ФЛЮС ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА Российский патент 2013 года по МПК C21C5/54 C22B9/10 C22B9/18 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к электрошлаковому переплаву металлов.

Наибольшее распространение получил электрошлаковый переплав с целью глубокой десульфурации, рафинирования металла от неметаллических включений и получения плотной литой структуры. Для достижения этих целей разработан ряд флюсов на базе систем фторида кальция с термодинамически прочными оксидами кальция, алюминия и магния. Эти флюсы характеризуются высокой рафинирующей способностью и обладают комплексом физических и физико-химических свойств, обеспечивающих устойчивый режим переплава (см. книгу "Электрометаллургия стали и ферросплавов" под ред. Д.Я.Поволоцкого. Изд.3, переработ. и доп. - М.: Металлургия, 1994. - 592 с.).

Однако для получения таких флюсов требуется дефицитный плавиковый шпат - минерал фторида кальция, как в известном флюсе для электрошлакового переплава, компоненты которого взяты в следующем соотношении, вес.%:

оксид кальция - 10-15

оксид магния - 10-15

оксид алюминия - 12-20

оксид кремния - 2-7

фторид кальция - остальное.

При таком содержании фторида кальция во флюсе при повышенной рафинирующей способности в процессе переплава из шлакового расплава в атмосферу выделяются фторидные соединения, отрицательно влияющие на человеческий организм и живую природу (см. а.с. СССР № 258332, кл. C22B 9/10, C21C 5/56, C21C 5/52).

Известен флюс для электрошлакового переплава, компоненты которого взяты в следующем соотношении, мас.%:

фторид кальция - 30-50

оксид кальция - 12-18

оксид алюминия - 12-18

оксид магния - 3-7

оксид кремния - 5-9

оксид титана - 3-7

оксид хрома - 3-5

бура - 6-12.

Флюс такого состава обладает хорошей рафинирующей способностью, но характеризуется теми же недостатками, что и вышеупомянутый (см. а.с. СССР №1765191, кл. C21C 5/54).

В настоящее время разработаны экономичные и эффективные способы получения стали с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и водорода. В связи с этим отпадает необходимость рафинирования металла от примесей при электрошлаковом переплаве, а первостепенной задачей переплава становится получение благоприятной структуры при сохранении низкого содержания водорода и повышение технико-экономических показаний процесса. Решить поставленные задачи позволяет использование флюсов низкой основности. Дефицит плавикового шпата CaF₂ (фторида кальция) остро ставит задачу разработки флюсов с минимально возможным содержанием фторида кальция.

Известен низкоосновный сварочный флюс AH-60, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

оксид кремния - 42,5-46,5

оксид кальция - 3-10

оксид марганца - 36-41

фторид кальция - 5-8

оксид алюминия - до 5

оксид магния - 0,5-3,0.

Высокое содержание оксида кремния при низком содержании оксида и фторида кальция, а также оксида магния обеспечивает низкую водородопроницаемость флюса. Флюс обладает удовлетворительным комплексом физических и физико-химических свойств, удовлетворяющим требованиям процесса электрошлакового переплава, однако высокое содержание в нем термодинамически непрочного оксида марганца придает ему высокую окислительную способность, что делает невозможным его использование для переплава легированной стали (см. ГОСТ 9087-81. Флюсы сварочные плавленые. Технические условия).

При производстве сварочных флюсов, в качестве компонентов используют оксид кальция, оксид алюминия, магнезитовый порошок и плавиковый шпат (см. книгу "Теория и технология производства ферросплавов" / Гасик М.И., Лакишев Н.П., Емлин Б.И. - М.: Металлургия, 1988. - 784 с.).

Известен флюс, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

оксид кремния - 35-40

оксид кальция - 26-38

оксид магния - 12-20

оксид алюминия - 4-8

фторид кальция - 5-20.

Этот флюс при температуре электрошлакового переплава обладает удовлетворительным комплексом физических и физико-химических свойств, обеспечивает достаточно устойчивый электрический режим переплава и позволяет переплавлять легированную сталь без существенного изменения ее состава. Недостатком флюса является относительно высокое содержание в нем фторида кальция, а также повышенная водородопроницаемость его расплава (см. а. с. СССР № 91422, кл. В23K 35/36).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому флюсу является флюс для электрошлакового переплава, содержащий оксид кальция, оксид алюминия, оксид кремния, фторид кальция и оксид магния, в котором оксид кальция, оксид кремния, оксид алюминия и частично оксид магния введены в виде регенерированного доменного шлака, полученного десульфурацией доменного шлака, а компоненты взяты в соотношении, мас.%:

регенерированный доменный шлак - 75-80

оксид магния - 15-20

фторид кальция - 4-5.

