Способ обезуглероживания хромистого чугуна

 

СПОСОБ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ ; ХРОМИСТОГО ЧУГУНА, содержащего углерод 1,5-8%, хром 10-30% и по меньшей мере один из дополнительных элементов - кремний (не более 4%), никель (не более 20%), кобальт, марганец , молибден (в сумме не более 20%), включающий подачу струи кислорода вертикально на поверхность чугуна через кислородную фурму со i сверхзвуковой скоростью, отличающийся тем, что, с целью ускорения обезуглероживания и улучшения вьрсода годного по хрому без добавления восстанавливающих элементов или композиций, момент подачи струи кислорода на поверхность чугуна со сверхзвуковой скоростью определяют неравенством Сд 1740 IJ3 - начальная температура где чугуна, с, § Cj, - начальное содержание углерода в чугуне, Z, фурму устанавливают на высоте 5-30 диаметров критического сечения сопла, удельньй расход кислорода поддерживают равным 2,5О е 3 на 1 т жидкого чугуна при относительном давлении кислорода 8-12 бар, при этом при достижении содержания углерода в расплаве в 1,5-2,5 раза меньшего начального QD его содержания в чугуне и при температуре свыше обезуглероживание ведут непосредственным воздействием заглубленной струи кислорода на безшпаковую эмульсию газ - жидкий чугун до получения коиечиого содержания углерода в расплаве 0,3%. ИЗОБРЕТЕНИЯ 1Wf««il.vV.KJ.ff ,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)4 С 21 С 5/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ПАТЕНТУ

+65 С, > 1740

ГОСУДАРСТ8ЕКНЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3229959/22-02 (22) 19.01.81 (31) 8001809. (32) 24. 01. 80 (ЗЗ) гК (46) 30.07.85. Бюл. И- 28 (72) Жорж Маризи (РК) (71) Южин Асьер (FR) (53) 669.184.244(088.8) (56) 1. 3. SCHOOP, W.RESCH, GHAHN

Teactions occuring during the oxygen top blown process and calcula.—

tion of metallurgical control parameters. — "Jronmaking and stee1making", 1978, М- 2, рр. 72-79.

2. А. CHATTER. 1ЕЕ. N;0.

LINDF0RS. J.A. WESTER Process

metallurgy of LD steelmaking .

"Jronmaking and Steelmaking", 1976, У 1 °

3. CARL.SON, SHAW Stainless steel

bu B0F Process. — "Jron and Бйее1

Eng. 1972, В 8, рр.. 53,58. (54) (57) < СПОСОБ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ, ХРОИИСТОГО ЧУГУНА, содержащего угле род 1,5-8Х, хром 10-ЗОЖ и по меньшей мере один иэ дополнительных элементов — кремний (не более 4X), никель (не более 207), кобальт, мар. ганец, молибден (в суиме не более

20X), включающий подачу струи кислорода вертикально на поверхность чу.гуна через кислородную фурму со

„„SU<„, 170974

<сверхзвуковой скоростью, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью ускорения обезуглероживания и улучшения выхода годного по хроиу без добавления восстанавливающих элементов или композиций, момент подачи струи кислорода на поверхность чугуна со сверхзвуковой скоростью определяют неравенством где T n — начальная теипература чугуна, С, о

C> — начальное содержание углерода в чугуне, Х, фурму устанавливают на высоте

5-30 диаметров критического сечения сопла, удельный расход кислорода поддерживают равным 2,53 нм /иин на 1 т жидкого чугуна при относительном давлении кислорода 8-12 бар, при этом при достижении содержания углерода в расплаве в 1,5-2,5 раза меньшего начального его содержания s чугуне и при температуре свыше 1700 С обезуглерожива» ние ведут непосредственным воздействием заглублениой струи кислорода на беэшпаковую эмульсию гаэ — жидкий чугун до получения конечного содержания углерода в расплаве ме нее О,ЗЖ.

1170974

Изобретение относится к металлургии, а именно к обезуглероживанию хроиистых или хромисто-никелевых чугунов, содержащих 1,5-8 вес.% углерода, 10-30 вес.% Cr, до 30 вес.%

Ni и в известных случаях присадки

<о, Ип и Ио.

