СПОСОБ ВЫПЛАВКИ И ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ
METHOD OF CASTING AND OUT-OF-FURNACE PROCESSING OF HIGH-QUALITY RAIL STEEL

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству рельсовой стали в кислородном конвертере.
Известен способ [1] производства рельсовой стали, в котором за счет более длительного рафинирования и дополнительных присадок шлакообразующих материалов достигается содержание серы 0,005-0,010% и фосфора до 0,025%.
Недостатки:
- снижение содержания серы менее 0,008% способно ухудшить качество рельсов;
- содержание фосфора для обеспечения качества рельсов в условиях зимней эксплуатации должно быть существенно ниже и достигать значений 0,003-0,015%;
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  является способ производства рельсовой стали [2], в котором  достигается содержание серы 0,011-0,013% и фосфора 0,019-0,022%. Недостатком известного способа является высокое содержание фосфора. Снижение содержания серы достигнуто не во время плавки и выпуска расплава, а при внепечной обработке стали на агрегате «печь-ковш», на котором присаживают твердую шлакообразующую смесь с известью, и на вакууматоре, в который  присаживают кальцийсодержащие материалы. Поздняя десульфурация приводит к образованию дополнительного количества неметаллических включений в рельсовой стали (сульфидов) и ухудшению ее служебных свойств, то есть не обеспечивается высокая эксплуатационная стойкость в условиях, характерных для обширных районов России, в связи с неоптимальным содержанием серы, фосфора и большим количеством сульфидных неметаллических включений.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение высокой чистоты рельсовой стали по сере 0,008-0,012%, фосфору 0,003-0,015% и обеспечение снижения количества сульфидных неметаллических включений вплоть до их полного исчезновения.
2
Получение технического результата достигается за счет обеспечения десульфурации у днища конвертера еще при заливке чугуна на шлак, оставленный с предыдущей плавки в количестве 15-50 кг/т, и присадке извести и магнийсодержащих материалов в количестве 30-50 кг/т, при этом с началом продувки кислородом десульфурацию продолжают у днища конвертера (под чугуном), а после того, как шлак на днище начнет плавиться (с 5 по 8 минуту от начала продувки) десульфурацию проводят и у днища, и в объеме конвертерной ванны за счет всплывающего шлака, дефосфорацию проводят на поверхности конвертерной ванны, для этого с началом продувки в течение 5-6 мин присаживают известь в количестве 30-100 кг/т и железорудные материалы (руда, окатыши, агломерат, окалина) в количестве 10-40 кг/т. Продувку ведут до 8-9 минуты при положении фурмы на 250-350 мм выше рабочего положения фурмы, после этого останавливают продувку. Далее производят промежуточное скачивание всплывшего от днища шлака (с серой) и верхнего шлака (с фосфором), при этом содержание фосфора снижают с 0,060-0,180% до 0,015-0,035%, а серы с 0,025-0,050% до 0,010-0,020%. Возобновляют продувку, присаживают известь в количестве 10-30 кг/т, железорудные материалы (руда, окатыши, агломерат, окалина) в количестве 5-10 кг/т и плавиковый шпат в количестве 5-20 кг/т, десульфурацию и дефосфорацию осуществляют на поверхности жидкой ванны. За 2-3 мин до окончания продувки, во избежание рефосфорации, присаживают железорудные материалы в количестве 1-10 кг/т, несколькими порциями, не более 1,0-1,5 кг/т в каждой. При этом в стали снижают содержание фосфора с 0,015-0,035% до 0,003-0,015%, а серы с 0,010-0,020% до 0,008-0,015%. Выпуск стали из конвертера в ковш с раскислением и легированием проводят с одновременной продувкой стали инертным газом через днище ковша с расходом до 1700-2500 л/мин. При этом раскисляющая способность углерода стали превышает раскисляющую способность и марганца, и кремния, обеспечивая более низкое содержание кислорода в стали, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность десульфурации рельсовой стали на выпуске. В конце выпуска наводят покровный шлак присадкой извести в количестве 4-10 кг/т и плавикового шпата в количестве 1-2 кг/т, Содержание серы в стали снижают с 0,008-0,015% до 0,001-0,010%.После выпуска, во избежание загрязнения рельсовой стали сульфидными неметаллическими включениями, десульфурацию прекращают, для этого перед вакуумированием снижают основность покровного шлака (CaO/SiO) с 3-12 до 1,1-1,7 присадкой прокаленного кварцевого песка в количестве 2-5 кг/т. Низкоосновный покровный шлак при обработке стали на вакууматоре будет способствовать более эффективной очистке рельсовой стали от неметаллических включений вплоть до их полного исчезновения.
При содержании серы ниже 0,008% качество рельсовой стали может снизиться по двум причинам. Во-первых, сера как поверхностно активный элемент препятствует выделению водорода в отдельную фазу и образованию флокенов в рельсовой стали. Известны случаи, когда из-за отсутствия серы на границе раздела фаз, даже при очень низком содержании водорода (0,0001%) в стали образовывались флокены. Во-вторых, очень низкое содержание серы в стали может ухудшить морфологию оставшихся в рельсовой стали неметаллических включений. В этом случае неметаллические включения становятся концентраторами напряжений и ускоряют процесс разрушения рельсов в ходе эксплуатации. Для предотвращения этого, перед вакуумированием, в сталь присаживают порошковую проволоку, содержащую серу, до содержания ее в стали 0,008-0,015%.
