ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА (ВАРИАНТЫ)
POWDER WIRE FOR OUT-OF-FURNACE TREATMENT OF MELTS ON IRON BASE (VERSIONS)

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при десульфурации и модифицировании железоуглеродистого расплава, предназначенного для изготовления изделий из серого чугуна, а также чугуна с графитом шаровидной (ЧШГ) и вермикулярной (ЧВГ) формы.
Известна порошковая проволока для внепечной обработки чугуна, состоящая из стальной оболочки толщиной менее 1 мм, заполненной металлическим магнием (см. п. США №4205981 по кл. С21С 7/02, опубл. 3.06. 1980). Эта проволока не может быть эффективно использована для обработки чугуна в условиях массового металлургического производства, поскольку магний, температура испарения которого составляет 1107°С, при температурах внепечной обработки жидкого чугуна (1250-1500°С) имеет давление пара 2,8-12 атм, интенсивно и бурно испаряется, поступая в расплав в виде крупных пузырей. Последнее сопровождается значительным пироэффектом и газовыделением над поверхностью металла, что приводит к низкой степени использования магния и повышенному расходу проволоки.
Наиболее близкой по технической сущности, достигаемому результату и выбранной в качестве прототипа является порошковая проволока для внепечной обработки расплавов на основе железа (см. п. РФ №2317337 по кл. С21С 1/02, С21С 7/04 опубл. 20.02.2008 «Порошковая проволока для присадки магния в расплавы на основе железа»), состоящая из металлической оболочки и наполнителя из механической смеси порошков магния и пассивирующей добавки - ставролитового концентрата при следующем соотношении компонентов, мас.%: магний - 20-45, ставролитовый концентрат - 55-80.
Использование добавки приводит к частичной пассивации магния, уменьшающей скорость его испарения и соответственно количество выделяющихся паров, попадающих в расплав, что проявляется в снижении пироэффекта и газовыбросов. Однако состав наполнителя проволоки согласно прототипу не обеспечивает существенное повышение эффективности рафинирующей обработки расплава, поскольку размер образующихся в металле пузырьков пара магния и в этом случае определяется лишь величиной межфазного натяжения на границе раздела пузырька с чугуном. В результате, пузыри имеют большой размер, происходящая на поверхности раздела пар/металл десульфурация недостаточно эффективна, а непрореагировавший пар магния сгорает в атмосфере с образованием газовыбросов. Для эффективной десульфурирующей и модифицирующей обработки расплава необходимо введение дополнительного количества порошковой проволоки.
Задачей настоящего изобретения в соответствии с первым вариантом заявляемой проволоки является повышение эффективности десульфурации и модифицирования чугуна.
Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения в соответствии с первым вариантом заявляемой проволоки, является повышение степени использования элементов, входящих в состав наполнителя.
Указанная задача в соответствии с первым вариантом заявляемой проволоки решается за счет того, что в известной порошковой проволоке для внепечной обработки расплавов на основе железа, состоящей из металлической оболочки и наполнителя в виде смеси порошков металлического магния и добавки, согласно изобретению в качестве добавки используют ферросиликокальций при следующем соотношении элементов в наполнителе, мас.%: магний 20-55, кальций 12-25, кремний 28-50, железо - остальное.
2
Добавка может дополнительно содержать барий в виде ферросиликобария либо соединений BaSi и/или BaSi при следующем соотношении элементов в наполнителе, мас.%: магний 20-50, кальций 12-20, кремний 28-45, барий 2-12, железо - остальное.
Кроме того, добавка может дополнительно содержать хлориды и/или карбонаты натрия, кальция и магния при следующем соотношении элементов в наполнителе, мас.%: магний 20-40, кальций 12-15, кремний 28-50, суммарное содержание хлоридов и/или карбонатов натрия, кальция и магния 3-20, железо - остальное.
В качестве аналога и прототипа для заявляемой проволоки в соответствии со вторым вариантом проволоки выбраны те же технические решения, что и для первого варианта. Им присущи те же недостатки, которые указаны выше.
При создании изобретения в соответствии со вторым вариантом проволоки также ставилась задача: повышение эффективности десульфурации и модифицирования чугуна.
Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения в соответствии со вторым вариантом проволоки, также является повышение степени использования элементов, входящих в состав наполнителя.
Указанная задача в соответствии со вторым вариантом заявляемой проволоки решается за счет того, что в известной порошковой проволоке для внепечной обработки расплавов на основе железа, состоящей из металлической оболочки и наполнителя в виде смеси порошков металлического магния и добавки, согласно изобретению в качестве добавки используют смесь ферросиликокальция с ферросиликомагнием и/или силицидом магния при следующем соотношении элементов в наполнителе, мас.%: магний 15-40, кальций 8-17, кремний 42-64, железо - остальное.
