Способ азотирования жидкой стали в ковше

 

Сущность: способ включает продувку расплава газообразным азотом через погружную фурму и подачу азота сверху струями на поверхность барботажной зоны. Подачу азота сверху осуществляют под конусом защиты, а расход его рассчитывают в зависимости от интенсивности продувки расплава, уровня погружения фурмы в металл, диаметра барботажной зоны и других параметров по определенному соотношению. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии и другим видам промышленного производства, где применяются методы продувки расплава газообразным азотом в ковше.

Известен способ азотирования жидкой стали в ковше, который включает продувку расплава газообразным азотом через погружную форму и подачу азота сверху струями на поверхность барботажной зоны. (1) Общий расход азота Σ_x= (X₁+γ·X₂)м³/т, где х₁ и х₂ - соответственно расходы азота на продувку через форму и на подачу сверху на поверхность барботажной зоны, а γ - коэффициент, характеризующий степень использования отработанного азота х₁ при выходе его из барботажной зоны и подсасывании в струи дутья х₂. При струйной подаче азота х₂ сверху на поверхность барботажной зоны без применения конуса защиты величина γ ≅ 0,3-0,5, т. к. значительная часть других газов (СО₂, О₂ и др. ) подсасывается струями х₂ из атмосферы в ковше. Поэтому для достижения требуемого насыщения металла азотом за период продувки требуется значительный расход азота или добавки нитридообразующих материалов.

Целью изобретения является устранение всех изложенных недостатков (для повышения степени насыщения металла азотом, экономии газообразного азота на продувку, снижения расхода легирующих и нитридообразующих материалов) за счет подачи азота сверху под конусом защиты.

Расход этого газа определяют из следующего соотношения: V₃= ·W_o·N_c= = W_o· = · ·g^-1/7·K·→ →· · , где К - коэффициент пропорциональности, изменяющийся в пределах 0,7-1,0; V₃ - расход газообразного азота, подаваемого под конус защиты, м³/с; d_o- диаметр струи на выходе из сопла под конусом защиты, м; W_о - скорость струи газа на выходе из сопла под конусом защиты, м/с; N_c - число струй под конусом защиты; q - ускорение свободного падения м/с²; d_д - диаметр струи, выходящей из сопла погружной фурмы, м; V_д - расход азота на дутье в расплав, м³/с, Ar - критерий Архимеда для потока азотного дутья на продувку; Н_ф - глубина погружения фурмы в расплав, м; π - 3,14; d_х - диаметр струи на выходе из конуса защиты, м.

В изобретении используется принцип насыщения металла азотом из газовой фазы на поверхности контакта металл-атмосфера под конусом защиты. Подача газообразного азота под конус защиты на поверхность металла в барботажной зоне позволяет осуществить насыщение металла азотом путем массопереноса атомов азота из газовой фазы в соответствии с кинетическим уравнением d_N/d_τ = S_б.з. ˙ β_г([N] _г-[N] _x) где d_N/d_τ - скорость реакции (абсорбции), г/с, S_б.з. - площадь поверхности оголенного металла в барботажной зоне ковша, м²; β_г - коэффициент массопереноса азота из газовой фазы в металл; [N] _г - концентрация азота на поверхности металла со стороны газовой фазы, % ; [N] _х - текущая концентрация азота в расплаве, % .

Кроме того, подача газообразного азота под конус защиты позволяет создавать на поверхности металла в барботажной зоне почти 100% азотистую атмосферу, что позволяет осуществлять насыщение металла азотом почти в равновесных условиях с газовой фазой по закону Сивертса (приP_N2≈ 1).

N = K_N· = 0,044 где P_N2 - парциальное давление азота в газовой фазе над металлом, атм, K_N - константа равновесия реакции, для чистого железа ≈ 0,044. Полезным является также то обстоятельство, что поток газа при истечении под конус защиты подсасывает в свои струи отходящий (отработанный) из металла азот с пылью (порошком) и возвращает этот газообразный азот с порошкообразными фракциями вновь в металл, что повышает эффективность использования дутья и экономию нитридообразующих материалов. При необходимости представляется возможным подавать под конус защиты в потоке газообразного азота порошки легирующих и нитридообразующих материалов на поверхность металла в барботажной зоне, что тоже приводит к повышению степени насыщения металла азотом, так как чем меньше концентрация кислорода и серы в металле, тем больше азота вносится в расплав. Уменьшить концентрацию кислорода в металле можно путем подачи под конус защиты порошка алюминия. При достижении произведения концентрации алюминия и азота в металле [Al] ˙ [N] около 0,005, степень азотирования металла достигает оптимума, при котором получается мелкозернистая структура металла с высоким качеством отливок.

Таким образом, применение газообразного азота для обдувания поверхности металла в барботажной зоне под конусом защиты по ходу продувки металла в ковше азотом совместно с порошком позволяет получить новый качественный эффект, заключающийся в возможности интенсификации процесса азотирования металла в 1,5-2 раза при экономном расходовании азотистого дутья и снижении расхода легирующих материалов.

