ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА С НАПОЛНИТЕЛЕМ ЖЕЛЕЗО-КАЛЬЦИЙ-МАГНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СТАЛИ Российский патент 2009 года по МПК C21C7/00 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошковыми реагентами. Патентуемое изобретение найдет применение при производстве новой эффективной порошковой проволоки с наполнителем железо-кальций-магний, которая предназначена для десульфурации стали.

Использование кальцийсодержащей проволоки для десульфурации и удаления неметаллических включений известно (патент РФ №2145640, С21С 7/00). Эффективность (продуктивность) удаления серы прямым образом связана с активностью кислорода. При вводе кальция в жидкую сталь, раскисленную алюминием, реакция взаимодействия алюминия с кислородом смещается в сторону образования продуктов реакции за счет снижения активности глинозема в результате образования алюмокальциевых комплексов. Все это интенсифицирует процесс десульфурации, в котором более активно участвует покровный высокоосновный шлак, кальций и алюмокальциевые включения. В итоге достигается более глубокая степень десульфурации при продувке обработанного металла.

Вместе с тем следует отметить, что кальций, обладая низкой растворимостью в стали, практически удаляется в процессе продувки. Это обуславливает необходимость точного дозирования вводимого количества кальция в жидкую сталь. При вводе кальция в количестве меньше расчетного не достигается требуемая десульфурация, а в количестве больше расчетного - степень десульфурации практически не увеличивается, что обуславливает неэффективный расход кальция и заметное снижение экономической рентабельности производства стали.

Известна порошковая проволока для внепечной обработки металлургических расплавов, наиболее близкая по своему составу и технической сущности и выбранная в качестве прототипа патентуемого изобретения (патент РФ №2242521, С21С 7/00).

Порошковая проволока, описанная в патенте РФ №2242521, состоит из стальной оболочки и порошкового наполнителя, содержащего кальций и железный порошок, при следующем соотношении, мас.%: кальций 25-45, железный порошок 55-75, а соотношение между составляющими частями проволоки установлено следующим, мас.%: порошковый наполнитель 45-70, стальная оболочка 30-55. Из практики использования настоящей порошковой проволоки установлены оптимальные соотношения кальция и железного порошка в наполнителе, которые традиционно составляют соответственно, мас.%: 30/70 или 40/60.

Данная проволока используется для модифицирования и рафинирования сталей, получения неметаллических включений заданного состава и свойств, а также для улучшения жидкотекучести сталей, раскисленных алюминием.

Недостатком известной порошковой проволоки с наполнителем феррокальций является невозможность ее применения для обработки сталей с повышенным содержанием серы. При обработке стали с повышенным содержанием серы в металле образуются крупные неметаллические включения сульфида кальция, снижающие жидкотекучесть металла и создающие отложения на стенке сталеразливочных стаканов в процессе непрерывной разливки.

Настоящее изобретение решает задачу разработки новой по составу и эффективной по применению порошковой проволоки, которая обеспечивает повышение степени десульфурации стали и уменьшение количества образующихся при внепечной обработке сталей сульфидов кальция.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом.

В порошковую проволоку, аналогичную приведенной в патенте РФ №2242521, состоящую из стальной оболочки и наполнителя, содержащего механическую смесь кальция и железного порошка в пропорции 30/70 или 40/60 мас.%, согласно патентуемому изобретению наполнитель порошковой проволоки дополнительно содержит гранулированный магний.

Рассчитано, что для гранулированного кальция и железного порошка, взятых в соотношении 30/70 мас.%, состав наполнителя порошковой проволоки представляет следующую механическую смесь компонентов, мас.%:

Са - 30;

Fe - 60-69,99;

Mg - 0,01-10.

Для гранулированного кальция и железного порошка, взятых в соотношении 40/60 мас.%, состав наполнителя порошковой проволоки содержит механическую смесь компонентов, при следующем соотношении, мас.%:

Са - 40;

Fe - 50-59,99;

Mg - 0,01-10.

Изобретение предусматривает, что содержание наполнителя и стальной оболочки составляет соответственно 45-70 и 30-55 мас.%, а коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 0,56-0,7.

Согласно изобретению для обработки стали

- с низким содержанием серы наполнитель порошковой проволоки содержит гранулированный магний в количестве от 0,01 до 0,5 мас.%;

- с повышенным содержанием серы наполнитель порошковой проволоки содержит гранулированный магний в количестве от 1,0 до 10,0 мас.%.

Технический результат патентуемого изобретения заключается в следующем.

Для получения стабильных результатов от модифицирующего действия химически активных элементов необходимо иметь определенное их остаточное содержание, зависящее от химического состава, технологии выплавки, разливки и условий кристаллизации стали. Химически активные элементы оказывают комплексное (рафинирующее и модифицирующее) действие на структуру и свойства стали. Установлены рафинирующие (включая раскислительные и десульфурирующие функции), модифицирующие и микролегирующие действия кальция (см. публикацию «Технологические и металловедческие аспекты использования химически активных элементов для повышения качества непрерывнолитого металла», авторы Троцан А.И. и др., http://lityo.com/ua/li/s_72.html).

