СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
METHOD OF OBTAINING IRON-CARBON ALLOYS IN METALLURGICAL UNITS OF VARIOUS FUNCTIONAL PURPOSE

Область техники
Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к получению железоуглеродистых сплавов в металлургических агрегатах различного функционального назначения.
Уровень техники
Известно техническое решение на материал раскислителя для сталей "Комплексный раскислитель стали на основе кускового карбида кремния" (патент № RU 2631570, С21С 7/06, С22В 1/243). Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для раскисления и легирования железоуглеродистых сплавов кремнием и углеродом. В качестве материала используют кусковой карбид кремния (SiC) с фракцией более 1 мм и его брикетированный отсев фракции менее 1 мм с конечным содержанием в брикетах основного элемента SiC 70-90%. Данное изобретение позволяет только снизить себестоимость производства стали и чугуна за счет замены ферросилиция отсевами фракций карбида кремния, который по техническим характеристикам превосходит ферросилиций, т.к. содержит до 30% общего углерода и существенно повышает усвоение кремния в металле.
Недостатком данного изобретения является использование только карбида кремния, что делает невозможным варьирование соотношения C/Si и значительно сужает сортамент обрабатываемых сталей. Применение крупных фракций комплексного раскислителя стали на основе кускового карбида кремния, а так же его отсевов в брикетированном виде не позволяет использовать данный материал для раскисления шлака.
1
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
Известно технологическое решение - способ обработки стали в ковше с целью предотвращения насыщения стали газами в процессе внепечной обработки раскислителями и уменьшение содержания неметаллических включений в стали. «Способ внепечной обработки стали в ковше» (патент №RU 2219249, С21С 7/00, С21С 7/06, 20.12.2003). Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к внепечной обработке выплавленной стали в ковше при помощи комплексных раскислителей. Способ внепечной обработки стали в ковше включает выпуск расплава из сталеплавильного агрегата в ковш, подачу в ковш, в процессе выпуска расплава раскислителя, легирующих и шлакообразующих материалов. В качестве раскислителя используют карбид кремния с фракцией 0,1-10 мм, содержащий 80-90 мас. % чистого карбида кремния, 2-5 мас. % свободного углерода, остальное примеси. Раскислитель подают в процессе выпуска с расходом 1-5 кг/т расплава по зависимости: Q=K(C-C)/(Si-Si). После выпуска дополнительно подают комплексный раскислитель в пределах 0,2-0,4 кг/т расплава и алюминий с расходом в пределах 0,1-1,5 кг/т расплава. Раскислитель подают по зависимости: Q=K(C-C)/(Si-Si), где Q - расход комплексного раскислителя в процессе выпуска, кг/т; Q - расход комплексного раскислителя после выпуска, кг/т; C и С - содержание углерода в расплаве при начале выпуска и необходимое содержание углерода в готовой стали, мас. %; Si и Si- содержание кремния при начале выпуска и необходимое содержание кремния в готовой стали, мас. %; K и K - эмпирические коэффициенты, равные 1,6-10,0 и 0,33-8,0 соответственно, кг/т. Затем расплав легируют алюминием в виде катанки с расходом в пределах 0,3-0,7 кг/т расплава и продувают аргоном в течение 1-15 мин с расходом 0,5-2,0 л/мин на тонну.
Недостатком указанного способа является невозможность корректировки соотношения кремний/углерод при выплавке спокойных или полуспокойных сталей, что сужает диапазон сортамента выплавляемых марок сталей и затрудняет получение марочного содержания кремния и углерода в готовой стали. Кроме того, карбид кремния по патенту №2219249 используется только как раскислитель, а не как лигатура. А так же его узконаправленность, не позволяющая использовать данный материал при завалке шихты, а также по ходу плавки и раскислении шлака. Незначительное варьирование состава смеси в пределах содержаний 80-90 мас. % чистого карбида кремния и 2-5 мас. % свободного углерода значительно сужает сортамент производимых марок сталей и снижает технологичность процесса, затрудняет получение марочного содержания кремния и углерода в готовой стали. Кроме того, карбид кремния по патенту №2219249 используется только как раскислитель, а не как лигатура, при этом никак не учитывается поведение свободного углерода. А также данный способ предполагает легирование расплава алюминием, исключая при этом другие типы ферросплавов, что может негативно отразится на морфологии неметаллических включений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту решением является «Способ выплавки железоуглеродистых сплавов в индукционных печах» (патент № RU 2395589, С21С 1/00, С21С 1/10, 10.02.2009). Изобретение относится к черной металлургии, в частности к выплавке железоуглеродистых сплавов в индукционных печах. Способ позволяет выплавить железоуглеродистые сплавы с заранее заданными свойствами и марочным содержанием кремния и углерода в расплаве с возможностью гибкой корректировки его химического состава.