Добавка может дополнительно содержать хлориды и/или карбонаты натрия, кальция и магния при следующем соотношении элементов в наполнителе, мас.%: магний 15-30, кальций 8-15, кремний 42-60, суммарное содержание хлоридов и/или карбонатов натрия, кальция и магния 3-20, железо - остальное.
2
Кроме того, добавка может дополнительно содержать барий в виде ферросиликобария либо соединений BaSi и/или BaSi при следующем соотношении элементов в наполнителе, мас.%: магний 15-35, кальций 8-15, кремний 42-55, барий 2-12, железо - остальное.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый состав наполнителя порошковой проволоки неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.
Заявляемая порошковая проволока может быть изготовлена на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использована при производстве стальных изделий, т.е. является промышленно применимой.
Отличительными от прототипа существенными признаками являются следующие.
1. Отказ от использования в качестве пассивирующей добавки инертного материала - ставролита и его замена активными силицидами, хлоридами и карбонатами щелочноземельных и щелочных металлов.
2. Частичная замена металлического магния на ферросиликомагний и/или силицид магния.
3. Введение в наполнитель ферросиликобария либо силицидов бария.
4. Новые содержания элементов в составе наполнителей.
В основу решения поставленной задачи положены следующие представления.
1. Использование в качестве добавки не пассивирующий присадки, наличие которой фактически снижает концентрацию магния в наполнителе порошковой проволоки и потому уменьшает пироэффект, а химически активного вещества, поступающего в расплав не в виде быстроисчезающих газовых пузырей, а в виде жидких включений, несмешиваемых с расплавом, но характеризующихся высоким сродством к растворенным газам, примесям и обладающих большой абсорбирующей способностью. Перемещаясь с конвективными потоками расплава, такие жидкие включения обеспечивают постоянное рафинирующее воздействие, повышая чистоту расплава по примесям и неметаллическим включениям, но, главное, снижая активность магния в части пироэффекта, газовыделения и выплесков металла.
2. Десульфурацию чугуна магнием эффективней проводить не только металлическими гранулами этого материала, а магнийсодержащими сплавами - силицидами и галогенидами магния, отличающимися прежде всего температурами их плавления и кипения. Это позволяет продлить температурно-временной интервал активного рафинирования, охватывающего период от начала проведения внепечной обработки до интервала температур кристаллизации металла. Последнее тем более важно, что во всем диапазоне охлаждения расплава предельные растворимости в расплаве магния, газов и примесных элементов уменьшаются, но особенно при переходе из жидкого состояния в твердое.
Проведенными исследованиями было установлено, что при совместном воздействии магния и кальция (в соотношении 1,5-2,5:1) их суммарное рафинирующее влияние на расплав увеличивается.
2
3
4
2
Эффективность этого воздействия мультиплицируется при добавлении в наполнитель бария в количествах 2-12 мас.%, который, в отличие от магния и кальция, имеет высокую температуру кипения (1637°С), с кальцием имеет неограниченную растворимость, а с магнием образует интерметаллические соединения переменной валентности: BaMg и BaMg (возможно также (Са, Ва) Mg). Большой атомный радиус и вес бария в сочетании с высокими температурами его испарения позволяют ему существенно увеличить температурный интервал «живучести» и кальция, и магния, вплоть до развития кристаллизационных процессов и воздействия на формирующуюся при этом структуру (ее дисперсность и однородность).
2
2
2
2
2
17
2
2
Другим весомым аргументом в пользу комплексного воздействия на расплав является возможность подключения дополнительных механизмов рафинирования, и в частности, десульфурации. При внепечной обработке расплава чугуна металлическим магнием (даже в присутствии ставролитового концентрата - как в прототипе) магний из порошковой проволоки поступает в расплав в виде струи пара магния, которая, разбиваясь на пузырьки, всплывает, увеличиваясь в размерах, к поверхности. При этом реакция десульфурации осуществляется поверхностными слоями пузыря, абсорбирующими примесные атомы (серы и пр.). Центральные, непрореагировавшие объемы пузырей паров магния сгорают при выбросе в атмосферу, обуславливая пироэффект и газовыделение. Известно, что этим механизмом удаляется до 15-25% серы, в зависимости от целого ряда факторов - скорости подачи проволоки, количества магния, исходного содержания серы и т.д. Радикально более тщательное рафинирование расплава может быть реализовано при использовании в этих целях жидких включений, которыми являются силициды щелочноземельных металлов (MgSi, CaSi, CaSi, BaSi, BaSi - температуры перехода которых в жидкое состояние 840-1245°С), комплексные включения типа фаз Лавеса (CaMg, BaMg и др. - с температурами плавление от 700°С), а также соли и галогениды (предпочтительно хлориды) щелочноземельных и щелочных металлов (NaCl, CaCl, MgCl и др. с температурами плавления 710-800°С).