Заявителем проведены исследования, которые выявили высокую эффективность совместного (комплексного) использования для внепечной обработки стали таких двух химически активных элементов, как кальций и магний. Установлены оптимальные весовые соотношения кальция и магния, при которых обеспечиваются наилучшие результаты десульфурации стали и достигаются наилучшие показатели уменьшения количества образующихся сульфидов кальция.

Подтверждено, что кальций, являясь раскислителем, снижает содержание кислорода в расплаве и тем самым способствует эффективной десульфурации расплава, а магний, одновременно со снижением содержания серы, обеспечивает эффективное модифицирующее воздействие кальция в расплаве и интенсивное перемешивание расплава, что необходимо для достижения эффективной работы кальциевого реагента.

В результате разработан перспективный состав наполнителя порошковой проволоки в виде механической смеси порошка железа и комбинации таких химически активных реагентов, как кальций и магний, который позволяет:

- осуществлять эффективную десульфурацию сталей с повышенным содержанием серы без ухудшения жидкотекучести металла;

- добиться снижения отложений на стенках сталеразливочных стаканов в процессе непрерывной разливки.

Проведенные заявителем исследования подтверждают, что сущность изобретения выражается патентуемой совокупностью существенных признаков, достаточной для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Реализация заявленного технического результата достигается благодаря наличию соответствующей причинно-следственной связи между существенными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом, которая раскрывается следующим образом.

Патентуемый состав наполнителя порошковой проволоки представляет собой механическую смесь компонентов, мас.%:

Са - 30;

Fe - 60-69,99;

Mg - 0,01-10,

или

Са - 40;

Fe - 50-59,99;

Mg - 0,01-10.

Заявителем найдены оптимальные составы наполнителя порошковой проволоки, которые дифференцированно используются при внепечной обработке металла с различным содержанием алюминия и серы.

Так, при содержании в наполнителе, мас.%, гранулированного кальция - 30,0, железа - 69,99 и гранулированного магния - 0,01 создаются условия для обработки металла с содержанием серы не более 0,01 мас.%. При этом образующиеся сульфиды имеют глобулярную форму, а неметаллические включения остаются жидкими при температуре разливки, что способствует повышению производительности машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и улучшению качества металла.

При содержании (мас.%) в наполнителе гранулированного кальция - 30,0, железа - 60,0 и гранулированного магния - 10,0 обеспечиваются условия для внепечной обработки металла с содержанием серы до 0,1 мас.%. Установлено, что при указанных соотношениях компонентов наполнителя образующиеся сульфиды имеют глобулярную форму, а неметаллические включения остаются жидкими при температуре разливки, что позволяет повысить производительность машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и обеспечить повышение качества металла.

При содержании (мас.%) гранулированного кальция - 40,0; железа - 59,99 и гранулированного магния - 0,01 или гранулированного кальция - 40,0; железа - 50,0 и гранулированного магния - 10,0 порошковая проволока применяется для внепечной обработки металла с повышенным содержанием оксидов алюминия. При этом в зависимости от содержания в наполнителе гранулированного магния достигается различная степень десульфурации металла, что позволяет формировать различные варианты состава наполнителя, исходя из заданной конечной рецептуры готового металла.

Исследованиями подтверждено, что введение в расплав оптимального количества гранулированного кальция и гранулированного магния обеспечивает максимальную эффективность упомянутых компонентов: кальций, являясь раскислителем, снижает содержание кислорода в расплаве, способствует эффективной десульфурации расплава, а магний, одновременно со снижением содержания серы, обеспечивает эффективное модифицирующее воздействие кальция в расплаве и интенсивное перемешивание расплава, при этом достигается полное использование химического потенциала кальциевого реагента. В результате анализа различных вариантов количественного содержания в наполнителе гранулированного кальция и гранулированного магния определены минимальные и максимальные количественные значения этих компонентов наполнителя, при которых обеспечивается максимально эффективная десульфурация стали с повышенным содержанием серы и одновременно сохраняются высокие показатели жидкотекучести металла.

Исследования по определению технологически оптимального содержания в наполнителе гранулированного магния свидетельствуют о следующем.

Добавки гранулированного магния в объеме менее 0,01 мас.% не приводят к увеличению степени десульфурации стали по сравнению с обработкой стали стандартной проволокой. Опытным путем установлено, что увеличение концентрации магния в наполнителе от 0,01 до 10 мас.% приводит к увеличению степени десульфурации от 5 до 75% (прототип - FeCa30), или от 6 до 80% (прототип - FeCa40). Дальнейшее увеличение содержания магния (более 10,0 мас.%) приводит к развитию пироэффекта и увеличенным выбросам металла и шлака из ковша, что существенно снижает безопасность производства стали.

