Способ получения особонизкоуглеродистого расплава

 

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБОНИЗКОУГЛЕРОдаСТОГО РАСПЛАВА чёрных металлов, вкл10чакн1у1Й продувку расплава кислородом и последующее введе- ;ние в расплав окислов элементов струей нейтрального газа, отличающийся тем, что с целью снижения трудоемкости процесса, сокращения расхода кислорода, снижения расхода раскислытепей, легирующих и огнеупоров , с окр ащения технологического цикла и увеличения выхода жидкого металла , окислы элементов вводят в расплав в виде частиц размером

COOS СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1054427

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕ1 СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

f;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ фракций: ношении размерных

Фракция (! 00150)х)0 см

Фракция 501600)х )(Г см

Фракция 601

1000)х)0

15-25 мас.Х

60-75 мас.Х л

)0-15 мас.X (21) 3431836/22-02 (22) 27.04а82 (46) 15.11.83. Бюл. Р 42 (72) В. М. Бреус, М. С. Василевский, Б. С.Иванов, А. Ф. Каблуковский, Г. И. Казанец, В. А. Марченко, Б. А. Моисеев, И. P. Невский, A.В.Рудченко, В. Н. Иучинр М. М. Клюев, М. С. Чекалкин. и Ж. И. Дзнеладзе (71) Центральный ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина (53) 669.18.27(088.8) (56) 1.Патент США И - 4160664, кл. 75-49, опублик. 1979.

2. Патент Великобритании

Р 1495723, кл. C 7 0, "опублик. 1977. (54)(57) 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБОНИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО PAC)UIABA черных металлов, включающий продувку расп" .лава кислородом и последующее введе.ние в расплав окислов элементов струей нейтрапьного газа, о т л и ч а юшийся тем, что с целью снижения трудоемкости процесса, сокращения расхода кислорода, снижения расхода раскислнтелей, легирующих и огнеупоров, сокращения, технологического цикла и увеличения выхода жидкого метапла, окислы элементов вводят в расплав в виде частиц размером (100)000)х!О"Зсм

2. Способ по и. ), отличающ.и и с я тем, что окислы элементов вводят в расплав при следующем соот1 10544 р

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к выплавке, и внепечной обработке особонизкоуг. леродистой стали.4

Обезуглероживание стальных расплавов до весьма низких содержаний углерода (менее 0,02%) сопряжено со значительными технологическими трудностями, обусловленными существенным замедлением, а при.концентрациях 10 углерода менее 0,03% — даже прекра-. щением реакции обезуглероживания.

В термодинамике известно выражение для константы равновесия реакции обезуглероживания 15

К =

О2 где Рсо и Р— парциальные давления

С0 и 0 соответственно; С вЂ” кон- 20 центрация углерода в стали в процентах.

Если Р@о атм и концентрация углерода 0,1%, то реакция обезуглероживания протекает при Pp = 25 (Р 2 . 2

МОК

При С1= 0,05% требуется давлени кислорода в зоне реакции, равное

400 К, т.е. a eTb e o e; зо

2 при (С) = 002% Рд 2500 К, те. в

25 раз больше," а при (С 0,01%

Р =10000 К, т.е. в 100 раз большее.

Создание столь высоких парциальных 35 давлений кислорода в зоне реакции при современном уровне техники практически невозможно. Поэтому при продувке металла кислородом снижают парциальное давление окиси углерода в зоне 40

Реакции, применяя глубокое вакуумиро- ,вйнке стали. Однако этот метод связан со значительными капитальными затратами на создание специализированных вакуумных отделений, оборудованных устройствами для подогрева металла, на обслуживание и эксплуатацию этих отделений. Кроме того, при про.Изводстве легированных сталей (например, высокохромистых, марганцовистых) при вакуумировании происходят значительные потери .легирующих эле- ментов.

Поскольку процесс ведут при повышенных температурах (1700 С и выше), 55 создаются исключитвльно. сложные условия службы огнеупоров. Обычные огнеупоры не гарантируют безаварийной работы. Для осуществления процес27 2

Ъ са требуются огнеупоры со специальными св ой с тв ами.

