Шлакообразующая смесь

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к шлакообразующим смесям для защиты зеркала металла от окисления, и может быть использовано при легировании и раскислении стали в ковше, особенно автоматной и повышенной обрабатываемости резанием. Целью изобретения является экономия легирующих и раскислителей при обработке стали в ковше. Шлакообразующая смесь содержит, мас.%: оксид кремния 32-55

оксид железа 0,2-12,0

оксид кальция 2-9

оксид магния 1-4

сумму оксидов натрия и калия 0,7-4,0

оксид марганца 0,2-5,0

оксид алюминия 10-26

углерод 4-28

серу 0,1-3,0 и селен 0,003-0,3. Применение смеси позволяет снизить угар легирующих из стали при разливке: кремния на 2-12%

алюминия на 2-30%

кальция на 2-10%

серы на 15-60% и марганца на 4-10%. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19 (И) 5 42 А1 (51)5 С 2 1 С 7 076

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4499153/23-02 (22) 20.09 ° 88 (46) 15,08.90. Бюл. Н 30 (71) Научно-исследовательский институт металлургии (72) С.Г.Филимонов, А.Я.Заславский, В.ГЛилюц и В.Ф.Скрыль (53) 669.18.046.587:621.746.393 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1089146, кл. С 21 С 5/54, 1983, Авторское свидетельство СССР

262а23, кл. В .22 D 27/06, 1965. (54) ШЛАКООБРАЗУЮЩАЯ СИЕСЬ (57) Изобретение относится к черной металлургии, а именно кшлакообраэующим смесям для защиты зеркала металла от окисления, и может быть использоИзобретение относится к черной металлургии, а именно к шлакообразующим смесям для защиты зеркала металла от окисления, и может быть использовано при легировании и раскислении стали в ковше, особенно, автоматной и повышенной обрабатываемости резанием.

Цель изобретения — экономия легирующих и раскислителей при обработке стали в ковше.

Предлагаемая шлакообразующая смесь содержит оксид кремния, оксид алюминия, оксид железа, оксид кальция, оксид магния, оксид натрия, оксид калия, углерод, оксид марганца, се2 вано при легировании и раскислении стали в ковше, особенно автоматной 1 и повышенной обрабатываемости резанием. Целью изобретения является экономия легирующих и раскислителей при обработке стали в ковше. Шлакообразующая смесь содержит, мас.X: оксид кремния 32-55; оксид железа

0,2-!2,0; оксид кальция 2-9; оксид магния 1-4; сумму оксидов натрия и калия 0,7-4,0; оксид марганца 0,25,0; оксид алюминия 10-26; углерод

4-28; серу 0,1-3,0 и селен 0,003.0 3. Применение смеси позволяет снизить угар легирующих иэ стали при разливке. "кремния на 2-!2%; алюминия на 2-30X кальция на 2-10Х, серы на

15-60% и марганца на 4-10%. 1 э.п. ф-лы, 2 табл. лен и серу при следующем соотношении компонентов, мас,X!

Оксид кремния 32-55

Оксид железа . 0,2-1 2,0

Оксид кальция 2-9

Оксид магния 1-4

Оксиды щелочных металлов 0,7-4,0

Оксид марганца 0,2-5,0

Оксид алюминия 10-26

Углерод 4-28

Сера 0,1-3, О

Селен О, 003-0, 3

В качестве оксидов щелочных ме- .

, таллов используют оксиды натрия и калия, 1585342

При содержании в смеси двуокиси кремния менее 32Х сталь загрязняется силикатами иэ-за высокой адгезии шлака к металлу. При содержании Sip более 55Х наблюдается интенсивный износ основной футеровки ковшей.

Аналогично при содержании СаО менее

2Х шлак получается слишком кислым и энергично взаимодействующим с Футеровкой. При СаО более 9Х сталь загрязняется силикатами из-эа высокой адгезии шлака к металлу, а также .в результате повышения основнбсти шлака увеличивается коэффициент активности оксидов железа в шлаке, что приводит к снижению степени усвоения раскислителей. Содержание оксида алюминия выбрано в пределах от 10 до 26, а оксида магния от 1 до 4Х с целью обеспечения оптимальной температуры плавления смеси. При содержании указанных окислов ниже нижних пределов смесь получается тугоплавкой и в ковше не расплавляется, поэтому шлако- 25 вый покров не образуется, металл подвергается интенсивному окислению кислородом воздуха. С увеличением содержания оксидов алюминия и магния температура плавления смеси становит- 30 ся ниже, чем температура стали в ковше. Однако при содержании оксида алюминия выше 26Х. шлак получается слишком густыч, период формирования шлака затягивается, усвоение легирующих и раскислителей получается низким. Оксид магния оказывает, наоборот„раэжижающее действие. При содержании оксида магния более 4Х шлак получается слишком жидкоподвижным, 40 что приводит к повышению скорости взаимодействия шлака с металлом и, следовательно, к снижению степени усвоения легирующих и раскислителей.

