СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ В КОВШЕ
PROCEDURE FOR REFINING RAIL STEEL IN LADLE

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам внепечной обработки рельсовой стали на агрегатах печь-ковш.
3
Известен выбранный в качестве прототипа способ рафинирования рельсовой стали в печи-ковше, включающий дуговой подогрев металла, продувку расплава аргоном и обработку металла шлаком, при котором дуговой подогрев металла ведут с интенсивностью не менее 40 кВт·ч/т жидкой стали, продувку металла аргоном проводят через пористые донные фурмы с расходом 15-30 м/т жидкой стали в течение не менее 40 мин, при этом обеспечивают содержание FeO в шлаке не более 0,5% раскислением шлака порошком кокса и дробленого ферросилиция с расходом каждого 0,5-1,5 кг/т жидкой стали, а раскисление стали проводят дополнительно силикокальцием из расчета введения 250-300 г кальция на тонну жидкой стали, причем силикокальций присаживается в два приема равными порциями после раскисления шлака и за 5-10 минут до окончания обработки стали [1].
Существенными недостатками данного способа являются:
- высокая себестоимость выплавляемой стали из-за использования аргона в качестве инертного газа;
- пониженный уровень физико-механических свойств, связанный с низким уровнем азота в стали и соответственно возможностью образования карбонитридов ванадия, измельчающих зерно стали и повышающих ударную вязкость и предел прочности стали;
- высокий расход силикокальция, увеличивающий загрязненность неметаллическими включениями.
Известен также способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, раскисление в печи стали алюминием и шлака порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата, отличающийся тем, что выплавку стали производят сериями, причем металлошихту первой плавки в серии дают массой на 10-15% больше массы металлошихты последующих плавок, а массу металлошихты последней плавки в серии уменьшают на 10-15%, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода не менее 0,60% и температуры выше ликвидуса на 180-240°С; причем сталь раскисляют на всех плавках серии алюминием в количестве 0,07-0,10% от массы металлошихты, а раскисление шлака в печи порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия в количестве, соответственно, каждого 0,09-0,10% от массы металлошихты проводят на последней плавке в серии, при выпуске первой и последующих плавок отсекают печной шлак, а последнюю плавку выпускают с печным шлаком, при выпуске плавок в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата, при соотношении (1,0-1,5):(0,3-0,5), соответственно, в количестве 3-3,3% от массы жидкой стали, и необходимые раскислители и легирующие [2].
Существенными недостатками данного способа выплавки являются:
- повышенный уровень концентрации кислорода в стали в связи с отсутствием вакуумной обработки;
- высокий расход азотированных ферросплавов, вводимых при выпуске стали в ковш из-за низкой концентрации азота в выплавляемой стали;
- низкие механические свойства рельсов, изготовленных по данному способу, из-за повышенного содержания кислорода, способствующего образованию оксидных неметаллических включений и нестабильной концентрации азота в стали, обеспечивающего карбонитридное упрочнение.
3
Известен также способ выплавки и вакуумирования стали, включающий выплавку металла, обработку рафинировочным шлаком, вакуумом, при котором металл в ковше вначале обрабатывают основным восстановительным шлаком посредством слива металла из печи в ковш на твердые шлакообразующие материалы с одновременной продувкой расплава аргоном с интенсивностью 0,01-0,07 м/т·мин и через 30-90 с основным окислительным шлаком и аргоном с интенсивностью продувки 0,2-0,8 первоначальной продувки в течение 30-180 с, после чего удаляют 20-40% массы шлака, присаживают нейтрализатор и осуществляют вакуумирование металла [3].
Техническими недостатками данного способа выплавки и вакуумирования стали являются:
- невозможность проведения операции азотирования из-за применения аргона в качестве используемого газа;
- невозможность совмещения операции снижения содержания кислорода и оксидных неметаллических включений с операцией по насыщению стали азотом из-за использования аргона.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: снижение себестоимости выплавляемой стали, повышение физико-механических свойств стали за счет снижения загрязненности неметаллическими включениями, уменьшение расхода азотированных и кальцийсодержащих ферросплавов.
3
3
3
3
Для этого предлагается способ рафинирования рельсовой стали, включающий дуговой подогрев металла, продувку расплава инертным газом через пористые донные фурмы и обработку металла шлаком на агрегате печь-ковш и вакууматоре, отличающийся тем, что дуговой подогрев металла на агрегате печь-ковш осуществляют до температуры 1585-1610°С при продувке через пористые донные фурмы комбинированно азотом и аргоном, при этом переключение на аргон осуществляют при достижении общего количества введенного азота 0,30 м/т жидкой стали, далее проводят продувку аргоном с интенсивностью 3-30 м/ч, раскисляют силикокальцием с расходом 110-150 г кальция на тонну жидкой стали и проводят вакуумирование при продувке стали в ковше азотом через пористые донные фурмы с расходом 4-36 м/ч в течение 8-65 мин под вакуумом при давлении менее 34 МПа, после чего сталь продувают комбинированно азотом с расходом 3-50 м/ч до концентрации азота в стали не более 25 ppm с последующей продувкой аргоном до температуры 1520-1545°С.
Заявленные пределы подобраны экспериментальным путем.
Дуговой подогрев металла на агрегате печь-ковш до температуры 1585-1610°С выбран исходя из следующих предпосылок. При нагреве стали на агрегате печь-ковш до температуры менее 1585°С дальнейшая обработка на вакууматоре, приводящая к снижению температуры, не позволит проводить разливку стали на МНЛЗ из-за низких температур, что требует повторного дополнительного нагрева на агрегате печь-ковш. При температуре более 1610°С температура после обработки на вакууматоре получается высокой для разливки стали на МНЛЗ, что требует дополнительной выдержки в ковше для охлаждения.
