СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАСКИСЛИТЕЛЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ
TECHNIQUE OF CONTAINMENT SHELL FORMING ON SURFACE OF DEOXIDISING AGENT OF LIQUID STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности разработке способа формирования защитной оболочки на раскислителе, применяемого для раскисления стали, преимущественно в плавильном агрегате. Например, при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) в конце окислительного и в начале восстановительного периодов плавки содержание кислорода в стали зависит от содержания в ней углерода. При получении среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей содержание кислорода в указанные периоды находится в пределах 0,01÷0,02%, а в низкоуглеродистых сталях может достигать 0,1÷0,2% [1, с.224]. Раскисление первых двух сталей проводят кремнием в виде ферросилиция, марганцем в виде металлического марганца или ферромарганца, а в последнем случае дополнительно алюминием.
Расход алюминия определяется содержанием в стали кислорода, что связано с окисленностью конечного шлака в печи и содержанием углерода [2, с.228]. Алюминий, как и магний, кальций отличается от других элементов нестабильностью усвоения ввиду большого различия их физических свойств по сравнению с базовым расплавом. Алюминий, имея плотность примерно в 3 раза меньше, чем у жидкой стали, и меньше, чем у жидкого шлака, плавает на поверхности шлака. Большая часть алюминия окисляется атмосферой печи и компонентами шлака. Имея большее сродство к кислороду, алюминий восстанавливает кремний, марганец, железо из их оксидов - компонентов шлака.
3
3
3
Для устранения этого недостатка предложено раскислять сталь ферроалюминием - сплавом железа с 30÷50% алюминия. Плотность сплава (~5000 кг/м) несколько ниже, чем у жидкой стали (~7000 кг/м), но значительно выше, чем у шлака (~3000 кг/м). Ферроалюминий легче погружается в объем жидкой стали и алюминий из него усваивается полнее. Однако такой сплав дороже алюминия и температура его плавления (~1400°С) значительно выше. Алюминий в нем находится в виде интерметаллидов, усвоение алюминия из ферроалюминия происходит более медленно и с меньшим тепловым эффектом [3, с.178].
Особенно высокий расход алюминия наблюдается при выплавке низкоуглеродистых высокохромистых сталей с применением кислорода в окислительный период. После окончания продувки высокохромистого расплава образуется большое количество шлака. По данным [4, с.57-59] после проплавления добавленных отходов высоколегированного лома металл раскисляют кусковыми 45%-ным ферросилицием ФС45 (8÷12 кг/т) и алюминием (2÷3 кг/т), вместе с этим присаживают 10÷15 кг извести и 3÷5 кг плавикового шпата для повышения основности шлака.
По данным [5, с.159] после продувки кислородом высокохромистой стали шлак на 70÷90% скачивают, присаживают в печь последовательно металлический марганец на 0,5% и кусковой ФС-45 на 0,2% кремния, силикокальций - 4÷5 кг/т и первичный алюминий - 1 кг/т, затем феррохром.
Анализ химического состава металла показал, что содержание алюминия в стали после ее раскисления в печах емкостью 0,3÷18 т находится в пределах 0,005÷0,020% мас. Таким образом, усвоение алюминия в печах средней емкости составляет всего 5÷10% при вводе половинок стандартных алюминиевых чушек на поверхность металла.
Цель изобретения: повысить эффективность раскисления жидкой стали сильным раскислителем (например, алюминием). Поставленная цель достигается разработкой нового способа формирования защитной оболочки на поверхности раскислителя и использованием отходов производства (металлической пыли или колотой дроби).
Существуют два направления в вопросах повышения степени усвоения алюминия в ДСП.
1. Предохранить или заметно уменьшить возможность контакта поверхности алюминиевой чушки с атмосферой печи и жидким шлаком.
2. Создать условия для быстрого погружения алюминия в расплав стали.
Известен способ формирования на поверхности раскислителя шлаковой оболочки [6]. Этот способ был разработан для мелких фракций ферромарганца. Для алюминия он неприемлем по следующим причинам:
а) кусок алюминия представляет собой половину или 1/3 стандартной чушки. Шлак после заливки его на алюминий и последующего остывания будет отслаиваться от ровной и гладкой поверхности алюминия. Жидкий шлак при заливке ферросплавов заполняет пространство между ними, создавая внутренний каркас, удерживающий его с внешней стороны;
2
б) при нагревании поверхности алюминия до температуры жидкого шлака он будет окисляться за счет оксидов шлака - SiO, FeO, MnO. Поэтому этот вариант не используется в производстве.
Известен способ обработки стали, заключающийся в том, что раскислитель получают в виде композита с алюминием в качестве легкоплавкого матричного компонента и частицами сплава на основе железа в качестве тугоплавкого армирующего компонента, а растворение композитного раскислителя в жидкой стали начинают при отношении их плотностей не менее 0,5, продолжают при непрерывном его повышении до 1,0÷1,1 и заканчивают при 0,9÷1,1. В процессе растворения алюминия композитный раскислитель диспергирует на отдельные фрагменты [7].
