СПОСОБ РАСКИСЛИТЕЛЬНОГО РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОЙ СТАЛИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2025 года по МПК C21C7/10 C21C7/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу раскислительного рафинирования расплавленной стали с использованием оборудования для вакуумного рафинирования, который приводит к повышению выхода по Al, добавляемому при раскислении расплавленной стали.

Уровень техники

На сталелитейной стадии получения железа и стали в конвертере осуществляют обезуглероживание путём продувки (называемое также «первичным рафинированием») расплавленного чугуна. В обычной практике полученную расплавленную сталь затем разливают в ковш, перекачивают расплавленную сталь, находящуюся внутри ковша, в вакуумный резервуар оборудования для вакуумного рафинирования, например оборудования для RH (циркуляционной) вакуумной дегазации, и осуществляют рафинирование при пониженном давлении (называемое также «вторичным рафинированием»).

В случае, когда при вторичном рафинировании осуществляют вакуумное рафинирование нераскисленной или полураскисленной расплавленной стали с использованием оборудования для вакуумного рафинирования, такого как RH-дегазатор или DH (порционный) дегазатор, раскислительное рафинирование расплавленной стали, как правило, воплощают в ходе обработки путём добавления металлического Al или аналогичного ему вещества к расплавленной стали, присутствующей в вакуумном резервуаре, находящемся под вакуумом.

Оборудование для вакуумного рафинирования устанавливают на верхней стороне ковша, а расплавленная сталь, находящаяся внутри ковша, поднимается в вакуумный резервуар оборудования для вакуумного рафинирования и подвергается вакуумному рафинированию. На боковой поверхности верхней части или крышки указанного вакуумного резервуара предусмотрен канал подачи исходного материала и через указанный канал в вакуумный резервуар вводят по каплям Al-содержащее вещество, такое как металлический Al или сплавной Al, для осуществления раскислительного рафинирования расплавленной стали при помощи Al.

Однако при упомянутом раскислительном рафинировании расплавленной стали Al-содержащее вещество, вводимое по каплям в вакуумный резервуар, характеризуется низким выходом по Al в расплавленной стали. Соответственно, увеличивается количество Al-содержащего вещества, подлежащего добавлению, вызывая удлинение периода времени обработки, повышение стоимости сырья и т.д., что является факторами, обусловливающими повышение стоимости вакуумного рафинирования. Кроме того, в случае снижения выхода по Al в расплавленной стали указанный выход становится нестабильным, так что может изменяться количество Al ингредиента в стальном материале, прошедшем стадию получения железа и стали.

Для решения указанных проблем были предложены технологии повышения выхода по Al, подлежащему добавлению.

Например, в Патентном документе 1 предлагается технология, которая приводит к снижению потери Al от испарения и повышению выхода по нему за счёт добавления Al-содержащего вещества к расплавленной стали в погружённом состоянии при низком уровне вакуума 40 Торр (5333 Па) или больше в течение такого периода времени, пока добавленный Al не диффундирует и не сплавится. Если диффузия и сплавление металлического Al в расплавленной стали активируются при уровне вакуума, установленном на значении 40 Торр (5333 Па) или больше, по истечении 12 минут от начала снижения давления, испарение и улетучивание Al снижаются. В данном изобретении упоминается, что выход по Al повышается по сравнению с традиционной схемой, в которой вакуум устанавливают на уровне высокого вакуума, составляющего менее 40 Торр (5333 Па), сразу после добавления Al. Время раскисления составляет от 15 до 20 минут.

В Непатентном документе 1 предлагается технология, которая приводит к повышению выхода по Al за счёт выстреливания Al гранул в расплавленную сталь при помощи сжатого газа таким образом, что Al гранулы глубоко проникают в расплавленную сталь.

Список литературы

Патентные документы

Патентный документ 1: заявка на японский патент JP-H03-211216A.

Непатентные документы

Непатентный документ 1: Sumitomo Metal Technical Report, Vol. 25, p. 30.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

Изложенные выше традиционные способы сопряжены со следующими проблемами.

В способе, описанном в Патентном документе 1, в отличие от предшествующих способов, уровень вакуума ухудшается до завершения раскисления (уровень вакуума 5333 Па или больше поддерживается в течение 12 минут или дольше), что обусловливает удлинение периода времени вакуумного рафинирования. Другая проблема заключается в том, что при добавлении Al в ходе раскисления наблюдается появление локального горячего участка вследствие протекания реакции окисления Al. Таким образом, даже при низком вакууме, давление паров Al превышает атмосферное давление, так что Al испаряется, и потерю Al от испарения невозможно снижать в достаточной мере.