Известен процесс получения сверхнизкоуглеродистой стали (нержавеющей), проводимый в две стадии. На первой стадии получают низкоуглеродистый расплав нержавеющей стали с. содержанием углерода до 0,1% посредством продувки металла кислородом в вакуумной печи. На второй стадии полученный расплав подвергают, дополнительному обезуглероживанию в вакуумной печи для получения содержания углерода 0,005% и выше посредством глубокой продувки смесью кислорода и аргона. При этом соотношение выделяемых и вдуваемых газов строго регламентировано 1 .1 1.

Недостатки указанного способа вако лючаются в том, что процесс осуществ- . ляется в вакуумном агрегате и что он сопровождается значительными потерями легирующих элементов. Процесс протекает ю большим тепловыделением из-, за окисления железа и легирующих элементов, в результате чего создаются тяжелые условия службы огнеупоров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ получения особонизкоуглеродистого расплава, "включающий продувку расплава кислородом и последующее введение в расплав окислов элементов струей нейтрального газа (23.

Недостаток способа состоит в том, что введение окислов с .размерами частиц 0,5-30 мкм не .оказывает влияние на реакцию обезуглероживания. Более того, введение окислов, имеющих низкую термодинамическую устойчивость при температурах сталеплавильного про-. цесса, сопровождается их быстрой диссоциацией на элемент и кислород и сильным снижением температуры металлического расплава вследствие эндотермического характера реакции.

При этом ухудшаются термодинамические условия реакции обезуглероживания,, и процесс замедляется. Кроме того, введение большинства окислов изменяет химический состав стали, что в ряде случаев нежелательНо.

Содержание кислорода в металле после такой обработки находится на уровне равновесного с углеродом.

Цель изобретения — снижение тру-. доемкости процесса, сокращение расхода кислорода, снижение расхода рас3 1054 кислителей, легирующих и огнеупоров, сокращение технологйческоro цикла и увеличение выхода жидкого металла.

Поставленная цель достигается тем, что согласно. способу получения

5 особоннэкоуглеродистого расплава, включающему продувку расплава .кислородом и последующее введение в расплав окислов элементов струей нейтрального газа, окислы элементов 10 вводят в расплав в ниде частиц размером (100-1000) х10 Есм.

Кроме того, окислы элементов вводят s расплав при следующем соотношении размерных:фракций:, Фракция -(100-500)х10 Всм 1525 мас.%

Фракция (501-600)х10 см -6075мас.X.

Фриц (6О1-1000) х10 Есм 10- 2О

1S мас.XСпособ осуществляется следующиМ . образом. ! В сталеплавипьном агрегате получают метаплический расплав и продувают его кислородом. Продувку осуществляют до.содержания углерода 0,050Ä1X. Продувка кислородом до более низких содержаний углерода неце-: лесообразна, поскольку для снижения содержания.углерода менее

0„05X требуется значительный перегрев расплава и сильное пересыщение его кислородом, что приводит к удлинению плавки, повышению износа огнеупоров и увеличению расхода раскислителвй и легирующих. Верхний предел содержания углерода (0,1X) обусловлен тем, что при прекращении кислородной. продувки при концентрации углерода 0,1X содержание кис- 4О лорода в металле обычно составляет

0,04-0,06%, что достаточно для последующего глубокого обеэуглерожидания расплава. Прекращение продувки кислородом при более высоких концентрациях углерода не обеспечивает дальнейшее обеэуглероживание часплава.

После прекращения продувки расплава кислородом в него вводят посредством вдувания нейтральным газомносителе%, . например аргоном, дисперсные термодинамически устойчивые при температурах расплава (1650о

17.50 С) окйслы элементов, например, из группы алюминий, РЗИ, цирконий.

Размер вводимых з металл окислов дол4г7 4 жен составлять (100-1000) х10 см, Рекомендуемое количество окислов

0,1-1 5 кг/т.

Введение термодинамически устойчи" вых окислов не вызывает значитель. ное;снижение температуры расплава, .поскольку тепло на эндотермическую

:реакцию их разложения не расходует:ся. Легйрозанне стали вводимыми окислами незначительно. Кроме того, во время реалии обезуглероживания частицы этих окйслов захватываются пузырьками образующейся окиси угле..Ъ рода и всплывают;:на поверхность расплава, Введение в металл дисперсных окис-; лов может быть осуществлено как в сталеппавильном агрегате, так и вне его, например в сталеразливочном ковше.