Теми же авторами [8] указывается, что способ предназначен для раскисления стали алюминием. Алюминий в композите выполняет роль раскислителя, а частицы железа или сплава на его основе - утяжелителя. Массовые доли матричного и армирующего компонентов находятся в пределах 25/75÷50/50, а размер частиц стали или чугуна составляет 0,5÷10 мм.
Применение способа, описанного в обоих источниках, ограничено. Например, по соотношению плотностей композитного раскислителя и жидкой стали (1:1) можно вычислить массу армирующего элемента. Самым распространенным металлом, присутствующим в любом производстве, является Ст35, Ст45, имеющие содержание углерода 0,32÷0,48%. Для расчетов примем 0,35%. Расчеты проводим, решая систему уравнений с 2-мя неизвестными:
3
где [Al] и [Ст35] - доли алюминия и армирующей добавки в композитном раскислителе, 7,0 (г/см) - плотность жидкой стали.
Расчеты показали: [Ст35]=0,843; [Al]=0,157 или 84,3% и 15,7% соответственно.
При этом мы вносим в сталь дополнительно углерода [С] при минимальной добавке алюминия 1 кг/т:
1 кг/т - 15,7% Х=84,3·1/15,7=5,37 кг [Ст35]
Х кг/т - 84,3%
[С]=5,37 кг·0,35=1,88 кг или 0,18%, что является недопустимым при получении низкоуглеродистой стали.
к
к
3
3
3
3
Если массовая доля армирующего компонента [7] составляет 75% от массы композитного раскислителя, то максимальная плотность композитного раскислителя будет равна: ρ=2,7·0,25+7,8·0,75=6,525 г/см. При 50% раскислителя ρ=2,7·0,5+7,8·0,5=4,25 г/см, что ниже плотности жидкой стали - 7,0÷7,2 г/см. Композитный раскислитель все равно не утонет, будет окисляться атмосферой печи, а при размягчении развалится и стальные армирующие элементы, имеющие плотность 7,8 г/см, быстро утонут в жидкой стали.
Известно устройство для ввода присадок в расплав [9]: утяжелитель (чугун, сталь, тяжелые металлы, их сплавы) выполнен с одним и более отверстиями, заполненными присадками (Ti, В, Al, ЩЗМ, РЗМ), или присадка закреплена на утяжелителе и частично заключена в оболочку, или утяжелитель частично заключен в оболочку из присадки. Отношение массы присадки к массе утяжелителя равно 1:(2÷8).
3
Простейшие расчеты показывают, что при массе утяжелителя в 8 раз больше массы алюминия средняя плотность компонента (7,2 г/см) будет примерно равна плотности жидкой стали. Таким образом данные устройства раскисления не обеспечивают быстрого погружения раскислителя в расплав. Это практически исключает применение третьего вида устройства, когда утяжелитель покрыт алюминием. Более благоприятным является второй вид устройства, когда присадка (алюминий) закреплена на утяжелителе и, тем самым, частично заключена в оболочку утяжелителя. Этим частично исключается контакт алюминия с атмосферой печи и жидким шлаком. Закрепить утяжелитель можно проволокой, но она сразу же сгорит и компоненты разделятся. Если применять сварку для скрепления стальных пластин, то это повышает себестоимость стали.
Наиболее близок к предлагаемому первый вид устройства, когда утяжелитель выполнен с одним или более отверстиями, заполненными алюминием. В данном случае исключен почти полностью контакт алюминия с атмосферой печи и шлаком.
Недостатком данного устройства являются высокие затраты на его изготовление, которые складываются из следующих факторов:
1. Покупка металла определенного химического состава и профиля, например проката, или изготовление его.
2. Трудоемкость механической обработки (сверление) и стоимость инструмента.
3. Организация дополнительного передела по расплавлению первичного алюминия или отходов от производства алюминиевых отливок и заливка его в утяжелитель (дополнительный передел).
4. Потери на ошлакование алюминия при плавке.
5. Большие энергозатраты.
Эффективность раскисления определяется в конечном итоге величиной затрат на получение 1 т жидкой стали или стальной заготовки.
Таким образом, в настоящее время не существует эффективного способа защиты активного раскислителя (алюминия) стали в рабочем пространстве плавильного агрегата от окисления поверхности печной атмосферой и жидкими шлаками.
3
Предлагаемый способ формирования защитной оболочки стали заключается в том, что на алюминиевый кусок (чушку) предварительно наносят покрытие из отходов стальной дроби при их массовом соотношении 1:(0,2÷0,8). Плотность такого раскислителя находится в пределах 3,5÷5,6 г/см, что выше плотности шлака и обеспечивает погружение раскислителя через шлак до уровня металла. Отходы дроби после дробеметных операций по очистке литья и поковок представляют собой стальные частицы, как правило, расплющенной формы размером 0,2÷1,5 мм и металлическую пыль. Эти отходы перемешаны с окалиной и песком и их вывозят на свалку. Отделить металлические компоненты от неметаллических можно с помощью магнитной шайбы, имеющейся на любом металлургическом предприятии, при этом снижаются затраты на вывоз отходов.
