СПОСОБ ВЫПЛАВКИ И ВАКУУМИРОВАНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR MELTING AND DEGASSING RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства рельсовой стали в дуговых электропечах с применением вакуумирования.
Известны железнодорожные рельсы низкотемпературной надежности, изготавливаемые из перлитных сталей с карбонитридным упрочнением [1]. Данные рельсы используют в районах Сибири и Дальнего Востока, где температура достигает минус 35°С и ниже.
Необходимые свойства таких сталей достигаются за счет легирования стали азотом и ванадием, измельчающих зерно и увеличивающих ударную вязкость стали при отрицательных температурах. Обычно для легирования стали ванадием и азотирования стали применяют азотированные ферросплавы. Однако производство сплавов азотированного феррованадия сопряжено с высокими затратами, они дорогостоящи и при введении их в сталь степень усвоения азота низка.
3
3
3
Известен также выбранный в качестве прототипа способ получения рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома и извести, расплавление металлолома, заливку жидкого чугуна, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, последующий выпуск стали в ковш, присадку в ковш во время выпуска шлакообразующей смеси и ферросплавов, отличающийся тем, что сталь и шлак в печи не раскисляют, выпуск производят с отсечкой печного шлака с оставлением в печи 10-15% жидкого металла от массы плавки, присаживают в ковш на выпуске шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата в соотношении (0,8-1,2):(0,2-0,5) с расходом 10-17 кг/т стали, а также кремний- и марганецсодержащие ферросплавы из расчета введения в сталь до 0,15% кремния и до 0,75% марганца, далее сталь обрабатывают на агрегате типа "печь-ковш" введением в ковш последовательно до требуемых концентраций марганца, кремния, углерода, ванадия и кальция, причем при введении осуществляют продувку стали через донную пористую фурму азотом с расходом до 65 нм/ч при общем количестве введенного газообразного азота не более 20 нм до содержания 0,020% азота, окончательную продувку проводят аргоном с расходом до 65 нм/ч [2].
Техническими недостатками данного способа являются:
- нестабильное усвоение азота при продувке и получение различных значений ударной вязкости при прочем равном химическом составе;
- повышенный уровень загрязненности рельсовой стали оксидными неметаллическими включениями в связи с использованием азота недостаточной степени чистоты по концентрации кислорода;
- снижение механических свойств рельсов в связи с высокой концентрацией в рельсовой стали оксидных неметаллических включений;
- низкая производительность при азотировании.
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 [3].
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, способствующему 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 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 [4].
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.
о
о
1
2
атм
Известен также способ азотирования металлических расплавов [5], при котором расплав продувают азотом через донные пористые элементы под давлением Р, определяемым по формуле Р=P+P-Р,
1
где P - оптимальное давление продувки расплава азотом при атмосферных условиях в ковше, помещенном в вакуумную камеру;
2
Р - давление азота в рабочем пространстве вакуумной камеры;
атм
Р - атмосферное давление, причем по окончании процесса азотирования расплав подвергают вакуумной обработке в течение 4-5 мин при давлении в камере 200-500 мм рт.ст. с одновременной продувкой его инертным газом или азотом через донные элементы ковша.
Техническими недостатками данного способа азотирования металлических расплавов являются:
- низкая степень дегазации по снижению концентрации кислорода и водорода из-за незначительной (4-5 мин) длительности вакуумной обработки;
- низкие механические свойства стали в связи с высоким содержанием кислорода и, соответственно, повышенной загрязненностью стали оксидными неметаллическими включениями;
- высокая продолжительность операции насыщения металла азотом из- за нерационального режима, включающего значительную длительность продувки расплава азотом и незначительную (или отсутствие вообще) продувку расплава азотом непосредственно при операции вакуумирования;
- не определены оптимальные удельные расходы и интенсивность продувки азотом при азотировании расплава.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение затрат и продолжительности обработки стали при карбонитридном упрочнении, уменьшение концентрации кислорода в стали и уровня загрязненности стали неметаллическими включениями, повышение механических свойств рельсов.
3
3
3
3
3
Для этого предложен способ выплавки и вакуумирования рельсовой стали, включающий выплавку металла в дуговых электропечах, выпуск стали из печи в ковш с отсечкой печного шлака, присадку в ковш шлакообразующей смеси и ферросплавов, доводку стали на агрегате «ковш-печь», в котором при выпуске стали из печи сталь в ковше продувают азотом через пористые фурмы с расходом 0,004-0,014 м/тонну стали и интенсивностью 5-15 м/ч, в кош присаживают известь в количестве 4-8 кг/т стали с обеспечением высоты шлака в ковше 80 - 140 мм, кремний- и марганецсодержащие ферросплавы присаживают из расчета на средний предел содержания их в готовой стали, проводят доводку стали на агрегате «ковш-печь» до температуры 1600-1630°С и получения требуемого химического состава по углероду, марганцу, кремнию и ванадию введением необходимых углерод-, марганец-, кремний- и ванадийсодержащих лигатур и ферросплавов и производят продувку стали в ковше-печи азотом через донные пористые фурмы с расходом 8-20 м/ч; после чего осуществляют обработку стали на вакууматоре камерного типа при давлении менее 0,3 Торр, причем вакуумную обработку проводят при непрерывной продувке через пористые фурмы азотом с интенсивностью 5-25 м/ч и расходом 0,01-0,30 м/т стали при общей продолжительности обработки 15-60 минут.
Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.
