Способ получения стали Советский патент 1988 года по МПК C21C7/00 C21C7/04 

СМ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к технологии получения сталей с низким содержанием водорода.

Цель изобретения - снижение содержания водорода в стали.

Технология аргонокислородного обезуглероживания (АКО) предусматривает процесс рафинирования расплав- ленного металла, находящегося в резервуаре рафинирования, который снабжен по крайней мере одной погруженной фурмой, включающий инжектирование в расплав через указанную фур-. му(ы) газовой смеси, содержащей кислород и разбавляющий газ. Указанный разбавляющий газ предназначен для уменьшения парциального давления моноокиси углерода в газовых пузырь- ках, образованных во время обезуглероживания расплава и/или для изменения скорости подачи кислорода к расплаву без существенного изменения общей скорости потока инжектируемого газа, а затем инжектирование разбрызгиваемого газа в расплав через указанную фурму(ы), причем указанный разбавляющий газ служит для удаления примесей посредством дегазации, деокис- ления испарения или посредством флотаци указанных примесей с последующим задер- жанйем или реакцией со шлаком. Процесс обычно проводится с помощью потока кислородсодержащего газа, окру- женного кольцевым потоком охлаждающей жидкости, которая служит для охлаждения фурмы и защищают огнеупорную футеровку от избыточного износа. Пригодными разбавляющими газами мо- гут быть аргон, гелий и азот. Азот предпочтительнее, если не необходимо получать в виде конечного продукта сталь с низким содержанием азота, в таком случае предпочтительнее ар- гон. Пригодным разбрызгиваемым газом может быть аргон, гелий и азот,приче азот или аргон предпочтительнее.Пригодные охлаждающие жидкости включают аргон, гелий, азот, моноокись углеро да и двуокись углерода, причем азот или аргон предпочтительнее. В щиро- ком смысле процесс АКО может использовать водород, пар или углероводо- родную жидкость в качестве одной из составляющих разбавляющего газа, разбрызгиваемого газа или охлаждающей жидкости. Однако когда необходимым конечным продуктом является низ-

ководородная сталь, то такие водород- содержащие жидкости непригодны в процессе АКО.

Стадия восстановления используется для обозначения восстановления металлов, окисленных во время обезуглероживания, посредством добавления к расплаву восстанавливающего вещества, такого, как кремний или крем- нийсодержащий ферросплав или алюминий, с последующим введением разбрызгиваемого газа в расплав для завершения реакции восстановления.

Окончательная стадия предусматривает окончательное установление химического состава расплава посредством добавления к расплаву требуемого материала с последующим разбрызгиванием расплава для обеспечения однород ного состава.

Легкоокисляемые легирующие добавки в сталь предусматривают введение .элементов, которые не восстанавливаются с помощью добавки кремния к расплаву стали.

Под трудноокисляемыми легирующими добавками в сталь подразумевается введение элементов, восстанавливаемых при добавлении кремния к расплаву стали.

Сталь с низким содержанием водорода обычно относится к стали, имеющей содержание водорода меньшее,чем 2%. Однако строгое установление такого количества является непрактичным вследствие трудностей с подбором образцов при производстве стали. Эти трудности, определяющие впоследствии неточность в анализах, связаны с потерей водорода во время транспортировки образца от резервуара рафинирования к аналитическому прибору, и вследствие этого возникает недосто- верность, связанная с тем, что любой заданный образец не будет точно соответствовать составу расплава, из-за отсутствия химической однородности расплава в резервуаре очистки.

Расплав стали загружают в резервуар рафинирования, внутренняя поверхность которого сухая. Если резервуар для рафинирования- ранее использовался для очистки расплава стали, то никакой операции сушки обычно не требуется от обслуживающего персонала, поскольку резервуар рафинирования будет в основном сухим. Если резервуар рафинирования ранее

не использовался для рафинирования стали, то резервуар должен быть осушен с помощью любого пригодного спо соба осушки, например с помощью при- менения факельного пламени к внутренним стенкам резервуара рафинирования. Один из способов обеспечения сушки резервуара рафинирования состоит в создании температуры rfa внут- ренней поверхности резервуара ра- . финирования по крайней мере 1500°F (815, Зб с), а преимущественно, по крайней мере I800°F (982,22°С).