Экономный расход газообразного азота как на продувку, так и на подачу под конус защиты обеспечивается при использовании формулы расхода азота, т. е.

V₃= · W_o·N_c где d_o - диаметр струи газа на выходе из сопла, под конусом защиты, м; W_o - скорость этого газа на выходе из сопла, м/с;
N_c - число сопел (струй), необходимых для закрытия поверхности металла в барботажной зоне ковша. Величина N_c определяется из условия, что N_c ˙d_x= π ˙ D_б, где N_c ˙d_x - длине суммы диаметров струй на уровне металла (считая, что эта длина приблизительно равна длинe окружности барботажной зоны) ( π ˙ D_б), где D_б - диаметр барботажной зоны. Отсюда определим число сопел (струй) азота, подаваемого под конус защиты: N_c= . В последнем выражении D_бявляется величиной, определяемой гидродинамической обстановкой в зоне подвода дутья и зависит от ряда факторов по эмпирическому выражению: D_б= g^-1/7·K где d_д - диаметр струи, вытекающeй из сопла погружной фурмы, м;
V_д - расход газообразного азота на дутье в расплав, м³/с. Остальные обозначения были ранее. Подставляя значения этой формулы в формулу определения N_c и V₃ получаем выражение для определения необходимого расхода газообразного азота для накрывания поверхности металла в барботажной зоне в зависимости от того, какая интенсивность продувки V_д, положения фурмы (Н_ф) и других факторов, т. е. формулу расхода азота, подаваемого под конус защиты:
V_з= · ·g^-1/7·K ; м³/c По этому выражению представляется возможным делать оптимальный расход азота под конус защиты и использовать отработанный газообразный азот, который подсасывается в струи защиты, повышая парциальное давление азота под конусом защиты. Для поддержания требуемого положительного давления азота под конусом защиты, последний можно опускать или поднимать относительно металла.

Пример осуществления способа.

Ковш с жидкой сталью подают под продувку через фурму с порошкообразной газообразной смесью. Продувку стали осуществляют в 10 т ковше с расходом азота 15-30 м³/ч с расходом порошка (силикокальция и др. ) 0,5-1,5 кг/т. По ходу продувки в течение 5-6 мин барботажную зону металла накрывают конусом защиты и подают через сопла многоструйный поток азота для интенсификации процесса азотирования с расходом 60-120 м³/час. За период продувки без подачи потока азота под конус содержание азота в жидкой стали возрастает незначительно, т. е. на 0,005-0,01% . В то же время при использовании газоконусной защиты с подачей потока азота на поверхность барботажной зоны концентрация азота в металле возрастает в среднем на 0,008-0,025% . Таким образом, эффективность по азотированию жидкой стали возрастает в 2-3 раза. Расход газообразного азота под конус защиты устанавливают по формуле:
V_з= · W_o·g^-1/7·K ; позволяющей подавать такое количество азота на поверхность барботажной зоны, которое обеспечивает максимальное насыщение металла азотом. Расчетный расход по приведенной формуле является оптимально необходимым в зависимости от размера барботажной зоны D_б, положения фурмы Н_ф и расхода на дутье V_д. Если фактический расход азота V₃^ф будет больше или меньше V₃ по формуле, то, с одной стороны, будет перерасход азота на защиту (если V₃^ф>V₃) или, с другой стороны, будет нехватка азота (если V₃^ф<V) на обеспечение максимального азотирования металла. (56) Тимофеева А. С. и др. Бюллетень НТИ. Черная металлургия. N 19, 1989, с. 37.

Формула изобретения

СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ В КОВШЕ, включающий продувку расплава газообразным азотом через погружную фурму и подачу азота сверху струями на поверхность барботажной зоны, отличающийся тем, что, с целью повышения насыщения металла азотом, снижения расхода азота, легирующих и нитридообразующих материалов, подачу азота сверху осуществляют под конусом защиты с расходом, определяемым из следующего соотношения:
V₃= ·W_o·N_c= = W_o· = · ·g^-1/7·K·→
→· · /
где V_з - расход газообразного азота, подаваемого под конус защиты, м³/с;
D₀ - диаметр струи газа на выходе из сопла под конусом защиты, м;
W₀ - скорость струи газа на выходе из сопла под конусом защиты, м/с;
K = 0,7 - 1,0 - коэффициент пропорциональности;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
d_д - диаметр струи, выходящей из сопла погружной фурмы, м;
V_д - расход азота на дутье в расплав, м³/с;
Ar - критерий Архимеда для потока азотного дутья;
H_ф - глубина погружения фурмы в расплав, м;
d_х - диаметр струи на выходе из конуса защиты, м.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса, в газообразный азот под конусом защиты вводят порошкообразные раскислители.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве раскислителя вводят алюминий в таком количестве, чтобы соблюдалось соотношение [Al] · [N] = 0,005 ± 0,001, где Al и N - конечные концентрации Al и N в металле.