Способ обезуглероживания хромистого чугуна Советский патент 1985 года по МПК C21C5/28 

Изобретение относится к металлургии, а именно к обезуглероживанию хромистых или хромисто-никелевых чугунов, содержащих 1,5-8 вес.% углерода, 10-30 вес.% Сг, до 30 вес. Ni и в известных случаях присадки -Со, Мп и Мо.

Известны многочисленные способы, позвопяшр1е осуществлять обезуглероживание чугунов под действием кислорода, одного или .в смеси с другим газами,При атмосферном давлении или при пониженном давлении. Кислород или газовая смесь может приводиться в контакт- с жидким металлом, например, вдуванием через основание конвертера или же, напротив, может вводиться на поверхность металла

D1 и 21.

В частности, в способе LD обезуглероживаемый чугун обрабатывается в вертикальном конвертере при помонщ , расположенной над уровнем жидкого чугуна. Через эту фурму поступает струя кислорода, которая направляется на поверхность жидкого .металлического расплава.

Исследования, проведенные по этому способу, позволяют лучше понять действие струи кислорода на металлический раствор и на шлак;, который его покрывает.

При дефосфорадии я обезуглероживания чугуна способом LD применяемьи к конвертеру 200 Т, реакция между кислородом и жидким металлом происходит, главным образом, благодаря присутствию капелек жидкого металла вншаке. Подача жидкого металла, отбрасываемого капельками, через шлак, зависит от силы столкновения струи Кислорода с жидким металлом Эта подача металла может достигать и даже превышать тонну в секунду. При этом условии имеет место образование эмульсии между жидким металлом, ишаком и газовой смесью, объем которой зависит не только от силы столкновения струи кислорода, но и от характеристик текучести пшака. При слабой силе столкновения удаляется преимущественно фо.сфор, напротив, при большой силе столкновения удаляется преимущественно углерод.

Проведенный анализ показал, что условиях, благоприятных для дефосфорации, содержание Р в капельках в 100 раз меньше, чем содержание Р

в металлической ванне. Увеличение С лы столкновения струи кислорода с металлической ванной благоприятствует реакции обезуглероживания, т как оно влечет за собой увеличение количества отбрасываемых капелек. Очень быстрое обезуглероживание, которое происходит в этом случае, ускоряется растрескиванием металлических капелек,, которое получается от образования пузырьков СО.

В процессе обезуглероживания чуг нов способом LD струя кислорода, ультразвуковая на выходе из сопла, своим столкновением создает эмульсию между жидким металлом шлаком и очень значительной газовой фазой, содержащей изменяемые количества кислорода и окисей углерода. Объем эмульсии сильно зависит от вязкости шлака. Шлаки, богатые FeO, очень жидкотекучие, дают повод к образованию эмульсий, объем которых достигает 3-4-кратного от объема жидкого металла к концу дутья. Внутри эмульсии обезуглероживание капелек жидкого металла вызывает двумя конкурирующими процессами: окисление углерода кислородом, содержащимся в газовой фазе, и окисление углерода FeO, содержащимся в шлаке.

Этот способ, разработанный сначала для обезуглероживания обычных чугунов, был использован для обработки хромистых чугунов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ обезуглероживания хромистого чугуна содержащего углерод 1,5-8%, хром 10-30% и по меньшей мере один из дополнительных элементов - кремний (не более 4%), никель (не более 20%), кобальт, марганец, молибден (в сумме не более 20%), включающий подачу струи кислорода вертикально на поверхность чугуна через кислородную фурму со сверхзвуковой скоростью DJ .

Синтетический чугун с Сг, полученный смешиванием обычного чугуна и содержащего углерод феррохрома, содержащий приблизительно 4% углерода и приблизительно 15-16% хрома, обезуглероживается вдуванием кислорода до конечного содержания с 0,05%« В конце обезуглероживания температура превышает 1900с, В

этом способе образуются, главным образом -в начале дутья, значительны количества окисей Сг и Fe, которые переходят в шлак. Кьгда концентраци этих окисей в ишаке становится дост точно высокой, они реагируют, в свою очередь, с углеродом, содержащимся в металлической ванне, и образованная СО выделяется. Часть окиси хрома, образованная в начале реакци уносится горячимм газами в форме пыли. Другая часть остается в шл.аке и может в ходе последующей операции восстановления силикотер- мией восстанавливаться и рекуперироваться.