Днсперсные окислы, вводимые в расп,лавленный металл, насыщенный кислородом, имеют черезвычайно высокую по". верхность раздела (например, при размере частиц 500х10 8см 1 r оки-, си алюминия содержит 0,39 х 10 4 частиц, имеющих поверхность около 30 ь®

1иа которой адсорбируются поверхностно"активные элементы, в частности кислород. В результате на границе раздела частицы окисла - жидкого .металла облегчается реакция обеэугле" роживания

Размер частиц окислов соизмерим с, :размером зародыша газового пузыря продукта реакции -окиси углерода, в .. результате чего облегчается реакция эбеэуглероживания.

Ne исключено, что окислы пере- . численных элементов оказывают каталитическое влияние на реакцию окис пения углерода.

Окислы термодинамически устойчи» вых элементов практически не диссс циируют в расплаве и снижают его температуру незначительно (затраты тепла только на нагрев окислов).

Иинимальный размер частицы 100х х10 Есм обусловлен техническими воз можностями их получения.

При увеличении размера частиц ба . нее .1000xl0 см воздействие окис-.

nos на реакцию окисления углерода уменьшается, обезуглероживание замедляется, а в большинстве случаев прекращается °, % г !!аилучшие результаты достигаются при использовании дисперсных окис-, лов следующего фракционного состава

Фракция (1 00500)х10 см !5-25 вес.Х 5

Фракция (501600) х10 8 см

Фр акция 601!

000)х1б см !0-15 вес.X

Таким образом, под влиянием введенных в.металлический расплав дисперсных термодинамически устойчивых окислов активизируется растворенный кислород и развивается реакция обезуглероживания.При этом уменьшается концентрация растворенного кислорода ниже равновесной с углеродом, происходит раскисление расплава. Расход дисперсных окислов, достаточный для получения металла с содержанием углерода менее 0,015, составляет 0,1-1,5 кг на 1 т стали.

10544

60-75 вес.

75Х

Пример 2. В индукционной 50килограммовой печи расплавляют угле родистую металлическую шихту. Расплав продувают кислородом до содержания углерода 0,05 . Затем подачу кислорода прекращают и в металл .при температуре 1650 С вводят 45 r (0,9 кг/т) порошка дисперсной окиси алюминия с размером частиц (100Иеньшие расходы окислов обычно выбирают при сильно переокисленном ме" талле при остановке кислородной про дувки на содержании 0,05Х углерода.

Более высокие расходы дисперсных окислов (около 1,5 кг/т) выбирают при содержании углерода в конце продувки около 0,17,или для получения стали с содержанием углерода менее

0,01Х и особенно менее 0,005Х.

После введения окислов .и завершения реакции обезуглероживания в расплав присаживают раскислители и легиру35 ющие и подвергают, дальнейшему обычно- му переделу.

Способ применим при производстве сталя с содержанием углерода 0,0020,022, 8 частности при производстве овариваемых нержавеющих сталей,электротехнической стали с низкими ват- . тными потерями, других сталей и сплавов с особыми физическими свойствами.

Основные преимущества способа состоят в том, что значительно снижаются трудоемкрсть производства особонизкоуглеродястого металла, сокращается технологический цикл его получения, а для проведения процесса не тре. .50 буется большой перегрев расплава, в результате чего улучшаются условия службы огнеупоров и сокращается их расход.

Кроме того, в результате осуществ- 55 ления способа достигается сокращение расхода кислорода на продувку, снижение в металле содержания кислорода и уменьшение расхода раскислителей и легирующих, в том числе таких как никель, вольфрам, и т.п., а за счет снижения углерода железа снижается расход металлошихты на выплавку и увеличивается выход жидкого металла.

В результате снижения содержания углерода становится возможным производство металла с гарантированным в узких пределах низким содержанием углерода, в результате чего может быть упрощена технология его дальнейшего передела (например, сокращение или полная ликвидация обезуглероживающего отжига электротехнической стали, сокращение гомогенизирующей ,обработки нержавеющей стали и т.п.) и упрощена технология монтажа металлоконструкций за счет повышений свариваемости металла.

