СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА НЕКОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Советский патент 1995 года по МПК C22B9/18 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к электрошлаковому переплаву, и предназначено для переплава стружки, металлической пыли, шлама и других некомпактных металлических материалов.

Повышение качества стали и экономической эффективности технологии плавки по многом определяется техническим уровнем переработки лома и отходов металлов. Объем и технический уровень переработки лома и отходов черных металлов отстают от нужд сталеплавильного производства.

Несмотря на широкое применение в промышленности прогрессивных методов обработки, позволяющих увеличить коэффициент использования металла в машиностроении, в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение количества стружки. Например, при обработке отдельных деталей из легированных сталей и сплавов отходы в виде стружки составляют 80-85% В результате использования стружки в неподготовленном виде безвозвратные потери ее составляют за счет коррозии 15% угара при переплавке от 20 до 30% при транспортировке 5%
Максимальное использование и возвращение в производство металлических отходов, особенно высоколегированных сталей и сплавов, образующихся как на стадии металлургического передела, так и при последующей обработке, является актуальной задачей. В этой связи особую важность представляет утилизация отходов жаропрочных никелевых сплавов в виде стружки, металлической пыли и шлама, которые образуются при механической обработке металла.

Наиболее рациональным способом переработки таких металлоотходов является их переплав, обеспечивающий максимальное сохранение легирующих элементов и получение качественной шихтовой заготовки, пригодной для последующего использования при выплавке марочного металла.

В настоящее время основным металлургическим методом использования легированной стружки является переплав ее на заводах Вторчермета в дуговых электропечах небольшой емкости (ДСП-1,5; ДСП-3; ДСП-5) для отливки шихтовых слитков. Переплав в дуговых печах имеет ряд серьезных недостатков. Это прежде всего высокий угар металла (до 20%) и содержащихся в нем легирующих элементов, а также низкое качество шихтовых слитков из-за повышенной концентрации серы, газов и неметаллических примесей (Коротков Г.А. Кудинов Д.Ф. Технология переплава легированной стружки на шихтовые слитки в основных дуговых печах. Вторичн. черн металлы, 1969, вып. 2, с.57-60).

Известны способы переплава стружки высоколегированных сталей и сплавов в открытой индукционной печи с целью получения специальных заготовок, предназначенных для дальнейшего переплава в электрошлаковых и вакуумных печах (Федина А. А. Переплав в электрошлаковой и вакуумной дуговой печах электродов, изготовленных из стружки жаропрочных сплавов на никелевой основе. Вып. электрошлаковый переплав, М. Металлургия, 1969, с.126-131).

Однако качество заготовок также низкое, что объясняется повышенной загрязненностью заготовок из-за протекания окислительных процессов и взаимодействия металла с футеровкой.

Известен способ получения никельсодержащих брикетов для выплавки стали (патент Кл. 10 А12 (С 22 В 1/14) N 53-Р3321 и N 49-35047) и способ регенерации металлов из пыли (патент Кл. 10 144. (С 21 С 5/52) N 53-4620 и N 51-121305). Кроме того, предлагается извлекать металлы путем перемешивания пыли и шлама с порошкообразными восстановителями с последующей обработкой полученной смеси шлаком.

Существенным недостатком этого способа является периодичность процесса, для восстановления требуется большое количество шлака, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для протекания процесса полного восстановления металла из шлама.

Получили некоторое развитие и находятся в стадии разработки и другие способы переплава легированной стружки в электрических печах. В 1923 г. Амстронг с целью предотвращения угара металла предложил дуговой переплав металлического электрода в охлаждаемом медном тигле с защитой поверхностного металла шлаковым расплавом (патент США N 1781490).

Дальнейшее развитие электропечей со шлаковой защитой шло в направлении получения слитков путем переплава металлошихты, предварительно превращенной в расходуемый электрод.