Оксиды натрия и калия способствуют благодаря своей легкоплавкости, быстрому расплавлению смеси и формированиюю г смог енно r о, о бладающег о оптимальными физико-химическими свойствами шлака. При их суммарном содержании менее 0„7% процесс наведе50 ния шлака недопустимо затягивается, что приводит к окислению металла кислородом воздуха. При суммарном еодержании оксидов натрия и калия более 4,0Х шлак получается излишне жидкоподвижным, что приводит к снижению степени усвоения раскислителей и легирующих. Поскольку оксиды желева оказывают большое влияние на физико-химические характеристики шлака, содержание оксида железа регламентируется в пределах от 0,2 до

1 2,0Х. При содержании оксида железа менее 0,2Х шлак получается недостаточно жидкоподвижньм, из-эа чего его формирование затягивается на длительный период, что приводит к окислению металла кислородом воздуха в начальный период выпуска метал-. ла из печи. При содержании оксида железа более 12,0Х шлак приобретает недопустимо высокий окислительный потенциал иэ-за высокой активности оксидов железа в шлаке, окисляющих легирующие элементы и раскислители и тем самым снижающих степень их усвоения, а также происходит запутывание шлака в металле, из-за чего его механические свойства ухудшаются. Содержание углерода ниже 4Х не обеспечивает восстановительную атмосферу вблизи зеркала металла в достаточной степени. Увеличение содержания углерода более 28% при применении смеси для защиты зеркала металла в ковше фактически не способствует дальнейшему понижению окислительного воздействия смеси и повышению степени защиты жицкого металла от окисления воздушной атмосферой, но неоправданно удорожает смесь, Дополнительное введение. серы и селена вызвано необходимостью снижения окислительного воздействия шлака на металл за счет уменьшения коэффициента акты ности кислорода в шлаке. Сера и селен в шлаковых расплавах являются поверхностно-активными элементами и концентрируются в поверхностном слое шлака, тем самым вытесняя ионы кислорода из эоны реакционного взаимодействия шлака с другими фазами — воздухом и жидким металлом, в результате чего активность кислорода в шлаке и скорость взаимодействия шлака с металлом резко снижаются, а степень усвоения легирующих и раскислителей значительно возрастает.

Снижение активности кислорода в шлаке предлагаемого состава проявляется при содержании серы более 0,1Х.

При дальнейшем увеличении содержания серы происходит разжижение шла1 ка, в результате чего скорость вза85342

10

25

50

5 15 имодействия шлака с металлом возрастает, что снижает положительное воздействие серы по снижению коэффициента активности кислорода в шлаке.

При повышении содержания серы в .шлаке более Э прирост скорости реакции окисления металла шлаком в связи с увеличением его жидкоподвижности превалирует над ее замедлением от снижения активности кислорода в поверхностном слое шлака эа счет добавки серы, поэтому увеличение содержания серы выше З приводит к снижению степени усвоения легирующих и раскислителей.

В связи с воэможностью частичного перехода серы из шлака в металл применение смесей с высоким содержанием серы рекомендуется для производства сталей повышенной обрабатываемости резанием типа селенистых > кальцийсодержащих и свинцовистых. Смеси с низким содержанием серы могут широко использоваться для производства рядовых и качественных сталей.

Однако эа счет дополнительного введения только серы не удается достиг нуть в дос та точ ной с тепе ни с нижения активности кислорода, поэтому в данную смесь дополнительно введен еще более поверхностно-активный элемент - селен. В связи с высокой ток-. сичностью селена верхний предел его содержания (0,3 ) ограничен на уровне, при котором присутствие в воздухе рабочей эоны двуокиси селена не превышает предельно допустимых концентраций. При более высоких содержаниях селена в смеси (0,35 ) концентрация двуокиси селена в воздухе рабочей зоны подручного сталевара превышает предельно допустимую концентрацию (0,1 мг/м ) . .При содержании селена в смеси менее 0,003%. не обеспечивается в достаточной степени эффект по снижению активности кислорода в поверхностном слое шлака и усвоение легирующих и раскисляющнх элементов получается относительно низким.

