Способ выплавки стали и сплавов Советский патент 1984 года по МПК C21C5/52 

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам вьшлав ки стали и сплавов в электропечах включающим введение извести, порционную присадку карбида кремния в период расплавления металлической шихты, а также продувку металла окислительным газом. Известен способ вьшлавки стали использованием карбида кремния в качестве восстановителя окалины, согласно которому осуществляют совместное проплавление окалины с карбидом кремния, причем в завалке обеспечивают весовое соотношение между окалиной и карбидом кремния (3,0-А,0):1. Раскисление пшака периода расплавления ведут смесью извести с материалом, содер жащим карбид кремния в количестве 50-80 кг/т садки при весовом соот ношении между карбидом и известью равном (0,3-0,8) : 1,0 lj . Недостатком этого способа является невозможность осуществления дефосфорации и достаточной десуль- фурации металла при его выплавке. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ вьшлавки стали и сплавов в электро печах, включающий введение извести порционную присадку карбида кремния в период расплавления металли.ческой шихты, окислительнзпо продув ку металла и доводку металла до з данного химического состава. На шлак периода плавления и восстано нри вводится карбид кремния порци в смеси с глиноземом и криолитом, причем смесь подают в количестве 5-30 кг/т жидкого металла {2j . Недостатком этого способа является невозможность обеспечения низкого содержания углерода в го.товом металле из-за перехода углерода, образующегося в процессе диссоциации карбида кремния, в жидкий металл в заключительный (восстановительный) период плавки Кроме того, не обеспечивается достаточная дефосфорация металла, особенно в случае присадки смеси на итак с основностью ниже 2. Цель изобретения - обеспечение совместного протекания процессов десульфурации и дефосфорации в период плавления шихты, повышение ко личества используемых на плавке отходов, а также создание возможности применения в качестве шихты менее чистых по примесям серы и фосфора материалов. Поставленная цель достигается тем, что.согласно способу выплавки стали и сплавов в электропечах, включающему введение извести, порционную присадку карбида кремния в период расплавления металлической шихты, окислительную продувку металла и.доводку металла до заданного химического состава, карбид кремния вводят в количестве, превышающем в 1,2-2,0 раза массу извести, причем первую порцию карбида кремния вводят после зарождения жидкого шлака, последнюю - после расплавления 80-95% металлической шихты, а окислительную продувку начинают после вьщержки расплавленного металла в безокислительной атмосфере в течение 10-40 мин и последующего частичного или полного удаления шлака. Масса каждой порции карбида кремния составляет 10-40% от общего количества карбида кремния. При традиционной технологии производства углеродистой стали с целью удаления фосфора используют многоKpaTHcie обновление шлака в окислительных условиях и.при относительно низких температурах. Реакцию дефосфорации можно записать следующим образом 5(FeO)+4(CaO) :(()+5Fe,. В известной технологии выплавки хромоникелевых нержавеющих сталей с использованием собственных отходов в количестве до 70% от. массы металлической шихты с применением окислительной продувки дефосфорация металла вообще не производится, поскольку в металле содержится до 12% хрома и более. Термодинамика окисления фосфора и хрома близка и в окислительных условиях при выплавке, хромо ник елевых нержавеющих сталей, где концентрация в металле хрома превьшгает концентрацию фосфора в сотни раз, окисляется хром. Окисление же фосфора начинается при концентрации хрома, не превышающей 1-2%, а иногда и меньше. Десульфурация в соответствии с известной технологией производится в период восстановительного рафинирования металла, хотя основной целью этого периода является восста.новление хрома из вшака после окислительной продувки и доведение металла по химсоставу. В случае применения предлагаемог способа основная масса фосфора и серы удаляется в период до окислительной продувки в безокислительных условиях. Кроме того, сера удаляется и после окислительного рафинирования в восстановительный период,как и в известном способе вьтлавки.По указанным причинам в готовом металл выплавленном по известной технологии содержание серы .и фосфора существенно вьше, чем в металле, полученном согласно предлагаемого способа. Физико-химический процесс удалени фосфора и серы в период плавления ме талла по предлагаемой технологии может быть представлен следующим образом. При существующих температурах .вьшлавки стали и сплавов в основных шлаках: возможна следующая реакция с образованием карбида кальция (SiC)+(CaO) -(CaC,j) + (SiO) Карбид кремния, имеющий незначительную прочность (uG;j8Qon -9000 кал/моль, -7200 кал/моль) также диссоциирует (Sic) - si + Cj после чего (СаО)+ЗС - (СаС) + со В условиях плавки при ненасыщенности металла углеродом возможна реакция (СаС2) -(Ca)+2|cJ Вьщелившийся кальций реагирует с фосфором металла с образованием фосфида кальция 3(Са) () Эти процессы можно описать суммарной реакцией (бчС)+ 3 tCq О)f 2 р ;(Ca,P2)+ASiOj){C Образование СО способствует созданию безокислительной атмосферы и препятствует протеканию таких реакций, как, например 2(Са)+02г,ф.