СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства рельсовой стали в дуговых электропечах с применением вакуумирования.
3
Известен выбранный в качестве прототипа способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление металлошихты, окислительный период, отсечку печного шлака и части металла при выпуске, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси и раскислителей, обработку плавки на агрегате типа «ковш-печь» с присадкой ферросплавов, отличающийся тем, что окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода не менее 0,15%, в ковш в качестве твердой шлакообразующей смеси и раскислителей присаживают известь, силикомарганец, кокс при соотношении (0,4-0,7):(0,75-1,0):(0,15-0,30) соответственно, в количестве 1,3-2,0% от массы жидкой стали, перед вводом ферросплавов на агрегате типа « ковш-печь» в ковш присаживают кокс в количестве 0,4-0,6% от массы жидкой стали и осуществляют продувку инертным газом с расходом 15-25 нм/ч в течение 15-30 минут [1].
Техническими недостатками данного способа являются:
- высокое содержание кислорода в связи с низкой раскисляющей способностью присаживаемых ферросплавов;
- высокий расход ферросплавов в связи с повышенным содержанием кислорода в стали;
- высокий уровень неметаллических включений эндогенного типа вследствие повышенного содержания кислорода в стали;
- высокое содержание водорода вследствие отсутствия операции вакуумной дегазации.
3
Известен также способ выплавки рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома, чугуна и извести, расплавление металлошихты, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию путем присадки железной руды и извести, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, раскисление стали и шлака в печи, последующий выпуск стали под печным шлаком в ковш, присадку в ковш во время выпуска смеси, состоящей из извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия, отличающийся тем, что в завалку дополнительно присаживают железную руду в количестве 4-5% от веса завалки, известь подают в количестве 4-8% от веса завалки, чугун присаживают в виде жидкого чугуна, который заливают сверху в печь после проплавления металлолома при расходе электроэнергии 220-320 кВт·ч/т металлолома в количестве 30-35% от веса завалки со скоростью 6-12 т/мин, при этом газообразный кислород подают с расходом 15-30 нм/т стали, а температуру в печи при окислении углерода поддерживают не более 1680°С, железную руду и известь для дефосфорации присаживают с расходом 70-120 кг/т стали в соотношении, соответственно, (1-2):(2,5-3,5) с последующим спуском окислительного шлака, а расход присаживаемой в ковш во время выпуска стали смеси поддерживают в пределах 18-27 кг/т стали при соотношении в ней извести, плавикового шпата, силикокальция и феррованадия (1-1,50):(0,30-0,40):(0,50-0,65):(0,07-0,15) соответственно [2].
Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:
- значительная длительность плавки в связи с необходимостью раскисления стали и шлака в печи, а также с разведением операций загрузки металлолома и заливки жидкого чугуна во временном интервале,
- высокие расходы электроэнергии и электродов, связанные с повышенной длительностью плавки,
- высокий «угар» ферросплавов и легирующих в связи с повышенной окисленностью печного шлака и присадкой значительного количества ферросплавов в печь,
- пониженные физико-механические свойства стали из-за повышенного уровеня загрязненности стали неметаллическими включениями экзогенного характера.
- высокое содержание водорода вследствие отсутствия операции вакуумной дегазации.
3
Известен способ выплавки и вакуумирования стали, преимущественно подшипниковой, включающий выплавку металла, обработку рафинировочным шлаком, вакуумом, отличающийся тем, что с целью повышения качества стали за счет снижения загрязненности сульфидными включениями при сохранении на прежнем уровне загрязненности по оксидам и глобулям, снижения тепловых потерь за счет сокращения продолжительности обработки, 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 - 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 [3].
Существенными недостатками данного способа выплавки рельсовой стали являются:
- наличие выбросов металла и шлака из сталеразливочного ковша при выпуске нераскисленного металла в ковш, что приводит к возникновению аварийных ситуаций;
- отсутствие возможности азотирования стали вследствие использования в качестве продувочного газа аргона.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются:
Снижение концентрации кислорода и водорода в стали, уменьшение степени загрязненности неметаллическими включениями, снижение расхода ферросплавов, повышение комплекса физико-механических свойств рельсовой стали, снижение длительности плавки стали.
3
3
3
3
3
Для этого предложен способ производства рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и науглероживателя, расплавление, окислительный период, выплавку стали с оставлением части металла в печи, отсечку шлака при выпуске, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш во время выпуска коксовой мелочи, твердой шлакообразующей смеси и раскислителей, обработку стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре, отличающийся тем, что в качестве науглероживателя используется твердый чугун в количестве 15-55% от веса завалки, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода 0,15-0,65%, в ковш присаживают коксовую мелочь в количестве 0,1-0,8% от массы жидкой стали, известь в количестве 3-8 кг/т стали и сплавы марганца из расчета введения марганца на 0,7%, при выпуске стали из печи осуществляют продувку в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 0,003-0,020 м/тонну стали и интенсивностью 3-20 м/ч, обработку стали на агрегате «ковш-печь» проводят до температуры 1590-1650°С и получения требуемого по углероду, марганцу, кремнию и ванадию химического состава введением необходимых углерод-, марганец-, кремний- и ванадийсодержащих лигатур и ферросплавов, причем при обработке производят продувку стали в ковше инертным газом через донные фурмы с расходом 6-25 м/ч; обработку на вакууматоре камерного типа осуществляют при давлении менее 0,3 торр, причем обработку проводят при непрерывной продувке через донные фурмы азотом с интенсивностью 3-30 м/ч и расходом 0,01-0,35 м/т стали при общей продолжительности обработки 10-65 минут
Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.
