Способ азотирования металлических расплавов Советский патент 1982 года по МПК C21C7/10 

(54) СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИ;;С

1

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам производства стали с повышенным содержанием азота, в частности к технологическим приемам, реализуемым в черной металлургии с использованием вакуумной обработки жидкой стали ковшевым способом.

По основному авт. св. № 461127 известен способ азотирования- металлических расплавов, включающий раскисление, десульфурацию и одновременное создание газовой фазы над расплавом и вдувание газа в расплав, причем азот вдувают под давлением на 0,1 -1,6 атм большим, чем сумма давления газовой фазы над расплавом и столба расплава, причем давление газовой фазы над расплавом поддерживают в пределах 0,8-10 атм.

Однако материалы способа не содержат сведений, используя которые можно бы конкретно для каждой плавки определить оптимальное давление продувки расплава азотом, так как эта величина различна для разных плавок. Данное различие обусловлено разным весом металла и шлака в ковше, различной плотностью шлака, различРАСПЛАВОВ

ным сопротивлением продувочных элементов, неравноценным практически для каждой отдельной продувки. Превышение давления продувки расплава азотом над оптимальным приводят либо к переливу металла через край ковша, либо к забрызгиванию металлом внутренних узлов камеры и выводу их из строя. Использование давления продувки расплава азотом, величина которого ниже оптимального, снижает эффективность азотирования расплава. В то же время регулировка ин10тенсивности продувки, основанная на визуальном наблюдении за поверхностью расплава, в ковше, помещенным в герметичную камеру, в которой создано избыточное давление, исключена вследствие п.олной потери видимости.

15

Вдувание в расплав азота под давлением на 0,1 -1,6 атм больше, чем сумма давлений газовой фазы над расплавом и столба расплава над местом вдувания, не гарантирует оптимальных условий азотирования по

20 следующим причинам: сопротивление продувочного пористого элемента и подводящих к нему коммуникаций в ряде случаев может быть сопоставимы или даже несколько большем величины перепада давления продувки азотом (0,1 -1,6 атм), что приведет соответственно либо к знанительному замедлению процесса азотирования расплава, либо полному его прекращению; перепад д авления продувки азота в пределах 0,1 -1,6 атм может оказаться недостаточным и из-за необходимости преодоления сопротивления столба шлака и ковша, что совершенно не учтено в известном способе. Повышенное сопротивление шлака продувке расплава азотом обусловлено в основном высокой вязкостью шлака, которая наиболее отчетливо выражена в случаях азотирования хромистых расплавов, когда в шлаке наблюдается высокое содержание окислов хрома. В ряде случаев такие шлаки просто гетерогенны, т. е имеют наружный (иногда значительный по толщине) твердый слой. К этому явлению приводят и факты повышенного содержания окиси магния в шлаке,что наблюдается при срывах подины в плавильных агрегатах, а также физическое застывание наружного слоя шлака из-за удлинения периода от выт пуска расплава из плавильного агрегата до момента его обработки в ковше.

Азотирование расплава путем его продувки газообразным азотом в герметичной камере, в рабочем пространстве которой поддерживают давление азота 1,5-10 атм, приводит к тому, что после завершения этой операции, часть азота находится в расплаве в газообразном состоянии в виде пузырьков очень малого размера. Эти пузырьки обладают незначительной скоростью всплывания, в силу чего оии могут сохраняться в расплаве длительное время. Последующая разливка такой стали в условиях атмосферного давления связана с выделением этой части азота при кристаллизации в изложницах или непрерывнолитых заготовках, что снижает качество этих отливок, а в ряде случаев может привести и к их отбраковке по газовым пузырям.

Цель изобретения - повышение качества азотируемого расплава, снижение себестоимости его производства и оптимизации процесса азотирования.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу азотирования металлических расплавов расплав продувают азотом через донные пористые элементы под давлением РО , определяемым по формуле РО PI Ч-Рг-Ратм где PI -оптимальное давление продувки расплава азотом при атмосферных условиях в ковше, помещенном в вакуумную камеру; Рг - давление азота в рабочем пространстве вакуумной камеры; РЗГМ - атмосферное давление, причем по окончании процесса азотирования расплав подвергают вакуумной обработке в течение 4-5 мин при давлении в камере 200- 500 мм рт.ст. с одновременным продувкой его инертным газом или азотом через донные элементы ковша.