- 2(СаО) 2(Ca)+N2r,p - () и тем способствует связыванию фосфора в фосфид кальция. Десульфурация при осуществлении предлагаемого способа протекает по реакции, осуществляемой и в известной технологии (CaO)-) :sr:± (CaS) + (FeO). С увеличением основности щлака и его раскисленности (за счет введения извести и карбида кремния) зта реакция сдвигается вправо, т.е. возрастает степень десульфурации. Возможна также реакция (Ca) + ts 2;(CaS) Для того, чтобы протекали реакции дефосфорации и десульфурации, необходимо поддерживать определенные соотношения между СаО и SiC в зависимости от исходного суммарного содержания серы и фосфора в металлической шихте. При выплавке большинства низкоуглеродистых сталей (преимущественно нержавеющих) исходное суммарное содержание в шихте находится в пределах 0,05-0,10% по массе. Опытным путем установлено, если в шихте серы и фосфора содержится 0,10%, то необходимо иметь 6iC - 1 7-1 А - I ,Z I ,it, где - масса извести; - масса карбида кремния. Если же серы и фосфора в шихте содержится в сумме 0,05%, то должно быть в пределах 1,8-2,0 СсЮ Если Peic /Рсро , то процессы рафинирования от серы и фосфора становятся неэффективными, поскольку понижается раскисленность металла, уменьшается количество образующегося карбида кальция, а в итоге и свободного кальция, необходимого для свя-j Если .зьшания примеси в соединение. SiC Сао образующаяся aiU2i SiO, являющаяся продуктом реакции кремния из Sic с окислами шлака, связывает почти весь СаО в прочные соединения типа m СаО п SiOj (например ). Поэтому свободных окиси кальция и кальция недостаточно для связьшания серы и фосфора в шлаке. Первую порцию карбида кремния необходимо вводить после зарождения жидкого шлака с целью обеспечения достаточной реакционной способности Sic, так как последний может взаимодействовать только с жидким шлаком. Для достижения наилучших условий перехода серы и фосфора в шлак, присадку карбида кремния следует заканчивать после расплавления 80-95% металлической садки, так как -введение карбида кремния в более поздний период, например, после полного расплавления шихты приводит к существенному увеличению длительности плавки вследствие того, что скорость взаимодействия карбида кремния с известью в шлаке невелика и для начала реакции каждой новой порции вводимого карби да кремния требуется время на прогревание и подготовку к взаимоде ствию с известью (так называемый скрытый период реакции). Если присадку карбида кремния пр изводить раньше расплавления 80% металлической садки, то температура жидких металла и шлака лишь несущественно превьшает температуру плавившейся части металлической ших ты, и значительная часть извести пребьшает в твердом (неофлюсованном состоянии. Скорость протекания реак ций низкая, вследствие чего SiC вза имодействует не со шлаком, а с металлом, приводя к его науглероживанию. Если присадку карбида кремния производить позже расплавления 95% металлической садки, то плавка неоправданно затягивается. I С целью создания наилучших условий дефосфорации и десульфурации необходимо после полного расплавления металла вьщерживать его под шлаком в течение 10-40 мин в безоки ленных условиях. Выбор продолжительности вьщержки зависит от емкости печи и наличия электромагнитного перемешивания : 10 мин требует ся для печей емкостью до 10 т без электромагнитного перемешивания и для печей с большой емкостью при наличии электромагнитного перемешивания: 40 мин необходимо для печей емкостью более 40 т. Выдержка менее 10 мин не обеспечивает полноты протекания реакции дефосфорации и десульАхфации. Выдержка более 40 мин неоправданно затягивает плавку, так как все процессы, как показывает практика, уже завершаются. Необходимым элементом предлагаемого способа является полное или частичное скачивание шлака с целью удаления перешедших в него из металла фосфора и серы. Полнота скачивания шлака зависит от концентрации серы и фосфора в шпаке и от предельно допустимых содержаний этих элементов в готовом металле. Для более равномерного и полного протекания процессов- дефосфорации и десульфзфации масса каждой порции карбида кремния должна составлять 10-40% от общего количества вводимого на плавку карбида Кремния. Масса порции зависит от емкости печи или, в конечном счете, от отношения площади поверхности ванны к ее объему. Чем меньше это соотношение или чем больше емкость печи, тем меньше должна быть величина порции и больше количество порций с целью обеспечения достаточной скорости реагирования смеси за счет улучшения условий ее прогревания и повышения газопроницаемости.Если величина порции карбида кремния меньше 10%, то увеличиваются потери тепла от неоправданно частой подачи Sic, захолаживается поверхность, увеличивается подсос воздуха и замедляются процессы. Если величина порции карбида кремния больше 40% от общего количества вводимого на плавку карбида кремния, то смесь плохо прогревается и снижается ее газопроницаемость. Примеры конкретного вьшолнения. В 20-и тонной дуговой электропеи вьпшавляют плавку стали марки 12Х18Н10Т. В качестве шихтовых атериалов используют отходы (кусовые и стружку) металла соответтвующего химического состава в оличестве до 70% от веса садки, стальное - свежие материалы. На