В способе, описанном в Непатентном документе 1, имеется проблема, состоящая в повышении стоимости объекта вследствие необходимости сооружения нового газового устройства для выстреливания гранул.

Настоящее изобретение исполнено с учётом указанных обстоятельств и направлено на предложение способа раскислительного рафинирования расплавленной стали, который требует короткого периода времени для вакуумного рафинирования и приводит к повышению выхода по добавляемому Al. Кроме того, настоящее изобретение направлено на предложение способа получения стального материала, который приводит к повышению выхода по добавляемому Al в вакуумном рафинировании и обусловливает небольшое изменение количества Al ингредиента.

Решение проблемы

Для решения изложенных выше проблем авторы настоящего изобретения интенсивно проводили эксперименты и исследования. В результате, авторы настоящего изобретения обнаружили повышение выхода по Al, когда Al-содержащее вещество добавляли при условии, что величина падения температуры, связанного с теплосодержанием добавляемого Al-содержащего вещества, превышала величину повышения температуры, обусловленного выделением теплоты реакции окисления Al.

На основании указанного представления настоящее изобретение исполнено в следующей ниже конфигурации.

1. Способ раскислительного рафинирования расплавленной стали с использованием оборудования для вакуумного рафинирования, в котором Al-содержащее вещество добавляют к расплавленной стали внутри вакуумного резервуара, а изменения температуры, ΔT₁ и ΔT₂, расплавленной стали в ходе раскисления элементом Al удовлетворяют формуле (1):

ΔT₁ + ΔT₂ < 0 (1),

где ΔT₁ и ΔT₂ представляют собой изменения температуры (°C), определяемые, соответственно, следующим образом:

ΔT₁ = (W_{Re_Al} × Q_Al-O) / (C_сталь × W_{Re_СТАЛЬ}) (2)

ΔT₂ = -(V_Al / 0,01X_Al × t₁ × Q_{Al_Сплав-C}) / (C_сталь × W_{Re_СТАЛЬ}) (3),

t₁ представляет время (с), прошедшее от начала добавления Al-содержащего вещества до перекачивания и перемещения расплавленной стали, присутствовавшей внутри вакуумного резервуара в начале добавления Al-содержащего вещества,

W_{Re_Al} представляет массу (кг) металлического Al, используемого для реакции раскисления в течение периода времени t₁,

Q_Al-O представляет теплоту (кДж/кг-Al) реакции окисления элемента Al,

C_сталь представляет удельную теплоёмкость (кДж/кг/°C) расплавленной стали,

W_{Re_СТАЛЬ} представляет массу (кг) расплавленной стали, используемой для реакции раскисления в течение периода времени t₁,

V_Al представляет скорость добавления (кг/с) металлического Al,

X_Al представляет содержание Al (масс. %) в Al-содержащем веществе и

Q_{Al_Сплав-C} представляет теплосодержание и скрытую теплоту фазового перехода (кДж/кг) Al-содержащего вещества.

2. В способе раскислительного рафинирования расплавленной стали, описанном в п. 1, предпочтительно, чтобы содержание Al в Al-содержащем веществе составляло от 30 до 80 масс. %.

3. Способ получения стального материала, который включает в себя способ раскислительного рафинирования расплавленной стали, описанный в п. 1 или 2, в качестве стадии раскисления и в котором диапазон концентрации Al в стали после стадии раскисления составляет 0,02 масс. % или меньше.

4. Стальной материал, который получают способом раскислительного рафинирования расплавленной стали, описанным в п. 1 или 2, в качестве стадии раскисления и в котором диапазон концентрации Al в стали после стадии раскисления составляет 0,02 масс. % или меньше.

5. В стальном материале, описанном в п. 4, предпочтительно, чтобы диапазон концентрации Al представлял собой стандартный диапазон для Al ингредиента.

Полезные эффекты изобретения

На стадии вакуумного рафинирования процесса получения железа и стали настоящее изобретение характеризуется весьма значительными промышленными и ресурсосберегающими эффектами, такими как потребность в коротком периоде времени обработки для раскисления добавляемым Al, повышение выхода по добавляемому Al, возможность реализации высокой производительности и низкой стоимости производства, а кроме того, возможность предоставления продуктов, количество Al ингредиента в стальном материале которых изменяется в очень малой степени.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен схематичный вид вертикального сечения, показывающий один из примеров оборудования для RH вакуумной дегазации.

На фиг. 2 представлен увеличенный вид сечения оборудования для RH вакуумной дегазации, отображающий замысел настоящего изобретения.

На фиг. 3 представлен график, демонстрирующий влияние, которое оказывают изменения количества тепла в расплавленной стали до и после добавления Al на долю испарения Al.

