Способ выплавки ванадийсодержащих сталей и сплавов

 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки высококачественных ванадийсодержащих сталей и сплавов. В печь заваливают металлошихту, присаживают ванадийсодержащие углеродистые офлюсованные брикеты (ВУОБ), в которых отношение углерода к сумме оксидов ванадия, железа и марганца, содержащихся в брикетах, составляет 0,2-0,5, а отношение суммы оксидов кальция и магния к оксиду кремния 1,6-3,5. Шихту расплавляют, затем проводят операции рафинирования, легирования металла ванадием и раскисления. Предлагаемый способ позволяет повысить степень усвоения ванадия на 8-10%, сократить расход раскислителей на 30-35%, огнеупоров на 20-25%, увеличить производительность на 5-6% и улучшить качество выплавляемых сталей и сплавов. В состав ВУОБ можно дополнительно ввести металл-восстановитель, например, ферросилиций в количестве 1-10 мас.%. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки высококачественных ванадийсодержащих углеродистых сталей и сплавов.

Известен способ выплавки ванадийсодержащих сталей в электросталеплавильных печах, включающий наведение окислительного шлака ванадийсодержащим шлаком и известью при соотношении (2-5):1 весовых частей /1/ (SU 285822 A, C 21 C 5/52, 12.01.1978).

Данный способ не обеспечивает достаточно высокой степени извлечения ванадия из его оксидов (60-70%) и не может быть использован при получении сталей и сплавов с повышенным содержанием ванадия. Кроме того, выплавка ванадийсодержащей стали с использованием этого способа характеризуется значительной продолжительностью и повышенными энергозатратами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению - прототипом является способ выплавки ванадийсодержащих сталей, включающий завалку металлошихты, расплавление, проведение операции рафинирования и легирование ванадием путем присадки ванадийсодержащих углеродистых офлюсованных материалов, включающих оксиды ванадия, железа, кальция и кремния с последующим раскислением образующегося расплава и выпуском его в ковш (SU 981379 A, C 21 C 5/52, 15.12.1982) /2/.

В известном способе достигнуто повышение производительности печи, усвоение ванадия при плавке составляет 81-85%.

Однако использование природно-легированных углеродистых, офлюсованных ванадийсодержащих окатышей, полученных из руд Качканарского месторождения, повышает себестоимость выплавляемой стали. Ввод окатышей в две стадии увеличивает длительность плавки, кроме того, наблюдается дополнительное /излишнее/ кипение, которое в случае выплавки высокоуглеродистых сталей носит бурный характер и сопровождается интенсивным вспениванием и выбросами расплава и, в этой связи, приводит к увеличению продолжительности плавки, разъеданию шлакового пояса железистыми шлаками, повышенному расходу раскислителей и чугуна, низкой обессеривающей способности и недостаточному уровню физико-механических свойств выплавляемой стали.

При этом недостаточно высокая скорость восстановительных процессов и продолжительное ведение процесса плавления материалов, содержащих оксиды ванадия, приводит к значительным потерям ванадия, как в виде испарения, в результате воздействия электрических дуг, так и с пылегазовыносом. В силу указанных причин извлечение ванадия продолжает оставаться достаточно низким и составляет для низколегированных сталей (до 0,1% V) - до 85%, что же касается выплавки сталей и сплавов с повышенным содержанием углерода (0,8-3,5%) и ванадия (0,1-5%), то показатели, в силу названных причин, будут значительно ниже.

Желаемым техническим результатом изобретения является: повышение степени усвоения ванадия, снижение расхода раскислителей и огнеупоров, увеличение производительности, улучшение качества выплавляемых сталей и сплавов, расширение базы по ванадию за счет вовлечения в производство пылевидных ванадийсодержащих отходов.