На практике фурма(ы) газоохлажда- ется во время, по крайней мере,части процесса производства, а преимущественно во время всего процесса производства. В то время как кислород инжектируется через фурму{ы),они охлаждаются в основном с помощью защитной жидкости. Во время стадий восстановления или окончательной стадии фурма(ы) охлаждается в основном с помощью разбрызгиваемого га- за, который может также служить в качестве защитной жидкости. Когда резервуар рафинирования наклоняется для того, чтобы вылить рафинирован- ньй расплав, фурма(ы), которая на- ходится выше поверхности расплава, в основном охлаждается с помощью потока воздуха, проходящего через фурму. Такой поток воздуха обычно направляется от компрессора. Если охлаждение обеспечивается с помощью другого газа, нежели воздух, так, что фур ма(ы) находится еще ниже поверхности расплава, то охлаждающий газ обычно подается от криогенной камеры и име- ет достаточную степень сушки, так что никакая другая операция сушки не требуется от обслуживающего персонала. Если охлаждающим газом является воздух, то обычно требуется про- вести стадию сушки перед использованием воздуха. Эта.стадия сушки может быть осуществлена посредством прохождения сжатого воздуха через сушилку перед тем, как он вводится в фур- му(ы). Преимущественно охлаждающий газ содержит менее 100 мас,% воды,

В основном все шлакообразующие добавки вводятся в расплав перед на- чалом стадии обезуглероживания,Шлакообразующие добавки представляют собой в общем известь или смеси извести и магнезита, но могут быть любым материалом, который может послу

Q ,. с

5

жить образованию эффективного шлака. Шлак используют для нейтрализации окисей, благодаря чему обеспечивается десульфурация расплава и снижение количества кислорода, азота и водорода, введенных в расплав за счет кон- тажта с воздухом.

Очень важно для успешного осуществления предлагаемого способа, чтобы шлакообразующие добавки флюсовались перед началом стадии обезуглероживания. Это определяется тем, что шлакообразующие добавки: обычно неизбежно добавляют в расплав значительное количество водорода, обычно в форме воды. Если в основном все шлакообразующие добавки, подаваемые в расплав, не Оудут разжижены перед обезуглероживанием, благодаря чему водород будет удален из расплава во время начальной стадии обезуглероживания и последующей стадии восстановления или окончательной стадии, то достаточное количество водорода будет оставаться в расплаве,

В процессе производства стали обычно бьшает необходимым вводить легирующие добавки к расплаву стеши, которые загружаются в резервуар рафинирования. Химический состав i расплава стали, загружаемой в резервуар очистки, редко бьшает в границах необходимого продукта, Легирую- добавки вводятся для того, чтобы привести расплав в нужный или целевой диапазоны состава. Добавление легирующего материал в расплав стали является еще одним источником водорода. Следовательно, одна из составных частей предлагаемого способа состоит в том, чтобы ввести большинство, а преимущественно все легирующие добавки, в расплав перед началом обезуглероживания, С помощью этого приема водород, вводимый в расплав с помощью легиругацих добавок, подвергается удалению во время начала обезуглероживания и стадии восстанов- ления или окончательной стадии, что приводит в результате к мбиссимально- му удалению водорода,

легирующие добавки могут быть разделены на две категории,ко- торьми обозначаются легкоокисляемые и трудноокисляемые добавки. Трудно- окисляемые легирующие добавки могут образовывать окиси в расплаве во время стадии обезуглероживания, но

5 . 1

могут быть обратно восстановлены до элементарной формы во время последующей стадии восстановления. Однако легкоокисляемые легирующие добавки, которые также образуют окислы в расплаве во время стадии обезуглероживания, не восстанавливаются на стадии восстановления. Следовательно, легкоокисляемые легирующие добавки, такие как титан, Колумбии, алюминий ванадий и им подобные, должны быть введены вслед за стадией обезуглероживания, в то. время как в основном все из трудноокисляемых легирующих добавок, такие как хром, марганец, никель, молибден, кобальт, медь и им подобные, должны вводиться перед стадией обезуглероживания. Химический состав расплава, загружаемого в резервуар рафинирования, и химический состав необходимого продукта приводятся в соответствие при введении определенных легирующих добавок, а количество каждой необходимой добавки может быть выбрано специалистом в данной области.