На фиг. 4 представлен график, отображающий характер изменения температуры расплавленной стали в ходе раскисления элементом Al в соответствии с различием условий добавления Al.

Осуществление изобретения

Для оценки степени потери Al от испарения в ходе раскисления, авторы настоящего изобретения проводили испытание на раскисление расплавленной стали в различных условиях с использованием малогабаритной вакуумной плавильной печи. В результате, как показано на фиг. 3, авторы настоящего изобретения обнаружили, что доля испарения Al коррелировала с изменениями количества тепла в расплавленной стали до и после добавления Al и что, конкретно, степень потери Al от испарения значительно уменьшалась в области, где изменение количества тепла становилось отрицательным. В данном случае изменение количества тепла является суммой (1) теплоты реакции окисления элемента Al, выделяющейся при раскислении, и (2) теплосодержания Al-содержащего вещества, добавляемого в единицу времени. Далее, как показано на фиг. 4, авторы настоящего изобретения сравнивали температуру испарения элемента Al в оборудовании для RH вакуумной дегазации и температуру перехода расплавленной стали внутри вакуумного резервуара в различных условиях добавления Al сплава. В результате, авторы настоящего изобретения обнаружили, что увеличение скорости добавления Al-содержащего вещества или использование FeAl в качестве Al-содержащего вещества повышало степень падения температуры, обусловленного теплосодержанием добавляемого вещества, и сокращало период времени, в течение которого температура расплавленной стали внутри вакуумного резервуара оставалась выше температуры испарения Al.

Таким образом, при раскислении в оборудовании для вакуумного рафинирования авторы настоящего изобретения изучали изменения температуры, обусловленные теплосодержанием и теплотой реакции окисления добавляемого Al-содержащего вещества, а также выход по Al, добавляемому к расплавленной стали, и тщательно изучали влияние, которое оказывало изменение температуры реакционной зоны, вызываемое добавляемым Al-содержащим веществом, на выход по Al. В результате, авторы настоящего изобретения обнаружили, что температура реакционной зоны, связанная с теплосодержанием, и теплота реакции окисления добавляемого Al-содержащего вещества оказывали влияние на выход по добавляемому Al и что регулирование температуры реакционной зоны могло повышать выход по Al.

В настоящем изобретении температуру в зоне реакции раскисления элементом Al регулируют таким образом, что величина падения температуры, связанного с теплосодержанием Al-содержащего вещества, добавляемого к расплавленной стали, становится больше величины роста температуры, обусловленного теплотой реакции окисления добавляемого Al. Техническая идея настоящего изобретения заключается в том, что данный способ требует значительно меньшего времени обработки и приводит к повышению выхода по добавляемому Al, в сопоставлении с традиционными способами раскисления.

Ниже будет подробно описан способ раскислительного рафинирования расплавленной стали, соответствующий настоящему изобретению.

Примеры оборудования для вакуумного рафинирования, в котором можно воплощать способ раскислительного рафинирования расплавленной стали согласно настоящему изобретению, включают оборудование для RH вакуумной дегазации, оборудование для DH вакуумной дегазации и оборудование для REDA (революционный дегазирующий активатор) вакуумной дегазации, наиболее типичным среди которых является оборудование для RH вакуумной дегазации.

С учётом вышесказанного, прежде всего, будет описан способ вакуумного рафинирования в оборудовании для RH вакуумной дегазации.

На фиг. 1 позиция 1 обозначает оборудование для RH вакуумной дегазации; 2 обозначает ковш; 3 обозначает расплавленную сталь; 4 обозначает шлак; 5 обозначает вакуумный резервуар; 6 обозначает верхний резервуар; 7 обозначает нижний резервуар; 8 обозначает подъёмный погружной патрубок (восходящая ветвь); 9 обозначает опускной погружной патрубок (нисходящая ветвь); 10 обозначает трубу для вдувания циркуляционного газа; 11 обозначает газоотвод; 12 обозначает канал подачи исходного материала; и 13 обозначает фурму верхнего дутья. Вакуумный резервуар 5 состоит из верхнего резервуара 6 и нижнего резервуара 7. Фурма 13 верхнего дутья представляет собой устройство, через которое газообразный кислород или поток кислорода добавляют в расплавленную сталь внутри вакуумного резервуара путём вдувания, и её устанавливают на верхней части вакуумного резервуара 5 с возможностью перемещения вверх и вниз внутри вакуумного резервуара 5.

