СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЙ ФЛЮС
STEEL-SMELTING FLUX

Изобретение относится к области металлургии, в частности к флюсам для сталеплавильного производства.
2
3
2
2
3
2
Известен шлак для рафинирования сталей и сплавов, который содержит (мас.%): СаО - 25-35, MgO - 12-25, AlO - 15-30, SiO - 8-20, NiO - 0,1-2,8, FeO - 0,1-4,0, KF - 5-20 (Авт. свидетельство СССР №1036760. Заявлено 05.05.82. Опубликовано в БИ, 1983, № 31, МКИ С21С 5/54).
Недостатком данной шлаковой смеси является низкое содержание в ее составе оксида магния, который является основным компонентом, необходимым для загущения шлака. Минеральный состав шлака имеет сложную минеральную компоненту со стабильным химическим составом.
Известен флюс известково-магнезиального состава, который содержит, мас.%: 26,0-35,0 оксида магния; 0,3-7,0 оксида алюминия; 5,0-15,0 оксидов железа; 0,5-7,0 кремнезема и остальное - оксид кальция (Патент РФ №2145357, C21C 5/36, от 02.10.2000 г.).
Недостатком вышеуказанного флюса является низкое содержание в его составе оксида магния. Гранула данного флюса по всему ее микрообъему имеет мономинеральный состав.
Наиболее близким по химическому составу флюса является химический состав огнеупора под названием «Сталеплавильный флюс (варианты)», включающий оксиды магния - 36,0-94,0, оксиды кальция - 1,0-35,0, оксиды железа - 3,0-15,0, оксиды кремния - 1,0-10,0 (Патент РФ №2299913, С21С 5/54 от 20.10.2006 г.).
Недостатком данного флюса является его монокерамический состав, представленный в основном оксидом магния и магнезиовюститом, а также в небольшом количестве ферритами кальция, имеющих более низкую температуру плавления. Такой флюс с таким минеральным и химическим составом может использоваться только в завалку конвертерной плавки из-за низкой скорости его растворения в шлаковом расплаве. Для повышения скорости его растворения необходимо вводить в его состав специальные добавки.
Техническим результатом изобретения является создание состава флюса, обладающего высокой реакционной способностью его к растворению в шлаковых расплавах сталеплавильного производства, при этом за счет оптимального содержания в составе флюса оксида кальция степень десульфурации и дефосфорации высокоуглеродистой стали будет значительно выше.
Техническим результатом изобретения также является удовлетворение потребности металлургического производства во всем ассортименте материалов по уходу за футеровкой конвертера.
Поставленная задача достигается тем, что сталеплавильный флюс содержит оксиды кальция, магния, кремния и железа при следующем содержании компонентов в составе флюса, мас. доля %: оксид магния - основа; оксид кальция - 15-30; двуокись кремния - 2-7; оксиды железа - 4-10, при этом гранулы флюса состоят из бикерамического материала - оболочки и ядра, соотношение массы оболочки к массе ядра находится в пределах от 0,8 до 2,5, причем соотношения содержания оксида магния и оксида кальция в оболочке к их содержанию в ядре составляют: (80-90):(38-42) и (7-15):(45-55) соответственно.
Массовое соотношение оболочки и ядра гранулы находится в пределах 0,8-2,5, что обусловлено физико-химическими особенностями исходного сырья и технологией изготовления гранул. При значении больше 2,5 содержание ферритов магния увеличивается, происходит снижение эксплуатационных характеристик флюса, в частности ухудшение растворения его в шлаковых расплавах сталеплавильного производства, при значении меньше 0,8 не обеспечивается достаточного содержания оксида магния в шлаке, снижается возможность получения гарнисажного слоя, образуются гранулы с недостаточной прочностью оболочки. В пределах указанного соотношения масс оболочки и ядра получается продукт с требуемыми потребительскими свойствами.
Соотношение содержания оксида магния в оболочке к его содержанию в ядре составляет (80-90):(38-42). Содержание оксида магния в оболочке к его содержанию в ядре в меньшем количестве (менее 80% в оболочке и менее 38% в ядре) приводит к уменьшению рафинирующей способности шлака, а при содержании оксида магния в оболочке к его содержанию в ядре в большем количестве (более 90% в оболочке и более 42% в ядре) делает флюс тугоплавким, снижает скорость усвоения данного флюса шлаком.
Соотношение содержания оксида кальция в оболочке к его содержанию в ядре составляет (7-15):(45-55). Увеличение содержания оксида кальция более 15% в оболочке и более 55% в ядре вызывает внутренние напряжения в грануле в силу недостаточной ее защиты образующейся оболочкой из ферритов и силикатов кальция, в результате чего происходит разрушение гранулы при транспортировке. Снижение содержания оксида кальция менее 7% в оболочке и менее 45% в ядре ухудшает усвоение гранулы-флюса шлаком. Содержание оксида кальция увеличивается от периферии к центру гранулы. Такой химический состав оболочки гранул и ядра позволяет повысить скорость растворения флюса в шлаковом расплаве и определяет неочевидность заявляемого состава сталеплавильного флюса.
Благодаря технологическому решению в процессе приготовления флюса гранулы его приобретают бикерамическую структуру. Центром, зародышем гранулы, является зерно доломита, на поверхности которого за счет высокотемпературного взаимодействия его с железистой компонентой сырьевой шихты образуются низкоплавкие фазы, такие как ферриты кальция и силикаты. Зародыш гранулы, его поверхность, приобретает термопластичное состояние, которое способствует налипанию на ее магнезиальной составляющей сырьевой шихты, при этом происходит рост гранулы и пропитка ее легкоплавкими фазами. Рост гранулы прекращается по мере расхода легкоплавких фаз, связанного с пропиткой магнезии.