Пример 1. В индукционной 50Килограммовой печи расплавляют углеродистую металлическую шихту. Расплав продувают кислородом до содержания углерода О,!X, Затем подачу кислорода прекращают, и в металл при температуре 1600 С вводят 15 r (0,3 кг/т) порошка дисперсной оки си алюминия с размером частиц (1001000)х10 см, имеющей фракционный сос тав

Фракция (100500)х10 см 15Х

Фракция (501600)х10 см

Фракция (6011000}х10 8см- l0X

Диснерсную окись алюминия вводят в расплав сверху через алундовую трубку в струе аргона. Через 1 мин после завершения реакции при температуре 1600 С в металле содержится

0,014Х углерода. Содержание кислорода составляет 0,039, что зьачительно ниже равновесного с данным углеродом, равного 0,1 2Х при температуре !

600 С.

75Х

18%

Тираж 568 Подписное

ВНИИПИ 3 а каз 9040! 34

Филиал ПП!1 "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 10544

Ä 100Î) õ10 8 см,имеющей фракционный состав

Фракция (100. 500)xl0 см 15Х

Фракция (5015

600)xlO см

Фракция (6011000)x10 8 см 10%

Дисперсную окись алюминия вводят в расплав, как в примере 1, сверху 10 через алундовую трубку струей аргона.

Через 1 мин после завершения реакции отбирают пробу..Содержание: угле- рода составляет 0,007%, кислорода—

0,0288Х (равновесное 0,47% ). За- 15 тем металл раскисляют, вводят легиру- . ющие элементы и разливки в изложницы на слитки массой по 10 кг.

Пример 3. В индукционной

50-килограммовой печи расплавля- 20 ют углеродистую металлическую шихту.

Расплав продувают кислородом росодержания углерода 0,07%. Затем пода-. чу кислорода прекращают, и в металл при температуре 1640 С вводят 1,5 r . 25 (0,03 кг/т) порошка дисперсной окиси алюминия с размером частиц (1001000)х10 см,имеющей, фракционный состав

Фракция (100- 30

500)xlO см

Фракция (501600)х10 см 70%

Фракция (6011000) хх10 0 ссММ 12Х

Дисперсную окись алюминия вводят

1в расплав csepxy через алундовую трубку в струю аргона. Через l мин после завершения реакции в металле содержится 0,018Х углерода. Содержание кйслорода составляет 0,100%, что значительно ниже равновесного с данным углеродом, равного 0,18X при темпера туре 1640 С.

Пример 4. В индукционной 50 килограммовой лечи расплавляют углеродистую металлическую шихту. Расплав продувают кислородом до содержания углерода 0,05%. Затем подачу кислоро50 да прекращают, и в металл при температуре 1650 С вводят 7-5 г (1,5 кг/т) порошка дисперсной окиси алюминия

27 8 с размером частиц (100-1000)х1-О cM, имеющей фракционный состав

Фракция (100500)x10" см 25Х

Фракция (501600)xl0 см . 60X

Фракция (601-

1000)x1O см 15Х

Дисперсную окись алюминия вводят в расплав, как в примерах 1-3, сверху через алундовую трубку струей аргона. Через 1 мин после завершения реакции отбирают пробу. Со-, держание углерода составляет 0,005%, кислорода — 0,0268X (равновесное

0,64%). Затем металл раскисляют, вводят легируюпде элементы и разливают в изложницы на слитки массой по

lO кг.

Приведенные примеры показывают, что предлагаемый способ позволяет существенно сократить технологический цикл производства особониэкоуглеродистой стали и за счет этого снизить расход кислорода на продувку металла, уменьшить угар железа и увеличить выход жидкого металла, снизить температуру процесса и за счет этого улучшить условия службы огнеупоров и сократить их расход.

Снижение концентрации кислорода в металле по сравнению с равновесной с углеродом после введения в металл дисперсных окислов также позволяет уменьшить угар раскнслителей и легирующих.

В яромышленных условиях способ может бйФЪ осуществлен практически в любом сталеплавильном агрегате, оборудованном средствами для продувки металла кислородом и вдувания порошкообразных материалов однако наиболее предпочтительным является проведение процесса введения дисперс ных окислов вне печи — в ковшах, на установках внепечной обработки и т.д.

Дисперсные окислы получены на полупромышленной установке плазменным распылением. Для промышленного производства дисперсных окислов требуются капитальные затраты на строительство специального ипи расширение действующих отделений порошковой металлургии.