СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ Российский патент 2011 года по МПК C21C5/52 C21C7/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства рельсовой стали в дуговых электропечах с применением вакуумирования.

Известен выбранный в качестве прототипа способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление металлошихты, окислительный период, отсечку печного шлака и части металла при выпуске, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси и раскислителей, обработку плавки на агрегате типа «ковш-печь» с присадкой ферросплавов, отличающийся тем, что окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода не менее 0,15%, в ковш в качестве твердой шлакообразующей смеси и раскислителей присаживают известь, силикомарганец, кокс при соотношении (0,4-0,7):(0,75-1,0):(0,15-0,30) соответственно, в количестве 1,3-2,0% от массы жидкой стали, перед вводом ферросплавов на агрегате типа « ковш-печь» в ковш присаживают кокс в количестве 0,4-0,6% от массы жидкой стали и осуществляют продувку инертным газом с расходом 15-25 нм³/ч в течение 15-30 минут [1].

Техническими недостатками данного способа являются:

- высокое содержание кислорода в связи с низкой раскисляющей способностью присаживаемых ферросплавов;

- высокий расход ферросплавов в связи с повышенным содержанием кислорода в стали;

- высокий уровень неметаллических включений эндогенного типа вследствие повышенного содержания кислорода в стали;

- высокое содержание водорода вследствие отсутствия операции вакуумной дегазации.

Известен также способ выплавки рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома, чугуна и извести, расплавление металлошихты, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию путем присадки железной руды и извести, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, раскисление стали и шлака в печи, последующий выпуск стали под печным шлаком в ковш, присадку в ковш во время выпуска смеси, состоящей из извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия, отличающийся тем, что в завалку дополнительно присаживают железную руду в количестве 4-5% от веса завалки, известь подают в количестве 4-8% от веса завалки, чугун присаживают в виде жидкого чугуна, который заливают сверху в печь после проплавления металлолома при расходе электроэнергии 220-320 кВт·ч/т металлолома в количестве 30-35% от веса завалки со скоростью 6-12 т/мин, при этом газообразный кислород подают с расходом 15-30 нм³/т стали, а температуру в печи при окислении углерода поддерживают не более 1680°С, железную руду и известь для дефосфорации присаживают с расходом 70-120 кг/т стали в соотношении, соответственно, (1-2):(2,5-3,5) с последующим спуском окислительного шлака, а расход присаживаемой в ковш во время выпуска стали смеси поддерживают в пределах 18-27 кг/т стали при соотношении в ней извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия (1-1,50):(0,30-0,40):(0,50-0,65):(0,07-0,15) соответственно [2].

Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:

- значительная длительность плавки в связи с необходимостью раскисления стали и шлака в печи, а также с разведением операций загрузки металлолома и заливки жидкого чугуна во временном интервале,

- высокие расходы электроэнергии и электродов, связанные с повышенной длительностью плавки,

- высокий «угар» ферросплавов и легирующих в связи с повышенной окисленностью печного шлака и присадкой значительного количества ферросплавов в печь,

- пониженные физико-механические свойства стали из-за повышенного уровеня загрязненности стали неметаллическими включениями экзогенного характера.

- высокое содержание водорода вследствие отсутствия операции вакуумной дегазации.

Известен способ выплавки и вакуумирования стали, преимущественно подшипниковой, включающий выплавку металла, обработку рафинировочным шлаком, вакуумом, отличающийся тем, что с целью повышения качества стали за счет снижения загрязненности сульфидными включениями при сохранении на прежнем уровне загрязненности по оксидам и глобулям, снижения тепловых потерь за счет сокращения продолжительности обработки, металл в ковше вначале обрабатывают основным восстановительным шлаком посредством слива металла из печи в ковш на твердые шлакообразующие материалы с одновременной продувкой расплава аргоном с интенсивностью 0,01-0,07 м³/т мин и через 30-90 с - основным окислительным шлаком и аргоном с интенсивностью продувки 0,2-0,8 первоначальной продувки в течение 30-180 с, после чего удаляют 20-40% массы шлака, присаживают нейтрализатор и осуществляют вакуумирование металла [3].

Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:

- наличие выбросов металла и шлака из сталеразливочного ковша при выпуске нераскисленного металла в ковш, что приводит к возникновению аварийных ситуаций;

- отсутствие возможности азотирования стали вследствие использования в качестве продувочного газа аргона.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются:

Снижение концентрации кислорода и водорода в стали, уменьшение степени загрязненности неметаллическими включениями, снижение расхода ферросплавов, повышение комплекса физико-механических свойств рельсовой стали, снижение длительности плавки стали.

Для этого предложен способ производства рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и науглероживателя, расплавление, окислительный период, выплавку стали с оставлением части металла в печи, отсечку шлака при выпуске, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш во время выпуска коксовой мелочи, твердой шлакообразующей смеси и раскислителей, обработку стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре, отличающийся тем, что в качестве науглероживателя используется твердый чугун в количестве 15-55% от веса завалки, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода 0,15-0,65%, в ковш присаживают коксовую мелочь в количестве 0,1-0,8% от массы жидкой стали, известь в количестве 3-8 кг/т стали и сплавы марганца из расчета введения марганца на 0,7%, при выпуске стали из печи осуществляют продувку в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 0,003-0,020 м³/тонну стали и интенсивностью 3-20 м³/ч, обработку стали на агрегате «ковш-печь» проводят до температуры 1590-1650°С и получения требуемого по углероду, марганцу, кремнию и ванадию химического состава введением необходимых углерод-, марганец-, кремний- и ванадийсодержащих лигатур и ферросплавов, причем при обработке производят продувку стали в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 6-25 м³/ч; обработку на вакууматоре камерного типа осуществляют при давлении менее 0,3 торр, причем обработку проводят при непрерывной продувке через донные фурмы азотом с интенсивностью 3-30 м³/ч и расходом 0,01-0,35 м³/т стали при общей продолжительности обработки 10-65 минут

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.

Количество твердого чугуна в количестве 15-55% от веса завалки выбрано исходя из получения в стали необходимой концентрации углерода, при использовании твердого чугуна менее 15% от массы завалки не удается получить требуемые для рельсовой стали концентрации остаточных элементов (хрома, никеля и меди), и получаемая концентрация углерода при расплавлении не позволит провести усиленную дегазацию стали и удаление неметаллических включений при повышенном расходе кислорода, а использование твердого чугуна в количестве более 55% от массы завалки приводит к повышенной концентрации углерода при расплавлении и увеличению длительности плавки в связи с необходимостью окисления «избыточного» углерода стали.

Содержание углерода выбрано исходя из того, что при понижении концентрации углерода менее 0,15% значительно возрастает содержание кислорода в стали и необходима длительная обработка стали на агрегате типа «ковш-печь» с целью снижения содержания кислорода и науглероживания. При увеличении концентрации углерода более 0,65% возможно в результате науглероживания мелочью кокса получение концентрации углерода значительно выше определенных государственными стандартами, а также снижается степень дефосфорации стали.

Присадка в ковш коксовой мелочи в количестве менее 0,1% от массы жидкой стали не позволяет получить низкие требуемые концентрации кислорода и высокие концентрации азота (так как кокс содержит некоторое количество азота в своем составе), а при присадке коксовой мелочи более 0,8% от массы жидкой стали возможно получение содержания углерода выше верхнего предела содержания его в готовой стали.

Продувка стали инертным газом через донные фурмы с расходом 0,003-0,020 м³/тонну и интенсивностью 3-20 м³/ч выбрана исходя из следующих предпосылок. Снижение расхода менее 0,003 нм³/тонну выплавляемой стали и интенсивности менее 3 м³/ч не обеспечивает хорошее перемешивание металла и требуемое удаление кислорода посредством диффузии кислорода и всплывания неметаллических включений.