Недостатком данного изобретения является то, что способ обеспечивает получение заданных свойств железоуглеродистых сплавов только при индукционной плавке. Отсутствие в прототипе учета физико-химического состояния металла и шлака не позволяет получить заданное содержания кислорода (О) в металле и (FeO) в шлаке.
Раскрытие изобретения
Технической задачей данного изобретения является усовершенствование способов производства железоуглеродистых сплавов в различных металлургических агрегатах за счет корректировки технологии выплавки и ковшевой обработки с целью получение заданных марочных сплавов различного функционального назначения с заранее установленными свойствами и регламентируемым содержанием кремния и углерода. Достижение управления химическим составом на разных стадиях технологического процесса с возможностью гибкой корректировки содержания кремния и углерода, а также обеспечение регламентированного содержания кислорода (О) в металле и (FeO) в шлаке в зависимости от физико-химического состояния системы.
Σ
Σ
Указанный технический результат достигают тем, что способ получения железоуглеродистых сплавов в металлургических агрегатах различного функционального назначения, включает загрузку металлической части шихты, ввод в ванну печи неметаллических материалов, включая углеродсодержащие и шлакообразующие материалы, плавление, легирование и раскисление металла и шлака, выпуск железоуглеродистого расплава из плавильного агрегата в «печь-ковш» или разливочный ковш с доводкой металла по химическому составу по кремнию и углероду, с последующим окончательным раскислением, при этом в качестве неметаллической части шихты используют комплексную смесь из карбидкремний-содержащего материала чистотой не менее 70% SiC в колличестве 0,5-99,8 мас. % и углерод-содержащего материала 0,2-99,5 мас. %, при значениях углеродного модуля C:(C+SiC)=0,22÷0,995, при этом комплексную смесь подают в печь для науглероживания и легирования в количестве, определяемом выражением:
зад
н
см
зад
н
см
M=K[m×(C-C)/C+n×(Si-Si)/Si],
где М - масса комплексной смеси, задаваемой в агрегат на различных этапах плавки, кг/т;
K - эмпирический коэффициент характеризующий количество металла (0,1-10), кг/т;
m, n - эмпирические коэффициенты окислительно-восстановительных процессов, происходящих в расплаве и шлаке по ходу плавки (0,2-0,97) и (0,1-1,1) соответственно;
зад
зад
С, Si - заданное содержание углерода и кремния в металлической части, масс. %;
н
н
C, Si - начальное содержание углерода и кремния в металлической части для данного процесса, масс. %;
cм
см
C, Si - суммарное содержание активного углерода и приведенное содержание активного кремния SiC в комплексной смеси, масс. %.
Причем комплексную смесь задают в брикетированном виде: в виде цилиндров, или торов, или кубов. Комплексную смесь применяют в качестве легирующего компонента. При этом комплексную смесь задают на стадии выпуска железоуглеродистого расплава из плавильного агрегата в копильник, или миксер, или ковш, или в установку внепечной обработки, также комплексную смесь применяют в качестве раскислителя. Комплексную смесь применяют в качестве диффузионного раскислителя, при этом соотношение углерода и кремния для раскисления шлака задают соотношением C : Si = 0,42-290.
