Способ дегазации и десульфурации нержавеющей стали

 

Изобретение позволяет повысить производительность дуговой печи и качество стали. Металл и шлак перед вакуумированием раскисляют смесью кокса и алюминия с известью и перед установкой раскисленного металла в камеру снижают температуру стали присадками шлакообразующих и легирующих добавок вакуумируют в течение 5-7 мин при низком уровне вакуума, например 60 - 120 мм рт.ст, с одновременной подачей кислорода сверху и аргоном снизу, прекращают подачу кислорода и удаляют его из металла при высоком вакууме, например при 0,5 - 3 мм рт.ст, в течение 5-15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30 - 40 мин при низком вакууме до содержания углерода в металле 0,04 - 0,08%, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком вакууме. 2 табл.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5024351/02 (22) 29.07.91 (46) 15.11.93 Бюл. Мя 41-42 (71) Череповецкий металлургический комбинат (72) Комельков В.К„Салаутин ВА.; Морозов С.С.;

Балдаев БЯ„ Гавриленко Ю.В.; Молчанов О.Е;

Зверькова Г.В.; Бологов ВА (73) Череповецкий металлургический комбинат (54) СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ И ДЕСУЛЬФУРА4ИИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ (57) Изобретение позволяет AOBbtcHTb производительность дуговой печи и качество стали: Металл и шпак перед вакуумированием раскисляют смесью кокса и алюминия с известью и перед установкой (в) RU (и) 2002S16 С1 (51) 5 С 21 С 7 10 раскиспенного металла в камеру снижают температуру стали присадками шлакообразующих и легирующих добавок вакуумируют в течение 5 — 7 мин при низком уровне вакуума, например 60 — 120 мм ртст„ с одновременной подачей кислорода сверху и аргоном снизу, прекращают подачу кислорода и удаляют его из металла при высоком вакууме, на— пример при 05 — 3 мм рт.ст. в течение 5 — 15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30 - 40 мин при низком вакууме до содержания углерода в ме— талле 0,04 — 008%, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком вакууме. 2 табл.

2002816

15

35

50

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству нержавеющих сталей в дуговых печах с применением вакуумирования стали в ковшевых вакууматсрах.

Известен способ вакуумного рафинирования стали с высокой скоростью продувки газообразным кислородом через специальные сопла Лаваля в вакуумной камере.

Требуемое динамическое давление и глубина проникновения кислорода со сверхзвуковой скоростью контролируют давлением кислорода перед критическим. отверстием фурмы, Регулирование высоты фурмы во время рафинирования стали поэтому не требуется; потери хрома и, например, марганца снижены до минимума, содержание кислорода в обезуглеро>кенной стали низкое, более точно может быть определено конечное содержание углерода, При этом температуру металла при рафинировании не очень высокая, а время рафинирования уменьшается, Недостатком известного способа является ограниченная возможность удаления азота, а также снижения серы в стали из-эа невозмо>кности вакуумирования под активными шлаками раскисленного металла без подачи окислителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату можно отнести получение нержавеющей стали с весьма низким содержанием углерода и азота по способу V0D.

С целью получения высокохромистой стали с весьма низким содержанием углерода и азота ((0,015%) путем рафинирования по способу V0D. расплавленный металл с начальным содержанием углерода 1,0-1,3% продували арганом с расходом (0,2 — 0,4 л/мин т). При этом с целью уменьшения концентрации кислорода, оказывающего большое влияние на реакцию деазотации, продувку расплавленного металла кислородом при концентрации углерода более 0.3% прекращали, и в дальнейшем продолжали процесс деазотации в вакууме, Это позволило понизить концентрацию азота в металле до 0,005%, Обезуглероживание осуществляли в два этапа.

