ФЛЮС ДЛЯ РАСКИСЛЕНИЯ, РАФИНИРОВАНИЯ, МОДИФИЦИРОВАНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ
FLUX FOR REDUCING, REFINING, MODIFYING AND ALLOYING STEEL

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для их раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования как при внепечной обработке стали, так и в процессе разливки.
Из уровня техники известны флюсы для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, описанная в патенте RU 2252265 С1, кл. C21C 7/06, опубл. 20.05.2005. Известная смесь содержит алюминий, оксиды алюминия, оксиды кальция, магния, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия. Соотношение компонентов в известном брикете следующее, мас.%: алюминий 5,0-83, оксид алюминия 2,5-75, оксид кальция 0,5-10, оксид магния не более 8, оксид железа не более 15, оксид меди не более 2, оксид титана не более 7, оксид марганца не более 12, оксиды натрия и/или калия 5-7.
Недостатком известной смеси следует считать трудоемкость и дороговизну изготовления, дополнительные затраты на сплавление.
Задачей настоящего изобретения является снижение себестоимости стали путем полной или частичной замены стандартных дорогостоящих раскислителей и лигатур на флюс для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, и снижение антропогенного воздействия на атмосферу, почву и грунтовые воды за счет ликвидации шлаковых отвалов и вовлечения вновь образующихся отходов в производственные процессы.
По официальной статистике в мире ежегодно образуется около четырех миллионов тонн «белых» алюминиевых шлаков с низким содержанием солей или полным их отсутствием и около пяти миллионов тонн так называемых «черных» или солевых отвальных шлаков. Значительная часть солевых шлаков ежегодно попадает в отходы и захоранивается. При открытом захоронении шлаки под воздействием атмосферных осадков разлагаются, выделяя токсичные газы. Соли натрия, калия и тяжелых металлов постепенно вымываются дождевыми и талыми водами, попадая в почву, загрязняя ее и грунтовые воды. Особую опасность представляет мелкодисперсная пылевая фракция шлаков, распыляемая воздушными потоками на десятки километров вокруг отвалов, загрязняя водоемы, атмосферу, почву, нанося вред человеческому здоровью.
Подобная экологически опасная «технология захоронения» подразумевает под собой утилизацию, т.е. безвозвратную потерю по всей России около 200 тыс. тонн в месяц ценнейшего сырья, содержащего алюминий.
Для решения поставленной задачи в качестве флюса для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали используют шлак алюминиевого производства, который содержит основные компоненты: алюминий 1,0-60,0 мас.% и оксиды алюминия 1,0-50,0 мас.%, а также оксид кальция, оксид магния, оксид железа, оксид кремния, оксид меди, оксид марганца, оксид цинка, оксид свинца, оксид хрома, оксид никеля, хлориды натрия, хлориды калия и другие соединения, характерно присутствующие в шлаках от алюминиевого производства.
Содержащие алюминий шлаки образуются при производстве первичного алюминия, при изготовлении алюминиевых сплавов и производстве изделий из них, а также при переработке лома и отходов алюминия. Получаемый в разных производствах и на разных предприятиях шлак различается по содержанию алюминия, оксида алюминия. В шлаках, как правило, содержится от 5 до 60% алюминия в различных формах, от свободного металла до оксидов. Наиболее богатыми по процентному содержанию алюминия являются так называемые всплески и съемы, образующиеся при выплавке алюминия в отражательных печах.
Химический состав шлаков зависит от химического состава перерабатываемого сырья. Содержание алюминия напрямую зависит от технологии переработки и оборудования. Чем высокотехнологичнее плавильный процесс и оборудование, тем ниже содержание алюминия в шлаке.
Шлак алюминиевого производства после слива из печи, охлаждения и определения химического состава подвергают дроблению и сепарации. Шлак фракцией 10-500 мм может быть использован в качестве флюса в кусковом виде. Мелкую фракцию (отсевы фракцией -2 мм) спекают или прессуют с получением брикетов с размерами 10-120 мм.