Расплав обезуглероживают посредством введения в расплав через погруженную фурму(ы) газовой смеси кислорода и разбавляющего газа. Стадия обезуглероживания проводится для того, чтобы сжечь некоторое количест- во углерода в расплаве для приведения состава расплава в диапазон необходимого продукта. Кроме.- того,реакция обезуглероживания является экзотермической и служит для создания тепла, благодаря чему расплав находится при необходимой температуре, когда он разливается из резервуара рафинирования. В реакции обезуглероживания углерод в расплаве реагирует с инжектируемым газообразным кислородом с образованием газообразной моноокиси углерода, которая проходит в виде пузьфьков через расплав.Разводящий газ служит для уменьшения парциального давления газообразной моноокиси углерода, для того чтобы уменьшить нежелательное окисление металла. Кроме того, инжектируемая газовая смесь помогает вьшедению других примесей из расплава в виде пузырьков и выведению их из расплава в виде выходящих газов.

Стадия обезуглероживания служит для удаления большого количества любого водорода, который может содер

0

5

0

5

0

5

0

5

жаться в расплаве перед обезуглероживанием. Более того, стадия обезуглероживания обеспечивает невозможность поступления водорода из атмосферы, такой как атмосфера водяного пара, в расплав во время процесса обезуглероживания за счет образования достаточного количества выходящих газов во время стадии обезуглероживания благодаря тому, что скорость потока выходящих газов достаточна для предотвращения просачивания воздуха в резервуар рафинирования. Это сопровождается введением газовой смеси кислорода и разводящего газа в течение такого времени, которое достаточно для удаления по краййей мере 0,2 мас.% углерода из расплава, а преимущественно, по крайней мере, 0,3 мас.% при скорости инжектирования такой, что создается достаточное количество выходящего газа для предотвращения просачивания воздуха в резервуар рафинирования. Скорость инжектирования газовой смеси изменяется в зависимости от конфигурации резервуара рафинирования, количества потока, проходящего через загрузочный вход резервуара, а также других факторов. ,

Если расплав не содержит достаточного количества углерода для обеспечения требуемого обезуглероживания, в то время как необходимо достичь желаемого или целевого содержания углерода, то углерод может быть добавлен к расплаву перед или во время стадии обезуглероживания в таком количестве, чтобы достаточное количество углерода сжигалось для достижения целей процесса с одновременным достижением целевого содержания углерода. Углерод не должен добавляться к расплаву после стадии обезуглероживания, т.е. расплав не должен обезуглероживаться существенно ниже необходимого целевого содержания углерода, а затем приводиться в необходимый диапазон состава за счет больших добдвок углерода, поскольку такое позднее добавление углерода может способствовать нежелательному введению водорода-в расплав.

После того, как расплав обезугле- родился, он подвергается стадии восстановления и/или окончательной стадии с помощью проведения одной или более стадий восстановления или окон-

чательных стадий. Стадия восстановления -.это стадия, на которой ранее добавленные легирующие добавки,которые были хотя бы частично окислены, восстанавливаются из шлака в расплав стали обычно за счет введения алюминия или кремния в расплав. Окончательная стадия - это стадия, в которой вводятся другие необходимые добавки для приведения состава расплава в необходимый диапазон. Такие добавки могут быть очень небольшими количествами трудноокисляемых легирующих веществ или любь1ми другими добавками.

Во время стадии или стадий восстановления и/или окончательной стадии необходимо предотвращать попадание воздуха .в расплав для того, чтобы водород, такой как из водяного пара, не имел возможности проникать в расплав. Для того, чтобы не допустить попадание воздуха в расплав во время стадий восстановления и окончательной стадии, устанавливают достаточную скорость потока выходящих газов, благодаря чему воздух не просачивается в резервуар очистки. Это осуществляется посредством инжектирования разбрызгиваемого газа в расплав.

Приведенный общий процесс АКО с его стадиями требуется для достижения производства стали с низким содержанием водорода. Когда такие дальнейшие стадии осуществляются, они должны проводиться таким образом, чтобы обеспечить минимальное введение водорода и присутствие его в расплаве. Например, на практике проведения процесса АКО бьшает жела- . тельно добавлять в расплав сжигаемые добавки, такие как крем- ний или алюминий. Если это осу-

ществляется,

то сжигаемые

добавки должны преимущественно вводиться в возможно большей степени перед проведением стадии обезуглероживания в соответствии с наиболее приемлемым способом проведения процесса без образования выбросов.