В патентах США описаны и другие способы переплава расходуемых электродов в слое шлака. Они предусматривают формирование в охлаждаемой медной изложнице слитка, получаемого за счет переплава трубчатого электрода (патент США N 2191479).

Разработанный и осуществленный Институтом электросварки им.Е.О.Патона электрошлаковый переплав содействовал развитию поисков эффективных способов переработки стружки на основе электрошлакового процесса. В этой связи представляет определенный интерес переплав металлической стружки, компактируемой в электрод шнековым толкателем (Malim T.H. Electroslags "instant" steel making, Iron Age, 1967, 200, N 9, p.211-215. Clauser H.R. Allogs made by electric ingot proses have improved properties, Mater and Methods, 1948, N 1, р.29-36).

Недостатками способов электрошлакового переплава стружки в виде расходуемого электрода являются, во-первых, большие трудности с прессованием расходуемого электрода, особенно для стружки жаропрочных сплавов, во-вторых, трудно передать большие токи по трубчатому электроду со стружкой или по столбу стружки, подаваемой шнековым толкателем. К тому же эти способы не годятся для переплава пыли или шлама.

Предложенные в ИЭС способы переплава некомпактных материалов с нагревом шлаковой ванны нерасходуемыми электродами наиболее подходят для этих целей (Б.И.Медовар, Ю.В.Латаш, Б.И.Максимович. Электрошлаковый переплав. М. Металлургиздат, 1963 г. с.160-161 прототип).

В настоящее время способы электрошлаковой выплавки и рафинирования металлов с нерасходуемыми электродами (графитовыми) нашли широкое применение для переплава и рафинирования металлов и сплавов с высоким содержанием углерода (чугун) или не растворяющим его (медь, некоторые ее сплавы, алюминий) (Лютый И. Ю. Латаш Ю.В. Электрошлаковая выплавка и рафинирование металлов. Киев: Наукова думка, 1982, с.188).

Сущность процесса заключается в постепенном расплавлении металлоотходов в шлаковой ванне, нагреваемой электрическим током посредством нерасходуемых металлических охлаждаемых электродов, а основные преимущества в использовании компактной шихты и возможности раздельного регулирования мощности, подводимой к шлаковой ванне, и скорости загрузки металлошихты, что позволяет в широких пределах изменять температуру, количество и состав шлака, а также регулировать энергетические показатели процесса и параметры теплообмена. Процесс ведется в кристаллизаторе. Охлаждаемый кристаллизатор, нерасходуемые металлические электроды, направленное формирование слитка, рафинирование металла шлаком обеспечивают высокое качество металла.

Наряду с перечисленными преимуществами способ электрошлакового переплава с нагревом шлаковой ванны нерасходуемыми электродами имеет ряд недостатков, которые проявляются при переплаве отходов высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов в виде пыли, шлама, а также стружки.

Образующиеся после зачистки металлоотходы (пыль, шлам) представляют собой конгломерат из спекшихся мельчайших частиц оплавленного металла и материала зачистного круга и уже содержат в том или ином количестве окислы компонентов сплава и его основы (никеля). Естественно, что при переплаве эти окислы ассимилируются шлаком. Кроме того, промышленные флюсообразующие (CaF₂ CaO, Al₂О₃) содержат в своем составе небольшое количество примесей (SiO₂, Fe₂О₃ и др). При переплаве сплавов, легированных такими элементами, как Al, Ti, Mn, и другими более активными элементами, чем Si и Fe, происходит восстановление Si, Fe и др. элементов из их оксидов в шлаке и окисление легирующих элементов в сплаве до тех пор, пока шлак не очистится от этих примесей. Это приводит, во-первых, к увеличению потерь легирующих, а во-вторых, к нестабильности химического состава слитка.