В оборудовании 1 для RH вакуумной дегазации ковш 2, заключающий в себе расплавленную сталь 3, поднимается при помощи подъёмно-опускного устройства (не показано), а подъёмный погружной патрубок 8 и опускной погружной патрубок 9 погружаются в расплавленную сталь 3 внутри ковша 2. Затем внутреннее пространство вакуумного резервуара 5 откачивается при помощи откачного устройства (не показано), соединённого с газоотводом 11, для снижения давления внутри вакуумного резервуара 5, одновременно с этим в подъёмный погружной патрубок 8 вдувается циркуляционный газ по трубе 10 для вдувания циркуляционного газа. Когда давление внутри вакуумного резервуара 5 снижается, расплавленная сталь 3, находящаяся внутри ковша 2, поднимается пропорционально разности между атмосферным давлением и давлением (уровень вакуума) внутри вакуумного резервуара 5 и перетекает в вакуумный резервуар 5. В то же время, расплавленная сталь 3 поднимается в подъёмном погружном патрубке 8 вместе с циркуляционным газом под действием газоподъёмного эффекта циркуляционного газа, вдуваемого по трубе 10 для вдувания циркуляционного газа, и перетекает в вакуумный резервуар 5. После этого расплавленная сталь 3 образует поток, который возвращается в ковш 2 по опускному погружному патрубку 9, или так называемый циркуляционный поток, и, таким образом, осуществляется RH вакуумное рафинирование. Поскольку расплавленная сталь 3 подвергается воздействию атмосферы пониженного давления внутри вакуумного резервуара 5, газовые компоненты, имеющиеся в расплавленной стали 3, перемещаются в атмосферу внутри вакуумного резервуара 5, и протекает реакция дегазации расплавленной стали 3. В случае, когда при RH вакуумном рафинировании осуществляют раскисление нераскисленной расплавленной стали или полураскисленной расплавленной стали, в расплавленную сталь 3, находящуюся внутри вакуумного резервуара 5, в качестве раскислителя добавляют сплав, который реагирует с кислородом с образованием оксида, через канал 12 подачи исходного материала. В качестве раскислителя обычно используют металлический Al или Al-содержащий сплав ввиду их высокой раскислительной способности.

В настоящем изобретении, для снижения потери Al от испарения при раскислении расплавленной стали, величину падения температуры, обусловленного теплосодержанием добавляемого Al-содержащего вещества, задают больше величины роста температуры, связанного с выделением теплоты реакции окисления добавляемого Al. Конкретно, раскисление осуществляют с использованием рабочих условий, определяемых таким образом, что сумма первой величины ΔT₁ изменения температуры и второй величины ΔT₂ изменения температуры в соответствии с формулой (1) становится отрицательной.

ΔT₁ + ΔT₂ < 0

Величину ΔT₁ изменения температуры, связанного с выделением теплоты реакции окисления Al, и величину ΔT₂ изменения температуры, обусловленного теплосодержанием (включая скрытую теплоту фазового перехода) добавляемого Al-содержащего вещества, определяют по формуле (2) и формуле (3), соответственно, и величины изменения температуры, ΔT₁ и ΔT₂, регулируются каждой из энергий в формулах (4) - (7) таким образом, чтобы удовлетворять формуле (1).

ΔT₁ + ΔT₂ < 0 (1)

В данном случае, ΔT₁ и ΔT₂ в формуле (1) определяют по формуле (2) и формуле (3):

ΔT₁ = (W_{Re_Al} × Q_Al-O) / (C_сталь × W_{Re_СТАЛЬ}) (2)

ΔT₂ = -(V_Al / 0,01X_Al × t₁ × Q_{Al_Alloy-C}) / (C_сталь × W_{Re_СТАЛЬ}) (3)

W_{Re_Al} = MIN [W_{Re_СТАЛЬ} × a_O / f_O × 1,0 × 10^-6 × 54 / 48, V_Al × t₁] (4)

MIN [A, B] обозначает величину A или B, в зависимости от того, какая из упомянутых величин меньше.

W_{Re СТАЛЬ} = Q_цир × t₁ (5)

t₁ = W_V / Q_цир (6)

Q_цир = K × G^1/3 × D^4/3 × {ln (P₀ / P₁)}^1/3 (7)

t₁ представляет время (с), прошедшее от начала добавления Al-содержащего вещества до перекачивания и перемещения расплавленной стали, присутствовавшей внутри вакуумного резервуара в начальный момент добавления Al-содержащего вещества,

W_{Re_Al} представляет массу (кг) металлического Al, используемого для реакции раскисления в течение периода времени t₁,

Q_Al-O представляет теплоту (кДж/кг-Al) реакции окисления элемента Al,

C_сталь представляет удельную теплоёмкость расплавленной стали; 0,188 (кДж/кг/°C),

W_{Re_СТАЛЬ} представляет массу (кг) расплавленной стали, используемой для реакции раскисления в течение периода времени t₁,