При повышении расхода более 0,020 нм³/т и интенсивности продувки стали инертным газом более 20 нм³/ч на тонну выплавляемой стали происходит интенсивное вспенивание стали и шлака в ковше, что затрудняет обработку в связи с выплесками стали и шлака из ковша.

При присадке извести в ковш менее 3 кг/т стали образующийся шлаковый расплав не обеспечивает защиту металла от поглощения газов из атмосферы. Присадка же извести в количестве более 8 кг/т стали при дальнейшей обработке на вакууматоре увеличивает продолжительность обработки.

Кремний- и марганецсодержащие ферросплавы вводят по расчету на средний предел содержания в готовой стали с целью снижения длительности обработки на агрегате «ковш-печь».

При нагреве стали на агрегате «ковш-печь» до температуры менее 1590°С дальнейшая обработка на вакууматоре, приводящая к снижению температуры, не позволяет проводить разливку стали на МНЛЗ из-за низких температур, что требует повторного дополнительного нагрева на агрегате «ковш-печь». При температуре более 1650°С температура после обработки на вакууматоре получается высокой для разливки стали на МНЛЗ, что требует дополнительной выдержки в ковше для охлаждения.

Продувку стали инертным газом на агрегате «ковш-печь» осуществляли с расходом 6-25 м³/ч. При расходе ниже нижнего заявляемого предела нагрев стали затруднен. Причем при расходе выше верхнего заявляемого предела происходят выбросы металла и шлака из ковша, что приводит к аварийным ситуациям.

Для успешной дегазации обработку стали на вакууматоре производили при давлении менее 0,3 торр. Причем интенсивность продувки азотом менее 3 м³/ч и расходом ниже 0,01 м³/т значительно увеличивается длительность обработки на вакууматоре, при этом насыщение стали азотом незначительно. При интенсивности продувки через донные фурмы азотом более 30 м³/ч и расходом более 0,35 м³/т наблюдаются значительные технологические «выбросы» металла и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы.

Продолжительность обработки выбрана исходя из условий: при обработке менее 10 мин не удается провести требуемую дегазацию стали, продолжительность обработки более 65 мин не требуется в связи с достижением требуемых значений содержания газов при заявляемом условии при ранней длительности.

Заявляемый способ выплавки стали был реализован при производстве рельсовой стали марок Э76Ф, НЭ76Ф в дуговых электросталеплавильных печах типа ДСП 100И10 с обработкой на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD. На остаток металла и шлака в печи заваливался металлолом и твердый чугун в количестве 15-55% от веса завалки. Окисление углерода проводили продувкой стали в печи газообразным кислородом через систему газокислородных горелок фирмы BSE. При достижении содержания углерода в пределах 0,15-0,65% и температуры проводили выпуск плавки с отсечкой печного шлака. При выпуске стали в ковш присаживали коксовую мелочь в количестве 0,1-0,8% от массы жидкой стали, необходимые ферросилиций ФС65 и силикомарганец МнС17, и известь 270-960 кг. В ковш наливали 90-120 т стали. При выпуске осуществляли продувку инертным газом с расходом 0,003-0,020 м³/тонну стали и интенсивностью 3-20 м³/ч через донные фурмы. Дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводили на агрегате типа ковш-печь. Обработку проводили введением необходимых ферросплавов и лигатур: ферросилиция ФС65, ФС75; ферромарганца, силикомарганца, порошка кокса - до получения требуемых содержаний элементов по ГОСТ Р 51685-2000. Нагрев проводили до температуры 1590-1650°С. За время обработки проводили продувку через донные фурмы с расходом 6-25 м³/ч. Далее сталь в ковше передавалась на вакууматор камерного типа VD. Перед созданием разряжения ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку инертным газом через донные фурмы с интенсивностью 3-30 м³/ч и расходом 0,01-0,35 м³/т стали. Далее надвигалась крышка вакууматора и в течение до 10 мин создавалось давление менее 0,3 торр. Длительность выдержки под вакуумом составляла 10-65 мин. После операции обработки, вакуум снимался, открывалась крышка и ковш подавался на непрерывную разливку. Разливку стали проводили на 4-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×(330÷340) мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа Р65.