При содержании углерода в металле

)0,02% осуществляли продувку расплава кислородом, а при содержании углерода менее 0,02% перемешивали металл только путем продувки эргоном в вакууме. Для обеспечения высокой скорости обезуглероживания на втором этапе необходим глубокий вакуум, активное перемешивание металла и наличие на его поверхности окисленного шлака. В ходе опытов было обнаружено, что процесс обеэуглероживания протекал наиболее быстро даже при не слишком бурном перемешивании металла при содержании в окисленном шлаке около

10,0% окислов хрома, В данной работе не использована возможность более короткого и более производительного, а следовательно, более эффективного удаления азота эа счет вакуумирования раскисленного хромистого расплава коксом и алюминием и перевода азота из металла в шлак и последующего удаления цианистых соединений шлака путем последующей продувки металла кислородом и удаления иэ шлака уже окисных соединений азота, Более того, в приведенной работе нет данных по удалению серы из металла в процессе вакуумирования стали, В этом случае, заведомо, нужно использовать чисты по содержанию серы лом и отходы для производства высококачественной нержавеющей стали.

Целью изобретения является повышение производительности и качества стали.

Для достижения цели используют вакуумирование жидкого металла и шлака, его перемешивание аргоном подачей его через донные канальные блоки в печи и в ковше, окисление кислородом посредством водоохла>кдаемой сверхзвуковой наклонной фурмой в вакуумной камере, при этом металл и шлак перед вакуумированием раскисляют смесью кокса и алюминия с известью и перед установкой раскисленного металла, снижают температуру стали присадками шалкообразующих и легирующих добавок, вакуумируют в течение 5-7 мин при низком вакууме, например 60 — 120 мм рт.ст., с одновременной подачей кислорода сверху и аргона снизу, прекращают подачу кислорода и удаляют его из металла при высоком вакууме, например при 0,5 — 3 мм рт.ст., в течение

5 — 15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30 — 40 мин при низком вакууме до содержания углерода в металле 0,04 — 0,08%, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком вакууме.

Арсенал существенного оборудования— сверхзвуковые кислородные фурмы, канальные блоки подины печи и сталеразливочных ковшей для продувки газами, мощные печные трансформаторы с наличием вакуумных внепечных установок позволяют успешно решать задачи по производительности печных агрегатов, снижению материальных и энергетических затрат, а также повышения качества стали. При этом повышается ресурс основного оборудования .

2002816

При этом также уменьшается "жидкий" период пребывания металла в печи; печь может работать практически только как агрегат плавления с высоким значением

cos р, достигая при этом значений 0,8-0,85, С учетом упомянутого оборудования, при расплавлении лома получение стабильного расплава по химическому составу и температуре для последующего рафинирования нержавеющей стали от примесей в ковше в вакуумной камере, значительно упрощается.

Промышленными опытами установлено, что деазотация стали требует (при Р=1,0 атм) крайне высоких расходов аргона. Так, поданным ЦНИИЧМ, для снижения концентрации азота с 0,010 до 0,005% надо ввести через пористое днище, сопло или пористую вставку соответственно 2,0, 3,0, 4,0 нм /т аргона.

Доказано. что удалению азота мешают поверхностно-активные элементы — кислород и сера. В период расплавления лома, . хромистой шихты с высоким количеством использования высокоуглеродистого феррохрома целесообразно для повышения производительности печи и выгодно с точки зрения термодинамики расплава сначала расплав максимально раскислить коксом и алюминием, затем удалить кислород и серу.

Более того, в условиях вакуума этот процесс становится наиболее эффективным еще и потом, что при этом усиливается транспорт азота из металла в шлак уже как бы в отсутствие кислорода и серы как поверхностноактивных элементов на границе металл-шлак. Более того, использование приема чередования высокого и низкого вакуума при учете состояния окисленности и раскисленности жидкой металлической ванны позволяет намного эффективнее удалять примеси, в том числе азот и серу.

В случае продувки металла при температуре металла ниже 1600 С, вероятно удаление азота не только в виде газа, но и н виде нитридов.