V_Al представляет скорость добавления (кг/с) металлического Al,

X_Al представляет содержание Al (масс. %) в Al-содержащем веществе,

Q_{Al_Сплав-C} представляет теплосодержание и скрытую теплоту фазового перехода (кДж/кг) Al-содержащего вещества,

W_V представляет массу (кг) расплавленной стали внутри вакуумного резервуара,

Q_цир представляет скорость циркуляционного потока (кг/с),

K является константой (190),

G представляет скорость потока циркуляционного газа (н. л/мин),

D представляет внутренний диаметр (м) погружного патрубка,

P₀ представляет собой атмосферное давление (101325 Па),

P₁ представляет уровень вакуума (Па),

a_O представляет активность кислорода (ч/млн) в расплавленной стали и

f_O является коэффициентом активности кислорода в расплавленной стали.

Активность кислорода в расплавленной стали измеряют с использованием зонда для измерения содержания кислорода перед раскислением. Скорость добавления Al рассчитывают на основе изменений во времени измеренной величины массы бункера для сплава в ходе добавления или получают путём измерения временных интервалов от начала до конца добавления с использованием камеры наблюдения внутри резервуара, определяя время, затраченное для добавления Al, и деления общего добавленного количества на время добавления.

Масса W_V расплавленной стали, находящейся внутри вакуумного резервуара, выражается следующими ниже формулами (8) и (9). Каждая из длин описана на фиг. 2.

W_V = π / 4 ⋅ D_V² × h_V × ρ_Lg (8)

h_V = (P₀ - P₁) / (ρ_Lg) + l - L (9)

В данном случае D_V представляет внутренний диаметр (м) вакуумного резервуара,

h_V представляет высоту слоя (м) расплавленной стали внутри вакуумного резервуара,

ρ_Lg представляет плотность (кг/м³) расплавленной стали,

l является глубиной (м) погружения погружного патрубка в расплавленную сталь и

L является высотой (м), простирающейся от нижнего конца погружного патрубка до участка, занимаемого слоем стали в вакуумном резервуаре.

Глубина l погружения погружного патрубка в расплавленную сталь выражается следующей формулой (10):

l = l_L - l_FB - l_LV (10)

В данном случае, l_L является расстоянием (м) от нижнего до верхнего края ковша,

l_FB является расстоянием (м) от верхнего края ковша до поверхности расплавленной стали в ковше и

l_LV является расстоянием (м) от нижнего конца погружного патрубка до днища ковша.

В случае l_FB высоту расположения поверхности расплавленной стали определяют с использованием измерителя уровня расплавленной стали или погружают металлический стержень в расплавленную сталь внутри ковша и измеряют длину растворённого участка. Значение l_LV определяют исходя из относительного расстояния между ковшом и вакуумным резервуаром, которое получают из контрольной системы.

Рабочими параметрами, применяемыми для удовлетворения формуле (1), являются уровень вакуума, скорость потока циркуляционного газа и скорость добавления Al. То есть, величины изменения температуры, ΔT₁ и ΔT₂, в зоне протекания реакции раскисления элементом Al регулируют, главным образом, через посредство уровня вакуума, скорости потока циркуляционного газа и скорости добавления Al. В отношении уровня вакуума и скорости потока циркуляционного газа отметим, что увеличение абсолютной величины ΔT₂ требует понижения уровня вакуума или уменьшения скорости потока циркуляционного газа. Поскольку затем эффективность рафинирования падает и удлиняется период времени обработки, желательно регулировать скорость добавления Al. Скорость добавления Al регулируют путём увеличения или уменьшения степени открытия бункера для сплава.

Однако существует предел повышения скорости добавления Al при помощи степени открытия бункера. Упомянутую эффективность можно дополнительно повышать за счёт использования Al-содержащего вещества с содержанием Al, равным 80% или меньше, и увеличения теплосодержания в расчёте на количество добавляемого Al.

Настоящую технологию можно применять к любому оборудованию для вакуумного рафинирования, представляющему один из типов оборудования, в котором расплавленная сталь циркулирует между вакуумным резервуаром и ковшом, подобно оборудованию для DH вакуумной дегазации и оборудованию для REDA вакуумной дегазации. Поскольку формула (7) для определения циркуляционного количества Q_цир расплавленной стали относится конкретно к оборудованию для RH вакуумной дегазации, в случае применения настоящего способа к оборудованию для DH вакуумной дегазации или оборудованию для REDA вакуумной дегазации необходимо заранее измерять период времени, требуемый для однородного смешивания сплавов-добавок, как например, содержащих Cu, и определять циркуляционное количество расплавленной стали для условий каждой операции.