При этом жидкие включения не смешиваются, характеризуются значительной емкостью по отношению к примесным элементам в железоуглеродистых расплавах и, двигаясь в конвенционных потоках, абсорбируют серу, кислород, фосфор и др., ошлаковываются и удаляются из металла. При этом наибольшей реакционной способностью обладают соли галогенидов (хлоридов), которые помимо этого характеризуются «живучестью» в широком температурном диапазоне (750-1350°С).
Происходящее при этом одновременное рафинирование расплава и паром, и жидкими включениями более интенсивно, а увеличение доли магния, участвующего в процессе «жидкой» десульфурации, приводит к одновременному снижению пироэффекта и газовыделений.
Из сказанного, очевидно, что оба заявляемые технические решения обеспечивают повышение степени использования элементов, входящих в состав наполнителя, и за счет этого - повышение эффективности десульфурации и модифицирования чугуна.
Пример осуществления.
Заявленный материал был опробован при десульфурации чугуна, имеющего состав (мас.%): 3,1 С; 2,0 Si; 0,4 Mn; 0,035 S; 0,04 P; 0,05 Cr; 0,02 Ni.
Задачей обработки являлось получение чугуна, имеющего в структуре достаточное количество графита.
2
2
2
12
3
3
2
3
Для приготовления заявленных наполнителей порошковой проволоки использовали следующие материалы: металлический магний, ферросиликокальций (Са 25-35%, Si 50-63%, Fe - остальное), ферросиликомагний (Mg 28%, Si 45%, Fe - остальное), ферросиликобарий (Ва 24%, Si 55%, Fe - остальное), а также соединения MgSi, BaSi, BaSi, CaCl, NaCl, MgC, CaCO, MgCO, NaCO, которые смешивали в различных соотношениях (таблица). В вариантах наполнителя №2-22 использовали металлический магний, а в остальных вариантах - металлический магний, ферросиликомагний и силицид магния в различных соотношениях.
2
9
4
23
Наполнитель по прототипу содержал, мас.%: магний - 45, ставролит (Fe, Mg)AlSiO(OH) - 55.
Перед смешением все компоненты были раздроблены либо гранулированы до размера менее 3 мм.
Из наполнителей различных составов изготавливали порошковую проволоку диаметром 14 мм с толщиной оболочки 0,4 мм и коэффициентом наполнения 48-52%.
Чугун, выплавленный в 20 т печи, порционно выливали в ковши, в которых осуществляли обработку порошковыми проволоками с различным составом наполнителей. Проволоку вводили в расплав чугуна со скоростью 0,5 м/с при температуре 1450°С из расчета 1,5 кг проволоки на тонну металла. После обработки чугун разливали на чушки весом 5 кг, в которых после охлаждения оценивали остаточное содержание серы и долю графитных включений в общем количестве углеродных частиц. Результаты испытаний приведены в таблице.
Анализ результатов, представленных в таблице, показывает следующее.
1. Обработка расплава порошковой проволокой с наполнителем по прототипу сопровождается недостаточным удалением серы из металла (степень десульфурации менее 50%), что приводит к малому количеству графитных включений в структуре (менее 50%) - вар.1.
2. Применение в качестве наполнителя порошковой проволоки состава, согласно п.1 формулы, - вар.3-5 - сопровождается увеличением десульфурации при обработке расплава (степень десульфурации более 50%) и количества графитных включений (более 70%).
3. Снижение количества магния в наполнителе по сравнению с заявляемым - вар.2 и 6 - приводит к меньшему удалению серы из расплава и снижению доли графитных частиц в структуре.
4. Дополнительное введение в наполнитель, барийсодержащих фаз, при составе наполнителя согласно п.2 формулы, усиливает десульфурирующее воздействие порошковой проволоки на расплав и обеспечивает повышенное содержание графита в структуре - вар.8-11. При этом снижение содержания магния (вар.7), кальция (вар.13), либо бария и кальция (вар.11) в составе наполнителя, по сравнению с заявляемым в п.2 формулы, приводит к меньшей десульфурации чугуна и снижению степени графитизации его структуры.
