Композиционный материал для раскисления и/или десульфурации сталей и/или шлаков

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству ферросплавов и лигатур для десульфурации и легирования расплавленного металла, а также раскисления сталей и шлаков. Композиционный материал содержит алюмосодержащий легкоплавкий матричный компонент и сплав на основе железа в качестве тугоплавкого армирующего компонента. Легкоплавкий матричный компонент представляет собой сплав алюминия с магнием при следующем соотношении, мас.%: магний 10-80, алюминий 20-90, при соотношении массовых долей матричного и армирующего компонентов 20/80-50/50. Изобретение позволяет увеличить усвояемость алюминия и магния жидкой сталью на 30-50% и улучшить качество стали за счет повышения стабильности процесса раскисления и десульфурации. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству ферросплавов и лигатур для десульфурации и легирования расплавленного металла, а также раскисления сталей и шлака.

Известен магнийсодержащий композиционный материал на основе железа [Патент США № 3945819, опубл. 1976 г.] [1]. В качестве матричного компонента в известном материале использован магний или его сплавы с щелочными, щелочноземельными металлами.

Магний широко известен в качестве эффективного десульфуратора. В основу же изобретения [1] заложена идея удешевления производства получения пассивированного магния, для реализации которой в качестве армирующего компонента авторы предлагают использовать прокаленные брикеты из стальной прессованной железной стружки с дальнейшей пропиткой в жидком магнии.

Исходя из процентного содержания матричного компонента (5-18%) можно сделать вывод о том, что известный материал содержит не более 17% магния. При содержании магния более 18% появляется пироэффект, ведущий к меньшему усвоению магния расплавленной сталью.

В то же время низкое содержание матричного компонента можно отнести к недостаткам известного материала из-за высокого содержания в нем железа. При больших объемах выплавки это приводит к дополнительным трудозатратам по введению материала, кроме того, большой объем железа на стадии введения резко снижает температуру расплава, что нежелательно.

Кроме того, также ставится под сомнение “глубина” пропитки стального брикета магнием при производстве известного материала.

Стоимость производства известного материала включает в себя в том числе энергозатраты, обусловленные высокой температурой плавления легирующего компонента (~650 °С), и стоимость специального оборудования, т.к. известно, что плавление чистого магния представляет собой сложный технологический передел.

Таким образом, с экономической точки зрения известный материал выгодно использовать только как десульфуратор или модификатор расплавленной стали или чугуна.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является алюмосодержащий раскислитель в виде композиционного материала [Патент РФ № 2192495, опубл. 2002 г.] [2].

В известном материале алюминий содержится в качестве легкоплавкого матричного компонента, а сплав на основе железа - в качестве тугоплавкого армирующего компонента при отношении массовых долей матричного и армирующего компонентов в пределах 25/75-50/50.

Алюминий широко применяется в производстве как основной раскислитель для большинства марок сталей.

Преимущества использования в качестве армирующего компонента сплава или сплавов на основе железа состоят в том, что последние обеспечивают необходимое утяжеление вводимого в сталь материала. При этом они содержат такие же базовые элементы, как и раскисляемые стали, и потому практически не приводят к существенному изменению их химического состава.

Кроме того, утяжеление алюминия чугуном и сталью предупреждает всплывание материала в шлак, способствует лучшему его усвоению в расплаве и обеспечивает более стабильное раскисление стали.

Температура плавления известного материала обусловлена температурой плавления алюминия (~650 °С). При этом “глубина” раскисления не во всех случаях удовлетворительная, т.к. для некоторых марок сталей алюминий является вредной примесью. Применение известного материала ограничено только раскислением и легированием сталей.

Задача настоящего изобретения заключается в расширении технологических возможностей алюможелезосодержащего композиционного материала в металлургии в сочетании с экономическими преимуществами в его изготовлении и использовании.

Для решения поставленной задачи композиционный материал для раскисления и/или десульфурации сталей и/или шлаков содержит алюмосодержащий легкоплавкий матричный компонент и сплав на основе железа в качестве тугоплавкого армирующего компонента, при этом легкоплавкий матричный компонент представляет собой сплав алюминия с магнием при следующем соотношении, мас.%: магний 10-80, алюминий 20-90, при соотношении массовых долей матричного и армирующего компонентов 20/80-50/50.

Сущность заявленного решения заключается в следующем.

Авторы предлагают в качестве матричного компонента использовать сплав алюминия и магния и тем самым совместить процессы раскисления и десульфурации, которые в некоторой степени идентичны по своей природе и порой влияют друг на друга. Использование сплава с заявленными пределами соотношения алюминия и магния позволяет использовать композиционный материал для раскисления и/или десульфурации сталей и/или шлаков. Присутствие алюминия увеличивает “растворимость” магния в расплавленной стали и позволяет добиться увеличения усвоения заявленного материала расплавом.

Широкий интервал основных компонентов позволяет добиться того, что процессы раскисления стали, десульфурации стали, раскисления шлака будут происходить в расплаве одновременно, только в зависимости от содержания магния, алюминия и железа в большей или меньшей степени.

