Брикет для раскисления и рафинирования стали

 

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве высококачественной стали. Технический результат - повышение качества готового проката по уровню механических свойств за счет снижения загрязненности стали серой и кислородом в виде неметаллических включений в результате эффективного раскисления алюминием и рафинирования оксидом алюминия. Брикет для раскисления и рафинирования стали выполнен в виде спрессованных алюминиевых частиц, состоящих из алюминия и оксида алюминия. Образующие брикет частицы представляют собой алюминиевую стружку толщиной 1-2 мм, покрытую оболочкой из оксида алюминия. Объемная плотность брикета составляет 0,85-0,95 плотности стружки. Отношение по массе алюминия и оксида алюминия находится в диапазоне (100:6)-(100:13). Желательно поддерживать соотношение закрытой и открытой пористости брикета равным 3:1. Масса брикета может составлять 2-15 кг. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве высококачественной стали.

Известен брикет для легирования и раскисления стали (SU 1504279 А1, 1989), содержащий сплавы железа, кремния, ванадия, алюминия 42,5-49,0%, марганцевого концентрата 40,0-45,0%, извести 8,0-9,0%, борсодержащую связующую 1,2-3,5%.

При этом сплав железа, кремния, ванадия и алюминия имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: кремний 35-40, ванадий 5-7, алюминий 10-13, железо - остальное.

Использование брикета такого состава преследует цель комплексного легирования стали марганцем и ванадием из дешевых сырьевых материалов. При этом в жидкой стали создается неметаллическая фаза от расплавления брикета в жидкой стали, в результате чего происходят окислительно-восстановительные процессы и образуется масса вредных примесей в виде неметаллических включений, которую необходимо отрафинировать.

Данное известное техническое решение обеспечивает усвоение алюминия и легирование стали марганцем и ванадием, но при этом создаются условия повышенной загрязненности стали продуктами реакции элементов-раскислителей (алюминия и кремния) так называемыми строчечными и глобулярными неметаллическими включениями.

Известно модифицирование жидких металлов и сплавов (RU 2143008 С1, 20.12.1999) дисперсным порошком оксида алюминия (Аl₂О₃), заключающееся в подаче порошка оксида алюминия с размером частиц 100-200 мкм в количестве 0,005-0,01% от массы жидкого расплава, частицы порошка легированы смесью твердых углеводородов, преимущественно парафином, при этом порошок алюминия после измельчения перед плакированием предварительно обрабатывают в плазмотроне плазменной струей при температуре 1300-1400°С. Это техническое решение обеспечивает получение микроскопической структуры металла отливок и повышение физико-механических свойств, особенно стойкости к истиранию.

Недостатком известного модификатора следует считать трудоемкость и дороговизну получения супермелких фракций из оксида алюминия, дополнительные затраты на плакирование смесью твердых углеводородов отдельных частиц оксида алюминия, затраты на обработку порошка для перевода оксида алюминия из гамма-фазы в устойчивую альфа-фазу в специально оборудованном плазмотроне плазменной струей.

Наиболее близким по технической сущности в сравнении с предлагаемым брикетом является брикет для раскисления и рафинирования и повышения температуры стали, выполненный из спрессованных частиц алюминиевого дроса, содержащих оксид алюминия и 30 мас.% или менее алюминия (RU 9511257 А1, 10.07.1997).

Основным и наиболее весомым недостатком названного прототипа является необходимость предварительного переплава брикета, в состав которого входят остатки от распыления алюминиевого дроса. Без предварительного переплава брикета, содержащего дрос, нельзя использовать брикет для раскисления стали, потому что содержание оксида алюминия как основного составляющего дроса и содержание алюминия в брикете непостоянно, что указано в материалах прототипа. Присадка в сталь брикета, содержащего разные и все время меняющиеся компоненты, будет приводить к неуправляемым процессам раскисления и подогрева жидкой стали и создавать, во-первых, аварийную ситуацию в цехе, во-вторых, получать некондиционную по качеству сталь.

Необходимый для рафинирования стали оксид алюминия в известном брикете не полностью восстанавливают в печи углеродом до алюминия, а недовосстановленный оксид алюминия образует химические соединения алюминатов кальция, кремния, железа, в связи с чем положительный фактор рафинирования стали брикетом нивелируется наличием сложных неметаллических соединений в нем, которые повышают уровень загрязненности стали этими включениями.

Содержание в известном брикете 30% алюминия недостаточно для раскисления и рафинирования стали, особенно при низком уровне использования алюминия, не превышающем 12 мас.%. Остальным содержанием брикета являются химические соединения разных элементов (оксиды), которые при использовании брикета будут внесены в жидкий металл как посторонние вредные примеси в виде шлаковых включений.

