Активный раскислитель жидких и тугоплавких горячих и холодных шлаков
ACTIVE DEOXIDIZER OF LIQUID AND REFRACTORY HOT AND COLD SLAGS

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для обработки чугуна и стали на плавильных печах и агрегатах внепечной обработки.
Из уровня техники известна шлакообразующая смесь (патент на изобретение RU № 2572669) для непрерывной разливки стали, включающая аморфный графит, известь, алюминийсодержащие и фторсодержащие вещества, которая дополнительно содержит диоксид кремния при соотношении компонентов, мас. %
Аморфный графит
10-20
Известь
20-30
Диоксид кремния
30-40
Пылевидные отходы производства алюминия
20-30
Также известна шлакообразующая смесь для промежуточного ковша (патент на изобретение RU № 2356687), содержащая пылевидные отходы производства алюминия, диоксид кремния и пылевидные отходы производства извести, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Диоксид кремния
36-40
пылевидные отходы производства алюминия
19-23
пылевидные отходы производства извести
39-43,
при следующем химическом составе, мас.%:
С
4,0-16,0
CaO
24,0-35,0
SiO2
32,0-40,0
Al2O3
6,0-13,0
F
2,5-8,5
Na2O
2,0-8,0
К2О
0,5-4,0
и отношении CaO/SiO2=0,7-1,0.
Указанная смесь выбрана заявителем в качестве ближайшего аналога.
Технической проблемой, решаемой заявляемым решением, является создание активного раскислителя, адсорбирующего неметаллические включения и блокирующего образование окислов в расплавленном жидком металле.
Техническим результатом, обеспечиваемым при применении заявляемого состава раскислителя при выплавке чугуна и стали, является:
- повышение жидкотекучести, снижение ликвидуса (снижение температуры выпуска стали и чугуна);
- измельчение зерна в структуре стали и чугуна - модифицирование;
- сокращение времени выпуска металла из печи и сокращение времени заливки в литниковую систему при снижении давления заливки металла;
- снижение анизотропии (измельчение зерна до 4-5-6 балла), значительное снижение, либо отсутствие карбидной сетки, как следствие сокращение интервала времени термообработки (улучшение прокаливаемости и закаливаемости стали), глубокое рафинирование жидкого металла;
- повышение механических свойств готовой продукции из чугуна и стали, полученных с использованием заявляемого состава;
- повышение плотности стали и чугуна на 3-4% - повышение поверхностного натяжения, как следствие, снижение окисления жидких сплавов;
- очистка футеровки печи и ковша: раскисление шлаковых железистых настылей;
- осушение растворенных жидких шлаков по всему объему жидкого металла (глубинная очистка металла);
- снижение линейной усадки, позволяет значительно уменьшить литниковую систему;
- комплексное снижение брака и увеличение выхода годного металла;
- возможность снизить нормы расхода либо исключить применение модификаторов для измельчения зерна, алюминия, ферротитана, силикокальция, карбида кремния;
- повышение процента усвоения ферросплавов (за счет снижения степени окисления жидкой стали), активное раскисление шлака через восстановление элементов из шлака;
- продление срока службы футеровки печь-ковшей и футеровки печей (увеличение от 20% до 150% в зависимости от типа футерованных масс) и снижение зашлакованности стенок и сокращение времени на внепечную обработку стали;
- сокращение времени расплава шихты до 25% за счет уменьшения содержания оксидных неметаллических включений;
- снижение затрат на электроэнергию (10-11%);
- снижение процента угара шихты (повышается выход жидкого металла на 30-60 кг на тонну).
Для достижения заявленного технического результата предлагается активный раскислитель жидких и тугоплавких горячих и холодных шлаков в печи, содержащий порошок диоксида кремния, который согласно заявляемому изобретению представляет собой смесь следующих компонентов, мас.%:
2
SiO - не менее 80%;
2
3
AlO - не более 5%;
2
3
FeO - не более 5%;
CaO - не более 5%;
MgO - не более 2%;
Прочие - не более 3%.