3
3
3
3
3
3
Продувка стали азотом через пористые фурмы с расходом 0,004-0,014 м/тонну и интенсивностью 5-15 м/ч выбраны исходя из следующих предпосылок. При снижении расхода менее 0,004 нм/тонну выплавляемой стали и интенсивности менее 5 м/ч происходит снижение скорости насыщения стали азотом. При повышении расхода более 0,014 нм/т и интенсивности продувки стали азотом более 15 нм/ч на тонну выплавляемой стали происходит интенсивное вспенивание стали и шлака в ковше, что затрудняет обработку в связи с выплесками стали и шлака из ковша.
При присадке извести в ковш менее 4 кг/т стали, что соответствует высоте шлака в ковше менее 80 мм, низкая высота шлака не обеспечивает защиту металла от поглощения газов из атмосферы. Присадка же извести в количестве более 8 кг/т стали, что соответствует высоте шлака более 140 мм, при дальнейшей обработке на вакууматоре увеличивает продолжительность обработки.
Кремний- и марганецсодержащие ферросплавы вводят из расчета на средний предел содержания в готовой стали с целью снижения длительности обработки на агрегате «ковш-печь».
При нагреве стали на агрегате «ковш-печь» до температуры менее 1600°С дальнейшая обработка на вакууматоре, приводящая к снижению температуры, не позволяет проводить разливку стали на МНЛЗ из-за низких температур, что требует повторного дополнительного нагрева на агрегате «ковш-печь». При температуре более 1630°С температура после обработки на вакууматоре получается высокой для разливки стали на МНЛЗ, что требует дополнительной выдержки в ковше для охлаждения.
Для доведения химического состава вводят соответствующие лигатуры и ферросплавы на агрегате «ковш-печь».
3
С целью насыщения стали азотом при обработке осуществляют продувку стали азотом через пористые фурмы с расходом 8-20 м/ч. При расходе ниже нижнего заявляемого предела насыщение стали незначительно и нагрев стали затруднен. При расходе выше верхнего заявляемого предела происходят выбросы металла и шлака из ковша, что приводит к аварийным ситуациям на агрегате «ковш-печь».
3
3
Для успешной дегазации обработку стали на вакууматоре производят при давлении менее 0,3 Торр. Причем интенсивность продувки азотом менее 5 м/ч и расход ниже 0,01 м/т значительно увеличивают длительность обработки на вакууматоре, при этом насыщение стали азотом незначительно. При интенсивности продувки через пористые донные фурмы азотом с интенсивностью более 25 м /ч и расходом более 0,30 м /т наблюдаются значительные технологические выплески металла и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы, кроме того, насыщение стали азотом достигает значений выше требуемых содержаний в рельсовой стали.
Продолжительность обработки выбрана исходя из условий: при обработке менее 15 мин не удается провести требуемую дегазацию стали, продолжительность обработки более 60 мин не требуется в связи с достижением требуемых значений содержания газов при заявляемом условии при ранней длительности.
3
3
3
3
3
Заявляемый способ выплавки стали был реализован при производстве рельсовой стали марок Э76Ф, НЭ76Ф в дуговых электросталеплавильных печах типа ДСП 100И10 с обработкой на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD. На остаток металла и шлака в печи заваливался металлолом и заливался жидкий чугун. Окисление углерода проводили продувкой стали в печи газообразным кислородом через систему газокислородных горелок фирмы BSE. При достижении требуемого содержания углерода и температуры проводили выпуск плавки с отсечкой печного шлака. При выпуске стали в ковш присаживали необходимые ферросилиций ФС65 и силикомарганец МнС17 и известь 400-900 кг. В ковш наливали 90-120 т стали. При выпуске осуществляли продувку азотом с расходом 0,004-0,014 м/тонну стали и интенсивностью 5-15 м/ч. Дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводили на агрегате типа "ковш-печь". Высота шлака в ковше составляла 80-140 мм. Обработку проводили введением необходимых ферросплавов и лигатур: ферросилиция ФС65, ФС75; ферромарганца, силикомарганца, порошка кокса - до получения требуемых содержаний элементов по ГОСТ Р 51685-2000. Нагрев проводили до температуры 1600-1630°С. За время обработки проводили продувку через донные пористые фурмы с расходом 8-20 м/ч. Далее сталь в ковше передавалась на вакууматор камерного типа VD. Перед созданием разряжения ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку азотом через пористые донные фурмы с интенсивностью 5-25 м/ч и расходом 0,01-0,30 м/т стали. Далее надвигалась крышка вакууматора и в течение до 5 мин создавалось давление менее 0,3 Торр. Длительность выдержки под вакуумом составляла 15-60 мин. После операции обработки вакуум снимался, открывалась крышка и ковш подавался на непрерывную разливку. Разливку стали проводили на 4-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа Р65.
2
2
При использовании заявляемого способа снижен расход азотированных ванадийсодержащих ферросплавов в среднем на 0,6 кг/т выплавляемой стали. Содержание кислорода снижается до менее 20 ррm, водорода - менее 2 ррm, содержание азота поддерживается в пределах 100-250 ррm. Длина строчки оксидных включений сокращена с 1,5 мм до 0,5 мм. Ударная вязкость термоупрочненных рельсов увеличена с 25 Дж/см до 45 Дж/см.
Литература
1. Козырев Н.А., Павлов В.В., Годик Л.А., Дементьев В.П. Железнодорожные рельсы из электростали. - Новокузнецк - 2006. - 388 с.
2. Патент РФ №2254380, кл. С21С 7/00, 5/52.
3. Патент РФ №2235790, кл. С21С 5/52, 7/07.
4. А.с. №968078, кл. С21С 7/10.
5. А.с. №1803434, кл. С21С 7/10.