Заявляемый способ обеспечивает получение содержания кислорода до 20 ppm, водорода менее 1,5 ppm, снижение загрязненности стали (длина строчки неметаллических включений для стали, выплавленной по заявляемой технологии, не более 0,1 мм, в то время как по базовой достигает 2 мм), снижен расход азотированных ванадийсодержащих ферросплавов на 0,15 кг на тонну выплавляемой стали, длительность плавки сокращается на 1,5 мин, и механические испытания рельсовой продукции показали, что предел текучести и предел прочности увеличены на 7-9 МПа, ударная вязкость при отрицательных температурах на 0,7 Дж/см².

Источники информации

1. Патент РФ №2315115, кл. С21С 5/52

2. Патент РФ №2197536, кл. С21С 5/52, 7/06

3. А.с №1803434, кл С21С 7/10

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства рельсовой стали в дуговых электропечах с применением вакуумирования. Способ включает подачу в печь металлолома и в качестве науглероживателя - твердого чугуна в количестве 15-55% от веса завалки, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода 0,15-0,65%, в ковш присаживают коксовую мелочь в количестве 0,1-0,8% от массы жидкой стали, известь в количестве 3-8 кг/т стали и сплавы марганца. При выпуске стали из печи осуществляют продувку в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 0,003-0,020 м³/тонну стали и интенсивностью 3-20 м³/ч, обработку стали на агрегате ковш-печь проводят до температуры 1590-1650°С и получения требуемого по углероду, марганцу, кремнию и ванадию химического состава. При обработке производят продувку стали в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 6-25 м³/ч, обработку на вакууматоре камерного типа осуществляют при давлении менее 0,3 торр, причем обработку проводят при непрерывной продувке через донные фурмы азотом с интенсивностью 3-30 м³/ч и расходом 0,01-0,35 м³/т стали при общей продолжительности обработки 10-65 минут. Изобретение позволяет снизить концентрацию кислорода в стали и загрязненность неметаллическими включениями, уменьшить расход ферросплавов, повысить комплекс физико-механических свойств рельсовой стали, а также снизить энергозатраты и продолжительность выплавки стали.

Способ производства рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и науглероживателя, расплавление, окислительный период, выплавку стали с оставлением части металла в печи, выпуск плавки в ковш с отсечкой шлака при выпуске, присадку в ковш во время выпуска коксовой мелочи, твердой шлакообразующей смеси и раскислителей, обработку стали на агрегате ковш-печь и вакууматоре, отличающийся тем, что в качестве науглероживателя используется твердый чугун в количестве 15-55% от веса завалки, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода 0,15-0,65%, в ковш присаживают коксовую мелочь в количестве 0,1-0,8% от массы жидкой стали, известь в количестве 3-8 кг/т стали и сплавы марганца из расчета введения марганца на 0,7%, при выпуске стали из печи осуществляют продувку в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 0,003-0,020 м³/тонну стали и интенсивностью 3-20 м³/ч, обработку стали на агрегате ковш-печь проводят до температуры 1590-1650°С и получения требуемого по углероду, марганцу, кремнию и ванадию химического состава введением необходимых углерод-, марганец-, кремний- и ванадийсодержащих лигатур и ферросплавов, причем при обработке производят продувку стали в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 6-25 м³/ч, а обработку на вакууматоре камерного типа осуществляют при давлении менее 0,3 торр, причем обработку проводят при непрерывной продувке через донные фурмы азотом с интенсивностью 3-30 м³/ч и расходом 0,01-0,35 м³/т стали при общей продолжительности обработки 10-65 мин.