Этот флюс при температуре электрошлакового переплава обладает удовлетворительным комплексом физических и физико-химических свойств, обеспечивает достаточно устойчивый электрический режим переплава и позволяет переплавлять легированную сталь без существенного изменения ее состава. Недостатком флюса является высокая стоимость вследствие использования специально регенерированного доменного шлака и дефицитного фторида кальция (см. патент РФ №2148089, кл. C21C 5/54, C21C 5/06, C22B 9/10).

Высокая стоимость регенерированного доменного шлака обусловлена сложной операцией его десульфурации и последующей грануляции, а также использованием в процессе десульфурации дефицитного плавикового шпата (см. патент РФ №2164954 C21C 5/54, C21C 7/064).

Задачей изобретения является снижение стоимости флюса при уменьшении расхода плавикового шпата.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном флюсе для электрошлакового переплава, содержащем оксид кальция, оксид алюминия, оксид кремния, фторид кальция и оксид магния, некоторые компоненты, а именно оксид кальция, оксид алюминия, фторид кальция и частично оксид кремния и оксид магния введены в виде шлаков производства углеродистого феррохрома и силикокальция, недостающий оксид магния - в виде обожженного магнезита, недостающий оксид кремния - в виде кварцевого песка, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

шлак производства углеродистого феррохрома - 33-35

шлак производства силикокальция - 50-52

магнезит - 11-15

кварцевый песок - 3-5.

При этом шлак производства углеродистого феррохрома содержит в своем составе, мас.%:

оксид кремния - 30-35

оксид кальция - 4-6

оксид алюминия - 20-30

оксид магния - 30-35;

шлак производства силикокальция содержит в своем составе, мас.%:

оксид кремния - 30-35

оксид кальция - 55-60

оксид алюминия - 5-10

оксид магния - 0-1

фторид кальция - 2-10.

Оксида кремния во флюсе должно быть в пределах 30-38%. При этом обеспечивается низкая водородопроницаемость шлакового расплава, высокая производительность процесса и снижается расход электроэнергии. При содержании оксида кремния менее 30% существенно снижается омическое сопротивление флюса и ухудшаются технико-экономические показатели процесса. Кроме того, вследствие повышения основности возрастает водородопроницаемость флюса за счет роста свободных (не связанных в комплексы) ионов кислорода. При содержании оксида кремния выше 38% резко повышается вязкость флюса и значительно снижается электропроводность, что затрудняет проведение процесса электрошлакового переплава.

Оксида кальция во флюсе должно быть в пределах 30-36%. Если во флюсе оксида кальция будет менее 30%, то повышается вязкость и снижается электропроводность расплава. При содержании во флюсе оксида кальция более 36% возрастает основность шлака и увеличивается его водородопроницаемость.

Оксида алюминия во флюсе должно быть в пределах 6-10%. Если оксида алюминия во флюсе будет содержаться меньше или больше указанных пределов, то произойдет нарушение близкого к эвтектическому соотношения между основными компонентами флюса системы оксидов кремния, кальция, алюминия, магния, и температура плавления значительно повысится.

Оксида магния во флюсе должно быть в пределах 22-27%. При содержании оксида магния менее 22% наблюдается ухудшение поверхности слитка, появляются гофры и пережимы. При содержании оксида магния более 27% резко возрастает температура плавления флюса, что затрудняет проведение процесса электрошлакового переплава. Он идет в неустойчивом режиме, что приводит к формированию грубых поверхностных дефектов слитка.

Фторида кальция во флюсе должно быть в пределах 1-5%. Присутствие в предлагаемом флюсе фторида кальция менее 1% не обеспечивает необходимой жидкоподвижности шлака. При содержании фторида кальция более 5% уменьшается производительность процесса вследствие возрастания электропроводности расплава. Кроме того, фторид кальция является дорогим и дефицитным материалом. Увеличение его содержания приводит к увеличению стоимости флюса.

В исходном состоянии флюс предложенного состава может быть изготовлен в виде смеси дробленого шлака производства углеродистого феррохрома, порошков саморассыпающегося шлака производства силикокальция, обожженного магнезита, используемого для ремонта ванн сталеплавильных агрегатов, и кварцевого песка.

Таким образом, предложенный состав флюса для электрошлакового переплава позволяет решить задачу снижения его стоимости за счет исключения дефицитных материалов и компонентов, требующих дорогостоящих технологий их подготовки.

В таблице приведены результаты опробования составов предлагаемого флюса, которые были получены при проведении опытных плавок на установке ЭШП А-550 с неподвижным кристаллизатором диаметром 100 мм.

Исходные компоненты флюса взвешивали, а затем расплавляли во флюсоплавильной печи или непосредственно в кристаллизаторе установки электрошлакового переплава. Переплавляли электроды диаметром 60 мм из стали 45Х. Переплав при токе 680-720 A и напряжении 30-40 B. Выплавляли слитки массой 30 кг. Во время переплава контролировали технологические параметры процесса, расход электроэнергии. Качество поверхности слитков оценивали визуально. Вязкость расплавов определяли в специальных экспериментах при помощи вибрационного вискозиметра, электропроводность - по схеме вольтметр - амперметр. Результаты определений приведены в таблице в соответствии с вариантами количественных составов предлагаемого флюса и составом прототипа.