Задача изобретения заключается в повышении качества готового проката по уровню механических свойств стали, в том числе изотропности стали, то есть показателей ударной вязкости стали вдоль и поперек волокна проката, и других механических свойств за счет снижения загрязненности стали серой и кислородом в виде неметаллических включений в результате повышения эффективности раскисления алюминием и рафинирования оксидом алюминия.

Сущность изобретения состоит в том, что в брикете для раскисления и рафинирования стали, выполненном в виде спрессованных алюминиевых частиц, состоящих из алюминия и оксида алюминия, согласно изобретению образующие брикет частицы представляют собой алюминиевую стружку толщиной 1-2 мм, покрытую оболочкой из оксида алюминия, при этом объемная (средняя) плотность брикета составляет 0,85-0,95 плотности стружки, а отношение по массе алюминия и оксида алюминия находится в диапазоне (100:6)-(100:13).

Соотношение закрытой и открытой пористости брикета равно 3:1. Масса брикета составляет 2-15 кг.

Производство высококачественной стали основано на эффективном использовании алюминия и оксида алюминия в жидкий период получения стали. Алюминий раскисляет жидкую сталь, то есть удаляет кислород, а оксид алюминия ассимилирует неметаллические включения как вредные примеси стали, и оба материала, алюминий и оксид алюминия, способствуют снижению содержания вредных примесей, например серы и неметаллических включений в стали, тем самым значительно улучшают механические свойства (качество) стали вдоль и поперек волокна прокатки.

В отличие от прототипа нет необходимости предварительного проплавления предложенного брикета. Этим достигают более эффективное раскисление стали (или удаление кислорода из стали) и более высокое использование оксида алюминия как рафинирующей составляющей брикета.

Рафинирование стали заявленным брикетом осуществляют чистым оксидом алюминия без примесей алюминатов кальция, кремния, железа, которые в прототипе вынужденно вносятся в жидкий металл.

Рафинирование стали чистым оксидом алюминия происходит благодаря тому, что при ассимиляции оксидом алюминия неметаллических включений жидкой стали снижается работа когезии ("слипание") неметаллических включений. происходит их укрупнение и быстрое всплывание из жидкого металла.

Раскисление жидкого металла алюминием и одновременное рафинирование его оксидом алюминия зависит от процесса растворения и "горения" брикета. Температура плавления стали примерно в три раза выше температуры плавления алюминия, а температура плавления оксида алюминия (≈2050°С) выше температуры плавления стали (≈1550°С), то есть в зависимости от соотношения алюминия и оксида алюминия, а также плотности брикета и его открытой и закрытой пористости процесс растворения можно регулировать.

Сначала процесс растворения брикета будет происходить медленнее, чем происходило бы растворение брикета из литого алюминия, затем по достижении внутренними слоями брикета температуры 1550°С и выше брикет быстро растворится в объеме металла. Это связано с тем, что поверхность каждой стружки покрыта оксидом алюминия, имеющим (по гравиметрическим исследованиям) модификации Аl₂O₃ → Al₂O→AlO→Al₂O₄. При температурах, превышающих 1550°С, Аl₂О и А1O переходят в газообразное состояние, тем самым разрушая, разваливая каркас брикета.

Отсюда следует, что при определении параметров брикета появляется реальная возможность управлять процессом раскисления стали алюминием и процессом рафинирования стали от неметаллических включений.

Предлагаемые параметры и соотношения брикета для раскисления и рафинирования стали оптимизированы после проведения ряда опытных плавок и представляют наиболее эффективные соотношения для повышения чистоты стали по неметаллическим включениям, например, по сере и кислороду.

При формировании брикета для раскисления и рафинирования стали из стружки толщиной более 2 мм между крупными частицами стружки зазор между контактирующими поверхностями их достаточно велик, что даже при высоких усилиях пресса не может быть достигнута объемная (средняя) плотность брикета более 0,85 от плотности стружки (плотности алюминия).

При объемной (средней) плотности брикета менее 0,85 плотности стружки получается "рыхлый" брикет, который при соприкосновении с жидким высокотемпературным металлом быстро разваливается на частицы, его составляющие, и они мгновенно сгорают на его поверхности. Поэтому в данном случае не достигается использование алюминия в глубине металла, а вся масса брикета переходит в шлак.