Особенно эффективно растворение нитридов титана (до 25 — 30 мг/см с) происг. ходит в обычных типа печных раскислительных шлаках с повышенным содержанием окислов алюминия, например, содержащих до 40,0% окислов кальция. до 20,0% окислов кремния, до 20,0% окислов алюминия. до 10,0% окислов магния, до 5,0% фтористого кальция и т,д. А цианистые соединения азота и углерода. образующиеся в раскисленном шлаке, вследствие усиленного транспорта азота в шлак при продувке аргоном через канальные блоки днища ковша в

50 вакууме и еще, дополнительно, при последующей кислородной продувке, в виде газов будут удалены из шлака.

Аналогичным порядком происходит удаление серы из раскисленных шлаков, т,е. комплексно, частично "возгонкой пэров", частично окислением серы в виде окислов газа, частично "переходом" в прочные химические соединения с кальцием, остающихся, как правило, в шлаке, Промышленными опытами установлено, что в процессе продувки высокоуглеродистого (до 1,0% углерода), раскисленного коксом и алюминием с известью, высокохромистого расплава (до 18.0% СЧ) после

15-минутной продувки аргоном через канальные фурмы ковша в вакуумной камере с давлением 1,0 — 1,5 мм рт.ст. содержание азота в металле снизилось с 0.030 до

0,015%; содержание серы снизилось с

0,35% до 0,010%, содержание кислорода снизилось с 0,012 до 0,005%. Эта продувка аргоном была осуществлена после обработки в течение 5 мин высокоуглеродистого расплава при высоком вакууме (100 мм рт.ст) с подачей кислорода сверхзвуковой фурмой до начала закипания ванны.

Смысл заключается в следующем. Энергия активации образования пузырей окиси углерода «а "холодном" металле довольно высока.

Для разгона реакции окисления углерода жидкий металл насыщается кислородом, до начала "самораскисления" углеродом, затем подачу кислорода прекращают и начинают его удаление посредством максимально низкого физического вакуума и максимального насыщения металла пузырьками аргона (т,е. химического вакуума для окиси углерода).

Непрерывное окисление углерода в saкууме тоже способствует удалению азота из металла с пузырьками окиси углерод.

Постоянное поступление кислорода в ванну блокирует, особенно на межфазных поверхностях металла, шлака, газа, переход азота и его удаление. Этому мешают более, чем азот, поверхностно-активные элементы— кислород и сера.

Поочередная смена режиман подачи кислорода и удаление его при низком и высоком вакуума с перемешинанием аргоном позволяет достигать высокой степени чистоты готовой стали перед ее разливной, что влечет за собой высокую производительность печи и высокое качество стали.

В табл. 1 приведены технико-экономические показатели нариантон BL ïëëíêè стали по опытной и обычной технологиям.

2002816

20

30 шлака перед его удалением из ковша. 40

Обработка высокоуглеродистого высо45

55

Проведение опытных плавок показало также, что тепловой режим выплавки нержавеющий стали в печи с последующим более длительным рафинированием от примесей вне печи вполне вписывается в технологический цикл эксплуатации оборудования.

Цеховые грузопотоки также практически не изменяются при применении новой технологии.

Суммарные затраты тепла при обработке легированных расплавов с учетом экзотермических реакций окисления углерода, хрома, кремния, алюминия и продолжительности рафинирования около 90 мин составят значительное. повышение температуры стали. Это обстоятельство позволяет выпускать плавку из печи с температурой не более 1720 С, а одной стороны, и присаживать шлакообразующие и легирующие добавки в ковш для снижения температуры стали перед вакуумированием в ковше с продувкой аргоном в необходимом для десульфурации стали количестве без опасения разливать

"холодный металл".