Содержание Al в Al-содержащем веществе, подлежащем добавлению: от 30 до 80 масс. %

Одна из причин потери Al при раскислении расплавленной стали элементом Al состоит в том, что Al испаряется под воздействием расплавленной стали, в которой локально достигается высокая температура вследствие выделения теплоты реакции раскисления. Уменьшение содержания Al в Al-содержащем веществе, подлежащем добавлению, и повышение теплосодержания в расчёте на количество Al, подлежащего добавлению, могут приводить к возрастанию величины падения температуры, ΔT₂, обусловленного теплосодержанием, для более эффективного уменьшения испарения Al. С учётом вышесказанного, предпочтительно, чтобы содержание Al в Al-содержащем веществе, подлежащем добавлению, составляло 80 масс. % или меньше.

С другой стороны, когда содержание Al в Al-содержащем веществе, подлежащем добавлению, слишком низкое, увеличивается общее количество Al-содержащего вещества, подлежащего добавлению, и удлиняется период времени обработки, а кроме того, может падать температура обрабатываемой расплавленной стали внутри вакуумного резервуара до температуры затвердевания или ниже. С учётом вышесказанного, желательно, чтобы содержание Al в Al-содержащем веществе, подлежащем добавлению, составляло 30 масс. % или больше.

В отношении типа Al-содержащего вещества, подлежащего использованию, предпочтительно, чтобы применялся ферроалюминиевый сплав FeAl во избежание создания помех регулированию содержания других ингредиентов расплавленной стали. Как альтернативный вариант, в соответствии с целевой композицией можно использовать Al сплав, заключающий в себе компонент, отличный от железа.

Диапазон концентрации Al в стали составляет 0,02 масс. % или меньше

Поскольку при использовании способа раскислительного рафинирования настоящего изобретения выход по Al повышается, варьирование количества Al ингредиента в стальном материале, произведённом в результате осуществления процесса получения железа и стали, включающего упомянутый способ раскислительного рафинирования, можно уменьшать.

Конкретно, диапазон концентрации Al в стали после стадии раскисления, соответствующей способу раскислительного рафинирования настоящего изобретения, может составлять 0,02 масс. % или меньше.

В данном случае диапазон концентрации Al в стали относится к диапазону варьирования среди определённого числа загрузок (технические условия, характеристики и т. д.) по количеству (масс. %) Al ингредиента в стали после раскислительного рафинирования каждой загрузки (количество стали, выгруженной за один раз) при обработке типов стали, которые характеризуются одинаковым целевым диапазоном концентрации Al в стали. Например, диапазон концентрации Al в стали можно устанавливать в виде стандартного диапазона Al ингредиента.

Диапазон варьирования представляет собой величину, полученную в результате умножения стандартного отклонения фактических значений количества Al ингредиента в стали для определённого числа загрузок, на шесть.

Если диапазон концентрации Al в стали составляет 0,02 масс. % или меньше, можно ожидать, что будут сужаться диапазоны количеств химических компонентов в технических условиях на продукты или что будет предотвращаться отклонение от целевых количеств химических компонентов.

Если выход по Al повышается до 85% или больше при помощи способа раскислительного рафинирования настоящего изобретения, диапазон концентрации Al в стали может составлять 0,02 масс. % или меньше. Это происходит вследствие того, что варьирование концентрации Al в раскисленной стали обусловлено в основном изменением выхода по Al, так что доведение выхода по Al до величины, близкой к 100%, может приводить к уменьшению изменений выхода по Al. Другой фактор, способствующий уменьшению степени варьирования концентрации Al, заключается в том, что с повышением выхода по Al уменьшается требуемое количество Al, подлежащего добавлению для достижения целевой концентрации Al.

Примеры

300 тонн расплавленной стали, полученной в результате выполнения обезуглероживающего рафинирования расплавленного чугуна в конвертере, выгружали из конвертера в ковш и осуществляли вакуумное рафинирование расплавленной стали внутри ковша при помощи RH вакуумного оборудования. Подвергаемым воздействию типом стали являлся тип стали со сверхнизким содержанием углерода, для которого стандартный верхний предел [C] составлял 25 ч/млн. Состав компонентов расплавленной стали до вакуумного рафинирования являлся следующим: C от 0,04 до 0,06 масс. %; Si от 0,15 до 0,25 масс. %; Mn от 0,1 до 0,5 масс. %; P - 0,02 масс. % или меньше и S - 0,003 масс. % или меньше. Температура расплавленной стали до раскисления составляла от 1580 до 1630°C, а активность кислорода a_O в расплавленной стали до раскисления составляла от 300 до 600 ч/млн. Уровень вакуума составлял 267 Па, а скорость потока циркуляционного газа составляла 2500 н. л/мин.