3
Общий расход использованного для продувки металла азота выбран исходя из того, что при расходе газа более 30 м на плавку возможно значительное насыщение стали азотом, приводящее к браку макроструктуры.
3
3
3
Последующая продувка аргоном с расходом 3-30 м/ч позволяет производить усреднение металла по химическому составу и температуре без снижения содержания азота в стали. При расходе менее 3 м/ч не обеспечивается требуемое перемешивание стали в ковше, позволяющее обеспечить равномерное распределение температуры и химического состава по высоте ковша, а при увеличении расхода более 30 м/ч происходят выбросы металла и шлака из ковша.
Раскисление стали силикокальцием с расходом 110-150 г кальция на тонну обеспечивает повышение чистоты металла по неметаллическим включениям и уровня ударной вязкости. При расходе силикокальция менее 110 г кальция на тонну стали модифицирование и снижение кислорода в стали незначительные. Расход силикокальция более 150 г кальция на тонну стали приводит к повышению загрязненности неметаллическими включениями, снижению механических свойств готового проката.
3
3
Для успешной дегазации обработку стали на вакууматоре производят при давлении менее 34 МПа. Причем интенсивность продувки азотом под вакуумом менее 4 м/ч значительно увеличивает длительность обработки на вакууматоре, при этом насыщение стали азотом незначительно. При продувке через пористые донные фурмы азотом с интенсивностью более 25 м/ч наблюдаются значительные технологические выплески металла и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы. Продолжительность обработки под вакуумом выбрана исходя из условий: при обработке менее 8 мин не удается провести требуемую дегазацию стали, продолжительность обработки более 65 мин не требуется в связи с достижением требуемых значений содержания газов.
3
3
3
Последующая продувка стали азотом с расходом 3-50 м/ч обеспечивает получение концентрации азота в металле не более 25 ppm. При интенсивности продувки азотом менее 3 м/ч значительно увеличивается длительность обработки, при этом насыщение стали азотом незначительно. Продувка азотом с интенсивностью более 50 м/ч приводит к оголению «зеркала» металла и повторному насыщению стали кислородом и водородом. При этом насыщение стали азотом достигает значений выше требуемых содержаний в рельсовой стали.
Последующая продувка стали аргоном до температуры 1520-1545°С обеспечит разливку стали на МНЛЗ в оптимальном режиме. При температуре металла более 1520°С температура металла в промковше получается низкой, что требует увеличения скорости разливки и приводит к браку непрерывно-литых заготовок. При температуре выше 1545°С температура разливки стали на МНЛЗ получается высокой, что приводит к браку макроструктуры по «осевой рыхлости».
3
3
3
3
Заявляемый способ рафинирования рельсовой стали был реализован при производстве рельсовой стали марок Э76Ф, НЭ76Ф с выплавкой в дуговых 100-тонных электропечах, обработкой на агрегате печь-ковш и вакууматоре камерного типа VD. После расплавления и проведения окислительного периода в дуговой электросталеплавильной печи плавка выпускалась с отсечкой печного шлака в ковш. При выпуске стали в ковш присаживали необходимые ферросилиций ФС65 и силикомарганец МнС17 и твердую шлаковую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. В ковш наливали 90-120 т стали. Доводка стали проводилась на агрегате печь-ковш с трансформатором 16 МВА. Обработку стали проводили по следующей схеме. Дуговой нагрев металла на агрегате печь-ковш проводили до температуры 1585-1610°С, продувку стали через пористые донные фурмы проводили комбинированно азотом до достижения общего количества введенного азота 0,30 м/т жидкой стали, при достижении которого дальнейшую обработку производили аргоном с интенсивностью 3-30 м/ч. После введения необходимых ферросплавов и лигатур сталь раскисляли силикокальцием с расходом 110-150 г кальция на тонну жидкой стали. Далее сталь в ковше передавалась на вакууматор. Ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку азотом через пористые донные фурмы с интенсивностью 4-36 м/ч. Далее надвигалась крышка вакууматора и создавалось давление менее 34 МПа. Длительность выдержки под вакуумом составляла 8-65 мин. После операции обработки вакуум снимался, дальнейшая продувка через пористые донные фурмы проводилась комбинированно азотом с расходом 3-50 м/ч до концентрации азота в стали не более 25 ppm, далее производилась продувка аргоном до температуры металла 1520-1545°С, после чего ковш подавался на разливку. Разливку стали проводили на 4-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Нагрев заготовок для прокатки проводили в печи с шагающими балками и непрерывнолитые заготовки прокатывали на рельсы типа Р65.
2
Заявляемый способ позволяет снизить себестоимость выплавляемой стали на 60 руб/т, снизить расход силикокальция на 0,42 кг/т и азотированных ферросплавов в среднем на 0,3 кг/т. Содержание кислорода снижено на 2 ppm, длина строчки оксидных включений сокращена в среднем с 0,150 мм до 0,024 мм. Ударная вязкость термоупрочненных рельсов увеличена на 0,5 Дж/см. Содержание азота в стали увеличено на 40 ppm и обеспечивается на уровне 130-250 ppm.
Источники информации
1. Патент РФ 2312902, кл. С21С 7/06.
2. Патент РФ №2235790, кл. С21С 5/52, 7/07.
3. А.с. №968078, кл. С21С 7/10.