Заявляемое соотношение компонентов подобрано опытным путем.
2
2
3
2
3
При этом в случае уменьшения содержания SiOниже 80% и/или увеличение содержания AlO свыше 5%, и/или увеличение содержания FeO свыше 5%, и/или увеличение содержания CaO свыше 5%, и/или увеличение содержания MgO свыше 2% будет снижаться физико-химическая активность активного раскислителя шлаков.
Активный раскислитель никаким образом не изменяет химический состав сплавов. Химические элементы из активного раскислителя не восстанавливаются в расплав. Заявляемый состав активного раскислителя.
Активный раскислитель может применяться со всеми существующими модификаторами, лигатурами, ферросплавами, науглераживателями, солями. Совместное применение носит экономический эффект и повышает физико-механические свойства готовых металлических изделий через повышение усвоения элементов.
Основными принципами действия заявляемого активного раскислителя является следующее:
- заявляемый состав является сверхактивным по отношению к неметаллическим включениям: отбирает кислород, собирает неметаллические включения и объединяет их в глобулярные частицы малой плотности, которые очень быстро всплывают;
- создается высокая поверхностная энергия (Wпов) на границах между средами (металл-шлак);
- образуются границы между средами (металл-шлак);
- снижаются газов в расплаве с обеспечением вакуумирование без вакууматора;
- температура расплава должна быть меньше критической температуры для сохранения высокой поверхностной энергии.
Процесс превращения оксидов в элементы или перевод высших оксидов в низшие происходит путем отнятия от них кислорода при помощи активного раскислителя, обладающий большим сродством к кислороду, чем восстанавливаемые элементы.
Упругость диссоциации оксида металла растет с повышением температуры. Оксид, имеющий меньшую упругость диссоциации, более прочен, а образующее его вещество обладает большим сродством к кислороду, и поэтому способно отнять кислород от оксида восстанавливаемого металла. Таким образом, восстановителем может быть любой элемент, упругость диссоциации оксида которого меньше упругости диссоциации восстанавливаемого оксида.
Располагая оксиды по возрастающей величине сродства металла к кислороду, получим ряд:
2
3
2
5
2
3
CuO, NiO, MoO, FeO, PO, ZnO, MnO, AlO, MgO, CaO, заявляемый активный раскислитель,
из которого видно, что железо может быть восстановителем для меди, а для железа восстановителями могут быть цинк, марганец, фосфор, магний, алюминий, кальций, заявляемый активный раскислитель. Чем дальше в этом ряду стоят друг от друга оксиды, тем энергичнее будет реакция восстановления.
Заявляемый состав при низких температурах коагулирует неметаллические включения, в том числе идет корректировка по фосфору при добавлении FeO (окатыши или окалину) в завалку, так как наш материал является активным.
При добавлении СаО в завалку также формируется CaS, что влечет к корректировке серы тоже на низких температурах.
Молекулярный водород соединяется с заявляемым активным раскислителем, посредством этого идет снижение концентраторов напряжения в металле.
Структура шлака получается рыхлая, рассыпчатая на высокоуглеродистых (выше 0,3%) сплавах, происходит смещение системы окисления, в процессе всей плавки раскислитель препятствует окислению железа и на этапе полного расплава FeO в шлаках его количество составляет не более 2% (этот эффект позволяет не наводить высокую основность шлака - шлаки сухие и агрессивного воздействия на футеровку не производят). Угол смачивания на границе расплав-футеровка более 90 градусов (высокая поверхностная энергия), смачиваемость футеровки снижается в следствие чего понижается взаимодействие кислых и основных оксидов, снижается адгезия.
На этапе расплава шихты получается высокая плотность металла с минимальным содержанием кислорода (плотность повышается на 4-5%), через повышение плотности растет ферростатическое давление расплава - снижается способность атмосферного давления насыщать расплав газами (принцип вакуумирования, но без вакууматора), что позволяет производить расплав шихты на более низкой температуре и как следствие ведет к снижению времени плавки и снижению расхода электроэнергии.