Количество твердого чугуна в количестве 15-55% от веса завалки выбрано исходя из получения в стали необходимой концентрации углерода, при использовании твердого чугуна менее 15% от массы завалки не удается получить требуемые для рельсовой стали концентрации остаточных элементов (хрома, никеля и меди), и получаемая концентрация углерода при расплавлении не позволит провести усиленную дегазацию стали и удаление неметаллических включений при повышенном расходе кислорода, а использование твердого чугуна в количестве более 55% от массы завалки приводит к повышенной концентрации углерода при расплавлении и увеличению длительности плавки в связи с необходимостью окисления «избыточного» углерода стали.
Содержание углерода выбрано исходя из того, что при понижении концентрации углерода менее 0,15% значительно возрастает содержание кислорода в стали и необходима длительная обработка стали на агрегате типа «ковш-печь» с целью снижения содержания кислорода и науглероживания. При увеличении концентрации углерода более 0,65% возможно в результате науглероживания мелочью кокса получение концентрации углерода значительно выше определенных государственными стандартами, а также снижается степень дефосфорации стали.
Присадка в ковш коксовой мелочи в количестве менее 0,1% от массы жидкой стали не позволяет получить низкие требуемые концентрации кислорода и высокие концентрации азота (так как кокс содержит некоторое количество азота в своем составе), а при присадке коксовой мелочи более 0,8% от массы жидкой стали возможно получение содержания углерода выше верхнего предела содержания его в готовой стали.
3
3
3
3
Продувка стали инертным газом через донные фурмы с расходом 0,003-0,020 м/тонну и интенсивностью 3-20 м/ч выбрана исходя из следующих предпосылок. Снижение расхода менее 0,003 нм/тонну выплавляемой стали и интенсивности менее 3 м/ч не обеспечивает хорошее перемешивание металла и требуемое удаление кислорода посредством диффузии кислорода и всплывания неметаллических включений.
3
3
При повышении расхода более 0,020 нм/т и интенсивности продувки стали инертным газом более 20 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 3 кг/т стали образующийся шлаковый расплав не обеспечивает защиту металла от поглощения газов из атмосферы. Присадка же извести в количестве более 8 кг/т стали при дальнейшей обработке на вакууматоре увеличивает продолжительность обработки.
Кремний- и марганецсодержащие ферросплавы вводят по расчету 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 1590°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 1650°С температура после обработки на вакууматоре получается высокой для разливки стали на МНЛЗ, что требует дополнительной выдержки в ковше для охлаждения.
3
Продувку стали инертным газом на агрегате «ковш-печь» осуществляли с расходом 6-25 м/ч. При расходе ниже нижнего заявляемого предела нагрев стали затруднен. Причем при расходе выше верхнего заявляемого предела происходят выбросы металла и шлака из ковша, что приводит к аварийным ситуациям.
3
3
3
3
Для успешной дегазации обработку стали на вакууматоре производили при давлении менее 0,3 торр. Причем интенсивность продувки азотом менее 3 м/ч и расходом ниже 0,01 м/т значительно увеличивается длительность обработки на вакууматоре, при этом насыщение стали азотом незначительно. При интенсивности продувки через донные фурмы азотом более 30 м/ч и расходом более 0,35 м/т наблюдаются значительные технологические «выбросы» металла и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы.
Продолжительность обработки выбрана исходя из условий: при обработке менее 10 мин не удается провести требуемую дегазацию стали, продолжительность обработки более 65 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 твердый чугун в количестве 15-55% от веса завалки. Окисление углерода проводили продувкой стали в печи газообразным кислородом через систему газокислородных горелок фирмы BSE. При достижении содержания углерода в пределах 0,15-0,65% и температуры проводили выпуск плавки с отсечкой печного шлака. При выпуске стали в ковш присаживали коксовую мелочь в количестве 0,1-0,8% от массы жидкой стали, необходимые ферросилиций ФС65 и силикомарганец МнС17, и известь 270-960 кг. В ковш наливали 90-120 т стали. При выпуске осуществляли продувку инертным газом с расходом 0,003-0,020 м/тонну стали и интенсивностью 3-20 м/ч через донные фурмы. Дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводили на агрегате типа ковш-печь. 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 1590-1650°С. За время обработки проводили продувку через донные фурмы с расходом 6-25 м/ч. Далее сталь в ковше передавалась на вакууматор камерного типа VD. Перед созданием разряжения ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку инертным газом через донные фурмы с интенсивностью 3-30 м/ч и расходом 0,01-0,35 м/т стали. Далее надвигалась крышка вакууматора и в течение до 10 мин создавалось давление менее 0,3 торр. Длительность выдержки под вакуумом составляла 10-65 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÷340) мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа Р65.
2
Заявляемый способ обеспечивает получение содержания кислорода до 20 ppm, водорода менее 1,5 ppm, снижение загрязненности стали (длина строчки неметаллических включений для стали, выплавленной по заявляемой технологии, не более 0,1 мм, в то время как по базовой достигает 2 мм), снижен расход азотированных ванадийсодержащих ферросплавов на 0,15 кг на тонну выплавляемой стали, длительность плавки сокращается на 1,5 мин, и механические испытания рельсовой продукции показали, что предел текучести и предел прочности увеличены на 7-9 МПа, ударная вязкость при отрицательных температурах на 0,7 Дж/см.
Источники информации
1. Патент РФ №2315115, кл. С21С 5/52
2. Патент РФ №2197536, кл. С21С 5/52, 7/06
3. А.с №1803434, кл С21С 7/10