Известны многочисленные способы, позволяющие осуществлять обеэуглероживание чугунов под действием кислорода, одного или,в смеси с другими газами, при атмосферном давлении или при пониженном давлении. Кислород или газовая смесь может приводиться в контакт с жидким металлом, например, вдуванием через основание конвертера или же, напротив, может вводиться на поверхность металла

P1$ и 2 .

В частности, в способе LD обезуглероживаемый чугун обрабатывается в вертикальном конвертере при помощи фурмы, расположенной над уровнем жидкого чугуна. Через эту фурму поступает струя кислорода, которая направляется на поверхность жидкого металлического расплава.

Исследования, проведенные по этому способу, позволяют лучше понять действие струи кислорода на металлический раствор и на шлак, который его покрывает.

При дефосфорацин н обезуглероживания чугуна способом LD применяеиыч к конвертеру 200 Т, реакция между кислородом и жидким металлом происходит, главным образом, благбдаря присутствию капелек жидкого металла в ишаке. Подача жидкого металла, отбрасываемого капельками через шлак, зависит от силы столкновения струи кислорода с жидким металлом.

Эта подача металла может достигать и даже превышать тонну в секунду.

При этом условии имеет место образо-. вание эмульсии иежду жидким металлом, шнаком и газовой смесью, объем которой зависит не только от силы столкновеиия струи кислорода, но и от характеристик текучести пшака.

При слабой силе столкновения удаляется преимущественно фосфор, напротив, при большой силе столкновения удаляется преимущественно углерод.

Проведенный анализ показал, что в условиях, благоприятных для дефосфорации, содержание Р в капельках в 100 раз меньше, чем содержание Р

5О

55 в металлической ванне. Увеличение си лы столкновения струи кислорода с металлической ванной благоприятствует реакции обезуглероживания, так как оно влечет за собой увеличение количества отбрасываемых капелек.

Очень быстрое обезуглероживание, которое происходит в этом случае, ускоряется растрескиванием металлических капелек,. которое получается от образования пузырьков С0.

В процессе обезуглероживания чугу нов способом LB струя кислорода, ультразвуковая на выходе из сопла, своим столкновением создает эмульсию между жидким металлом, шлаком и очень значительной газовой фазой, содержащей изменяемые количества кислорода и окисей углерода. Объем эмульсии сильно зависит от вязкости шлака. Шлаки, богатые ГеО, очень жидкотекучие, дают повод к образованию эмульсий, объем которых достигает 3-4-кратного от объема жидкого металла к концу дутья. Внутри эмульсии обезуглероживание капелек жидкого металла вызывает двумя конкурирующими процессами: окисление углерода кислородом, содержащимся в газовой фазе, и окисление углерода РеО содержащимся в шлаке.

Этот способ, разработанный сначала для обезуглероживания обычных чугунов, был использован для обработки хромистых чугунов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ обезуглероживания хромистого чугуна, содержащего углероц 1,5-8% хром 10-307 и по меньшей мере один из дополнительных элементов — кремний (не более 47), никель (не более

207), кобальт, марганец, молибден (в сумме не более 207), включающий подачу струи кислорода вертикально на поверхность чугуна через кислородную фурму со сверхзвуковой скоростью Я .

Синтетический чугун с Cr, полученный смешиванием обычного чугуна и содержащего углерод феррохрома, содержащий цриблизи ельно 47 углерода и приблизительно 15-1б7 хрома, обезуглероживается вдуванием кислорода до конечного содержания с

0,057. В конце обезуглерожнвания температура превышает 1900 С. В

ll70974 этом способе образуются, главным образом в начале дутья, значительные количества окисей Cr и Fe, которые переходят в плак. Когда концентрация этих окисей в шлаке становится доста. точно высокой, они реагируют, в свою очередь, с углеродом, содержащимся в металлической ванне, и образованная СО выделяется. Часть окиси хрома, образованная в начале реакции уносится горячимм газами в форме пыли. Другая часть остается в шлаке и может в ходе последующей операции восстановления силикотермией восстанавливаться и рекуперироваться.