Последующие примеры служат для дальнейшего иллюстрирования изобретения или для иллюстрирования необхо50

Примеры 7 и8. Примеры 7 и В демонстрируют необходимость создания сухого резервуара рафинирования для расплава. Оба примера проводят в том же резервуаре рафинирования, который использовался при проведении примера 6. В примере 7 расплав рафинируют в резервуаре рафинирования, который не осушается. В этом примере внутренняя поверхность резервуара рафинирования находится под воздейст вием пламени в течение только примерно 4ч, что недостаточно для того, чтобы внутренняя поверхность резервуара достигла температуры, необходимой для получения сухого резер вуара. Пример 8 проводят непосредственно .за примером 7 и вследствие этого резервуар рафинирования имеет достаточную температуру для того, чтобы быть сухим. Все другие параметры рафинирования находятся в соот ветствии с требованиями пр едлагаемо- го процесса для обоих примеров 7 и 8 Полученные результаты приведены в табл.2.

Хотя для обоих расплавов достигну то низкое содержание водорода после обезуглероживания, однако поскольку в процессе проведения очистки влага

димости осуществления всех требуемых 55 с внутренней поверхности резервуара

стадий в совокупности.

П р и м е р ы 1-6. Шесть расплавов очищаются в соответствии с предочистки последовательно переходила в расплав, то в примере 7, который осуществлялся в недостаточно сухом

5

0

5

0

5

0

5

0

лагаемым способом. Параметры процесса рафинирования и концентрации водорода в различных точках процесса рафинирования изображены в табл.1.Примеры 1-5 осуществляют в 35-тонном резервуаре рафинирования. Пример 6 осуществляют в 100-тонном резервуаре рафинирования. Скорость потока выходящих газов обозначены в единицах действительных кубических футов в минуту на квадратный фут площади поперечного сечения на входе резе:рвуа- ра при температуре выходящих газов (1648, 49°С).

Определяют концентрацию водорода в загрузке в примерах . Концентрация водорода после обезуглероживания .для примеров I и 2 была неопределима .

Примеры 1-6 ясно показьшают, что предлагаемый процесс позволяет производить сталь, имеющую низкое содержание водорода.

Примеры 7 и8. Примеры 7 и В демонстрируют необходимость создания сухого резервуара рафинирования для расплава. Оба примера проводят в том же резервуаре рафинирования, который использовался при проведении примера 6. В примере 7 расплав рафинируют в резервуаре рафинирования, который не осушается. В этом примере внутренняя поверхность резервуара рафинирования находится под воздействием пламени в течение только примерно 4ч, что недостаточно для того, чтобы внутренняя поверхность резервуара достигла температуры, необходимой для получения сухого резервуара. Пример 8 проводят непосредственно .за примером 7 и вследствие этого резервуар рафинирования имеет достаточную температуру для того, чтобы быть сухим. Все другие параметры рафинирования находятся в соответствии с требованиями пр едлагаемо- го процесса для обоих примеров 7 и 8. Полученные результаты приведены в табл.2.

Хотя для обоих расплавов достигнуто низкое содержание водорода после обезуглероживания, однако поскольку в процессе проведения очистки влага

5 с внутренней поверхности резервуара

очистки последовательно переходила в расплав, то в примере 7, который осуществлялся в недостаточно сухом

резервуаре, возникшая влажность привела в результате к получению расплава с недопустимо высоким содержанием водорода.

П р и м е р ы 9-11. Примеры 9-11 демонстрируют необходимость добавления в основном всех шлакоо.бразующих добавок перед началом процесса обезуглероживания. Каждый из примеров 7-9 проводят в резервуаре очистки, который ранее использовался для осуществления примеров 1-5. В каждом из примеров 9-11 добавляют 4-8 фунтов извести на тонну расплава после обезуглероживания. Оценивают концентрацию водорода в каждом расплаве в загрузке, а концентрация водорода в

расплаве в примере 11 не обнаружена. Все другие параметры очистки находятся в диапазонах, соответствующих требованиям предлагаемого процесса, и используются в каждом из примеров 9-11. Результаты, приведенные в табл.3, показывают, что добавление 4-8 фунтов шлакообразующих добавок на тонну расплава после обезуглероживания приводит в результате к созданию стали, имеющей недопустимо высокое содержание водорода.