Получение материала в виде композита обеспечивает равномерное распределение матричного сплава в его объеме и его сохранение при этом в его исходном легкоплавком состоянии. Вследствие этого растворение алюминия и магния в жидкой стали начинается сразу по расплавлении намороженной твердой корки на поверхности материала и заканчивается до полного расплавления и растворения армирующего компонента.

Кроме того, равномерное распределение алюминия и магния в объеме композиционного материала исключает формирование большой капли жидкого сплава в стали, что снижает пироэфект от применения магния к нулю. После расплавления намороженной твердой корки фрагмент композиционного материала с твердыми частицами армирующего компонента и жидкой алюминиево-магниевой матрицей диспергирует в расплаве под воздействием его конвекционных потоков на более мелкие фрагменты.

Поэтому точки растворения сплава алюминия и магния рассредоточиваются равномерно по объему расплава. Это обеспечивает быстрое и качественное усвоение алюминия жидкой сталью и “псевдорастворение” магния, т.к. известно, что чистый магний практически нерастворим жидкой сталью.

Исходя из того что скорость диффузии алюминия в расплавленную сталь намного выше, чем у магния, можно предположить, что частичкам магния необходимо “завершить работу, начатую алюминием”. Часть магния в виде паров проходит через слой шлака, что ведет к раскислению последнего. Таким образом, выполнение материала в виде композита с легкоплавкой алюминиево-магниевой матрицей способствует лучшему ее усвоению по кислороду и сере, растворенных в жидкой стали.

Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявляемым решением, заключается в использовании трехкомпонентной системы, представляющей собой алюминиево-магниевый сплав, армируемой частичками железа, позволяющей управляемо осуществлять процессы раскисления и/или десульфурации сталей и/или шлаков.

Температура плавления нового материала, обусловленная температурой плавления сплава алюминия и магния (~450 °С), ниже, чем у известных аналогов, поэтому можно сделать вывод, что заявленный материал при использовании позволяет существенно снизить энергозатраты. Кроме того, введение магния в металлический каркас в виде сплава с алюминием избавляет от использования сложного дорогостоящего оборудования.

Таким образом, сочетание новых технических свойств нового материала в совокупности с экономическими преимуществами при его изготовлении и использовании позволяет решить поставленную перед специалистами задачу.

Соотношение массовых долей матричного и армирующего компонентов обусловлено необходимостью обеспечения повышенного содержания алюминиево-магниевого сплава с высокой плотностью. При этом нижний предел соотношения составляет 20/80 и обусловлен необходимостью повышения плотности материала для снижения пироэффекта от магния при небольшом его содержании в материале.

Заявленный композиционный материал получают методом жидкофазного совмещения. В качестве армирующего компонента используют стальную или/и чугунную дробь (ГОСТ 11964-81, ТУ 4196-008-00211033-95, ТУ 4196-028-00211033-2001), стальную высечку, стальную или/и чугунную стружку с размером частиц в пределах 0,5 ~ 10,0 мм. Размер частиц выбирают в зависимости, в основном, от требуемой плотности композиционного материала.

В качестве матричного компонента используют стандартные материалы: магний первичный марки МГ90, алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые марки АД, АМг, алюминий первичный марки АО, алюминий вторичный марки АВ97, АВ92, АВ91, АВ87 и др.

В первую очередь в печи расплавляют алюминий. В полученный расплав порциями вводят расчетное количество магния и добавляют частицы армирующего компонента. В результате получают гетерогенный суспендированный расплав. Его разливают в изложницы и получают композитный материал в виде чушек. Он состоит из алюминиево-магниевой матрицы и равномерно размещенных в ней частиц армирующего компонента.

На действующем производстве ОАО “НТМК” в печь-ковше конвертного цеха были произведены испытания данного материала с различным содержанием алюминия и магния и железа.

Внепечная обработка стали проводилась согласно технологической инструкции ТИ - 102-СТ.КК-318-97. Загрузка композиционного материала производилась до требуемого значения алюминия в готовой стали. Визуально оценивалось состояние шлака и металла в момент ввода опытного материала. При визуальном наблюдении куски материала проходили через шлак и реагировали с металлом на границе раздела фаз шлак - металл без пироэффекта. Использовали материал плотностью 3800-4600 кг/м³ при плотности шлака - 2500-2700 кг/м³.

Пример 1. Материал использовали в процессе раскисления требуемой марки стали. В качестве сравнительной базы использовали материал по прототипу.

В установку загружали по 300 кг исследуемого материала.

Композиционный материал на основе алюминия (прототип) содержал алюминия - 26%, соответственно железа - 74%.

Новый материал содержал алюминия - 21%, магния - 5%, железа - 74%, т.е. первоначальный сплав алюминия и магния содержал 80/20% соответственно при массовом соотношении сплава и железа 26/74.

В процессе раскисления получены следующие результаты.

При обработке стали материалом по прототипу содержание алюминия в стали составило 0,028%, соответственно содержание кислорода - 0,005%.

При обработке стали новым материалом содержание алюминия в стали - 0,0265%, снижение содержания серы с 0,02% до 0,017%, содержание кислорода - 0,004%.