За счет правильно выбранного исходного сырья при его обжиге во вращающейся печи в процессе производства флюса материал приобретает термопластичное состояние, которое позволяет получать флюс в виде гранулята с размерами гранул крупнее 4 мм, что позволяет в полном объеме использовать его для загущения сталеплавильного шлака в конвертерном производстве стали. Кроме того, термопластичное гранулирование материала обеспечивается за счет того, что в процессе высокотемпературного обжига исходной сырьевой смеси синтезируются легкоплавкие соединения, такие как ферриты кальция и силикаты с температурами плавления ниже 1400°C.
В производстве флюса используется сырьевая смесь, состоящая из: доломита фракции 5-25 мм в количестве - 35-60; каустизированного магнезита фракции менее 4 мм в количестве - 30-60; сидерита фракции менее 15 мм в количестве - 5-10. Компоненты сырьевой смеси в указанных пределах и соотношении с помощью весовых дозаторов непрерывного действия загружаются во вращающуюся печь. Такие виды сырья, как доломит и сидерит, проходя зону декарбонизации печи (интервал температур 600-1300°C), теряют углекислоту. Зерна доломита за счет своей природной структуры, не теряя прочности, сохраняют свои форму и размеры. Зерна сидерита теряют свою прочность и рассыпаются. Проходя далее по печи, подготовленные таким образом компоненты сырьевой смеси при температурах 1400-1600°C начинают взаимодействовать. Происходит химическое взаимодействие оксида кальция с поверхности зерен обожженного доломита с мелкими частицами прокаленного сидерита (оксида железа) с образованием на их поверхности пластичного слоя в виде фазы ферритов кальция. Присутствующие в составе сырьевой смеси мелкие зерна каустизированного магнезита за счет динамики процесса накатываются на поверхность зерен доломита с образованием гранул, центром которых является ядро в виде зерна обожженного доломита, с оболочкой, имеющей переменный химический состав, с максимальным содержанием оксида магния на поверхностном слое гранулы и минимальным во внутреннем слое.
По технологическим причинам минимальный размер зерна исходного доломита ограничен 5 мм, так как зерна менее 5 мм расходуются не на образование гранул, а на образование чрезмерного навара в печи с его отрицательными последствиями. Зерна доломита крупнее 25 мм приводят к получению некондиционного продукта с размерами гранул более 40 мм.
Таким образом, в процессе обжига сырьевой шихты получаются гранулы, состоящие из центра и оболочки, имеющих различный химический состав (таблица 1), при этом оболочка гранулы имеет определенный градиент содержания оксидов кальция и магния, что способствует их лучшему усвоению шлаковым расплавом конвертерной плавки в сравнении с прототипом.
Пример практического использования флюса.
В лабораторной печи в тигле при температуре 1650±10°С был расплавлен конвертерный шлак (таблица 2), после чего в жидкий шлак помещали испытуемые образцы флюсов и выдерживали в течение 20 минут, после чего определяли химический состав конечного шлака. Определяли усвоение флюса шлаком относительно расчетного (таблица 3).
Определения прочности гранул флюсов и брикетов флюса по прототипу, изготовленных с использованием в качестве связки ЛСТ, проводили после их хранения в течение 15 суток в естественных условиях и в воде (таблица 2).
Анализ приведенных испытаний показывает, что применение заявляемого состава флюса показывает относительно высокую скорость растворения его в сталеплавильном шлаковом расплаве и достаточно высокую прочность при любых условиях хранения.
Новизна заявляемого сталеплавильного флюса обусловлена отсутствием в литературных источниках составов флюса, содержащих оксиды магния и кальция с оксидами железа и кремния в заявленных пределах, причем гранулы флюса на всю их глубину имеют непостоянный химический состав по содержанию оксидов магния и кальция.
Предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать флюс с постоянно воспроизводимыми высокими потребительскими свойствами и технологической готовностью, превосходящей прототип.
Таблица 1
Наименование материала
Химический состав, мас. доля, %
Соотношение масс Оболочка/ядро
MgO
SiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
Флюс (Гранула d=10 мм)
60,5
5,5
4,0
28,5
Оболочка
80
5
6
8
0,95
Ядро
41
6
2
49
Флюс (Гранула d=40 мм)
70,0
2,1
4,2
22,5
Оболочка
83
1
5,5
10
2,5
Ядро
38
5
1
54
Химический состав исходного и конечного шлака представлен в таблице 2.
Таблица 2
Наименование материала
Химический состав, мас. доля в %
MgO
SiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
FeO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MnO
Исходный шлак
4,0
18,9
6,9
47,6
1,4
11,8
9,4
Флюс
70,3
3,52
6,1
18,7
-
0,25
-
Конечный шлак
10,1
17,8
7,59
45,3
-
10,54
8,56
Таблица 3
Материал
Прочность на сжатие, кН/гран*
Усвоение флюса шлаком, %
После выдержки в естест. условиях
После выдержки в воде
Флюс (Гранулы)
4,3
4,2
96,1
Брикеты
1,2
рассыпались
87,4
* Результаты испытаний представлены как средними из 5 определений.