Следовательно, способ включает не сколько стадий и вызывает необходимость сравнительно дорогой вторичной обработки шпака, чтобы рекупе- 20 рировать часть. хрома, окись хрома, уносимая горячими газами, с трудом может рекуперироваться. Кроме того, в этом способе необходимо присутствие шлака, богатого окисью Сг, чтобы обеспечить обезуглероживание. Этот шлак уменьшает эффективность столкно. вения струи кислорода с металлической ванной и, следовательно, замедляет дразнение последнего. Из этого 30 следует, что обезуглероживание тормозится и что, напротив, потери

Cr окислением возрастают.

Цель изобретения — Ускорение обезуглероживания и улучшение вы- З5 хода годного по хрому без добавле" ние восстанавливающих элементов или композиций.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обезугле- 40 роживания хромистого .чугуна момент подачи струи кислорода на поверхность чугуна со сверхзвуковой скоростью определяют неравенством

Т +65 C ) 1740 где Т1 — начальная температура чугуна, 50

С 1 — начальное содержание углерода в чугуне, Ж фурму Устанавливают на высоте 530 диаметров критического сечения сопла, удельный расход кислорода поддерживают равным 2,5-3 нм1/мин йа 1 т жидкого чугуна при относительном давлении кислорода 8-12 бар, при этом при достижении содержания углерода в расплаве в 1,5-2,5 раза меньшего начального его содержания в чугуне и при температуре свыше

1700 С обезуглероживание веду . непосредственным воздействием заглубленной струи кислорода на безшлаковую эмульсию газ — жидкий чугун до получения конечного содержания углерода в расплаве менее ЗХ.

Предлагаемый способ осуществляют в кислородном конвертере, футеровка которого выполнена иэ высокотер" мостойких кирпичей типа хромомагнезитовых.

Обезуглероживание осуществляют посредством подачи кислорода под высоким давлением при помощи фурмы,. которая вводится в конвертер сверху, через его горловину. Струя кислорода направлена вертикально вниз и расстояние между концом сопла и поверхностью жидкого металла изменяется в пределах от 5- до 30-кратной величины от диаметра критического сечения сопла. Удельный расход кислорода на 1 т жидкого чугуна должен быть приблизительно 5

3 нм /мин, при давлении, которое изменяется от 8 до 12 отн. бар.

В этих условиях проводят первую фазу реакции, в ходе которой слой шлака постепенно вытесняется с поверхности ванны струей газа.

Одновременно происходит быстрое окисление наиболее окисляемых элементов, содержащихся в чугуне.

В этот период окисляется, главным обобразом, хром. Одновременно быстро повышается температуре металла.

Во второй фазе хром, окисленный в начальной стадии, восстанавливается углеродом, присутствующим еще в повышенном количестве в металлической ванне. В ходе этого периода восстановления окиси хрома температура продолжает повышаться. Выше температуры приблизительно 17001800 С начинается третья фаза реакции, в ходе которой кипение, вызванное реакцией кислорода с углеродом ванны, происходит не толь.

iso на поверхности, но также дале в объеме ванны чугуна. В этом случае образуется эмульсия между газовой фазой и жидким металлом, уровень которой постепенно повышается и которая начинает окружать сопло.

1!70974

Внутри этой эмульсии кислород находится в прямом контакте с жидким

1 металлом практически без присутствия шлака. В этих условиях имеет место процеСс крайне быстрого прямого обеэуглероживания металла без промежуточного образования окиси хрома.

Эмульсия газа/металла, которая образуется и уровень которой поднимается над начальной поверхностью металлической ванны, играет роль фильтра, который задерживает твердые частицы окисей хрома, железа или другого металла, которые могут образовываться в известных случаях.

