СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО ШЛАКА Российский патент 2012 года по МПК C21C5/52 C21C7/00 

При выплавке стали в электродуговых печах вспенивание шлака является одним из решающих этапов процесса, который оказывает влияние на повышение эффективности производства стали и уменьшение затрат на производство.

При выплавке стандартных углеродистых сталей это является повсюду применяемым методом.

По-другому это представляется, если это вспенивание должно применяться на сталях с высоким содержанием хрома, так как значительное поглощение оксида хрома шлаком создает проблему. Это следует из физико-химических свойств шлаков с высоким содержанием оксида хрома. Это не дает возможности вспенивания существующими методами, например, при впрыскивании порошкообразного углерода в материалы подложки с кислородом в ванну с расплавленным металлом или шлаком.

Известны два метода для вспенивания шлаков с высоким содержанием оксида хрома, но которые все являются неудовлетворительными.

В связи с этим задачей изобретения является разработка метода или материала, с которым может достигаться вспенивание шлака с высоким содержанием оксида хрома. Согласно изобретению эта задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты исполнения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.

Сущностью изобретения при этом является то, что материал содержит носитель окиси железа, носитель углерода, феррохром с высоким содержанием углерода или шрот или оксид никеля (кроме ферритной стали) в качестве добавки, а также известняк и возможно дополнительно плавиковый шпат, вяжущее вещество как меласса и/или цемент и дополнительный поставщик газа для процесса вспенивания. Этот материал должен существовать в форме брикетов или окатышей различной величины.

Применение вспенивания шлака при применении электродуговых печей дает ряд преимуществ, как то: повышение термического коэффициента полезного действия печи благодаря низкой теплопроводности пены, низкий расход огнеупорных материалов и электродов, стабилизация электрической дуги и уровня шума.

Чтобы получить эффективное вспенивание на фазовой границе металл - шлак требуется иметь значительную генерацию газа.

Доминирующими факторами при этом в качестве образующих пену газов являются СО и СО₂.

Эти газы образуются при восстановлении окиси железа и оксида хрома и при термическом разложении известняка следующим образом:

При этих реакциях степень восстановления окиси железа углеродом очень высокая, в то время как восстановление оксида хрома углеродом менее эффективно. Следует упомянуть, что шлаки при получении нержавеющей стали содержат очень мало окиси железа, но много окиси хрома, так что понятен низкий коэффициент полезного действия образования СО в подобного рода шлаках. Эффективное образование газа могло бы быть достигнуто с помощью направленной добавки синтетических материалов, как окалина и известняк.

Для выделения пены важную роль играет удельная плотность добавок, а именно по сравнению со шлаком или металлом. Она способствует при этом реакциям, при которых происходит образование газов в пограничном слое шлак-металл, так что лучше и эффективнее может контролироваться образование пены. На плотность можно оказывать влияние с помощью выбора очень плотных материалов (металлов), так называемых балластных материалов, как то: ферритный шрот и/или феррохром, а также менее плотных материалов (оксидов).

Основным компонентом при пенообразовании является окись железа, Fe₂O₃ с добавкой углерода в качестве средства восстановления. При этом происходит следующая реакция:

Причем пенная смесь состоит из Fe₂O₃ и графита, причем графита содержится 18,37% и остальное 81,63% Fe₂O₃. Состав дополняется феррохромом (FeCr) с высоким содержанием хрома, ферритным шротом и известняком CaCO₃.

В случае шлаков аустенитных сталей может присаживаться оксид никеля. Феррохром и ферритный шрот благодаря высокой удельной плотности делают пенообразующую присадку более тяжелой. Вследствие этого удельная плотность лежит между удельной плотностью шлака и металла согласно:

Вследствие этого материал благодаря подъемной силе направленно располагается на фазовой границе шлак-металл. При этом он растворяется в плавильной ванне, вследствие чего возрастает вес расплава.

Благодаря известняку при термическом разложении получается CO₂, который поддерживает вспенивание, в то время как оксид кальция растворяется в шлаке и повышает вязкость и основность шлака. Дополнительно вязкость шлака может регулироваться с помощью присадки плавикового шпата (CaF₂).

Предложенный согласно изобретению образователь пены состоит из основных составляющих, а именно:

- окиси железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄) в любой форме в виде окалины, преобразователя или EAF/LF высушенной пыли, преобразователя мокрой пыли (шлам), руды,

- кокс, графит, углерод (С),

- балластный материал для всех сортов нержавеющей стали в форме FeCr, ферритного шрота,

- балластный материал для аустенитных нержавеющих и дуплексных сортов стали в форме FeCr, ферритного шрота, аустенитный шрота, дуплексного шрота, оксида никеля (NiO_x).

К добавкам относятся:

- известняк (CaCO₃),

- известь и плавиковый шпат (СаО и CaFe₂),

- оксид алюминия (Al₂O₃),

В качестве вяжущего средства:

- меласса,

- цемент,

- или другое возможное вяжущее.

Состав пенообразователя в % может представляться следующим образом:

Fe₂O₃, Fe₃O₄ 10-70 С 2-16 Балластный материал 14-78 СаСо₃ 0-10 СаО, CaFe₂ 0-10 Al₃O₃ 0-10

Следующие допущения служат для определения удельной плотности пенообразователя, причем Fe₂O_3,m понимается как смесь Fe₂O₃ с графитом:

Удельная плотность Fe₂O_3,m задается формулой:

Плотность пенообразователя

причем балласт означает FeCr или шрот, а также оксид никеля

Содержание CaCO₃ может заменяться на содержание CaF₂, причем, в частности, может приниматься % CaCO₃=0 или CaF₂=0.