Следовательно, способ включает.нсколько стадий и вызывает необходимость сравнительно дорогой вторичной обработки шпака, чтобы рекуперировать часть.хрома, окись хрома, уносимая горячими газами, с трудом может рекуперироваться. Кроме того, в этом способе необходимо присутств шлака, богатого окисью Сг, чтобы обеспечить обезуглероживание. Этот шлак уменьшает эффективность столкнвения струи кислорода с металлической ванной и, следовательно, замедляет дразнение последнего. Из этого следует, что обезуглероживание тормозится и что, напротив, потери Сг окис лением возрастают.

Цель изобретения - ускорение обезуглероживания и улучшение выхода годного по хрому без добавление восстанавливающих элементов или композиций.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обезуглероживания хромистого чугуна MONfeHT подачи струи кислорода нА поверхность чугуна со сверхзвуковой скоростью определяют неравенством

Tjj +65 С-о 1740

где Tjj - начальная температура

чугуна,

Cjj - начальное содержание углерода в чугуне, %

фурму устанавливают на высоте 530 диаметров критического сечения сопла, удельный расход кислорода поддерживают равньм 2,5-3 ha 1 т жидкого чугуна при относитель ном давлении кислорода 8-12 бар.

при этом при достижении содержания углерода в расплаве в 1,5-2,5 раза меньшего начального его содержания в чугуне и при температуре свыше обезуглероживание ведут; непосредственным воздействием заглубленной струи кислорода на безшлаковую эмульсию газ - жидкий чугун до получения конечного содержания углерода в расплаве менее 3%.

Предлагаемый способ осуществляют в кислородном конвертере, футеровка которого выполнена из высокотермостойких кирпичей типа хромомагнезитовых.

Обезуглероживание осуществляют посредством подачи кислорода под высоким давлением при помощи Фурмы которая вводится в конвертер сверху через его горловину. Струя кислорода направлена вертикально вниз и расстояние между концом сопла и поверхностью жидкого металла изменяется в пределах от 5- до 30-кратной величины от диаметра критического сечения сопла. Удельный расход кислорода на 1 т жидкого чугуна должен быть приблизительно 3 нм /мин, при давл.ении, которое изменяется от 8 до 12 отн. бар.

В этих условиях проводят первую фазу реакции, в ходе которой слой шлака постепенно вытесняется с поверхности ванны струей газа. Одновременно происходит бьютрое окисление наиболее окисляемых элементов, содержащихся в чугуне. В этот период окисляется, главным ообразом, хром. Одновременно быстро повьшается температуре металла. Во второй фазе хром, окисленный в начальной стадии, восстанавливается углеродом, присутствующим еще в повьппенном количестве в металлической ванне. В ходе этого периода восстановления окиси хрома температура продолжает повышаться. Выще темпеоатуры приблизительно 17001800 С начинается третья фаза реакции, в ходе которой кипение, вызванное реакцией кислорода с углеродом ванны, происходит не тсхлько на поверхности, но также даже в объеме ванны чугуна. В этом случае образуется эмульсия между газовой фазой и жидким металлом, уровень которой постепенно повьшается и которая начинает окружать сопло.

Внутри этой эмульсии кислород находится в прямом контакте с жидки -. металлом практически без присутстви шлака. В этих условиях имеет место процесс крайне быстрого прямого обезуглероживания металла без промежуточного образования окиси хрома. Эмульсия газа/металла, которая образуется и уровень которой поднимается над начальной поверхностью металлической ванны, играет роль фильтра, который задерживает твердые частицы окисей хрома, железа или другого металлаS которые могут образовываться в известных случаях. Благодаря постоянному контактированию части объема сидкого металла, которая может превышать 25%, с газовой фазой эффективность обезуглероживания увеличивается в широких пределах. По той же причине имеет место более быстрое повышение температзфы жидкого металла. Установлено, что можно обезуглероживать хромистый чугун этим способом очень быстро и с постоянной скоростью,. Наконец, эмул сия газа/металла играет роль теплоизолятора и весьма значительно снижает тепловые потери.