В качестве Al-содержащего вещества использовали металлический Al, имеющий в своём составе 99% Al, и FeAl сплавы, заключающие в себе, соответственно, 20%, 40%, 70%, 80% и 90% Al.

Выход по Al оценивали при различных значениях ΔT₁ и ΔT₂, при этом в основном скорость V_Al добавления Al изменяли в пределах диапазона от 10 до 25 кг/с.

Эксперимент проводили для 30 загрузок при каждом наборе условий, а выход по Al и время добавления Al-содержащего вещества оценивали с использованием средних величин для 30 загрузок.

Диапазон концентрации Al в стали оценивали исходя из стандартного отклонения концентрации Al в стали после раскисления при каждом наборе условий (№№ 1-10).

Для численных величин в формулах (2) - (10) были установлены следующие значения:

t₁: 4,2 (с),

W_{Re_Al}: от 4 до 7 (кг),

Q_Al-O: 27045 (кДж/кг-Al),

C_СТАЛЬ: удельная теплоёмкость расплавленной стали; 0,188 (кДж/кг/°C),

W_{Re_СТАЛЬ}: 11757 (кг),

V_Al: от 10 до 25 (кг/с),

X_Al: от 20 до 99 (%) и

Q_{Al_Сплав-C}: от 1381 до 2163 (кДж/кг).

Если массовое процентное содержание ингредиента i (включая Al), имеющегося в составе Al-содержащего вещества, подлежащего добавлению, и его теплосодержание обозначить X_i и Q_{i_C} (кДж/кг-i), соответственно, имеет силу следующая формула:

при этом расчёт выполнен на основании того, что

Q_AlC = 2163 (кДж/кг-Al) и Q_{Fe_C} = 1186 (кДж/кг-Fe),

W_V: 11760 (кг),

Q_цир: 2903 (кг/с),

K = 190,

G: 2500 (н. л/мин),

D: 0,7 (м),

P₀: 1,01325 × 10⁵ (Па),

P₁: 267 (Па),

a_O: от 350 до 500 (ч/млн),

f_O: 1,

l_L: 4,0 (м),

l_FB: 1,2 (м) и

l_LV: 2,1 (м).

Выход по Al оценивали при помощи формулы (11). Числитель в формуле (11) представляет собой общую сумму массы элемента Al, израсходованного на раскисление, и массы элемента Al, расплавившегося в расплавленной стали после раскисления, а знаменатель представляет собой общую массу добавленного Al ингредиента.

e_Al = {(a_O / f_O × 1,0 × 10^-6 × 54 / 48 + [%Al] / 100) × W} × 100 / (W_Al × X_Al / 100) (11)

В данном случае e_Al представляет выход (%) по Al,

[%Al] является концентрацией Al (масс. %) в раскисленной расплавленной стали,

W является массой обрабатываемой расплавленной стали, 300 (тонн),

W_Al является массой (кг) металлического Al или добавленного Al сплава и

X_Al представляет содержание Al (масс. %) в Al-содержащем веществе.

[%Al] получали на основании аналитической оценки образца металла, который извлекали по завершении RH вакуумного рафинирования.

Результат указанного эксперимента представлен в таблице 1. Выход по Al относится к процентному содержанию общей суммы количества элемента Al, израсходованного на раскисление, и количества элемента Al, соответствующего повышению концентрации Al в стали, относительно количества Al в добавленном Al-содержащем веществе. В каждом из примеров №№ 1-8 изобретения, который удовлетворял условию, что абсолютная величина значения падения температуры ΔT₂ добавленного Al превышала абсолютную величину значения роста температуры ΔT₁ добавленного Al, получили благоприятный результат с выходом по Al, равным 70% или больше. Добавление Al на всех уровнях выполняли в высоком вакууме, составляющем 267 Па или меньше, и время обработки не продлевали в течение повторной откачки.

В каждом из примеров №№ 5-8 изобретения, в которых содержание Al в добавляемом Al-содержащем веществе составляло 80 масс. % или меньше, получили ещё более благоприятный результат с выходом по Al, равным 85% или больше.

Однако, хотя высокий выход по Al достигался также при содержании Al менее 30 масс. %, как в примере № 5 изобретения, вследствие увеличения требуемого количества Al, подлежащего добавлению, период времени добавления удлинялся до одной минуты или больше и продлевался период времени обработки путём откачки.

В силу вышесказанного, выход по Al распределён по трём уровням с учётом времени обработки следующим ниже образом и показан в виде оценки в крайней справа колонке таблицы 1.

A: выход по Al составляет 85% или больше, а период времени добавления Al короче одной минуты;

B: Либо выход по Al составляет 70% или больше и меньше 85%, а период времени добавления Al короче одной минуты, либо выход по Al составляет 85% или больше, а период времени добавления Al длится одну минуту или дольше; и

C: выход по Al составляет меньше 70%.