Σ
Σ
Реализация изобретения Заявленный способ получения железоуглеродистых сплавов в металлургических агрегатах различного функционального назначения включающий загрузку металлической части шихты, ввод неметаллических материалов, используют комплексную смесь из карбидкремний-содержащего материала (чистотой не менее 70% SiC) в колличестве 0,5-99,8 мас. % и углерод-содержащего материала 0,2-99,5 мас. %, при значениях углеродного модуля C:(C+SiC)=0,22+0,995, комплексную смесь подают в печь для науглероживания и легирования в количестве, определяемом выражением:
зад
н
см
зад
н
см
M=K[m×(C-C)/C+n×(Si-Si)/Si],
где М - масса комплексной смеси, задаваемой в агрегат на различных этапах плавки, кг/т;
K - эмпирический коэффициент характеризующий количество металла (0,1-10),кг/т;
m, n - эмпирические коэффициенты окислительно-восстановительных процессов, происходящих в расплаве и шлаке по ходу плавки (0,2-0,97) и (0,1-1,1) соответственно;
зад
зад
С, Si - заданное содержание углерода и кремния в металлической части, масс. %;
н
н
С, Si - начальное содержание углерода и кремния в металлической части для данного процесса, масс. %;
см
см
C, Si - суммарное содержание активного углерода и приведенное содержание активного кремния SiC в комплексной смеси, масс. %.
Комплексную смесь задают в брикетированном виде (в виде цилиндров, торов, кубов и других форм), комплексная смесь применяется в качестве лигатуры, комплексная смесь задается на стадии выпуска железоуглеродистого расплава из плавильного агрегата в разливочный ковш или «печь-ковш», комплексная смесь применяется в качестве раскислителя, комплексная смесь применяется в качестве диффузионного раскислителя, при этом соотношение углерода и кремния для раскисления шлака задается соотношением C : Si = 0,42-290.
Используя вышеприведенное уравнение можно подбирать любой состав смеси, исходя из конкретных производственных условий, начального и заданного содержания кремния и углерода в металле и/или металлической части шихты и степени ее окисленности.
Исходя из конкретных технологических условий производства, при которых применение порошкообразных материалов не рационально. А именно: повышенный вынос, вследствие восходящих тепловых потоков, особые требования к механическим свойствам шихты, технологические особенности подачи шихтовых материалов в металлургический агрегат, возникает необходимость использования комплексной смеси в брикетированном виде (в виде цилиндров, торов, кубов и других форм) с использованием всех типов связующих. Для данной технологии вышеуказанные зависимости также является корректными.
Применение смеси при комплексном легировании железоуглеродистых сплавов кремнием и углеродом, с обеспечением возможности получения большого диапазона сортамента выплавляемых марок сталей и чугунов в количестве, определенном эмпирической зависимостью, позволяет варьировать в широком интервале содержание кремния и углерода, исходя из их начальной концентрации в расплаве и окисленности печного шлака. Применение заявляемого материала, кроме непосредственного использования в плавильном агрегате, хорошо зарекомендовало себя на стадии выпуска железоуглеродистого расплава в разливочный ковш или «печь-ковш». Введение механической смеси или брикетов в соответствии с заявляемым выражением снижает окисленность металла и позволяет получить достаточно раскисленный металл (спокойный, полуспокойный) заданного химического состава при экономии алюминия и других ферросплавов.
Соотношение компонентов смеси C : Si = 0,42-290, при применении ее в качестве диффузионного раскислителя, зависит от содержания FeO в шлаке (окисленности металла), при этом учитывается расход SiC и С на удаление кислорода из расплава, восстановление железа из FeO с перераспределением продуктов реакции между металлом и шлаком (диффузионное раскисление).
Применение в качестве кремний-содержащего материала и углерод-содержащего материала карбидкремний-содержащего материала (SiC) позволяет комплексно легировать железоуглеродистый расплав кремнием и углеродом, а также эффективно раскислять металл и шлак. Совместное введение кремния и углерода в соединении SiC, которое является химически инертным, обеспечивает достижение заданных параметров по химсоставу. Комбинация углеродсодержащих материалов с карбидкремний-содержащим материалом обеспечивает достаточность процесса науглероживания, легирования и раскисления металла и шлака.
В качестве основных компонентов комплексной смеси выступают карбид кремния (SiC) и углеродсодержащие материалы (С) во всех технически и экономически обоснованных проявлениях.