Это достигается тем, что в известном способе выплавки ванадийсодержащих сталей и сплавов, включающем завалку в рабочее пространство печи металлошихты, присадку ванадийсодержащих углеродистых офлюсованных материалов, включающих оксиды ванадия, железа, кальция и кремния, расплавление шихты, рафинирование, легирование ванадием металла, его раскисление и выпуск металла в ковш, по изобретению, ванадийсодержащие углеродистые офлюсованные материалы присаживают в виде брикетов, дополнительно содержащих оксиды марганца и магния, при этом отношение углерода к сумме оксидов ванадия, железа и марганца, содержащихся в брикетах, поддерживают равным 0,2-0,5, а отношение суммы оксидов кальция и магния к оксиду кремния, содержащихся в брикетах, - 1,6-3,5.

Предусматривается также, что ванадийсодержащие углеродистые офлюсованные брикеты дополнительно содержат металл - восстановитель, в качестве которого могут быть использованы кремнистые восстановители, алюминий и др., например ферросилиций в количестве 1-10 мас.%.

При выплавке сталей и сплавов с повышенным содержанием фосфора, без скачивания окислительного шлака или при завалке низкофосфористой металлошихты брикеты вводят в период завалки в периферийную часть рабочего пространства печи после загрузки 20-80% металлошихты.

В случае использования металлошихты с повышенным содержанием фосфора брикеты вводят после проведения операции дефосфорации и скачивания окислительного шлака.

Способ предусматривает возможность и поэтапного легирования ванадием, когда 5-50% от общего количества ванадия, вводимого с брикетами, подают в ковш при выпуске в него металла.

Особенность предлагаемого изобретения состоит в том, что введение оксидных форм ванадийсодержащих материалов, в качестве которых могут быть использованы конвертерный ванадиевый шлак, золы ТЭЦ, катализаторы, продукты их обогащения и др. , осуществляют в виде офлюсованных углеродистых брикетов. Причем компоненты брикетов, включая оксидные, флюсовые составляющие и углеродистый восстановитель взяты в таком соотношении, при котором в процессе их нагрева и плавления выделение жидкой металлической фазы носит опережающий характер.

При попадании брикетов в горячую зону в условиях тесного контакта реагирующих фаз получает развитие карботермическое восстановление металлов (Fe, V, Mn и др.) оксидов, при этом оксиды железа, как менее прочные, могут восстанавливаться до металла. Формирующаяся же в брикетах в условиях избытка углерода жидкая металлическая фаза, близкая по составу к чугуну, достаточно легкоплавка и является хорошим растворителем для карбидов ванадия (и марганца).

Таким образом, в результате превращений, происходящих в брикетах при их нагреве, происходит твердофазное восстановление железа до углеродистого металла, а ванадия (марганца и т.д.) до карбидов, выделение первичной металлической фазы с последующим растворением в ней карбидов ванадия (и марганца) и легирование металла высокоуглеродистым ванадийсодержащим расплавом. Это позволяет провести процесс прямого легирования стали и сплавов в более выгодных энергетических условиях, не прибегая к предварительному плавлению ванадийсодержащих материалов до шлакового расплава с последующим его восстановлением раскислительными смесями, и сократить, тем самым, расход раскислителей и чугуна, повысить производительность и скорость усвоения ванадия.

Другим важным моментом является то, что в процессе плавления брикетов образуется карбидный высокоосновный шлак с минимальным содержанием оксидов железа и ванадия, т.е. шлак восстановительного периода, обладающий высокой обессеривающей способностью, что, в свою очередь, позволяет не только сэкономить ферросплавы для перевода шлака из окислительного в восстановительный и провести только окончательное раскисление ванны, но и существенно улучшить работу шлакового пояса магнезитсодержащей футеровки печи за счет исключения из процесса высокоагрессивных железистых ванадиевых шлаков.

Кроме того, легирование ванадием через карбиды предпочтительнее с точки зрения улучшения физико-механических свойств выплавляемых сталей и сплавов за счет более благоприятных условий формирования структуры, представленной в виде карбидов, окруженных мягкой металлической матрицей.

Приемы и параметры, отраженные в формуле изобретения, найдены опытным путем и отражают те пределы, в которых реализуется цель изобретения.