Поскольку окисление происходит минимально, значительно снижается угар ферросплавов.
Так как на выходе благодаря применению активного раскислителя получается чистый расплав, происходит снижение ликвидуса на 30-60 градусов (по каждой марке стали свое значение). Снижение ликвидуса ведет к снижению интервала кристаллизации зерна, и как следствие зерно не успевает вырасти. По результатам испытаний заявляемого состава на ряде предприятий было получено зерно 6 баллов без принудительного рафинирования и добавления модификаторов для измельчения зерна.
Применение заявляемого состава позволяет увеличить интервал жидкоподвижности металла в ковше.
Заявляемый состав при своих преимуществах не влияет на химический состав расплава по всем значениям, включая углерод, и позволяет снизить расход ферросплавов через повышение коэффициента усвоения.
Применение заявляемого активного раскислителя возможно на плавильных печах и агрегатах внепечной обработки:
- дуговые сталеплавильные печи (переменного и постоянного тока) - тип футеровки: основная, кислая, нейтральная;
- внепечная обработка - агрегат ковш-печь - тип футеровки: основная, кислая, нейтральная;
- индукционные печи - тип футеровки - кислая, основная, нейтральная;
- чугуновозы, сталеразливочные, литейные - промежуточные ковши;
- литейные прибыли для стальных и чугунных отливок;
- нагревательные, отражательные, газовые печи.
Заявляемый активный раскислитель на дуговые сталеплавильные печи переменного и постоянного тока и индукционные плавильные печи переменного тока применяется следующим образом:
Норма расхода раскислителя составляет от 0,8 до 1,2% на массу жидкого металла.
1. Активный раскислитель подается в начале плавки в количестве от  3 до 5 кг/т жидкого металла.
2. После снятия первичного шлака - в количестве от 1 до 2 кг/т жидкого металла (после КИП процесса в дуговых печах, в индукционных  печах шлак снимается при расплаве на 70-80%).
3. После корректировки ферросплавами на восстановительный период - в количестве от 2  до 3 кг/т жидкого металла (дуговые печи: активный раскислитель отдается на шлак без включения дуги - время раскисления шлака 5-10 мин, индукционные печи: раскисление шлака достигается механическим перемешиванием шлаковых масс до запуска реакции диффузионного раскисления стали и чугуна).
4. При выпуске металла из плавильного агрегата в промежуточный ковш - в количестве от 1 до 2 кг/т жидкого металла.
Заявляемый активный раскислитель на агрегат ковш-печь применяется следующим образом:
Норма расхода раскислителя составляет от 0,2 до 0,3% на массу жидкого металла.
1. В начальный период обработки во время наведения шлака задается 1 кг/т жидкого металла. Далее осуществляется присадка порционно в 3-4 приема, интервал 1-1,5 мин.
2. После наведения шлака задается 0,6 кг/т жидкого металла. Присадка порционно в 3-4 приема, интервал 1-1,5 мин.
3. Во время присадок на шлак материалов для его раскисления и поддержания жидкоподвижности присаживают 0,4 кг/т жидкого металла. Присадка осуществляется порционно в 3-4 приема, интервал 1-1,5 мин.
Заявляемый активный раскислитель был опробован при варке следующих марок СЧ15, СЧ20, ВЧ40, ВЧ60, ВЧ80, 110Г13Л, 20Л, 20ГЛ, 35ХМЛ, 08Г2С, ЧХ16М2, ЧХ28Д2, ЧС17, 10Х17Н13М2.
Смесь активного раскислителя готовилась смешиванием следующих компонентов, мас.%:
2
SiO - не менее 80%;
2
3
AlO - не более 5%;
2
3
FeO - не более 5%;
CaO - не более 5%;
MgO - не более 2%;
Смесь активного раскислителя присаживалась в плавильные печи в процессе выплавки стали в количестве 8-10 кг на тонну жидкого металла, после чего производился выпуск металла из плавильной печи в сталеразливочных ковш.