Другим существенным недостатком этого способа является то, что по мере накопления в шлаке оксидов легирующих элементов, в особенности хрома, вольфрама, молибдена, резко изменяются свойства шлака повышается вязкость, снижается электропроводность. Это приводит к нарушению стабильных режимов процесса и снижению производительности проплава металлошихты. Это относится не только к пыли и шламу, но и к стружке, так как она окислена с поверхности и при ее переплаве оксиды переходят в шлак, а также протекают реакции между легирующими элементами в сплаве и оксидами шлака.

Целью изобретения является снижение потерь в сплаве и восстановление из оксидов в шлаке легирующих элементов, а также стабилизация химического состава слитка и повышение производительности переплава металлошихты.

Поставленная цель достигается тем, что вместе с переплавляемым материалом подают порошок алюминия в начальный период плавки при проплавлении 0,001-0,01 части материала в количестве 0,065-1,4% а в дальнейшем 0,05-1% от веса переплавляемого материала.

В кристаллизаторе любыми известными способами наводится шлаковая ванна, шлак разогревается электрическим током, подводимым нерасходуемыми металлическими охлаждаемыми электродами. Сверху на шлак подается переплавляемая металлошихта (стружка, металлическая пыль, шлам и др.). Она плавится в шлаке. Вместе с шихтой подается алюминиевый порошок. В результате реакции алюминия с оксидами легирующих элементов, которые переходят в шлак в процессе плавления металлошихты, легирующие восстанавливаются, а в шлаке повышается содержание оксида алюминия. Кроме того, после восстановления легирующих элементов происходит и долегирование сплава алюминием.

В начальный период плавки количество вводимого алюминиевого порошка составляет 0,065-1,4% а в дальнейшем 0,05-1% что на 30-40% меньше, чем в начальный период. Это необходимо для того, чтобы восстановить не только легирующие элементы, но и такие элементы, как Si, Fe и др. из их оксидов в шлаке, чтобы они не вступили в реакцию с более активными легирующими элементами в сплаве.

Если восстановленные из оксидов в шлаке элементы для определения сплавов являются вредной примесью и загрязняют слиток, то на поддоне делается неглубокая прорезь, в которой скапливаются первые небольшие порции сплава с повышенным содержанием примесей. После наплавления слитка эта полоска с его донной части удаляется и удаленный металл может быть использован для групп металлов и сплавов, в которых эти элементы не являются вредной примесью, или для легирования других марок металлов в небольшом количестве.

Количество алюминиевого порошка, подаваемого с переплавляемой металлошихтой, выбрано исходя из следующего. Как видно из таблицы, в начальный период плавки полное восстановление легирующих из оксидов в шлаке наблюдается при 0,065% алюминиевого порошка, а в основной период при 0,05% Большое количество алюминиевого порошка в начальный период необходимо вводить для дополнительного восстановления из шлака кремния и железа и их оксидов в шлаке, которые содержатся в промышленных шлаках как примеси в количестве 1-3%
При 1,4% в начальный период, а при 0,05% в основной происходит долегирование сплава алюминием, поэтому вводить большое количество Al нецелесообразно и не нужно, по причине больших его расходов и повышения содержания Al₂O₃ в сплаве. Поэтому выбраны пределы: в начальный период 0,065 1,4% в основной 0,05-1%
Количество проплавляемой в начальный период плавки шихты 0,001-0,01 части от переплавляемого материала выбрано исходя из того, что при 0,065% вводимого Al полное удаление таких примесей из шлака, как SiO₂ и Fe₂О₃, наблюдается при 0,01 части сплавленной шихты, а при 1,4% Al при 0,001 части.

Вместе с переплавляемой металлошихтой подается порошок алюминия.

В начальный момент переплава количество алюминиевого порошка увеличивается на 30-40% по сравнению с основным периодом.

Данный способ позволяет максимально сохранить легирующие элементы в сплаве, обеспечивает максимальное извлечение легирующих элементов, которые находятся в шихте в окисленном состоянии, он позволяет обеспечить постоянство свойств шлака, стабильность электрошлакового процесса и повысить производительность проплава.