Количество вводимой смеси или брикетов рассчитывается по заявляемой эмпирической зависимостью, исходя из физико-химических закономерностей науглероживания, легирования железоуглеродистых расплавов, раскисления металла и шлака, химического состава расплава в соответствие с требованиями нормативной документации (ГОСТы, НД и т.д.), содержания кислорода в металле и FeO в шлаке. Заявляемый способ применения комплексной смеси позволяет легировать железоуглеродистые расплавы различного функционального назначения кремнием и углеродом, как в период завалки, плавления, так и в период доводки в печи и/или при выпуске металла из печи, строго соблюдая заданное соотношение Si/C, с учетом физико-химического состояния системы. Вводимое количество смеси и соотношение компонентов в комплексной смеси (брикете) варьируется, исходя из конкретных производственных условий и содержания Si и С в металлической части шихты, расплаве и в готовом металле заданной марки стали или чугуна.
Диапазон содержания карбидкремний-содержащего материала 0,5-99,8 мас. % объясняется физико-химическими закономерностями науглероживания, легирования и раскисления железоуглеродистых расплавов кремнием и углеродом, а также технологическими особенностями производства стали или чугуна. При меньших значениях будет происходить увеличение окисленности шлака (FeO>10%) и металла, что, в свою очередь, приводит к повышенному угару легирующих компонентов (кремния, углерода, марганца). При больших значениях не будет обеспечиваться необходимый химический состав металла и снизится основность шлака. Карбид кремния чистотой выше 99,8 мас. % применяется при производстве огнеупоров и абразивов и имеет более высокую стоимость, что снижает его практическую применимость для целей, заявленных в данном способе.
Диапазон значений содержания углеродсодержащего материала 0,2-99,5 мас. %, обеспечивает высокую и стабильную науглероживающую способность смеси. При содержании в смеси углеродсодержащего материала менее 0,2% науглероживающая способность ее снижается. При содержании углерод-содержащего материала более 99,5 мас. % снижается раскислительная способность смеси и экономическая эффективность из-за высокой стоимости особо чистого углерода или графита.
Эмпирический коэффициент К, характеризующий количество металла (0,1-10),кг/т и связывает металлическую часть шихты с неметаллической (шлаковой). При значении коэффициента менее 0,1 кг/т не достигается технический результат, легирующие и раскисляющие свойства смеси нивелируются. При значении коэффициента более 10 кг/т содержание кремния и углерода выходят за пределы марочного состава.
m,n - эмпирические коэффициенты окислительно-восстановительных процессов, происходящих в расплаве и шлаке по ходу плавки (0,2-0,97) и (0,1-1,1) соответственно, определяются физико-химическими процессами происходящими в системе при получении железоуглеродистых сплавов в различных плавильных агрегатах, а также термодинамикой взаимодействия кремния и углерода с расплавами, футеровкой и печной атмосферой, химическим составом, температурой и степенью перемешивания расплава. Вышеуказанный диапазон коэффициентов определен многочисленными исследованиями степени усвоения углерода и кремния железоуглеродистыми расплавами на различных этапах плавки. Эмпирические коэффициенты устанавливаются на каждом производстве отдельно, исходя из конкретных условий производственного процесса.
Предлагаемая комплексная смесь и способы получения железоуглеродистых сплавов в металлургических агрегатах различного функционального назначения с ее использованием разработаны соавторами.
Различные варианты технологии получения железоуглеродистых сплавов в различных металлургических агрегатах с применением комплексных смесей и брикетов опробованы ООО «НПФ АМЮС» в лабораторных и промышленных условиях на предприятиях машиностроительного и металлургического комплексов.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения, не исключающие другие варианты использования заявляемого изобретения в пределах формулы изобретения.
Примеры.
С целью определения легирующего эффекта углеродом и кремнием по заявляемому способу проводились опытные плавки железоуглеродистых сплавов в 25-ти тонной дуговой печи (ДСП-25) с основной футеровкой, в электродуговой печи садкой 5 тонн (ДСП-5А) с кислой футеровкой и в индукционных тигельных печах средней частоты емкостью 4000 кг с кислой футеровкой.