П р и м ер 12. Этот пример демонстрирует необходимость флюсования шлакообразующих добавок перед обезуглероживанием. Проводят его в резервуаре рафинирования, который используют для проведения примера 6. В этом примере известь добавляют в расплав перед обезуглероживанием,но не полностью флюсуют перед началом процесса обезуглероживания. Все другие параметры процесса рафинирования находятся в соответствии с требованиями предлагаемого процесса. Концентрация водорода в загружаемом расплаве составляет 4,6 мае.%.После обезуглероживания она составляет 2,3 мас.%, а на выходе из процесса - 2,0 мас.%. Таким образом, не была получена CTianb с низким содержанием водорода.

10

20

зо

8420710

Примеры 13-19. Эти примеры демонстрируют необходимость достаточного введения разбрызгиваемого газа во время стадии восстановления и/или окончательной стадии. Каждый из этих примеров проводят в резервуаре рафинирования, использованном при проведении примеров 1-5. В этих примерах в качестве разбрызгиваемого газа используют аргон. Б табл.4 приведено увеличение или уменьшение концентрации водорода в расплаве от конца стадии обезуглероживания до того времени, когда расплав разливают из резервуара рафинирования, т.е, во время стадий восстановления и/или окончательных стадий. Все другие параметры очистки находятся в соответствии с требованиями процесса. Полученные результаты показьшают, что концентрация водорода в расплаве увеличивается во время стадий восстановления и окончательных стадий.

15

о

5

0

5

0

Формула изобретения

Способ получения стали, включаю- шли подачу расплава в предварительно нагретый рафинировочный сосуд с погружаемой и охлаждаемой газом фурмой, подачу в расплав легирующих и шлакообразующих добавок, обезуглероживание расплава подачей газообразной смеси, содержащей кислород и газ-разбавитель, а после обезуглероживания осуществляют восстановительную и окончательную доводку расплава подачей через фурмы барботирующе- го газа, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания водорода в стали, в расплав вводят трудноокисляемые легирующие элементы, подают шлакообразующие добавки и разжижают их до осуществления обезуглероживания расплава для удаления по крайней мере 0,2 мас.% углерода, а в период восстановительной и/или окончательной доводки в расплав подают азот, аргон или гелий в количестве 2,83 м /т.

11

1384207J2

Таблица 1

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к технологии получения сталей с низким содержанием водорода. Цель изобретения - снижение содержания водорода в стали. Способ получения стали включает подачу расплава в предварительно нагретый рафинировочный сосуд с погружаемой и охлаж,а;аемой газом фурмой, подачу в расплав легирующих и шлакообразующих добавок, обезуглероживание расплава подачей газообразной смеси, содержащей кислород и газ- разбавитель. После обезуглероживания осуществляют восстановительную и окончательную доводку расплава подачей через фурмы барботирующего газа. В расплав вводят трудноокисляемые легирующие элементы, подают пшакооб- разующие добавки и разжижают их до Обезуглероживания расплава. Обезугле- роживание расплава проводят для удаления по крайней мере 0,2 мас.% углерода. В период восстан;овительной и/или окончательной доводки в расплав подают азот, аргон или гелий в количестве 2,83 м /т. 4 табл. § (У) со сх 4 to

1

2 3 4 5 6

4 4 4 4 4 5.5

7 8

2,9 3.2

Концентрация Н в загрузке,мае.%

9

10 I 1

4 4 4

Н,0. И.О. 1,5

Ь

1,3

1,2

1,7 1.3 0,9 0,8

1,4

Таблица 2

2,8 1,6

Таблица 3

,

Концентрация Н на выходе,мае./

2,1

13

пример

. 13 14 15 16 17 IB 19

138420714

Таблица 4

Концентрация Н от обезуглероживания до выхода, мае. %

+ 1,0 +0,8 +0,1 -0,2 -0,4 -0,3 -0,3