Раскисление металла, содержащего yrлерод в пределах 0,6 — 1,0% кремний в пределах 0.1 — 0,2%, коксом и алюминием с известью позволяет дополнительно получать экзотермический эффект при окислении их в процессе продувки металла кислородом, при этом шлак будет обогащаться окислами алюминия. Раскисление алюминием снижает активность кислорода и серы и повышает активность азота. Наиболее высоким был эффект по удалению азота и серы при содержании остаточного алюминия в пределах 0,035 — 0,050 мас.%.

Более того, раскислением предусматривают максимальное извлечение хрома из кохромистого-расплава в вакууме с подачей кислорода при низком давлении менее 60 мм рт.ст. в вакууме чревата опасностью выброса жидкого металла из ковша, а обработка в этом же случае при давлении более 120 мм рт.ст. не эффективна и длительна. Обработка металла менее 5 мин не способствует насыщению металла кислородом, а обработка металла в этих же условиях более 7 мин не рациональна, так как начинается интенсивное окисление углерода и эффект самораскисления без подачи кислорода будет упущен для условий удаления азота.

Удаление кислорода и азота при более высоком уровне вакуума, чем 0,5 мм рт.ст., было бы более эффективным, однако возможности и мощности оборудования, а именно насосов, которые обеспечивают высокий вакуум, ограничены.

Однако удаление кислорода и азота при уровне вакуума более 3 мм рт,ст. недостаточно эффективно. Удаление кислорода и азота в течение менее 5 мин незначительно, а более 15 мин нецелесообразно из-за выработки кислорода в стали в процессе самораскисления и в дальнейшем процессе самораскисления затухает. Обезуглероживание металла менее 30 мин не позволяет достигнуть в металле содержания углерода, даже уровня 0,08 .

Однако обезуглероживание металла более 40 мин приводит к перерасходу кислорода и аргона.

5 Достижение углерода в металле менее

0,04 затруднительно и дополнительно за- . тягивает длительность обработки стали, а более 0,,08% невозможно иэ-за опасности превысить требуемый по ГОСТ уровень содержания углерода, в случае дополнительных присадок, содержащих углерод, Пример 1. Шихту для плавки нержавеющей стали 08Х18Н10Т составляют из

30-50% скрапа, высокоуглеродистых ферросплавов из дешевых материалов, содержащих никель, Исходное содержайие углерода и кремния в шихте должно быть соответственно 0,6 — 1,0 и 0,1 — 2,0 . При таких исходных значениях углерода и кремния окисления {предварительное в печи) позволяет снизить содержание углерода до 0,5-0,7 при расходе газообразного кислорода до 15 нм /т стали, 5 Предварительное окисление углерода в дуговой печи до более низких чем 0,5% содержаний нежелательно, так как начинает значительно окисляться хром.

Перед удавлением печного шлака металл и шлак раскисляют коксом и кусковым алюминием с известью в количестве 11 — 17 кг/т в соотношении (2-3):(1-4):(8 — 10) соответственно, затем после удаления печного шлака еще известь в количестве 8-10 кг/т стали и снижают температуру стали до уровня 1620 — 1650 С, а при необходимости легирование металла хромом никелем, марганцем температура будет еще более понижена, Далее устанавливают ковш в камеру и начинают вакуумиравать металл при низком вакууме 60 мм рт.ст. с окислением кислородом с расходом до 1800 нм /ч и продувкой аргоном з в течение 7 мин. Прекращают продувку стали кислородом и продолжают продувку аргоном с расходом 40 нм /ч и не прекращают вакуумиз рование стали на низком уровне вакуума 0,5 мм рт.ст, в течение 15 мин.