Положительное воздействие селена и серы на усвоение и снижение расхода легирующих и раскислителей резко усиливается при наличии в смеси марганца по следукпцему механизму.

Наименее устойчивыми окислами в шлаках предлагаемого состава и, сле" довательно, окислителями легирующих элементов и раскислителей являются оксид железа и оксид марганца. В связи с высоким содержанием двуокиси кремния в смеси предлагаемого состава при ее расплавлении в ковше наводится шлак, состоящий иэ сложных алюмокремнекислородных анионов, замыкающихся и соединенных друг с другом катионами кальция, магния, марганца, калия и натрия, В таких комплексньж единичных элементах расплава ионы кислорода имеют тесную взаимосвязь с кремнием и алюминием. Свободных ионов кислорода, а следовательно, и катионов в таких расплавах очень мало. Катионы железа при металлургических процессах способствуют переносу кислорода из окислительной атмосферы в металл по следующему механизму. Двухвалентные катионы железа при контакте шлака, например, с воздушной атмосферой, взаимодействуя и присоединяя к себе кислород воздуха, переходят в трехвалентные .

В результате этого в шлаковом покрове возникает градиент концентрации катионов трехвалентного железа, что обуславливает их перемещение в слой, контактирующий с жидким металлом, где они восстанавливаются легирукщими элементами и раскислителями с одновременным окислением и переходом в шлак последних, т.е. с угаром легирующих элементов и раскислителей.

35 оскольку концентрация двухвалентных . катионов железа в слоях, контактирующих с металлом, низкая, а в слоях, контактирующих с воздушной атмосфе.рой, высокая, то одновременно происходит массоперенос двухвалентных катионов железа из слоев, контактирующих с металлом в слои, контактирующие с воздухом., где они снова окнсляются, и затем опять поступают в слои, контактирующие с металлом. . Двухвалентный катион марганца имеет примерно такие же размеры, электрической заряд, атомную массу и т.д. как у двухвалентного катиона железа.

Поверхностный слой шлака, получающегося при расплавлении предлагаемой смеси, обогащен ионами серы и селена. Значительное сродство к сере и селеиу иэ входящих в состав смеси ионов имеют катионы кальция, магния, железа (II) марганца, натрия и калия. Однако, катионы кальция, магния, натрия и калия практически

15В5342 полностью связаны с алюмокремнекислородньии комплексами, проявляющими ярко выраженные кислотные свойства, поэтому вместе с серой и селеном в поверхностных слоях шлака в первые

5 моменты после расплавления смеси концентрируются катионы марганца и железа (II). Концентрация катионов марганца и железа в поверхностном слое определяются их активностью в шлаке, а также сродством к сере и селену, которые при температуре стали в ковше (1500-1600 С) у марганца значительно вышее, чем у железа, 15 поэтому концентрация марганца в поверхностном слое шлака, получающегося при расплавлении предлагаемой смеси, на один-два порядка выше, чем железа (при соблюдении предлагаемого отношения содержаний оксида железа к оксиду марганца). Таким образом, благодаря наличию в шлаке серы и селена, являющихся поверхностно-активными элементами, а также марганца резко ограничивается поступление в поверхностный слой шлака не только анионов кислорода, что выражается в снижениИ скорости его окислительного взаимодействия с метал- 30 лом, но и катионов железа, в результате чего снижается скорость взаимодействия шлака с кислородом воздуха, т.е. скорость переноса кислорода из воздуха в металл. 35

Зкспериментально установлено, что при содержании ИпО менее 0,2 металл энергично взаимодействует со шлаком, массоперенос кислорода из воздуха в 10 в металл происходит в недопустимой степени, что приводит к дополнительному расходу раскислителей и угару легирующих элементов. Взаимодействие шлака с металлом н кислородом воздуха в достаточной мере притормаживается при массовой доле оксида марганца, равной 0,2 . С повышением содержания ок сида марганца и роисходит дальнейшее снижение скорости окисления легирующих элементов и раскислителей за счет кислорода воздуха. Однако при увеличении массовой доли оксида марганца вь|ше 5 получается черезмерно жидкоподвижный шлак и скорость реакции окисления легирующих элементов и раскислителей возрастает, т.е. их степень полезного использования снижается.