Исходя из анализа полученных результатов по содержанию алюминия и кислорода можно сделать вывод о том, что в данном процессе происходит в основном раскисление, причем усвоение ценных компонентов на 5-10% выше, чем при использовании материала по прототипу, несмотря на меньшее количество алюминия в новом материале. Кроме того, исходя из данных по снижению серы можно судить о наличии частичной десульфурации обрабатываемой стали.

Пример 2

В установку загружали 350 кг нового материала, который содержал: алюминия - 17%, магния - 10%, железа - 73%, т.е. первоначальный сплав алюминия и магния содержал 63/37% соответственно при массовом соотношении сплава и железа 27/73.

При обработке стали новым материалом получены следующие результаты: содержание алюминия в стали - 0,023 - 0,027%, снижение содержания серы с 0,02% до 0,013%, содержание кислорода - 0,002%.

Исходя из анализа полученных результатов по содержанию серы и кислорода можно сделать вывод о том, что в данном процессе происходит в основном десульфурация стали.

Степень десульфурации авторы сравнивают с данными результатов раскисления и десульфурации стали чистым магнием [С.П.Ефименко, В.И.Мачикин, Н.Т.Лифенко Внепечное рафинирование металла в газлифтах. - М.: Металлургия, 1986].

Исходя из основных показателей кинетики удаления серы и кислорода при обработке сталей магнием можно считать полученные результаты сходимыми, при том, что новый материал дешевле чистого магния.

Пример 3

В установку загружали 400 кг нового материала, который содержал: алюминия - 8%, магния - 12%, железа - 80%, т.е. первоначальный сплав алюминия и магния содержал 40/60% соответственно при массовом соотношении сплава и железа 20/80.

Для сравнения результатов был произведен отбор шлака до и после загрузки материала.

При обработке стали новым материалом получены следующие результаты: содержание алюминия в стали - 0,015-0,02%, снижение содержания серы с 0,02% до 0,012%, содержание кислорода - 0,002%. В таблице 1 приведен химический состав шлака до и после обработки.

Таблица 1
Шлаки	Химический состав шлаков,%	Основность шлаков
	SiO2	Аl2О3	CaO	MgO	Fe	MnO
до обработки	21,9	10,9	44,7	10,2	50,4	4,2	2,0
после обработки	20,6	16,9	50,3	9,3	1,6	1,0	2,4

Исходя из данных, приведенных в таблице 1, изменение химического состава шлака свидетельствует о том, что использование нового материала приводит к значительному снижению окисленности шлака. Содержание FeO снизилось с 5,4 до 1,6% (70,4%), содержание MnO снизилось с 4,2 до 1,0% (76,2%). Таким образом, в данном примере в основном происходит раскисление шлака и частично раскисление и десульфурация стали.

Пример 4.

В установку загружали 300 кг нового материала, который содержал: алюминия - 4%, магния - 16%, железа - 80%, т.е. первоначальный сплав алюминия и магния содержал 20/80% соответственно при массовом соотношении сплава и железа 20/80. Предварительно расплавленная сталь была раскислена алюминиевой катанкой до содержания в 0,017%.

При обработке стали новым материалом получены следующие результаты: содержание алюминия в стали возросло до 0,019%, снижение содержания серы с 0,022% до 0,015%, содержание кислорода - 0,003%. В таблице 2 приведен химический состав шлака до и после обработки.

Таблица 2
Шлаки	Химический состав шлаков, %	Основность шлаков
	Si02	Аl2О3	CaO	MgO	Fe	MnO
до обработки	22,4	10,3	41,1	13,4	40,9	3,8	1,8
после обработки	24,1	12,6	49,5	11,8	0,9	0,6	2,6

Исходя из данных, приведенных в таблице 2, изменение химического состава шлака свидетельствует о том, что использование нового материала приводит к значительному снижению окисленности шлака. Содержание FeO снизилось с 4,9 до 0,9% (81,6%), содержание MnO снизилось с 3,8 до 0,6% (84,16%). Таким образом, можно сделать вывод о том, что в данном примере происходит раскисление шлака и десульфурация стали.

По результатам проведенных испытаний можно сделать общий вывод о комплексности свойств, проявляемых системой алюминий - магний - железо в обрабатываемой стали. При этом широкий диапазон массового соотношения этих компонентов позволяет управлять свойствами этого материала в соответствии с потребностями металлургии.

Кроме того, при использовании нового материала в сравнении с алюминием в качестве раскислителя и магнием - в качестве десульфуратора наблюдается увеличение усвояемости алюминия и магния жидкой сталью на 30-50% и улучшение качества стали за счет повышения стабильности процесса раскисления и десульфурации.

Композиционный материал для раскисления и/или десульфурации сталей и/или шлаков, содержащий алюмосодержащий легкоплавкий матричный компонент и сплав на основе железа в качестве тугоплавкого армирующего компонента, отличающийся тем, что легкоплавкий матричный компонент представляет собой сплав алюминия с магнием при следующем соотношении, мас.%: магний 10-80, алюминий 20-90, при соотношении массовых долей матричного и армирующего компонентов 20/80-50/50.