Затем повышают уровень вакуума до

120 мм рт,ст„опускают кислородную фурму

2002816

10 до уровня 200-400 мм над поверхностью металла и, не прекращая подачи аргона с расходом 20 нм /ч, начинают окисление углерода до его содержания 0,08 в течение

30 мин, После достижения содержания углерода 0,08 снижают уровень вакуума до 3 мм рт.ст., увеличивают расход аргона до 40 нм3/ч и прекращают окисление металла, В течение 10 — 20.мин продувку стали в вакууме осуществляют только аргоном, после чего "срывают" вакуум, присаживают кремний около 2 т, известь, 0,5 т плавикового шпата и в течение 15 мин металл.продувают аргоном с расходом 50 нм /ч. э

Пример 2. Шихту для плавки стали

ОЗХ18Н9 составляют с расчетом получения углерода на уровне 0,6 — 1,0, 0,1 — 0,2 кремния и 17,77; хрома. На предварительное.окисление примесей в печи используют не более 10 нм /т газообразного кислорода при температуре 1530 — 1580 С, Перед удалением печного шлака металл и шлак раскисляют коксом, кусковым алюминием с известью в количестве 11 — 17 кг/т стали в соотношении (2 — 3):(1 — 4):(8 — 10) соответственно, затем после удаления печного шлака присаживают известь -до 10 — 15 кг/т стали, а при необходимости легируют металл хромом, никелем, марганцем и дополнительно понижают температуру стали, например, до уровня 1600 С.

Устанавливают ковш в камеру и начинают вакуумировать металл при низком вакууме 100 мм рт,ст. с окислением кислородом с расходом его до 1700 нм /ч в течение 5 з мин.

Далее прекращают продувку кислородом и продолжают продувку аргоном с расходом его 40 нм /ч в течение 12 мин при з высоком уровне вакуума, 1 мм рт.ст. Затем постепенно понижают уровень вакуума до

100 мм рт.ст„начинают подавать окислитель в виде газообоазного кислорода с расходом его 1500 нм /ч и одновременно снизу . при подаче аргона через канальные блоки ковша устанавливают расход 20 нм /ч.

Аргоно-кислородное вакуумное обезуглероживание осуществляют в течение 35 мин до содержания углерода 0,06 . После этого повышают уровень вакуума до 1 мм рт,ст. и устанавливают расход аргона 30 нм ./ч и обрабатывают расплав в течение 7 мин. Затем открывают крышку вакуумной камеры, присаживают 1 т ферросилиция, 1 т извести, перемешивают металл аргоном, сливают шлак, присаживают титан, известь, плавиковый шпат и снова перемешивают в вакуумной камере расплав аргоном в тече.ние 8 — 10 мин при высоком уровнем вакуума.

В табл. 2 приведены технико-экономические показатели проведенных плавок.

При этом следует обратить внимание, что производительность печи с уровня, например, 200 тыс. т в год на одной печи уве55. личивается на 20Я„т.е. становится на уровень 250 тыс,т и это позволяет сократить расходы первого передела.

Более того, уменьшение содержания азота и серы в стали позволило снизить брак эа счет уменьшения толщины поверхности

Ф

Пример 3. Шихту для нержавеющей стали составляют с расчетом получения химического состава металла по расплавлении по содержанию углерода 0,6 — 1,0, 5 кремния 0,1 — 0,2, хрома 17,5 .

Предварительное окисление углерода, кремния в дуговой печи осуществляют используя до 15 — 20 нм /т газообразного кисз ло рода.

10 Перед выпуском плавки из печи металл и шлак раскисляют коксом и алюминием с известью в количестве 11-17 кг/т стали в соотношении их как (2 — 3):(1-4);(8 — 10) и шлак затем удаляют.

15 После удаления шлака на поверхность металла присаживают 8 кг/т извести, при необходимости легируют металл хромом, никелем, марганцем, снижают температуру, например, до 1610 С. Накрывают крышкой

20 вакуумную камеру и вакуумируют металл при низком вакууме 120 мм рт.ст. в течение

6 мин с продувкой аргоном снизу.

Прекращают продувку кислородов и продолжают продувку аргоном с расходом

25 40 нм /ч, повышают уровень вакуума до 2 з мм рт.ст. и обрабатывают металл в течение

5 мин.