Формируют защитный слой двумя способами.
2
1. В стальной контейнер насыпают металлические отходы дроби, во внутрь помещают горизонтально алюминиевый слиток, притрамбовывают и контейнер ставят в термическую печь. Выдержку производят при температуре начала размягчения алюминия 660°С (температура плавления чистого алюминия). Если на поверхность нагретой дроби поставить груз, вес которого обеспечивает давление на поверхность алюминиевого слитка 2÷3 кг/см, то металлические частицы вплавляются в поверхность алюминия сплошным слоем. Время выдержки контейнера с толщиной стенки 10 мм, когда в нем находится слиток алюминия весом 8÷8,2 кг, а толщина слоя отходов дроби составляет 50÷70 мм, всего 4 часа, при этом энергозатраты намного меньше, чем при переплавном процессе алюминия.
3
2. Дробинки ударным способом вбивают в поверхность слитка первичного алюминия. Из металлической пыли можно сделать пасту, где в качестве связующего использовать сульфидно-дрожжевую бражку (СДБ). Эта жидкость - раствор углеводородных соединений в воде плотностью 1,24÷1,27 г/см. Пасту легко можно наносить на поверхность из мелких дробинок, причем поры хорошо будут заполняться пылевидными металлическими частицами. СДБ сохнет в тонком слое практически без нагрева.
Важным преимуществом предлагаемого способа является отсутствие влияния химического состава стального материала из-за его малого количества: в 1,25÷5 раз меньше, в аналоге в 2÷8 раз больше, чем раскислителя.
Провели испытание различными раскислителями при выплавке стали 20 на дуговой сталеплавильной печи емкостью 6 т.
После проведения окислительного периода шлак скачали на 70÷80%, сталь раскислили малыми порциями ферросилиция и ферромарганца до их расчетного содержания 0,2% мас. каждого до прекращения видимого кипа. Затем на середину ванны бросали кусок алюминия весом 6-6,3 кг из расчета 1 кг/т. В варианте 1 алюминий был без оболочки, а в вариантах 2 и 3 - в оболочках. Через пять минут брали пробы на анализ. Результаты приведены в таблице.
Представленные результаты показывают, что степени усвоения алюминия по вариантам 2 и 3 вполне сопоставимы, но затраты на изготовление раскислителя сильно отличаются.
Применение операций плавления и разливки алюминия, сверления отверстия в утяжелителе в 2÷3 раза дороже операции выдержки его в термической печи.
Величина усвоения алюминия при раскислении стали различными раскислителями
№ п/п
Раскислитель
Содержание элементов, % мас.
Величина усвоения алюминия, %
С
Si
Mn
Al
1
Стандартный
0,090,080,100,100,09
0,150,170,190,200,18
0,290,310,250,280,27
0,0050,0100,0050,015сл.
5105150
2
Аналог
0,100,110,090,080,10
0,180,210,170,160,17
0,260,300,280,280,29
0,0350,0350,0300,0250,030
3535302530
3
Предлагаемый
0,090,080,090,090,080,080,100,09
0,160,180,170,150,170,160,170,18
0,260,300,280,290,310,280,290,31
0,0300,0350,0250,0250,0300,0350,0350,020
30352525*30353520*
* - метод набивки дроби и применения пасты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крамаров А.Д., Соколов А.Н., Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургия, 1976, 376 с.
2. Трубин Н.Г., Ойкс Г.Н. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1970, 621 с.
3. Тэн Э.Б., Петровский П.В. Железо-алюминиевый композитный раскислитель жидкой стали. / Труды V съезда литейщиков России, Москва, РАЛ, 2001, с.178-180.
4. Мураховский И.М., Кулаков Ю.А., Дашевский В.Д. и др. Совершенствование технологии выплавки нержавеющей стали в электропечах средней емкости. // Сб. «Производство электростали», №8, 1980; М.: Минчермет, с.57-60.
5. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь, М.: Металлургия, 1973, 319 с.
6. Заявка №2005128231/20(031701) Стадничук В.И., Стадничук А.В., Меркер Э.Э. Способ раскисления и легирования металлических расплавов (не опубликовано).
7. Патент №2208053. Тэн Э.Б. Способ обработки стали, БИМП №19, 2003, с.684.
8. Патент №2192495. Тэн Э.Б. Раскислитель. БИМП №31, 2002, с.464.
9. Патент №26054. Устройство для ввода присадок в расплав. Криночкин Э.В., Карпов А.А., Щербаков С.А. и др. БИМП №31, 2002, с.573.