Удельная плотность пенообразователя получается из следующей ниже таблицы 1.

Таблица 1 Удельная плотность чистых монолитных компонентов пенообразователя, которые используются для определения плотности материала Компонент Fe Cr Fe₂O₃ С CaCO₃ CaF₂ FeCr(*) Удельная Плотность, т/м³ 7,86 7,2 5,3 2,25 2,27 3,18 4,09 * 54%Cr-35%Fe-8%C-3%Si Компонент меласса Цемент Ферритовый шрот NiO_x Уд. плотность, т/м³ 0,99 2,9 6,51 6,67

Приведенные данные для удельной плотности касаются монолитного материала. С другой стороны, материал, использованный для образования пены, применяется в форме брикета, плотность которого, естественно, меньше.

Брикеты изготавливаются прессованием материала, в зависимости от процентного состава получается различная плотность. Удельная плотность шлаков, полученных при выплавке стали, лежит в диапазоне от 2,5 до 3 г/см³.

Прессованная структура содержит Fe₂O₃ и углерод в названной смеси и на практике имеет плотность 3,2 г/см³, в то время как по расчету для индивидуальных компонентов получается плотность 4,7 г/см³. Для принятого во внимание шлака экспериментально получилась плотность 2,9 г/см³.

С позиции желаемого эффекта пенообразования удельная плотность пенообразователя должна лежать в диапазоне 2,8-6,0 т/м³.

При небольших физических размерах добавок (окатыши или брикеты) газ быстро высвобождается, так как поверхность реакции в целом при небольших размерах становится больше.

Уже отмечалось, что образующая пену смесь должна присаживаться в форме брикетов или окатышей. При этом брикеты получаются в специально разработанном прессе. В качестве предпочтительных для брикетов являются размеры, которые по диагонали составляют 20-100 мм и по высоте 15-40 мм.

Окатыши или брикеты перед прессованием изготавливаются в барабане при добавке мелассы или цемента, но причем возможны другие технологии связывания, которые обеспечивают достижение желательных свойств в части твердости, прочности на разрыв и на сжатие.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения вспененного шлака в электродуговых печах. Смесь из оксидов металлов и углерода загружают в электродуговую печь, под шлаком, на границе металл - шлак, оксид металла восстанавливают углеродом и известняк термически разлагается, при этом получающийся газ с помощью образования пузырьков способствует вспениванию шлака. Смесь, которую присаживают в форме формованных изделий, таких как брикеты или окатыши, содержит основные компоненты, выбранные из групп: окись железа в любой форме, например, в виде окалины, высушенной пыли конвертера или EAF/LF, шлама конвертера, кокс, графит, балластный материал для всех нержавеющих сортов стали в форме FeCr, ферритного шрота, балластный материал для нержавеющих аустенитных и дуплексных сортов стали в форме FeCr, ферритного шрота, аустенитного шрота, дуплексного шрота, оксидов никеля (NiO_x), а также вяжущий материал. Изобретение позволяет разработать материал, с которым достигается вспенивание шлака с высоким содержанием оксида хрома. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения вспененного шлака на расплавах нержавеющих сталей в электродуговых печах, в котором в печь загружают смесь из оксидов металлов и углерода, под шлаком, на границе металл - шлак оксид металла восстанавливают углеродом, причем получающийся газ с помощью образования пузырьков способствует вспениванию шлака, отличающийся тем, что подлежащая загрузке смесь, которую присаживают в форме формованных изделий, таких как брикеты или окатыши, содержит основные компоненты, выбранные из групп:
- окись железа (Fе₂O₃, Fe₃O₃) в любой форме, например, в виде окалины, высушенной пыли конвертера или EAF/LF, мокрой пыли (шлама) конвертера,
- кокс, графит, углерод (С),
- балластный материал для всех нержавеющих сортов стали в форме FeCr, ферритного шрота,
- балластный материал для нержавеющих аустенитных и дуплексных сортов стали в форме FeCr, ферритного шрота, аустенитного шрота, дуплексного шрота, оксидов никеля (NiO_x), необязательно:
- известняк (СаСО₃),
- известь или плавиковый шпат (СаО или CaF₂),
- ферросилиций (FeSi)
- алюминий (Аl)
- оксид алюминия (Аl₂О₃),
а также вяжущий материал, такой как:
- меласса,
- цемент,
- или другое вяжущее средство.

2. Способ по п.1, в котором состав образователя пены состоит из следующего, %:
Fе₂O₃, Fе₃O₄ 10-70 С 2-16 Балластный материал 14-78 СаСО₃ 0-10 CaO, CaF₂ 0-10 FeSi 0-10 Al 0-10 Аl₂О₃ 0-10

3. Способ по п.1 или 2, в котором удельную плотность формованных изделий регулируют с помощью выбора компонентов, образующих смесь, и/или с помощью процесса прессования при изготовлении формованных изделий от 2,8 до 6,0 т/м³.

4. Способ по п.1 или 2, в котором формованные изделия в форме брикетов изготавливают так, что их диагональный размер лежит между 20 и 100 мм и их высота лежит между 15 и 40 мм.