подину печи предварительно дают из-весть в количества 300 кг. Расчетное содержание в шихте серы составляет 0,032%, фосфора - 0,037%. В процессе расплавления шихты в печь порционно вводят порошок карбида кремния, всего в количестве 486 кг, причем первую порцию карбида кремния вводят после зарождения жидкого шлака, через 40 мин от начала плавки. Всего дают три порции карбида кремния по 162 кг каждая. Последнюю порцию карбида кремния вводят через 1 ч от начала плавки, после расплавления 90% металлической завалки. После полного расплавления шихты включают электромагнитное, перемешивание и металл вьщерживают в печи под образовавшимся шлаком в течение 15 мин,после чего шлак полностью удаляют. Затем проводят окислительную продувку до содержания углерода 0,07%, восстановительный период. Доводку металла по химическому составу и разливку металла осуществляют по известной технологии. В roTOBojM металле содержание серы составляет 0,012%, фосфора - 0,014%. Полученные результаты сравнивают с результатами контрольной плавки, проведенной на аналогичных шихтовых материалах по известной технологии. Содержание серы в готЬвом металле контрольной

плавки составляет 0,022%, фосфора - 0,034%.

Кроме того, в лабораторной печи проводят 4 плавки стали марки 12Х18Н10Т. Масса металлической садки каждой плавки составляет 400 г. В качестве шихтовых материалов используют отходы выплавляемой марки стали в количестве 70% от массы садки, остальное - свежие материалы. Перед загрузкой металлической шихты на дно тигля засьтают 8 г свежеобожженной извести. По коду расплавления пшхты в печь вводят порциями ,порошок карбида кремния. Первую порцию карбида кремния присаживают после появления жидкого шлака, т.е. после 50 мин от начала плавления, последнюю после расплавления 80-95% всей металлической садки. Время выдержки металла под шлаком после присадки последней порции карбида кремния в опытах составляет 10-40 мин, после чего шлак удаляют и проводят окислительную продувку металла газообразным кислородом до содержания углерода в металле 0,06-0,08%. Восстановительный период проводят по обычной технологии.

Данные опытных плавок (№ 1-4), одной контрольной плавки (№5), проведенной на аналогичных шихтовых, материалах по известной технологии, приведены в таблице.

1. СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ , И СПЛАВОВ в электропечах, включающий введение извести, порционную присадку карбида кремния в период расплавления металлической шихты, окислительную продувку металла и доводку металла до заданного химического состава, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью обеспечения совместного протекания процессов десульфурации и дефосфорации в период плавления шихты, повьшения количества используемых на плавке отходов, а также создания возможности применения в качестве шихты менее чистых по примесям серы и фосфора материалов, карбид кремни -, вводят в количестве, превышающем в 1,2-2,0 раза массу извести,причем первую порцию карбида кремния вводят после зарождения жидкого пшака, последнюю - после расплавления 80-95% металлической шихты, в окислительную продувку начинают i после вьщержки расплавленного ме(Л С талла в безокислительной атмосфере в течение 10-40 мин и последующего частичного или полного у;(апения шлака. 2. Способ по П.1, о т л ич а ю щ и и с я тем, что масса каждой .порции карбида кремния составляет 10-40% от общего коли00 4 00 чества карбида кремния.