В результате апробации различных вариантов количественного содержания в наполнителе железа найдены оптимальные соотношения компонентов порошковой проволоки для обработки металла с различным содержанием алюминия и серы. Так, для модифицирования сталей с содержанием алюминия до 0,02 мас.% оптимально использование порошковой проволоки, наполнитель которой содержит 30 мас.% кальция. При большем содержании алюминия целесообразно использование порошковой проволоки с содержанием кальция в наполнителе 40 мас.%. При использовании данной схемы применения порошковой проволоки достигается максимальный эффект модифицирования неметаллических включений, увеличивается чистота металла, поскольку образующиеся неметаллические включения легко всплывают и ассимилируются с ковшевым шлаком.

Сущность изобретения поясняется описанием примера изготовления патентуемой порошковой проволоки.

Изготовление патентуемой порошковой проволоки с наполнителем железо-кальций-магний осуществляют традиционным способом на стандартном металлургическом оборудовании.

Металлическую ленту профилируют в желобообразную оболочку. Хорошо перемешанную механическую смесь наполнителей, состоящую из молотого порошкообразного железа, гранулированного кальция и гранулированного магния, загружают в бункер.

Из бункера механическую смесь наполнителей дозированными порциями подают в желобообразную металлическую оболочку, которую равномерно заполняют смесью наполнителей. Затем с помощью роликовых клетей обжимают оболочку и формируют замок. Готовая проволока наматывается на катушку и поставляется для внепечной обработки стали.

Заявителем была проведена экспериментальная апробация патентуемой порошковой проволоки с различными весовыми вариантами содержания гранулированного кальция, порошка железа и гранулированного магния (табл.1, 2).

Содержание в наполнителе гранулированного кальция в объеме 30 мас.%.

Табл.1Состав наполнителяВариант рецептуры наполнителя, мас.%12345Гранулированный кальций30,030,030,030,030,0Железо порошок60,0063,065,067,069,99Гранулированный магний10,07,05,03,00,01Увеличение степени десульфурации, %756040255

Содержание в наполнителе гранулированного кальция в объеме 40 мас.%.

Табл.2Состав наполнителяВариант рецептуры наполнителя, мас.%12345Гранулированный кальций40,040,040,040,040,0Железо порошок50,0053,055,057,059,99Гранулированный магний10,07,05,03,00,01Увеличение степени десульфурации, %806545306

Исследование состава наполнителя (табл.1, 2) проволоки в его граничных вариантах реализации (варианты 1, 5) и при средних значениях (варианты 2, 3, 4) позволяет подготавливать различные оптимальные составы наполнителя порошковой проволоки, которые дифференцированно используются при внепечной обработке широкой палитры металлов, различающихся содержанием алюминия и серы.

Во время экспериментов компоненты наполнителя (гранулированный кальций, порошок железа, гранулированный магний) вводили в металл в виде порошковой проволоки диаметром 14-16 мм, оболочка которой была изготовлена из стали 08Ю толщиной 0,4 мм. Проволоку вводили с помощью стандартного трайб-аппарата. Скорость ввода проволоки в металл изменялась в пределах 120-130 м/мин. Расход проволоки варьировался в пределах 0,3-0,6 кг кальция на 1 тонну металла.

Результаты экспериментальной апробации разработанной новой порошковой проволоки подтверждают, что патентуемые соотношения компонентов наполнителя порошковой проволоки (гранулированного кальция, железного порошка и гранулированного магния) обеспечивают лучшие результаты десульфурации и позволяют оптимизировать показатели жидкотекучести стали.

Анализ научно-технической и патентной информации подтверждает новизну и высокую технико-экономическую эффективность использования патентуемой порошковой проволоки с наполнителем железо-кальций-магний и ее несомненные технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с известными порошковыми проволоками аналогичного назначения.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошковыми реагентами. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и наполнителя, содержащего механическую смесь кальция, железного порошка и дополнительно гранулированный магний. Содержание смеси гранулированного кальция и железного порошка, и гранулированного магния в наполнителе составляет соответственно 90,0-99,99 и 0,01-10,0 мас.%. Содержание наполнителя и стальной оболочки составляет соответственно 45-70 и 30-55 мас.%. Коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 0,56-0,7. Использование изобретения обеспечивает эффективную десульфурацию сталей с повышенным содержанием серы без ухудшения жидкотекучести металла, снижение отложений на стенках сталеразливочных стаканов в процессе непрерывной разливки. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Порошковая проволока для десульфурации стали, состоящая из стальной оболочки и наполнителя, содержащего механическую смесь гранулированного кальция и железного порошка, отличающаяся тем, что наполнитель порошковой проволоки дополнительно содержит гранулированный магний при следующем содержании компонентов, мас.%:

Са30Fe60-69,99Mg0,01-10,

или

Са40Fe50-59,99Mg0,01-10