В примерах №№ 5-8 изобретения, в которых выход по Al составлял 85% или больше, конечное изменение концентрации Al ингредиента, полученное при помощи извлечения и проведения анализа образца на стадии разливки, находилось в диапазоне 0,02 масс. % или меньше.

В отличие от этого, в сравнительных примерах №№ 9 и 10, в которых выход по Al составлял меньше 70%, конечное изменение концентрации Al ингредиента находилось в диапазоне 0,035 масс. % или меньше, и, таким образом, изменение концентрации оказывалось более значительным, чем в примерах изобретения.

Промышленная применимость

Способ настоящего изобретения, в котором осуществляют раскислительное рафинирование путём добавления Al на сталелитейной стадии процесса получения железа и стали, можно применять для изготовления стальных материалов, для которых требуется снижение стоимости производства и сужение диапазона количества Al компонента.

Список позиций

1 Оборудование для RH вакуумной дегазации 2 Ковш 3 Расплавленная сталь 4 Шлак 5 Вакуумный резервуар 6 Верхний резервуар 7 Нижний резервуар 8 Восходящая ветвь 9 Нисходящая ветвь 10 Труба для вдувания циркуляционного газа 11 Газоотвод 12 Канал подачи исходного материала 13 Фурма верхнего дутья D_V Внутренний диаметр вакуумного резервуара D Внутренний диаметр погружного патрубка L Высота, простирающаяся от нижнего конца погружного патрубка до участка слоя в вакуумном резервуаре l Глубина погружения погружного патрубка в расплавленную сталь l_L Расстояние от днища ковша до верхнего края ковша l_LV Расстояние от нижнего конца погружного патрубка до днища ковша l_FB Расстояние от верхнего края ковша до поверхности расплавленной стали в ковше h_V Высота слоя расплавленной стали внутри вакуумного резервуара h_L Расстояние от днища ковша до поверхности расплавленной стали в ковше

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для раскислительного рафинирования расплавленной стали с использованием оборудования для вакуумного рафинирования. Способ включает добавление Al-содержащего вещества к расплавленной стали внутри вакуумного резервуара и раскислительное рафинирование расплавленной стали, при этом изменения температуры, ΔT₁ и ΔT₂, расплавленной стали в ходе раскисления элементом Al удовлетворяют формуле ΔT₁ + ΔT₂ < 0 , где ΔT₁, °С, представляет собой величину роста температуры, связанного с выделением теплоты реакции окисления элемента Al, а ΔT₂, °С, представляет собой величину падения температуры, обусловленного теплосодержанием добавляемого Al-содержащего вещества. Изобретение позволяет осуществить вакуумное рафинирование за короткий период времени и повысить выход по Al, добавляемому при раскислении расплавленной стали. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ раскислительного рафинирования расплавленной стали с использованием оборудования для вакуумного рафинирования, отличающийся тем, что Al-содержащее вещество добавляют к расплавленной стали внутри вакуумного резервуара, при этом изменения температуры, ΔT₁ и ΔT₂, расплавленной стали в ходе раскисления элементом Al удовлетворяют формуле (1):

где ΔT₁ и ΔT₂ представляют собой изменения температуры (°C), определяемые, соответственно, следующим образом:

t₁ представляет время (с), прошедшее от начала добавления Al-содержащего вещества до перекачивания и перемещения расплавленной стали, присутствовавшей внутри вакуумного резервуара в начальный момент добавления Al-содержащего вещества,

W_{Re_Al} представляет массу (кг) металлического Al, используемого для реакции раскисления в течение периода времени t₁,

Q_Al-O представляет теплоту (кДж/кг-Al) реакции окисления элемента Al,

C_сталь представляет удельную теплоёмкость (кДж/кг/°C) расплавленной стали,

W_{Re_СТАЛЬ} представляет массу (кг) расплавленной стали, используемой для реакции раскисления в течение периода времени t₁,

V_Al представляет скорость добавления (кг/с) металлического Al,

X_Al представляет содержание Al (масс. %) в Al-содержащем веществе и

Q_{Al_Сплав-C} представляет теплосодержание и скрытую теплоту фазового перехода (кДж/кг) Al-содержащего вещества.

2. Способ по п. 1, в котором содержание Al в Al-содержащем веществе составляет от 30 до 80 масс. %.

3. Способ получения стального материала, отличающийся тем, что данный способ включает в себя способ раскислительного рафинирования расплавленной стали по п. 1 или 2 в качестве стадии раскисления, при этом диапазон концентрации Al в стали после стадии раскисления составляет 0,02 масс. % или меньше.