5. Дополнительный ввод в состав наполнителя хлоридных и карбонатных солей при составе наполнителя, согласно п.3 формулы, активизирует удаление серы и выделение графита в структуре - вар.15-17 и 19-21. Однако снижение в наполнителе проволоки, по сравнению с заявляемым, содержания магния (вар.14), кальция (вар.18), либо кальция и солей (вар.22) приводит к слабому удалению серы из расплава и соответственно малому содержанию графита в структуре чугуна.
6. Замена части металлического магния на ферросиликомагний и/или силицид магния, при составе наполнителя порошковой проволоки согласно п.4 формулы, - вар.23 и 24 - также приводит к положительному эффекту и по степени десульфурации чугуна, и по содержанию частиц графита. Отклонение от заявляемых в п.4 формулы составов по магнию (вар.26), либо кальцию (вар.25) негативно сказывается на качестве чугуна.
7. Дополнительный ввод в состав наполнителя хлоридных и карбонатных солей при составе наполнителя, согласно п.5 формулы, положительно сказывается на удалении серы из расплава и выделении графита в структуре - вар.28, 29 и 31, 32. Однако снижение в наполнителе проволоки, по сравнению с заявляемым, содержания магния (вар.27), кальция (вар.30), либо солей (вар.33) приводит к слабому удалению серы из расплава и соответственно малому содержанию графита в структуре чугуна.
8. Дополнительное введение в наполнитель, барийсодержащих фаз, при составе наполнителя согласно п.6 формулы, обеспечивает эффективное десульфурирующее воздействие порошковой проволоки на расплав и повышенное содержание графита в структуре - вар.35-37. При этом снижение содержания магния (вар.34), кальция (вар.38), бария и магния (вар.39), либо бария и кальция (вар.40) в составе наполнителя, по сравнению с заявляемым в п.6 формулы, приводит к меньшей десульфурации чугуна и снижению степени графитизации его структуры.
Таким образом, обработка расплава порошковой проволокой с заявляемым наполнителем обеспечивает, по сравнению с прототипом, лучшее удаление серы из металла и повышенную графитизацию структуры чугуна, т.е. обеспечивает высокую эффективность модифицирования и десульфурации чугуна.
Влияние наполнителя порошковой проволоки на десульфурацию и модифицирование чугуна.
Таблица
№ вар
Состав наполнителя, мас.%
Результат обработки
Mg
Са
Si
Ba
Сумма хлоридов и карбонатов
Fe
Остаточное содержание S, мас.%
Степень десульфурации, %
Степень графитизации, %
1
Прототип (45% Mg + 55% ставролит)
20
43
45
2
10
25
60
ост.
19
48
53
3
20
25
50
ост.
15
57
70
4
50
12
28
ост.
12
66
75
5
55
12
30
ост.
12
66
75
6
10
19
67
ост.
25
29
50
7
10
20
45
8
ост.
20
42
53
8
20
12
40
12
ост.
14
60
72
9
20
12
45
5
ост.
14
60
70
10
30
20
35
8
ост.
12
66
76
11
50
11
25
2
ост.
11
69
80
12
40
5
35
1
ост.
18
49
56
13
40
3
35
5
ост.
18
49
56
14
10
15
50
5
ост.
19
46
55
15
20
15
50
3
ост.
14
60
71
16
20
12
50
10
ост.
12
66
75
17
20
12
45
20
ост.
10
71
83
18
20
6
50
20
ост.
18
49
55
19
40
12
28
10
ост.
13
62
73
20
35
12
38
10
ост.
12
66
75
21
35
6
40
3
ост.
12
66
76
22
40
4
42
1
ост.
18
49
55
23
15
17
64
ост.
16
54
70
24
40
8
42
ост.
13
62
73
25
40
6
50
ост.
19
46
50
26
10
17
64
ост.
18
49
62
27
10
15
60
3
ост.
19
46
58
28
15
15
60
3
ост.
13
62
72
29
30
8
50
5
ост.
12
66
74
30
25
4
50
10
ост.
18
49
60
31
30
8
42
10
ост.
12
66
78
32
20
8
42
20
ост.
11
69
80
33
20
15
55
1
ост.
18
49
63
34
8
15
55
5
ост.
19
46
58
35
15
15
55
2
ост.
14
60
70
36
15
15
50
12
ост.
12
66
76
37
35
8
42
8
ост.
14
60
72
38
25
4
55
8
ост.
18
49
56
39
10
10
50
1
ост.
20
42
54
40
10
2
55
1
ост.
18
49
60