Благодаря постоянному кантактированию части объема жидкого металла, которая мажет превышать 257, с газовой фазой эффективность обезуглероживания увеличивается в широких пределах. По той же причине имеет место более быстрое повышение температуры жидко о металла. Установлено, что можно обезуглероживать хромистый чугун этим способом очень быстро и с постоянной скоростью,. Наконец, эмуль сия газа/металла играет роль теплоизолятора и весьма значительно снижает тепловые потери.

Опыт показал, чта можно постоянно поддерживать Эмуг.ьсию газа/металла в ходе этой 1ретьей фазы реакции, продолжая обезуглероживание очень быстро и с постоянной скоростью для конечного содержания углерода, близкого к 0,2Х. Проведенные в этот момент анализы показали, что выход Cr в растворе в металлической ванне составляет по крайней мере 97 вес.7: Ск, содержащегося в чугуне, введенном вначале в конвертер. Этот результат получается без добавления одного или нескольких восстанавливающих элементов или восстановителей таких, как кремний или другие. Можно еще больше снижать это содержание углерода, удлиняя кислородное дутье, но начиная с этого момента, достигают вторичного окисления хрома, диффузии углерода, orðàûè èâàþùåé кинетику реакции. В этом случае, если требуется еще снизить содержание углерода, предпочитают пускать конвертер при пониженном давлении, например, покрывая его герметизиро5

10 ванным сводом, включающим трубопровод для удаления газов, соединенный с насосами, способными снижать давление в конвертере до уровня порядка десятка "ropp или немного меньше, с возможностью дополнительным введением кислорода и/или нейтрального газа.

Ва многих случаях количество кислорода, присутствующего в чугуне и в остаточном шлаке, достаточно для кисления остаточного углерода и легко достигают конечного содер15 . жания углерапа ниже О,ОЗЕ.. В этих условиях общий выход хрома составляет около 987. Этот результат получается без добавления одного или нескольких элементов-восстанови20 телей или соединений-восстановителей.

Пример. Перерабатывают чу- гун, имеющий следующий состав, X:

Cr 1?, С 6, SiO G, Мп 0,3, S < 0,03, Р <003.

Доводят до )430 С 60 кг этого чугуна в печи, включающей индукционный нагрев. Поверхность жидкЬго чугуна покрыта приблизительн, 0,5 кг извести. Затем вздува,. кислород при помощи вертикального сопла с расходом 168 мл/мин при давлении 9 OTH. oGp, Диаметр крнтичес— кого сечения сопла составляет 2 мм

35 и вертикальное расстояние мет у концом сопла и ванной составляет

30 мин. Вдуваемый таким путем кислород вступает в реакцию с ванной и можно наблюдать три последовательные фазы реакции.

В первой фазе кислород реагирует, главным образам, с поверхностью ванны чугуна, акисляя преимущест-. во Cr, Sin Ге. По мере того, как образованные окиси, которые содержат большую часть Cr<0> накапливаются на поверхности ванны, начинается вторичная реакция восстановления этих окисей углеродом. Ско.рость этой реакции восстановления увеличивается постепенно одновременно с повышением температуры прибли- о зительна до 1650 С на 10-й минуте.

Образованная СО выделяется за это

55 время и сгорает, давая пламя.

Во второй фазе, начиная с 1 1-й минуты, восстановление окисей, главным образом окиси хрома, углеродом становится быстрее, чем ооразование этих окисей. В этот период оживленной реакции температура еще повьппается, но менее быстро. Начиная приблизительно с 15-й минуты, скорость обезуглероживания стабилизируется: содержание углерода, которое составляет в этом случае приблизительно 4Х, продолжает уменьшаться со скоростью почти О,ЗХ в минуту и одновременно наблюдается соответствующее восстановление окисН хрома. Этот механизм продолжается до 20-й минуты, температура ванны достигает в этом случае приблиэио тельно 1750 С, тогда как содержание

С снижается приблизительно до 2,9Х.

К концу этой второй фазы образованные первоначально металлические окиси почти полностью восстанавливаются.