При продувке расплава азотом через донные пористые элементы ковша в герметичной (вакуумиой) камере, в рабочем пространстве которой создано давление азота в пределах 1,5-10 атм, регулировка интенсивности продувки, основанная на визуальном наблюдении за поверхностью расплава в ковше, невозможна вследствие полной потери видимости в камере. В этих условиях первостепенное значение приобретает предo варительное определение такого параметра, как оптимальное давление азота для продувки, которое позволяет провести весь процесс азотирования в минимальней срок, добиться от продувки максимального эффекта и исключить перелив металла через край ков5 ша, а также забрызгивание крышки камеры и ее внутренних узлов металлов. Максимальный эффект от продувки, а также соблюдение норм, обспечивающих исключение перелива расплава через храй ковша и сох0 раниость оборудования камеры, могут достигаться в том случае, когда расплав над местом продувки на участке поверхности диаметром 1,0-1,5 м свободен от шлака, а «кипение металла (от продувки) иосит интенсивный, но спокойный характер без всплесков и фантанирования. Подъем уровня металла над местом продувки составляет при этом около 500 мм.

Оптимальное давление для продувки, которое обеспечивает рассмотренные услоВИЯ, может быть определено путем применения предварительной пробной продувки расплава. Такая продувка, осуществляемая перед каждой операцией азотирования в одинаковых с ней условиях, преследует цель определения той части давления продувки расплава азотом, которая компенсирует сопротивление продувочного элемента, сопротивление коммуинкации для подвода азота, сопротивление металла и шлака над местом продувки, а также обеспечивает оптимальную интенсивность «кипения расплава от

0 продувки. Поскольку пробная продувка осуществляется на воздухе в ковше, установленном в вакуумную камеру (при открытой крыщке камеры), интенсивность кипения расплава можно точно оценить визуально. Давление азота PI , которое обеспечивает требуемую интенсивность «кипения расплава, легко определяют по показанию манометра. Величину PI используют в дальнейшем для проведения операции азотирования расплава, когда давление азота в рабочем пространстве камеры составляет Pz. В этом случае оптимальное давление азота для продувки расплава равно: Ро PI + Рг -Ратм. где Р2 определяют также по показанию маиометра. Величину РО поддерживают в процессе продувки постоянной также по показаиию манометра.

Операция вакуумирования расплава в течение 4-5 мии при остаточном давлении в камере 200-500 мм, совмещенная с его

продувкой азотом или инертным газом, преследует цель удаления из металла газообразной части азота, находящейся там в виде пузырьков мелкого размера.

Применение продувки азотированного рас плава азотом или инертным газом при вакуумировании вызвано тем фактом, что на данном этапе технологического процесса азотирования расплав является хорошо раскисленным, что исключает его кипение в ковше при остаточном давлении в камере 200- 500 мм рт. ст. от протекания реакции взаимодействия между растворенными в металле углеродом и кислородом или от выделения из него азота.

Величина остаточного давления 200- 500 мм рт. ст. термодинамически исключает удаление при вакуумировании из расплава растворенного в нем азота. Вместе с тем, в сочетании с продувкой азотом или инертным газом вакуумирование при остаточном давлении в пределах 200-500 мм является достаточным для удаления из расплава части азота, иаходящейся там в виде пузырьков мелкого размера. При этом остаточное давление в пределах 400-500 мм рт. ст. используют для вакуумирования преимущественно углеродистых низколегированных, углероднстых марганцевистых (1,5-2, марганца) азотированных сталей, где даже при содержании в расплаве 0,02-0,04% растворенного азота существует термодинамическая вероятность удаления этого азота при более низком остаточном давлении. Остаточное давление в пределах 200-300 мм рт. ст. используют для вакуумирования высоколегированных сталей с высоким содержанием хрома, марганца, ванадия, ниобия, алюминия и других элементов, обладающих повыщенной прочностью связей с азотом.

Применение при вакуумировании остаточного давления менее 200 мм рт. ст. увеличивает скорость удаления азота, находящегося в расплаве в виде пузырьков малого размера и приводит к удалению из расплава той части азота, которая находится в растворе, что отрицательно сказывается на общей эффективности азотирования.

Применение при вакуумировании остаточного давления более 500 мм рт. ст. связано с уменьшением скорости удаления из расплава рассмотренной газообразной части азота, которая находится в растворе, что отрицательно сказывается на общей эффективности азотирования.