Пример. Сталь марки АЦ-45 выплавляли в индукционной печи с предварительным раскислением силикомарганцем в печи и окончательным раскислением кремнием, алюминием и силикокальцием в ковше. Для обеспечения марочного содержания серы в ковш присаживали также серный колчедан.

Перед началом выпуска металла иэ печи на дно ковша помещали предлагаемую или известную шлакообразующие смеси. Расход смесей составлял

2 кг/т стали. Кроме того, проводились плавки по общепринятой технологии, т.е. без применения шлакообразующих для защиты зеркала металла от атмосферы (базовый вариант).

Химический состав опробованных смесей приведен в табл, .

Зффективность применения смеси определялась по степени усвоения кремния, .алюминия, кальция, серы и марганца. Для оценки загрязненности стали шлаковыми включениями эа счет запутывания в металле частичек смеси определяли содержание в стали кислорода, неметаллических включений, а также ударную вязкость стали в поперечном направлении, являющейся из механических характеристик наиболее чувствительной к наличию неметаллических включений. Кроме того, оценивалось влияние смеси на санитарно-гигиеническую ситуацию при легировании стали серой (по содержанию сернистого ангидрида). Оценивалась также, дополнительная загрязненность воздуха селенистым ангидридом иэ-за применения смеси, содержащей селен.

Результаты испытаний представлены в табл. 2. .Как видно из табл. 2, при применении предлагаемой смеси содержание ддуокиси серы в воздухе снижается в 20-100 раз (благодаря повышенному усвоению серы металлом), концентрация селенистого ангидрида не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК О,! мг/м ). При содержании селена в смеси более 0,3 концентрация селенистого ангидрида в воздухе рабочей зоны превышает ПДК.

Применение предлагаемой смеси обе спеч ива е т содержание кислорода и . неметаллических включений в стали не выше, а механические свойства, в частности ударная вязкость, не ниже, чем в случае использования известной

9 1585342 шакообразующей смеси. Угар раскисли- легированной серой, содержание сер-., телей и сарН на плавках, обработан- нистого ангидрида в воздухе рабочей ных предлагаемой смесью (1,2,4,5) зоны при применении смеси в 20-100 и особенно смесью 3, имеющей опти- раз ниже, чем при выплавке без прималь ый альный состав, нижеу чем при при5 менения смеси. Еще более значитель" мененин известной смеси (по кремнию ный эффект получается по снижению на 2-12, алюминию на 2-30, кальцию загрязненности воздуха селенистым на 2-10 с

О, сере по 15-60, марганцу ангидридом при выплавке селеносодерна 4-10X) Еще большая экономия ле- р жащих сталей, так как давление паров гирующих и раскислителей выявляется селена над железоуглеродистым расппри сравнении с базовым вариантом лавом в 100 раз выше чем у серы. (беэ п име

Э применения смеси) ° Угар крем- . Но при выплавке селенсодержащих стания ниже На 20-30, алюминия 6-34, лей применяют смеси с низким содержа25-70, марганца 7-13 и кальция 1 нием селена (0,003-0,02 ), из которых селен практически не поступает

Экономия ферросилиция р ферромар- - в атмосферу, Несмотря на некоторое ганца, силикокаль ия се ь ция, серы и алюми- поступление частичек смеси- в воздух ния при примене ии и е н и предлагаемой сме- во время начала выпуска стали иэ песи (в сравнении с базовым с базовым вариантом) 2р чи, пылесодержание в воздухе рабосоставит: чей эоны сталевара снижается в 6 раз благодаря снижению интенсивности ис23 4 "2 2 кг/т

0,51 /

КГ/Т» парения железа, марганца и др. и последующего образования их аэрозолей.

Формула изобретения

«12 4Х 1 О кг/т — — — = 0,12 кг/т;

И 0% 8 5кг/т - — --- = 0,94 /

100 — кг/тэ

5 4%-1 Окг/т — — — — О 54 кг/т

1 00%.