Варианты 1 и 4 соответствуют запредельным содержаниям шлака производства углеродистого феррохрома, варианты 2 и 3 - граничным содержаниям шлака производства углеродистого феррохрома.

Варианты 5 и 8 соответствуют запредельным содержаниям шлака производства силикокальция, варианты 6 и 7 - граничным содержаниям шлака производства силикокальция. Варианты 9 и 12 соответствуют запредельным содержаниям магнезита, варианты 10 и 12 - граничным содержаниям магнезита.

Варианты 13 и 16 соответствуют запредельным содержаниям кварцевого песка, варианты 10 и 12 - граничным содержаниям кварцевого песка.

Вариант 17 соответствует составу флюса по прототипу.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при содержании во флюсе шлака производства углеродистого феррохрома менее 33% процесс электрошлакового переплава протекает неустойчиво, с малой скоростью и большим расходом электроэнергии, а при содержании во флюсе шлака производства углеродистого феррохрома более 35% показатели процесса ухудшаются вследствие снижения электропроводности и увеличения вязкости жидкого шлака.

При содержании во флюсе шлака производства силикокальция менее 52% процесс электрошлакового переплава протекает неустойчиво с высокой скоростью и получением плохой поверхности слитка вследствие высокой вязкости и низкой электропроводности расплавленного флюса, а при содержании во флюсе шлака производства силикокальция более 55% показатели процесса ухудшаются вследствие снижения электропроводности и увеличения вязкости жидкого шлака

При содержании магнезита менее 11% процесс идет в неустойчивом режиме с большим расходом электрической энергии вследствие сравнительно высокой электропроводности и высокой вязкости флюса. Увеличение содержания магнезита до 16% приводит к ухудшению показателей процесса - увеличивается расход электроэнергии вследствие повышения вязкости и электропроводности расплавленного флюса.

При содержании во флюсе кварцевого песка менее 3% флюс характеризуется высокой электропроводностью, низкой скоростью переплава, высоким расходом электрической энергии и неустойчивым режимом переплава вследствие высокой электропроводности расплавленного флюса. При содержании во флюсе кварцевого песка более 5% флюс характеризуется высокой скоростью переплава и неустойчивым режимом переплава вследствие высокой вязкости расплавленного флюса.

При использовании для переплава флюса по прототипу варианта 17 процесс переплава проходит достаточно устойчиво, получена удовлетворительная поверхность слитка, однако процесс характеризуется низкой скоростью переплава и высоким расходом электроэнергии.

Экономичность (невысокая стоимость) предложенного флюса по сравнению с широко применяемыми достигается за счет использования вместо регенерированного доменного шлака и плавикового шпата дешевых шлаков производства углеродистого феррохрома и силикокальция, недорогих и недефицитных магнезита и кварцевого песка, а также уменьшения расхода электроэнергии.

Изобретение практически не требует затрат на внедрение.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к электрошлаковому переплаву стали. Флюс содержит оксид кальция, оксид алюминия, а также частично оксид кремния и оксид магния в виде шлаков производства углеродистого феррохрома и силикокальция, недостающий оксид магния введен в виде обожженного магнезита, недостающий оксид кремния - в виде кварцевого песка, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: шлак производства углеродистого феррохрома 33-35, шлак производства силикокальция 50-52, магнезит 11-15, кварцевый песок 3-5. При этом шлак производства углеродистого феррохрома содержит, мас.%: оксид кремния 30-35, оксид кальция 4-6, оксид алюминия 20-30, оксид магния 30-35, а шлак производства силикокальция содержит, мас.%: оксид кремния - 30-35, оксид кальция - 63-68, оксид алюминия - 5-10, оксид магния - 0-1, фторид кальция - 2-10. Изобретение позволяет избежать проведения дорогостоящих технологий изготовления каждого из входящих в состав флюса компонентов за счет введения в состав флюса шлаков производства углеродистого феррохрома и силикокальция, а также использования дефицитного и дорогого фторида кальция, введение которого в состав флюса ведет к его испарению при сплавлении с компонентами флюса и образованию опасных для здоровья соединений. 1 табл.

Флюс для электрошлакового переплава, содержащий оксид кальция, оксид алюминия, оксид кремния, фторид кальция и оксид магния, отличающийся тем, что оксид кальция, оксид алюминия, а также частично оксид кремния и оксид магния содержатся в виде шлаков производства углеродистого феррохрома и силикокальция, а недостающий оксид магния содержится в виде обожженного магнезита, недостающий оксид кремния - в виде кварцевого песка, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
шлак производства   углеродистого феррохрома 33-35 шлак производства силикокальция 50-52 магнезит 11-15 кварцевый песок 3-5,