Применение при вакуумировании остаточного давления более 500 мм рт. ст. связано с уменьшением скорости удаления из расплава рассмотренной газообразной части азота, которая отрицательно влияет на качество отливок, т. е. связано с необоснованным удлинением периода вакуумирования.

Продолжительность продувки в вакууме в течение 4-5 мин установлена опытным

путем и является достаточной для получения плотных отливок из азотированной стали. Эта продолжительность является мииимально допустимой и ее сокращение связано с возможностью неполного удаления из расплава газообразной части азота, которая является источником наличия газовых пузырей в отливках из этой стали. Увеличение рассматриваемого периода не связано с дополнительной глубиной удаления той части азота расплава, которая влияет на качество полученных из него отливок, т. е. приводит к необоснованному удлинению периода вакуумировання.

Остаточное давление 200-500 мм рт. ст. в рабочем пространстве камеры поддерживает за счет напуска воздуха в вакуумную систему на участке вакуумпровода от камеры до вакуумного насоса, что позволяет исключить попадание кислорода воздуха в камеру и предотвратить окисление компонентов расплава, обладающих повышенным средством к кислороду.

Пример 1. В основной электропечи по двухшлаковой технологии выплавляют десульфурированный полупродукт для трубной нитридноупроченной стали марки 16Г2САФ Полупродукт сливают из печи в сталеразливочный нарощенный ковш, оборудованный шиберным затвором, пористым элементом, установленным в днище ковша. Высота свободного объема в ковще составляет 1,5 м. Слив металла из печи производят с частью печного шлака, количество которого составляет 2, от веса металла.

Химический состав металла после выпуска из печи характеризуется следующим содержанием компонентов, %: С 0,17; МпО 1,50; Si 0,45; Р 0,015; S 0,006; fO 0,012; N 0,011. Температура металла в ковше после слива из печи составляет 1660°С.

После слива ковш с расплавом устанавливают в вакуумную камеру, подсоединяют к коммуникации, возводящей азот к пористому продувочному элементу, и в течение 0,5 мин, не закрывая крышку камеры, металл продувают азотом через пористый элемент в целях определения оптимального давления (Р|) продувки, которое обеспечивало в процессе продувки требуемую интенсивность «кипения металла над местом продувки. Величина этого давления составляет 5,9 атм. После окончания пробной продувки отключают азот и подвергают расплав вакуумной обработке в течение 10 мин, совмешая ее на, протяжении последних 6 мин с продувкой аргоном через донный пористый элемент ковша. В процессе вакуумирования на 5 минуте в расплав вводят через дозаторы 200 кг феррованадня, содержание ванадия в котором составляет , и на 7 минуте 35 кг алюминия посредством специального устройства.

Закончив период вакуумной обработки, вакуумиую камеру переводят в режим, позволяющий создавать в ней избыточное давление. Путем напуска газообразного азота создают в рабочем пространстве камеры давление 3 атм, после чего в течение 3 мин расплав продувают азотом через пористый донный элемент. Давление азота для продувки составляет Ро 7,9 атм и которое определено по формуле

РО р, + Ра-Ратм 5,94-3,0-1

7,9 атм,

где PJ - давление продувки расплава азотом при атмосферном давлении; Р2 - давление азота в рабочем пространстве камеры;

РЗТМ - атмосферное давление.

Завери1ив этап азотирования, камеру под ключают к вакуумному насосу, при помощи которого в рабочем пространстве камеры создают остаточное давление 500 мм рт. ст. Давление в камере поддерживают путем напуска воздуха в вакуумную систему на участке от камеры до вакуумного насоса.

Расплав в ковше продувают через донный пористый элемент азотом с расходом азо та 0,15 м /т-мин, после чего последовательно отключают подачу продувочного газа, отключают пароэжекторный насос, камеру сообщают с атмосферой, открывают крыщку камеры, а ковш подают на разливку.

Разливку металла, температура которого составляет 1610°С, осуществляют на воздухе в слябовый кристаллизатор УНРС через подвесной удлиненный стакан под уровень зеркала металла в кристаллизаторе, причем для защиты зеркала металла используют защитную теплоизолирующую смесь. Слябовая заготовка имеет плотное строение. Виды пороков, связанные с наличием газовых пузырей, на поверхности и на поперечных темплетах заготовок не обнаружены.

Используя пробоотборник, в процессе внепечной обработки расплава, отбирают три пробы металла.