Далее понйжают уровень вакуума до 80 мм рт.ст., установив расход кислорода через

30 верхнюю сверхзвуковую наклонную фурму

1400 нм /ч, при этом снизу. подают минимально возможное количество аргона, например, 20 нмэ/час в течение 20 мин, Затем осуществляют аргоно-кислород35 ное вакуумное обеэуглероживание в течение 40 мин до содержания углерода в стали

0,047. По достижении содержания углерода в стали 0,047; повышают уровень вакуума до 0,15 мм рт.ст., увеличивая при этом рас40 ход аргона до 40 нм /ч.

Обработку металла осуществляют в течение 10 — 20 мин, затем."срывают" вакуум, присаживают кремний в количестве 1,5 т в виде ферросилиция, 2 т извести и 0,6 т пла45 викового шпата и в течение 12 — 15 мин перемешивают в вакуумной камере расплав для последующей подачи плавки под разливку его на УРНС, 2002816

12 же на разработку новой технологии производства нержавеющей стали. строжки непрерывнолитых слябов примерно на 0,8%, Это составляет около 2,0 тыч.т.

Это окупает примерно в течение трех лет затраты на дополнительное оборудование, необходимое для осуществления предложенного способа дегазэции и десульфурации нержавеющей стали, а так(56) 1, Патент Японии М 55 — 46445, кл. С

5 21 С 7/20, опублик. 25.11.80, 2. Iron and Steel inst. Jap. 1980. 66. Q 1

836 Тзцу то хаганз,.)„авт. Моришиче Мицуоки.

Таблица 1

Ва иант выплавки

Показатель обычный опытный

21

Количество проведенных плавок, шт.

Содержание углерода, мэс,,ь

0,58 а) по расплавлении б) перед вакуумированием

0,9

0,30

0,7

Длительность периода, мин: а) жидкого металла в печи

БО вакуумирования

Содержание в металле серы, ь; э) после раскисления коксом и алюминием с известью и продувки Ач в вакууме

0,010 б) перед разливкой

Содержание азота, 0.013

0,007 а) после раскисления коксом и алюминием с известью и продувки Ач в вакууме б пе е азливкой

0,015

0,001

0,013

Таблица 2

Вэкуумирование металла с продувкой аргоном в ковше, каме е, мин

Количество плавок, шт, Уровень содержания элементов в стали с 02 без 0 сера азот высокий низкий вакуум вакуум ред ум.

21

18

119

119

7,0

5,0

6,0

0,004

0,006

0,007

0,006

0,005

0,004 обычная

at,èèàeKà

0,016

100

0,012

Вариант выполнения технологии

Раскисле ние коксом и алюминием певакуумированием, кг/т стали после раск. с

02 низкий вакуПовыш. производительности печи, 14

2002816

Формула изобретения

Составитель В.Тишков

Редактор Е.Полионова Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор M.Òêà÷

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Заказ 3217

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ И ДЕСУЛЬФУРАЦИИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ, включающий вакуумирование жидкого металла и шлака, перемешивание аргоном подачей его через донные канальные блоки в печи и ковше, окисление кислородом посредством водоохлаждаемой сверхзвуковой наклонной фурмы в вакуумной камере. отличающийся тем, что металл и шлак перед вакуумированием раскисляют смесью кокса и алюминия с известью и перед установкой раскисленного металла в камеру снижают температуру стали до 1600

1650 С присадками шлакообразующих и легирующих добавок, вакуумируют в течение 5 - 7 мин при низком уровне вакуума, например, 60- 120 мм рт.ст. с одновременной подачей кислорода сверху и аргона снизу, прекращают. подачу кислорода и удаляют eto из металла при высоком вакууме, например, при 0,5 - 3 мм рт.ст, в тече10 ние 5 - 15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30- 40 мин при низком вакууме до содержания углерода в металле 0,040,08, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком ваку15 уме.