В случае несоответствия шлака по химическому составу техническим требованиям шлак измельчают до фракции -10 мм, посредством подбора и смешивания измельченного шлака разных партий получают шихту требуемого химического состава, которую спекают или прессуют с получением брикетов с размерами 10-120 мм.
Следуя данному технологическому регламенту, перерабатывают и отвальные шлаки.
Химический состав алюминиевых шлаков, %:
алюминий
1,0-60,0
оксид алюминия
1,0-50,0
оксид кальция
0,28-1,0
оксид магния
1,0-10,0
оксид железа
1,0-9,0
оксид кремния
1,0-16,0
оксид меди
0,1-10,0
оксид марганца
0,1-2,0
оксид цинка
0,2-12,0
оксид свинца
0,01-0,15
оксид никеля
0,01-0,15
оксид хрома
0,05-0,5
хлориды натрия
0,1-40,0
хлориды калия
0,1-40,0
Флюс для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали был опробован при выплавке сталей на сталеплавильных агрегатах мартеновских, кислородно-конверторных и электросталеплавильных производств.
Пример №1. Мартеновское производство.
2
3
Применялся кусковой флюс фракцией +150-450 мм с содержанием Al 8-12%, AlO 20-30%.
Основной целью испытаний являлась проработка возможности экономии ферросплавов и передельного чугуна за счет технологии применения флюса.
На опытных плавках с применением технологии предварительного раскисления флюсом выплавлялась сталь 40ГР (в последствии все спокойные марки стали углеродистого и низколегированного металла). Все опытные плавки подвергались продувке в ковше. При статистической обработке этих плавок было обращено внимание на практические стороны проведения новой технологии: необходимое содержание углерода перед раскислением, шлаковый режим, равномерность содержания марганца по высоте ковша.
Из результатов отработки этих плавок получено, что при применении флюса среднее содержание углерода перед раскислением соответствовало среднему содержанию его в ковшовой пробе. При обычном раскислении происходит прирост содержания углерода на 0,03%. Гарантией стабильного попадания в заданный химсостав по углероду являлось успокоение ванны на весь период раскисления. Если ванна начинала «подкипать», своевременно добавлялся флюс.
При проведении опытных плавок с использованием флюса расход силикомарганца на плавку сокращается на 2,3-3,0 кг/тн. Коэффициент усвоения марганца при этом повышается с 70% до 84%.
Как отмечалось выше, опытный метод предварительного раскисления флюсом был опробован на всех марках спокойного углеродистого и низколегированного металла. Результаты получены аналогичные, как и на стали 40ГР.
Отмечено, что при раскислении флюсом хромистых и хромомарганцовистых сталей разливаемость металла улучшилась за счет формирования в период раскисления более гомогенного и высокотемпературного печного шлака, содержащего меньше окислов железа. Это способствовало более полному усвоению хромистых ферросплавов, чем при обычном раскислении. Эвакуация шлака из печи после выпуска металла не вызывала затруднений, металл в ковшах надежно закрывался шлаком, что значительно снизило потери температуры металла в процессе разливки.
Пример №2. Кислородно-конвертерное производство.
2
3
Применялся флюс в кусках и брикетах фракцией 10-60 мм с содержанием Al 8-12%, AlO 20-30%.
Флюс был закантован в бункера вертикального тракта, откуда присаживался в конвертер во время завалки. Целью использования флюса являлось улучшение процесса шлакообразования в начале продувки и улучшение теплового баланса плавки. Весь материал присаживался одной порцией в завалку. Расход флюса в среднем составлял 1,2 тн на плавку. Для шлакообразования использовались известь и ожелезненный доломит. На опытных плавках был уменьшен расход кокса, который также используется в ККЦ для улучшения теплового баланса плавки и уменьшения окисленности металла и шлака, плавиковый шпат на плавках не применялся.