Так, отношение углерода к сумме оксидов ванадия, железа и марганца, содержащихся в брикетах, в пределах 0.2-0.5 является оптимальным. При отношении менее 0.2 количества углеродистого восстановителя не достаточно для завершения твердофазного восстановления оксидов, вследствие чего плавление брикетов сопровождается интенсивным кипением ванны, а образующийся шлак насыщен оксидами ванадия и железа, что обусловливает низкую производительность, повышенный угар ванадия, перерасход раскислителей и низкий уровень физико-механических свойств выплавляемых сталей и сплавов.

При отношении углерода к сумме оксидов ванадия, железа и марганца более 0.5 система становится тугоплавкой, процесс шлакообразования подавляется преимущественно карбидами кальция, что значительно увеличивает продолжительность плавления, кроме того, такие брикеты не могут быть использованы при выплавке низкоуглеродистых сталей.

Введение ферросилиция в состав брикетов в количестве 1-10% позволяет увеличить скорость и полноту протекания восстановительных процессов в брикетах, сократить длительность их проплавления и одновременно понизить концентрацию углерода в формирующейся первичной металлической фазе до заданного уровня за счет насыщения ее кремнием, что особенно важно при выплавке низко- и среднеуглеродистых сталей. При содержании ферросилиция менее 1% не происходит заметного увеличения скорости и глубины восстановления элементов, а в первичной металлической фазе углерод практически не снижается. Повышенное содержание ферросилиция в составе брикетов (более 10%) не целесообразно из-за подавления карбидообразования, в результате чего восстановительный процесс идет через жидкую фазу, кроме того, концентрация кремния в сплаве становится выше допустимой.

При использовании низкофосфористых шихт, а также в случае выплавки литейных сталей и сплавов с повышенным фосфором, когда плавки ведут без скачивания окислительного шлака, брикеты целесообразно вводить в завалку на периферийную часть печи после загрузки 20-80% металлошихты. Введение брикетов в подэлектродную часть печи нежелательно из-за интенсивного воздействия электрических дуг, приводящего к преждевременному разрушению брикетов и дополнительным потерям ванадия с пылегазовыносом. Введение брикетов ранее чем после загрузки 20% металлошихты приводит к вспениванию ванны, хлопкам и выбросам расплава из-за "накрывания расплавом" непрореагированной шихты, что обусловливает дополнительные потери ванадия и небезопасно для обслуживающего персонала. Введение же брикетов после загрузки 80% металлошихты нежелательно из-за частичного окисления брикетов за счет атмосферы печи, что делает этот вариант менее эффективным.

С целью повышения эффективности воздействия высокоуглеродистого ванадиевого расплава, образующегося в результате плавления брикетов, на формирование карбидной структуры расплава и улучшение физико-механических свойств сталей и сплавов, часть брикетов (5-50%) целесообразно вводить в ковш непосредственно перед разливкой. При введении ванадия с брикетами в ковш менее чем 5% от общего его количества не происходит заметного увеличения физико-механических свойств выплавляемых сталей и сплавов. Введение ванадия в ковш с брикетами в количестве более 50% не приводит к желаемым результатам как в силу неравномерного распределения ванадия, так и из-за снижения температуры металла ниже допустимой.

Примеры конкретного осуществления.

1. В дуговой сталеплавильной печи ДСП-0,5 с магнезитовой футеровкой проводили выплавку ванадийсодержащего сплава для цильпебсов (мелющих тел), удовлетворяющего следующим требованиям по химическому составу (ГОСТ 24384), мас.%: 2,6-3,5% C; 1,2-1,8% Si, 0,3-0,8% Mn, 0,10-0,25% V; не более 0,15% P; не более 0,15% S. Результаты выплавки приведены в таблице.

Для легирования ванадием использовали брикеты на основе золы ТЭС, угольной пыли, флюссоставляющей и цементной связки.

В качестве металлошихты использовали 50% чугунного лома - возврата собственного производства и чушковый чугун. Расчетная масса металла принималась 450-500 кг.