В 20-ю минуту создаются условия для начала третьей фазы, которая позволяет снизить содержание углерода ниже 0,3Х, а практически до

0,2Х. В начале этой третьей фазы температура ванны чугуна сильно повышается. При этих условиях, сохраняя без изменения условия расхода кислорода и расстояние между концом сопла и ванной чугуна, наблю. дают образование в самой ванНе чугуна эмульсии между газом и чугуном, которая быстро покрывает поверхность ванны, затем утолщается до двухкратной величины от начального объема чугуна. Все происходит так, как будто сам.чугун под действием струи кислорода и образования

СО, прямой реакцией кислорода с углерЬдом, содержащимся в этом чугуне, закипает во всей своей массе благодаря существующим физико-химическим условиям. Внутри образованной эмульсии скорости реакции повышаются, что позволяет осуществлять обеэуглероживание с высокой скоростью до конечного содержания углерода приблизительно 0,2Х, которое достигается к 29-й минуте. В этом случае температура составляет приблизительно 1860 С и дутье кислорода прекращают. Проведенные на этой стадии анализы показывают, что выход Cr составляет 97,5 вес.X.

Затеи осуществляется конечное обезуглероживание известным образом, с применением вакуума в печи при

1170974 помощи насосов, позволяющих достигнуть остаточного давления приблизительно 2 торр в 20-ю минуту. В ходе этой операции содержание углерода

5 снижается до 0,02Х только благодаря кислороду, присутствующему в жидком чугуне, и остаточному шлаку.

В результате этого опыта установлено, что выход хрома составляет 98Х.

Ввиду небольшого количества чу гуна, применяемого в этом опыте, необходимо компенсировать слншком большие тепловые потери. Для этого в течение всей операции поддержи15 вают дополнительный индукционный нагрев с постоянной мощностью, чтобы лучше компенсировать тепловые потери. Подобный дополнительный нагрев делается необходимых только в не20 большом масштабе опыта. Очевидно, что в промышленном масштабе этот нагрев будет излишним.

В числе условий, которые способствуют образованию эмульсии между газовой фазой и жидким хромистым чугуном, было установлено, что для возможности пуска в ход образования эмульсии газа/металла важно, чтобы начальная температура металлической

ЗО ванны удовлетворяда неравенству

Тв+65 С ) > 1740

35 где Тп — начальнаЯ темпеРатУРа хРомистого чугуна, в момент начала дутья кислорода, С, C> — начальное содержание углерода в чугуне, вес.Х:.

40 Если содержание углерода в хромистом чугуне составляет бХ, температура последнего должна быть выше

1740-390=1350 С в момент начала . дутья кислорода. Опыт показал, что, 45 чем выше действительная температура по отношению к определенной критической величине, тем скорее появляются благоприятные условия для образования эмульсии между газовой

50 фазой и жидким металлом в ходе процесса обезуглероживания. Это означает, что продолжительность двух первых фаз процесса обезуглероживания, в ходе которых происходит

55 удаление углерода, главным образом, восстановлением образованных окисей металлов, будет снижаться в пользу третьей фазы прямого обезуглерожи3 170974

Составитель С.Миронов

Редактор Н,Киштулинец Техред Т.Фанта Корректор М.Розман

Заказ 4720/57

Тираж 553 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ИПП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4 вания жидкого чугуна благодаря образованию эмульсии газа/металла.

Предлагаемый способ может при" меняться не только к хромистым чугунам без других больших добавок, но и к хромистым чугунам, содержащим добавки других металлов, таких как

Ni Со, Мп или Мо. Следовательно, этим способом можно прямо получать из хромистого или хромисто-никелевого чугуна, в который внесены соответствующие добавки, нержавеющие ферритные стали, полуферритные стали, аустенитные стали или аустенитно-ферритовые стали.

Опыт показал, что одним из важных факторов, которые гарантируют стойкость сопла для впрыскивания кислорода внутрь конвертера, является защитный слой, который образуется на поверхности этого сопла во время операции. Это сопла, преимущественно из меди, охлаждается циркулирующей водой и его поверх10 ность покрывается слоем очень огнеупорных окисей . Этот слой играет двойную роль теплоизолятора и защиты сопла от опасностей прорыва и, следовательt5 но, потери воды.