1.,Шлакообраэ ующая смесь, содержащая оксид кремния, оксид алюминия, I оксид железа, оксид кальция, оксид магния, оксиды щелочных металлов, углерод, отличающаяся тем, что, с целью экономии легирующих и раскислителей при обработке стали в ковше, она дополнительно содержит оксид марганца, селен и серу при следующем соотношении компонентов, мас.X:

Оксид кремния 32-55

5% 3 0 кг/т где 23,4; 12,4; 11,0; 54; 5% — средняяз5 разница между степенями угара кремния, алюминия, марганца, серы и кальция соответственно при применении предлагаемой смеси и при выплавке без применения смеси для защиты зер- 40 кала металла;

2,2; 1 0; 8 5; 1 0 и 3 0 кг/т— расход ферросилиция, алюминня вторичного, ферромарганца, серы и силикокальция на тонну стали.

Применение смеси для защиты зеркала металла в ковше способствует почти полному предотвращению испарения железа и марганца с зеркала металла в ковше, т.е. улучшению санитарно-гигиенической ситуации при легировании стали в сталеразливочном ковше. В случае производства стали, Оксид железа О, 2-1 2, 0

Оксид кальция 2-9

Оксид магния 1-4

Оксид алюминия 1 0-26

Оксиды щелочных металлов 0,7-4,0

Оксид марганца 0,2-5,0

Углерод 4-28

Сера 0,1-3, О

Селен 0,003-0,300

2. Шлакообраэующая смесь по п. 1, отличающа яс я тем, что в качестве оксидов щелочных металлов используют оксиды натрия и калия, ! 585342

12 таблица I

Содержание компонентов, мас.й

8!.Оз А1зО 3 Fe0 СаО 880 Na O+K O ИпО С S . Se

Смесь

Предлагаемая

3,0 0,003

4,0

28,0

4,0

О, 797

3,9.4,0 0,1 0,300

0,7

3,0

2,0

1,0 О, 200

l5 3

16,0!

3,0

2,64

2,6

1,6 О> I б

1,О 0,30

9,0

8>00

10,0

1,0

3,0

0,2

1,0

4,0

2,0

1,8

О,!

4,0

5,22

4, 499

0,4

2,8

3,0

3,8

49,0 20,2

40,9 20,0

45,5 18,8

4.7,0 19,8

3 2

1,8

8,0 3 2 0 1

11,0 0,05 0>1

0,8

3iO

3,0

1,45

4,0

2,0

8,6 6,0

Известная

16,0

1,7

2,2

6,6 3,5

45,8 24,2

Таблица 2

Содержание в стали в из стали, 7.

Смесь ная ость

20, (О ) !".Н.В.) Са F> рпп гаемая

94 О 5

0,4

0,0087

0,0031

29 79

Не обнаруж.

0,0036 0,0080

52 0 09

62 Следы

2,0

0,0062

О, 0079

0>0075

0>0025

0,0034

0,8

53 -0,03

53 0,09

0 9

О, 0035

0,0035

0>5

0,8

О, 0080

0,0078

0,0108

51 0 05

50 0,02

О, 0036

0,0060

0,9

40 90 . 99

40 Не об- 0,8 36 85 наруж.

33 24 99

0i0030

0,0036

010036

60 О,Ii )

45 0,05

0,0060

0,083

0,084

О,б

34 85 99

0,4!

Известная

48 ° 0,05

3,5

51

О, 0035 0,0080

4,0

99 Базовая !

0,0036

0,0081

40,1

Составитель К, Сорокин

Техред JI.Ñåðäþêîýà Корректор А. 0сауленко

Редактор И. Недолужеико

Заказ 2304 Тираж 498 Подписное

ВНККПК Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат Патент, r.Óæroðîä, ул. Гагарина,1 и I>

Г 101

32 0

55>0

47 0

44,0

41,5

47,4

39,7

26>0

10,0

18,8

l8i0

26,0

24,0

20,0

0,2 2,0

1.2,0 9,0

5,5 6,0

6,3 5,7!

0,2 5,0

0 ° 4 6,2

10,2 7,2

10,6 7,0

30 8I

20 52

29 76

25 80

38 84 .

34 84

32 82

50 86

12>0

I!>О

l1,2 !

3>4

I 5 0,2

2,0 0,08 ! >7 0,001

2,5 0,4

45 3

lO 0

5 О

20 2

10 9

8 О

9 2

4 9

О 8

50 5

60 I O

70 13