П р и м е р. В ИЭС им.Е.О.Патона в лабораторных условиях были проведены исследования по переплаву стружки, пыли, шлама, образующихся после обработки жаропрочных никелевых сплавов. Предлагаемый способ и пределы по количеству введения алюминиевого порошка были проверены на заводе "Электросталь" на установках УО-105. Переплавляясь стружка различных марок жаропрочных сплавов, металлическая пыль и шлам, содержащие такие дорогостоящие легирующие элементы, как Со, Nb, Cr, W, Mo, Al, Ti, Mn и др. Переплав вели в кристаллизаторе диаметром 400 мм. Ток к шлаковой ванне подводили нерасходуемыми металлическими охлаждаемыми электродами, включающими по бифилярной схеме. В качестве флюсообразующих использовали фтористый кальций, шлак АНФ-6. Шлак выплавляли во флюсоплавильной печи и заливали в кристаллизатор. На чистом фтористом кальции процесс начинали на напряжении 50 В и токе 4000 А.

Вместе со стружкой и пылью в кристаллизатор подавали порошок алюминия. При наплавлении первого слитка при сплавлении первых 5 кг шихты подавали 35 г Al, а в дальнейшем 25 г. При наплавлении второго слитка вначале 70 г, а потом 50 г. В соответствии с формулой изобретения это составило на первом слитке в начальный период 0,03% а в дальнейшем 0,025% Al, а на втором слитке 0,07 и 0,05 соответственно.

На первом слитке потери Al в металле составили 50% а титана 30% На втором же слитке потерь Al и Ti нет.

Содержание в шлаке Al₂O₃ к концу плавки повысилось до 5 и 10% соответственно. С увеличением содержания в шлаке Al₂О₃ повысилось его сопротивление, что в лучшую сторону сказалось на энергетических параметрах процесса. Улучшилось тепловложение в шлаковую ванну и повысилась скорость проплава.

По сравнению с качеством слитков, полученных по известному способу, потери легирующих снизились до 0,5 против 4,5% Производительность проплава составляла 250 кг/ч, возрастая от 200 до 250 кг/ч. По способу взятому за прототип, она наоборот уменьшилась с 200 до 170 кг/ч, а при переплаве пыли до 130 кг/ч. Шлак быстро густел, что затрудняло загрузку шихты, нарушалась стабильность электрошлакового процесса.

Предлагаемые пределы в комплексе обеспечивают достижение поставленной цели, а именно: уменьшение потерь легирующих, восстановление их из оксидов в шлаке, стабилизация химического состава слитка и повышение производительности проплава.

Как показали проведенные исследования, получаемая по этому способу шихтовая заготовка по содержанию легирующих элементов, чистоте сплава находится на уровне шихтовой заготовки, полученной при переплаве стружки в вакуумно-индукционной печи. Такое высокое качество шихтовых слитков ЭШП из стружки позволяет увеличить ее количество при выплавке марочного металла до 50% и при этом повысить свойства сплава. Работы были проведены заводом "Электросталь", ИЭС им.Е.И.Патона АН УССР и ВИАМ.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к электрошлаковому переплаву, и предназначено для переплава стружки, металлической пыли, шлама и др. некомпактных металлических материалов. Целью изобретения является уменьшение угара легирующих элементов. Вместе с переплавляемой шихтой подают порошок алюминия в начальный период плавки при проплавлении 0,001-0,01 части материала в количестве 0,065-1,4%, а в дальнейшем - 0,05-1% от веса переплавляемого материала. 2 табл.

СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА НЕКОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, преимущественно стружки, металлической пыли, шлама, включающий постепенную загрузку и плавление их в слое шлака, нагреваемого с помощью нерасходуемых металлических охлаждаемых электродов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения угара легирующих элементов, вместе с переплавляемым материалом подают порошок алюминия в начальный период плавки при проплавлении 0,001-0,01 части материала в количестве 0,065-1,4% а в дальнейшем 0,05-1% от массы переплавляемого материала.