Опыт показал, что можно постоянно поддерживать эмут.ьсию газа/металла в ходе этой третьей фазы реакции, продолжая обезуглероживани очень быстро и с постоянной скоростью для конечного содержания углерода, близкого к 0,2%. Проведенные в этот момент анализы показали что выход Сг в растворе в металлической ванне составляет по крайней мере 97 вес.%: Сг, содержащегося. в чугуне, введенном вначале в конвертер. Этот результат получается без добавления одного или нескольких восстанавливающих элементов или восстановителей таких, как кремний или другие. Можно еще больше снижать это содержание углерода, удлиняя кислородное дутье, но начиная с этого момента, достигают вторичного окисления хрома, диффузии углерода, ограничивающей кинетику реакции. В этом случае, если требуется еще снизить содержание углерода, предпочитают пускать конвертер при пониженном давлении, например, покрывая его герметизйрованным сводом, включающим трубопровод для удаления газов, соединенный с насосами, способными снижать давление в конвертере до уровня порядка десятка торр или немного меньше, с возможностью дополнительным введением кислорода и/или нейтрального газа.

Во многих случаях количество кислорода, присутствующего в чугуне и в остаточном шлаке, достаточно для кисления остаточного углерода и легко достигают конечного содержания углерода ниже 0,03%.. Б этих условиях общий выход хрома с,остав ляет около.98%. Этот результат получается без добавления одного или. нескольких элементов-восстановителей или соединений-восстановителей .

П РИМ ер. Перерабатывают чугун, имеющий следующий состав, %: Сг 17, С 6, SiO О, Ми 0,3, S 0,03 Р 0,03.

Доводят до 1430 С 60 кг этого чугуна в печи, вютючающей индукционньй нагрев. Поверхность жи.ткбго чугуна покрыта приблизительно 0,5 кг извести. Затем вздува кислород при помощи вертикального сопла с расходом 168 мл/мин при давлении 9 отн. бар. Диаметр критического сечения сопла составляет 2 и вертикальное расстояние межт.у концом сопла и ванной составляет 30 мин. Вдуваемьй таким путем кислород вступает в реакцию с ванной и можно наблюдать три последовательные фазы реакции.

В первой фазе кислород реагирует, главным образом, .с поверхностью ванны чугуна, окисляя преимущест-, во Сг, Sin Fe. По мере того, как образованные окиси, которые содержат большую часть ,,; накапливаются на поверхности ванны, начинается вторичная реакция восстановления этих окисей углеродом. Скорость этой реакции восстановления увеличивается постепенно одновременно с повьш1ением тег-шературы приблизительно до 1650 С на 10-й минуте. Образованная СО выделяется за это время и сгорает, давая пламя.

Во второй фазе, начиная с 11-й минуты, восстановление окисей, главным образом окиси хрома; углеродом становится быстрее, чем образование этих окисей. В этот период оживленной реакции температура еще повышается , но менее быстро. Начиная приблизительно с 15-й минуты скорость обезуглероживания стабилизируется: содержание углерода, которое составляет в этом случае приблизительно 4%, продолжает уменьшаться со скоростью почти 0,3% в минуту и одновременно наблюдается соответствующее восстановление окиси хрома. Этот механизм продолжаетс до 20-й минуты, температура ванны достигает в этом случае приблизительно 1750с, тогда как содержание С снижается приблизительно до 2,9%. К концу этой второй фазы образованные первоначально металлические окиси почти полностью восстанавливаются.

В 20-ю минуту создаются условия для начала третьей фазы, которая позволяет снизить содержание углерода ниже 0,3%, а практически до 0,2%. В начале этой третьей фазы температура ванны чугуна сипьно повышается. При этих условиях, сохраняя без изменения условия расхода кислорода и расстояние между концом сопла и ванной чугуна, наблюдают образование в самой ванне чугуна эмульсии между газом и чугуном, которая быстро покрывает поверхность ванны, затем утолщается до двухкратной величины от начального объема чугуна. Все происходит так, как будто сам чугун под действием струи кислорода и образования СО, прямой реакцией кислорода с углерЬдом, содержащимся в этом чугуне, закипает во всей своей массе благодаря существующим физико-химическим условиям. Внутри образованной эмульсии скорости реакции повьшаются, что позволяет осуществлять обезуглероживание с высокой скоростью до конечного содержания углерода приблизительно 0,2%, которое достигается к 29-й минуте. В этом случае температура составляет приблизительно 1860 С и дутье кислорода прекращают. Проведенные на этой стадии анализы показывают, что выход Сг составляет 97,5 вес.%.