В объеме брикета величина поверхности стружки, то есть оболочки стружки из оксида алюминия и массы оксида алюминия, в целом уменьшается по мере увеличения размера стружки. В случае, когда толщина стружки более 2 мм, отношение массы алюминия к массе оксида алюминия не может быть в пределах 100:6, сдвигаясь при этом в сторону большего содержания алюминия, например, 100:(<6). Меньшая доля оксида алюминия в соотношении, чем 6, не позволяет в количественном критерии обеспечить ассимиляцию ("слипание") неметаллических включений, не содержащих оксид алюминия, и не дает достаточного рафинирующего показателя - удаления вредных примесей (серы и кислорода).

При формировании брикета из стружки толщиной менее 1 мм зазор между контактирующими поверхностями стружки достаточно мал, так что плотность брикета при тех же усилиях пресса может оказаться более 0,95 от плотности стружки.

Объемная (средняя) плотность брикета более 0,95 от плотности стружки нецелесообразна по причине быстро нарастающего и значительного повышения уровня теплопроводности брикета.

Повышенная плотность (более 0,95) зависит от более тесного контакта частиц и определяет повышение теплопроводности материала брикета. С точки зрения скорости повышения нагрева и последующего быстрого расплавления брикета в рабочем опытном порядке был выбран оптимальный диапазон плотности: от 0,85, но не более 0,95 от плотности стружки.

Кроме того, уменьшение толщины частиц стружки до размера менее 1 мм дает высокую развитую поверхность оболочек стружки и, следовательно, значительно увеличивает массу оболочки, состоящей из оксида алюминия (то есть соотношение алюминия к оксиду алюминия будет 100:(>13), что по эффекту рафинирования стали в процессе растворения брикета на жидкой ванне металла не даст положительного эффекта, а наоборот, приводит к дополнительному загрязнению стали неметаллическими включениями.

Это происходит потому, что высокая доля оксидов алюминия, более 13, как бы "вносит" неуправляемое количество оксидов алюминия, которые не были ассимилированы с неметаллическими включениями, не содержащими оксид алюминия.

Процесс встреч массы уже находящихся в стали неметаллических включений с оксидом алюминия прошел - в результате перемешивания ее продувкой аргоном. После встреч включений с оксидом алюминия следует укрупнение, "слипание" и всплывание из металла по закону Стокса. Поэтому "лишние" частицы оксида алюминия остаются в металле и загрязняют его в виде уже неметаллических включений другого типа - строчечных неметаллических включений, что также ухудшает качество стали.

Соотношение закрытой и открытой пористости брикета рекомендуется брать равным 3:1, вследствие того, что контактирующая с жидким металлом поверхность брикета, как было установлено опытным путем, при указанном соотношении увеличивает скорость перехода частиц оксида алюминия в металл, и при этом не происходит быстрого "развала" брикета.

Брикет, сформированный по массе более 15 кг нерационален по технологическому использованию в производстве, где течки и труботечки подачи сыпучих материалов или присадки в ковш кусковых материалов не позволяют подавать брикет под уровень шлака на границе с жидким металлом или на жидкий металл без специальных приспособлений.

Брикет, сформированный по массе менее 2 кг, неэффективен в использовании по причине развитой поверхности малых кусков и слишком быстрого прогрева массы присаживаемых в ковш брикетов. Из-за высокой скорости растворения брикетов процессы раскисления и рафинирования не успевают пройти.

В таблице 1 приведены данные по количеству алюминия, участвующего в процессе раскисления, в таблице 2 - по рафинированию стали и показателям механических свойств стали, обработанной брикетами, и для сравнения те же свойства стали, обработанной слитками или сплавами алюминия.

Из таблиц 1, 2 следует, что раскислительная способность заявленного брикета повышается почти в 2 раза по сравнению с прототипом.

Из таблицы 2 следует, что рафинирующая способность заявленного брикета значительно превышает аналогичные показатели брикета прототипа.

Содержание серы в полученной стали напрямую изменяет, например, величину ударной вязкости и изотропность свойств. С уменьшением содержания серы повышаются механические свойства стали, что характеризует значительное повышение качества готовой стали.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить высококачественную стальную продукцию в результате более эффективного раскисления и рафинирования стали брикетом.

Формула изобретения

1. Брикет для раскисления и рафинирования стали, выполненный в виде спрессованных частиц, состоящих из алюминия и оксида алюминия, отличающийся тем, что образующие его частицы представляют собой алюминиевую стружку толщиной 1-2 мм, покрытую оболочкой из оксида алюминия, при этом объемная плотность брикета составляет 0,85-0,95 плотности стружки, а соотношение по массе алюминия и оксида алюминия находится в диапазоне (100:6)-(100:13).

2. Брикет по п.1, отличающийся тем, что соотношение закрытой и открытой пористости брикета равно 3:1.

3. Брикет по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что масса брикета составляет 2-15 кг.