Первую плавку проводили следующим образом. Вначале на подину загрузили 20% от всей необходимой металлошихты (чушковый чугун), затем подали 50 кг офлюсованных углеродистых брикетов с ванадийсодержащим материалом, расположив их в периферийной части печи, вне зоны электродов. Брикеты имели следующий состав: 4,35% V 205; 35,20% Fe0; 0,15% MnO; 27,2% CaО; 1,5% MgO; 8,2% SiO₂; 5,7% S; 7,94% C, при отношении C/V₂O₅ + FeO + MnO = 0,2 и CaO + MgO/SiO₂ = 3,5. После этого загрузили в печь оставшуюся металлошихту и вели проплавление. По расплавлении шихты присадили 10 кг известняка, 10 кг коксика и 3,9 кг ферросилиция ФС45, затем провели выдержку под током в течение 6 мин и задали 0,4 кг вторичного алюминия и 10 кг ферромарганца ФМН 70, после чего провели выдержку 3 мин и выпустили металл. На дно ковша (под струю) подан 0,27 кг алюминия. Разливку сплава провели на установке для отливки цильпебсов. В результате получено 480 кг сплава следующего состава: C - 3.12%; Si - 1.69%; Mn - 0.43%; V - 0.24%; Cu < 0.01%; Ni - 0.08%; P - 0.063%; S - 0.10%.

Степень усвоения ванадия составила 94.1%; расход ферросилиция - 8.2% кг/т; алюминия - 1.4 кг/т; огнеупоров - 9.4 кг/т; производительность - 480 кг/час, а твердость полученных цильпебсов - 520 НВ.

Последующие плавки (2 - 7) вели аналогично первой с вариацией параметров в пределах, отраженных в формуле изобретения. Плавки 8 и 9 соответствуют запредельным значениям, а плавки 10 и 11 взяты в качестве прототипа. Как следует из результатов, приведенных в таблице, реализация предложенного изобретения позволяет достичь поставленную цель, причем лучшие показатели достигаются для средних значений параметров, отраженных в формуле изобретения. Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в повышении степени извлечения ванадия, улучшении технологических показателей выплавки и увеличении физико-механических свойств получаемого металла. Кроме того, способ позволяет существенно расширить базу по ванадию за счет вовлечения в производство пылевидных ванадийсодержащих отходов и улучшить тем самым экологическую обстановку.

Формула изобретения

1. Способ выплавки ванадийсодержащих сталей и сплавов, включающий завалку в рабочее пространство печи металлошихты, присадку ванадийсодержащих углеродистых офлюсованных материалов, включающих оксиды ванадия, железа, кальция и кремния, расплавление шихты, рафинирование, легирование ванадием металла, его раскисление и выпуск металла в ковш, отличающийся тем, что ванадийсодержащие углеродистые офлюсованные материалы присаживают в виде брикетов, дополнительно содержащих оксиды марганца и магния, при этом отношение углерода к сумме оксидов ванадия, железа и марганца, содержащихся в брикетах, поддерживают равным 0,2 - 0,5, а отношение суммы оксидов кальция и магния к оксиду кремния, содержащихся в брикетах, 1,6 - 3,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав ванадийсодержащих углеродистых офлюсованных брикетов дополнительно вводят металл-восстановитель.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве металла-восстановителя в состав брикетов вводят ферросилиций в количестве 1 - 10 мас.%.

4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что при завалке низкофосфористой металлошихты или при выплавке сталей и сплавов с повышенным содержанием фосфора ванадийсодержащие углеродистые офлюсованные брикеты вводят после загрузки 20 - 80% металлошихты в период завалки в периферийную часть рабочего пространства печи.

5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что при использовании металлошихты с повышенным содержанием фосфора ванадийсодержащие углеродистые офлюсованные брикеты вводят после проведения операций дефосфорации и скачивания окислительного шлака.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что 5 - 50% общего количества ванадия, вводимого с брикетами, подают в ковш при выпуске в него металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1