Затем осуществляется конечное обезуглероживание известным образом с применением вакуума в печи при

помощи насосов, позволяющих достигнуть остаточного давления приблизительно 2 торр в 20-ю минуту. В ходе этой операции содержание углерода снижается до 0,02% только благодаря кислороду, присутствующему в жидком чугуне, и остаточному пшаку. В результате этого опыта установлено, что выход хрома составляет 98%.

Ввиду небольшого количества чу гуна, применяемого в этом опыте, необходимо компенсировать слишком большие-тепловые потери. Для этого в течение всей операции поддерживают дополнительный индукционный

нагрев с постоянной мощностью, чтобы лучше компенсировать тепловые потери. Подобный дополнительный нагрев делается необходимых только в небольшом масштабе опыта. Очевидно, что в промышленном масштабе этот нагрев будет излишним.

В числе условий, которые способствуют образованию эмульсии между

газовой фазой и жцдким хромистым чугуном, бьто установлено, что для возможности пуска в ход образования эмульсии газа/металла важно, чтобы начальная температура металлической

ванны удовлетворяда неравенству

Tj,-t-65 Cj,

1740

где Tjj - начальная температура хромистого чугуна, в момент начала дутья кислорода, С, Ср - начальное содержание углерода в чугуне, вес.%:.

Если содержание углерода в хромистом чугуне, составляет 6%, температура последнего должна быть выше 1 740-390 1350 с в момент начала дутья кислорода. Опыт показал, что,

чем вьш1е действительная температура по отношению к определенной крити ческой величине, тем скорее появляются благоприятные условия для образования эмульсии между газовой

фазой и жидким металлом в ходе

процесса обезуглероживания. Это означает, что продолжительность двух первых фаз процесса обезуглероживания, в ходе которых происходит

удаление углерода, главнш4 образом, восстановлением образованных окисей металлов, будет снижаться в пользу третьей фазы прямого обезуглерожи9

вамия жидкого чугуна благодаря образованию эмульсии газа/металла. Предлагаемый способ может применяться не только к хромистым чугнам без других больших добавок, но и к хромистым , содержащим добавки других металлов, таких как Ni,Co, Мп или Мо. Следовательно, этим способом можно прямо получать из хромистого или хромисто-никелевого чугуна, в который внесены соответствующие добавки, нержавеющие ферритные стали, п,олуферритные стали, аустенитные стали или аустенитно-ферритовые стали.

7097410 .

Опыт показал, что одним из важных факторов, которые гарантируют стойкость сопла для впрыскивания кислорода внутрь конвертера, является

5 защитный слой, который образуется на поверхности этого сопла во время операции. Это сопло, преимущественно из меди, охлаждается циркулирующей водой и его поверхtO ность покрывается слоем очень огнеупорных окисей .. Этот слой играет двойную роль теплоизолятора и защиты сопла о.т опасностей прорьгоа и, следователь 15 но , потери воды.

СПОСОБ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ ; ХРОМИСТОГО ЧУГУНА, содержащего углерод 1,5-8%, хром 10-30% и по меньшей мере один из дополнительных элементов - кремний (не более 4%), никель (не более 20%), кобальт, марганец, молибден (в сумме не более 20%), включающий подачу струи кислорода вертикально на поверхность чугуна через кислородную фурму со i сверхзвуковой скоростью, отличающийся тем, что, с целью ускорения обезуглероживания и улучшения вьрсода годного по хрому без добавления восстанавливающих элементов или композиций, момент подачи струи кислорода на поверхность чугуна со сверхзвуковой скоростью определяют неравенством Сд 1740 IJ3 - начальная температура где чугуна, с, § Cj, - начальное содержание углерода в чугуне, Z, фурму устанавливают на высоте 5-30 диаметров критического сечения сопла, удельньй расход кислорода поддерживают равным 2,5О е 3 на 1 т жидкого чугуна при относительном давлении кислорода 8-12 бар, при этом при достижении содержания углерода в расплаве в 1,5-2,5 раза меньшего начального QD его содержания в чугуне и при температуре свыше обезуглероживание ведут непосредственным воздействием заглубленной струи кислорода на безшпаковую эмульсию газ - жидкий чугун до получения коиечиого содержания углерода в расплаве 0,3%. ИЗОБРЕТЕНИЯ 1Wf««il.vV.KJ.ff ,