Данное изобретение осуществляют следующим образом.
Подготовку плавки начинают с раздувки азотом шлака с предыдущей плавки для нанесения гарнисажного покрытия на футеровку конвертера. После этого на днище конвертера оставляют шлак с предыдущей плавки в количестве 40 кг/т. Его загущают присадкой извести в количестве 30 кг/т и магнийсодержащих материалов, (например, доломит) в количестве 10 кг/т. После этого заваливают лом и заливают жидкий чугун. Шихтовку плавки в 140-тонном конвертере для обеспечения свободного борта в ковше 700-1000 мм рассчитывают на 100-110 т годной рельсовой стали.
Десульфурацию у днища конвертера начинают еще во время заливки чугуна за счет шлака, извести и магнийсодержащих материалов, лежащих на днище. Десульфурацию у днища продолжают и с началом продувки. В результате повышения температуры шлак у днища начинает плавиться и всплывать в период от 5 до 8 минут от начала продувки и процесс десульфурации проводят в объеме конвертерной ванны.
Дефосфорацию ведут на поверхности конвертерной ванны. Для этого с началом продувки и до 5-6 мин на поверхность конвертерной ванны присаживают несколькими порциями следующие материалы: известь в количестве 80 кг/т, железорудные материалы (руда, окатыши, агломерат, окалина) в количестве 30 кг/т. Для обеспечения максимальной дефосфорации в этот период продувки положение фурмы превышает сложившуюся на данный момент величину рабочего положения фурмы на 250-350 мм. После 7,5-9 минут продувку прекращают, проводят промежуточное скачивание верхнего шлака (с фосфором) и всплывшего от днища шлака (с серой) в шлаковую чашу, находящуюся под конвертером. Вспененный шлак осаживают в шлаковой чаше. В конвертере осаживать шлак запрещают во избежании рефосфорации. Содержание в металле фосфора снижают с 0,060-0,180% до 0,015-0,035%, а серы с 0,025-0,050% до 0,010-0,020%.
При возобновлении продувки десульфурацию и дефосфорацию осуществляют на поверхности конвертерной ванны. При этом в конвертер присаживают следующие материалы: известь в количестве 20 кг/т, железорудные материалы (руда, окатыши, агломерат, окалина) в количестве 5 кг/т и плавиковый шпат в количестве 10 кг/т. За 2-3 мин до прекращения продувки, во избежание рефосфорации, в конвертер присаживают железорудные материалы в количестве 0,1-1,0 от выбросов несколькими порциями не более чем по 1,0-1,5 кг/т, во избежание выбросов. За это время содержание фосфора снижают с 0,015-0,035% до 0,005-0,015%, а серы с 0,010-0,020% до 0,008-0,015%. Перед выпуском запечатывают летку с помощью легкоплавкой вставки или стального конуса. Ковш наполняют инертным газом.
Наклоняют конвертер на выпуск. После того как на летку натечет сталь, а конвертерный шлак всплывет, легкоплавкая вставка (или стальной конус) прогорают, освобождая летку, начинают выпуск стали (без конвертерного шлака) в ковш. Продувку металла инертным газом через днище ковша осуществляют на протяжении всего выпуска, при этом высокая раскислительная способность углерода обеспечивает низкое содержание кислорода в стали и эффективную десульфурацию стали на выпуске. Инертный газ, нагреваясь и поднимается вверх, защищает сталь в ковше и в струе, вытекающей из летки от кислорода атмосферы.    Перед окончанием выпуска в ковше наводят покровный шлак присадкой извести в количестве 7 кг/т и плавикового шпата в количестве 1 кг/т, а в летку конвертера сбрасывают дротик, который не позволяет конвертерному шлаку попасть в ковш. После выпуска содержание серы в стали снижают с 0,008-0,015% до 0,001-0,010%.
Таким образом, предложенный способ производства рельсовой стали в конвертере способствует снижению содержания фосфора с 0,060-0,180% до 0,005-0,015%, а серы с 0,025-0,050% до 0,001-0,010%.
2
Для прекращения десульфурации и образования сульфидных неметаллических включений в рельсовой стали после выпуска и перед вакуумированием снижают основность покровного шлака (CaO/SiO) с 3-12 до 1,1-1,7 путем присадки прокаленного кварцита песка в количестве 5 кг/т. Такой шлак при вакуумировании эффективно ассимилирует неметаллические включения и обеспечивает снижение их содержания в рельсовой стали вплоть до полного исчезновения.
Если содержание серы в металле перед вакуумированием получают меньше 0,008%, в ковш присаживают порошковую проволоку, содержащую серу, до ее содержания 0,008-0,015%.
Источники информации
1. Пат. РФ № 2139365 М кл. C22C 38/50, 1998.
2. Пат. РФ № 2233339 С1, C21C 5/52, 27.07.2004.