюсу высокую окислительную способность, позволяет использовать заявленный флюс для переплавки легированной стали. Кроме того, низкое содержание оксидов магния улучшает физические свойства флюса, так как при высоком содержании оксидов магния флюс становится хрупким и при перегрузках раскалывается из-за образования значительного количества твердой фазы чистой окиси магния.

Низкая температура плавления красной глины (от 1250 до 1380°С) снижает температуру плавления флюсующей смеси и интенсифицирует шлакообразование на ранней стадии плавки, ускоряет процесс плавления и шлакообразования. Кроме того, благодаря тому, что глинистые частицы имеют d<0,005 мм (Геологический словарь, т.1, M., 1972, с.171), состав флюса однороден по распределению в нем компонентов, входящих в красную глину, что обеспечивает равномерное распределение температуры расплава заявленного флюса, а следовательно, равномерное образование шлака и равномерный тепловой режим плавки. Как показали исследования, химический состав шлака, полученного с использованием красной глины в качестве флюса, имеет высокую однородность. Кроме того, красная глина, обладая низкой температурой плавления (являясь легкоплавкой), имеет сравнительно низкую жидкоподвижность расплава.

Благодаря низкому содержанию оксидов кальция (оксид кальция от 0,5 до 7,7%), основность расплава заявленного флюса составляет 3,5, что не создает опасности повышенного содержания водорода в металле (дефекты-свищи, флокены).

Использование для получения флюса для выплавки стали природного материала - красной глины (железисто-монтмориллонитовой) - снижает себестоимость флюса, так как не требует специального получения оксидов алюминия, магния, кальция, добычи кремния и оксидов железа, поскольку красная глина представляет собой готовую смесь шлакообразующих компонентов. Причем, как показал опыт, наличие в ней примесей других минералов, не участвующих в процессе шлакообразования (остальное от 0,9 до 13%), не оказывает существенного влияния на физические свойства флюса.

Кроме того, глина как природный материал не требует специальных условий хранения, что делает ее срок хранения практически неограниченным, упрощает хранение флюса и снижает его себестоимость.

Из вышеизложенного следует, что заявленный флюс, в котором в качестве смеси оксидов алюминия, железа, кремния, магния и кальция используют красную глину с содержанием компонентов при следующем соотношении, мас.%:

оксид алюминияот 12 до 27оксиды железа (FeO+Fe₂O₃)от 2,5 до 15оксид кремнияот 43 до 74оксид магнияот 0,7 до 7,3оксид кальцияот 0,5 до 7,7

обеспечивает необходимые условия для шлакообразования при использовании его при выплавке стали. Возможность использования красной глины (железисто-монтмориллонитовой) для получения флюса расширяет арсенал шлакообразующих средств для выплавки стали. Это, в свою очередь, позволяет отказаться от экологически опасных флюсующих материалов, например от часто применяемого дефицитного и дорогостоящего, в отличие от красной глины, плавикового шпата. Плавиковый шпат, обладая, так же как и красная глина, низкой температурой плавления (1360°С) также снижает температуру плавления всей гетерогенной системы, присутствующей в шлаке, и повышает жидкоподвижность расплава. Однако при использовании плавикового шпата выделяются экологически вредные фтористые соединения.

Кроме того, плавиковый шпат повышает активность закиси железа в шлаке, что приводит к быстрому износу футеровки. На лабораторных образцах определяли устойчивость огнеупоров к действию флюсующих материалов: красной глины и плавикового шпата. Образцы изготавливали из периклазового плавленого порошка, который составляет основу футеровки конверторов. В образцах выполняли специальное углубление, в который помещали испытываемые флюсы. После нагрева до 1600°С определяли площадь пропитки (%) огнеупора шлаком путем разреза образца по центральной оси. Результаты показали, что уже по истечении одной минуты площадь пропитки шлаком, образованным флюсом с плавиковым шпатом, составила 11,1%, а через 6 минут испытаний - 40,1%. В то время как максимальная площадь пропитки шлаком, образованным флюсом с красной глиной, только на пятой минуте испытаний составила 9,1%, а через 7 минут испытаний составила 10,5%.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленное изобретение «Флюс для выплавки стали» при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении арсенала шлакообразующих средств для выплавки стали, а также в повышении однородности состава шлаковой смеси для выплавки стали, в снижении себестоимости.

Заявленный флюс для выплавки стали используют следующим образом.

Красную глину добывали в Александровском и Северском карьерах Свердловской области. Опытные плавки выполняли на Нижнетагильском металлургическом комбинате.

Пример 1. Выполняли конвертерную плавку стали марки 20. По ходу обработки до завала лома вносили присадки: самораспадающиеся брикеты в количестве 540 кг; известково-магнезиальный флюс - 1040 кг; Во время продувки вносили присадки: марганцовый концентрат - 1160 кг; известь - 2400 кг; красная глина - 720 кг. Продолжительность плавки 31 минута.

Химический состав готовой стали: С - 0,204, Мп - 0,465, Si - 0,27, Р - 0,012, S - 0,016, Cr - 0,015, Ni - 0,055, Cu - 0,015, Ti - <0,002, Al - 0,007, V - 0,0034, Ca -0,0024, N - 0,0054.

Пример 2. Выполняли конвертерную плавку стали марки 37Г2С-2. По ходу обработки до завала лома вносили присадки: известь в количестве 780 кг; присадка магнийсодержащая - 1780 кг. Во время продувки вносили присадки: известь в количестве 1600 кг; присадка магнийсодержащая - 560 кг; красная глина - 940 кг. Продолжительность плавки 37 минут 59 сек.

Химический состав готовой стали (экспресс анализ): С - 0,28, Mn - 1,30, Si - 0,40, P - 0,020, S - 0,023, Cr - 0,02, Ni - 0,06, Cu - 0,01, V - 0,003.

Пример 3. Выполняли конвертерную плавку стали марки 17Г2Б-6. По ходу обработки во время продувки вносили присадки: марганцовый концентрат - 1240 кг; известь - 1680 кг; красная глина - 720 кг. В процессе плавки вносили дополнительно присадки: известь в количестве 1880 кг; известково-магнезиальный флюс - 1540 кг и доломит - 2020 кг. Продолжительность плавки 35 минут.

Химический состав готовой стали: С - 0,0172, Mn - 1,43, Si - 0,20, Р - 0,011, S - 0,003, Cr - 0,010, Ni - 0,052, Cu - 0,010, Ti - 0,002, Al - 0,031, V - 0,0041, Ca -0,0029, N - 0,0038, Nb - 0,031.

По визуальной оценке при наблюдении за ходом опытных плавок отмечено достаточно быстрое (уже на третьей минуте продувки) наведение жидкоподвижного однородного шлака. Для сравнения: жидкоподвижный шлак при использовании плавикового шпата обычно наводится на шестой, восьмой минуте.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству стали. Красную глину применяют в качестве флюса для выплавки стали с содержанием (в мас.%) оксида алюминия от 12 до 27, оксидов железа (FeO+Fe₂O₃) от 2,5 до 15, оксида кремния от 43 до 74, оксида магния от 0,7 до 7,3, оксида кальция от 0,5 до 7,7. Использование изобретения позволяет расширить арсенал шлакообразующих средств для выплавки стали, повысить однородность состава флюса.

Применение красной глины с содержанием (мас.%) оксида алюминия от 12 до 27, оксидов железа (FeO+Fe₂O₃) от 2,5 до 15, оксида кремния от 43 до 74, оксида магния от 0,7 до 7,3 и оксида кальция от 0,5 до 7,7 в качестве флюса для выплавки стали.