Опыты проводились на низко- и среднеуглеродистых марках стали 25Г, 20Л, Ст40 и сером чугуне марок СЧ18, 22, 25.
Шихтовые материалы при выплавке стали составляли, исходя из содержания углерода по расплавлению, превышающий нижний марочный предел на 0,3%, для других стадий процесса получения стали и чугуна, исходя из их среднемарочного содержания углерода и кремния. В качестве шихты применяли лом стали 1А, 2А (ГОСТ 2787-88), чугун передельный ПЛ1, ПЛ2 (ГОСТ 805-95), возврат собственного производства (литники, брак). После расплавления металлошихты отбирали пробу на экспресс-химический анализ. В опытах (Примеры - 1-9) легирование осуществлялось при сливе металла из печи в ковш. В опытах (Примеры - 10-27) комплексная смесь давалась в завалку.
Все данные опытных плавок приведены в таблицах 1, 2, 3. Номера примеров указаны в таблицах, как порядковые номера от 1 до 27.
В Таблице №1 представлены результаты опытно-промышленных испытаний заявляемой технологии в ДСП-25 с основной футеровкой с доводкой металла на выпуске из печи / на установке «печь-ковш» - Примеры 1-9.
В Таблице №2 представлены результаты опытно-промышленных испытаний заявляемой технологии в ИТ-4000 с кислой футеровкой - Примеры 10-18.
В таблице №3 представлены результаты опытно-промышленных испытаний заявляемой технологии в ДСП-5А с кислой футеровкой при выплавке стали полным циклом, а также при выплавке чугуна - Примеры 19-27.
В примерах 10, 13, 16, 25 шихта состояла из 90-100% возврата собственного производства и стального лома 0-10%.
В примерах 12, 15, 18, 27 шихта состояла из около 75% чугуна ПЛ1 и стального лома около 25%.
В примерах 11, 14, 17, 26 шихта состояла из 30-50% возврата собственного производства и стального лома 50-70%.
Анализ таблиц показывает, что применение комплексной смеси в пределах параметров, заявляемых в формуле, обеспечивает нормальное ведение процесса выплавки железоуглеродистых сплавов с заданными технологическими параметрами и обеспечивает требуемый химический состав и механические свойства.
Примеры 2-5 и 8-27 характеризуются оптимальными значениями процесса выплавки железоуглеродистых сплавов, которые обеспечиваются формулой изобретения.
Отступление параметров от необходимых значений приводят к ухудшению технико-экономических показателей процесса.
Так, при выплавке низкоуглеродистых сталей в примерах 1 и 7 получили недостаточное содержание кремния в металле (-0,16% и -0,19%) и низкоосновный шлак, что потребовало дополнительного введения ферросплавов и увеличило время доводки металла, что в свою очередь негативно отражается на себестоимости металла.
В примере 6 получили избыточное содержание кремния, что привело к незначительному увеличению времени плавки, перегреву металла и снижению его литейно-технологических свойств, а так же способствовало увеличению неметаллических включений на основе оксида кремния, ухудшающие механические свойства металла.
В примере 20 в сильно окисленную мелкую шихту было добавлено до 30% окисленной стальной дроби, что повлекло повышенный расход комплексной смеси, но при этом обеспечило заданные требования к процессу и готовому металлу.
При выплавке чугуна в примере 25 наблюдалось содержание кремния близкое к нижнему пределу, что предопределяет химический состав, необходимый для крупногабаритного литья.
Все указанные примеры подтверждают выполнение технической задачи, а именно - усовершенствование способов производства железоуглеродистых сплавов в различных металлургических агрегатах за счет корректировки технологии выплавки и ковшевой обработки с целью получение заданных марочных сплавов различного функционального назначения с заранее установленными свойствами и регламентируемым содержанием кремния и углерода, а также достижение управления химическим составом на разных стадиях технологического процесса с возможностью гибкой корректировки содержания кремния и углерода, а также обеспечение регламентированного содержания кислорода (О) в металле и (FeO) в шлаке в зависимости от физико-химического состояния системы.
Промышленная применимость
Все указанные примеры также подтверждают промышленную применимость заявляемого изобретения