Первая проба отобрана после окончания периода вакуумной обработки. Химический состав пробы металла, %: С 0,16; Мп 1,48; Si 0,44; Р 0,015; S 0,005 (0 0,005; N 0,009; V 0,10; АЕр 0,034.

Вторая проба отобрана после окончания азотирования расплава. Химический состав пробы металла соответствовал, %: С, Мп, Si, Р, S, О, V, Atp - то же, что и в первой пробе N 0,026.

Третья проба отобрана после окончания периода повторного вакуумирования и продувки расплава в камере при остаточном давлении в ней 450 мм рт. ст. Анализом пробы установлено, что содержание в ней азота составило 0,025%, а содержание остальных элементов осталось неизменным.

Пример 2. Относится к производству хромистомарганцевистой стали типа Х14АГ14, выплавку и вакуумирование которой осущест1вляют как в примере 1. Исключение составляет тот факт, что азотирование расплава производят на протяжении 5 мин при давлении Ро PI + Р2 - Ратм 9 атм, где Pi 7 атм, Ра 3 атм, Рдт, 1 атм. Более высокое значение величины PI обусловлено повышенным сопротивлением продувке хромистого щлака.

Химический состав пробы металла, отобранный перед азотированием расплава, со0 ответствует, %: С 0,11; Мп 12,5; Si 0,70; Сг 13,0; S 0,020; Р 0,015; О 0,004; N 0,07; Atp 0,02.

Химический состав металла йосле азотирования соответствует %: С, Мп, Si, Сг, S, Р, О, АЕр то же, что и перед азотированием 5 N 0,21.

Завершив этап азотирования, камеру подключают к вакуумному насосу, при помощи которого в рабочем пространстве создают остаточное давление 200 мм рт. ст. В этих условиях расплав в ковще продувают азотом через донные пористые элементы..Продолжительность продувки составляет 5 мин, расход азота 0,15 м /тмин.

Химический состав металла после повторного вакуумирования остается неизменным, 5 а отливки из этого металла имеют плотное строение.

Таким образом, преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с известным является возможность повышения качества азотируемого расплава, снижение себестоимости его производства, оптимизация процесса азотирования, а также устранение недостатков известного способа.

Повышение качества металлопродукции с высоким содержанием азота достигается j за счет устранения окончательного брака отливок из азотированной стали по газовым (азотным) пузырям, а также исправимых при помощи огневой зачистки о той же категории дефектов отливок или промежуточных профилей проката из них. Устранение пора0 женносТи отливок из азотированной стали газовыми (азотными) пузырями обеспечивается путем применения продувки азотного расплава инертным газом или азотом на протяжении 4-5 мин при остаточном давлении в реакционной емкости в пределах 5 200-500 мм рт. ст.

Снижение себестоимости производства азотированной стали по сравнению с известным способом обеспечивается за счет устранения окончательного брака отливок по гаQ зовым (азотным) пузырям и исключения затрат для осуществления дополнительной отдельной операции - огневой зачистки промежуточных профилей проката или непрерывнолитых заготовок, объем которой достигает в ряде случаев зачистки 100% поверхности рассмотренных видов металлопродукции.

Оптимизация процесса азотирования достигается за счет применения давления продувки расплава азотом, при котором обеспечивается полнота азотирования в наиболее короткий период времени и исключается при этом забрызгивание металлом и вывод из строя внутренних узлов реакционной камеры. Кроме того, исключено неоправданное увеличение продолжительности продувки за счет применения заниженного давления продувки расплава азотом, вероятность чего не устранена в известном способе. Общий экономический эффект равен 2 руб/т, а общая экономия по сравнению с использованием технологических приемов известной технологии равна 800.00 руб/г.

Формула изобретения

Способ азотирования металлических расплавов по авт. св. № 461127, отличающийся тем, что, с целью повыщения качества азотируемого расплава, снижения себестоимости его производства и оптимизации процесса азотирования, расплав продувают азотом через донные пористые элементы под давлением РО, определяемым по формуле

Ро Р, +Р2-Ра „,

где PI - оптимальное давление продувки расплава азотом при атмосферных условнях в ковще, помещенном в вакуумную камеру; PZ-давление азота в рабочем пространстве вакуумной камеры; РЗТМ - атмосферное давление, причем по окончании процесса азотирования расплава подвергают вакуумной обработке в течение 4--5 мин при давлении в камере 200-500 мм рт. ст. с одиовременной продувкой его инертным газом или азотом через донные элементы ковща.