После окончания продувки отбирались пробы металла и шлака, из которых видно, что рафинирующая способность шлака осталась на требуемом уровне. Плавки протекали ровно, без выбросов металла и шлака.
После обработки результатов опытных плавок было отмечено:
- Улучшилось шлакообразование в начале продувки, что позволило уменьшить настылеобразование на продувочной кислородной фурме.
- Ускорилось растворение магнийсодержащих материалов, тем самым обеспечивая повышение стойкости футеровки.
- Ускорилось образование основного жидкоподвижного конвертерного шлака, что улучшило условия десульфурации и дефосфорации металла.
- Улучшился тепловой баланс плавки, что позволило увеличить количество металлического лома и снизить расход жидкого чугуна.
Пример №3. Электросталеплавильное производство.
2
3
Применялся флюс в брикетах фракцией 10-60 мм. Al 18-22%, AlO 30-38%. Флюс использовался для раскисления и разжижения шлака в начальный период внепечной обработки вместо гранулированного алюминия и плавикового шпата в стальковшах в количестве 1,6-2,6 кг/тн. Материал присаживался через тракт сыпучих материалов и ферросплавов. В качестве основного критерия оценки применения нового материала в технологическом процессе внепечной обработки использовалась скорость десульфурации. Средняя скорость десульфурации на плавках с использованием флюса выше на 0,0002%/мин, чем на плавках, где в качестве разжижителя и раскислителя использовались шпат и гранулированный алюминий.
Химический состав проб шлака, отобранных в конце внепечной обработки плавок с использованием флюса, представлен в таблице 1.
Таблица 1
№ пп
№ плавки
Массовые доли, %
MnO
SiO<sub>2</sub>
CaO
MgO
FeO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO/SiO<sub>2</sub>
1
234158
0,16
21,07
47,74
6,06
0,94
12,76
2,26
2
234159
0,19
22,79
44,93
10,61
0,89
8,8
1,97
3
234160
0,15
20,32
49,14
10,08
0,89
12,76
2,41
4
234161
0,15
18,78
49,14
12,01
0,98
8,93
2,61
Анализ данных таблицы показывает, что применение флюса позволяет оптимизировать шлаковый режим при внепечной обработке в сторону снижения основности шлака и, следовательно, в сторону увеличения его рафинировочной способности.
Таблица 2
№ плавки
№ ручья и заготовки
Балл по HB
Классификация НВ
234158
1-2
0,5
0,5
1
1
1
1
Сульфиды
0,5
0,5
1
1
0,5
0,5
Оксиды
2
1
0,5
0,5
1
2
Силикаты
234159
4-2
0,5
1
0,5
1
0,5
0,5
Сульфиды
0,5
0,5
0,5
0,5
1
2
Оксиды
1
0,5
1
0,5
0,5
0,5
Силикаты
234160
1-2
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1
Сульфиды
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Оксиды
1
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Силикаты
4-2
0,5
0,5
0,5
1
0,5
0,5
Сульфиды
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Оксиды
0,5
2
1
0,5
0,5
0,5
Силикаты
234161
3-2
0,5
0,5
1
1
0,5
1,5
Сульфиды
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Оксиды
1
1
0,5
1,5
1
0,5
Силикаты
1-2
0,5
0,5
0,5
0,5
1
1
Сульфиды
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Оксиды
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1,5
Силикаты
Из данных результатов контроля неметаллических включений в металле плавок, произведенных с использованием флюса, указанных в таблице 2, следует, что во всех образцах балл по неметаллическим включениям, в том числе балл по силикатам соответствовал требованиям стандарта предприятия на непрерывно-литую заготовку.
Анализ полученных результатов показал, что при использовании флюса для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, предусмотренного изобретением за счет эффективного раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования, повышается качество стали, снижается ее себестоимость, появилась возможность снизить антропогенное воздействие на атмосферу, почву и грунтовые воды путем использования в технологических процессах черной металлургии как вновь образующихся алюминиевых шлаков, так и извлекаемых из существующих отвалов и захоронений.