Экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали
Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали как при внепечной обработке стали, так и в процессе ее разливки. Технический результат - снижение длительности обработки стали при повышении ее качества за счет использования универсального состава экзотермической смеси для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, которую можно использовать при производстве различных марок стали для повышения эффективности процесса рафинирования, модифицирования и легирования стали. Экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали содержит при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 5,0-83, оксид алюминии 2,5-75, оксид кальция 0,5-10, оксид магния не более 8, оксид железа не более 15, оксид меди не более 2, оксид титана не более 7, оксид марганца не более 12, оксиды натрия и/или калия 5-7. Влажность смеси не превышает 2,2%. 4 табл.
Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для их раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования как при внепечной обработке стали, так и в процессе разливки.
Известно применение экзотермических смесей для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая, мас.%: оксиды и/или карбонаты кальция, магния, бария - 50-70, оксиды редкоземельных металлов 1-10, боратовую руду 2-5, алюминий 5-20, кремний 20-35. Указанная смесь позволяет снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, в том числе серой, регулировать содержание вводимых элементов в обрабатываемый расплав [1].
Однако данной экзотермической смеси присущи следующие недостатки. Из-за высокого содержания кремния в смеси и недостаточного содержания в ней алюминия замедляется реакция раскисления стали, так как кремнеземсодержащие оксиды всплывают из жидкой стали медленнее, чем продукты раскисления алюминием. Основная часть кислорода в виде глиноземистых включений удаляется из жидкого железа в течение первой минуты после добавки алюминия. Удаление же кремнеземсодержащих включений при добавках кремния выше 0,1% протекает в течение всей выдержки металла в печи или ковше, в связи с чем содержание кислорода в железе не достигает равновесных концентраций [2]. Это приводит к перерасходу раскислителей и легирующих, взаимодействующих с оксидами железа в шлаке, а также к повышенной загрязненности металла трудноудаляемыми неметаллическими включениями - оксидами кремния. Кроме того, наличие в шлаке кислых кремнеземсодержащих включений снижает срок службы основной футеровки металлургической емкости, в которой находится обрабатываемая сталь.
Задачей изобретения является разработка универсального состава экзотермической смеси для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, которую можно использовать при производстве различных марок стали.
Желаемым техническим результатом изобретения является снижение длительности обработки стали при повышении ее качества, снижение содержания в ней неметаллических включений, повышение степени десульфурации стали, предотвращение растворения азота в металле, повышение эффективности процесса рафинирования, модифицирования и легирования стали, а также расширение технологических возможностей путем использования заявленной экзотермической смеси при производстве различных марок стали и повышение стойкости футеровки металлургического агрегата.
Это достигается тем, что известная экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая алюминий, оксиды кальция, магния по изобретению дополнительно содержит оксиды алюминия, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий 5,0-83,
оксид алюминия 2,5-75,
оксид кальция 0,5-10,
оксид магния не более 8,
оксид железа не более 15,
оксид меди не более 2,
оксид титана не более 7,
оксид марганца не более 12,
оксиды натрия и/или калия 5-7,
при этом ее влажность не превышает 2,2%.
Алюминий раскисляет жидкую сталь, то есть удаляет кислород, а шлак, содержащий оксид алюминия, эффективно ассимилирует неметаллические включения, что способствует снижению содержания вредных примесей, например серы, кислорода и неметаллических включений в стали. Раскисление жидкого металла алюминием и одновременное рафинирование его шлаком, содержащим оксид алюминия, зависит от процесса растворения и горения экзотермической смеси. При выборе различных соотношений алюминия и оксида алюминия в смеси можно регулировать процесс шлакообразования.
Кроме того, при введении алюминия и оксидов железа в жидкую сталь начинается экзотермическая реакция восстановления активных элементов смеси из их оксидов: марганца, кальция, магния, меди, титана, при этом формируется жидкоподвижный высокоактивный шлак и образуется комплексный модифицирующий и легирующий сплав. Это обеспечивает эффективный отвод из зоны горения реакции ее продуктов - восстановленного легирующего элемента в объем металла, а также оксидов элементов-восстановителей - в шлаковую фазу.
Для получения жидкоподвижного шлака в состав смеси введены легкоплавкие компоненты: оксиды натрия и/или калия в количестве 5-7 мас.%. Снижение содержания в смеси оксидов натрия и/или калия ниже 5% приведет к образованию вязкого шлака, что приводит к ухудшению условий плавления смеси, повышению времени обработки стали. При совместном использовании в экзотермической смеси оксида натрия и оксида калия их желательно вводить в количестве соответственно не более 4 мас.%. и не более 3 мас.%.
Введение в смесь более 7% оксидов натрия и/или калия приведет к понижению температуры металла и шлака в зоне реакции и снижению эффективности его обработки экзотермической смесью.
Снижение содержания алюминия в смеси ниже 5% приведет к недостаточному восстановлению из смеси модифицирующих компонентов, понижает ее рафинирующую способность.
Увеличение содержания в смеси алюминия выше 83 мас.% может привести к чрезмерному повышению температуры в зоне горения, что приведет к возгоранию высокоактивных элементов и их удалению в газовую фазу, возникновению взрывоопасной ситуации при изготовлении смеси, уменьшению рафинирующего, модифицирующего и легирующего эффекта.
Для исключения возникновения пожароопасных ситуаций при изготовлении, хранении и транспортировке смеси необходимо соблюдать также условие, чтобы ее влажность не превышала 2,2%.
Кроме того, в случае выполнения смеси в виде брикета при ее влажности более 2,2% возможно саморассыпание брикета при его хранении и транспортировке.
Широкий диапазон содержания алюминия в смеси позволяет применять ее для обработки различных марок стали. При этом, чем больше в смеси алюминия, тем меньше следует в нее вводить оксида алюминия, так как в противном случае повышается температура плавления образующегося шлака, что приводит к снижению эффективности обработки стали экзотермической смесью.
Оксиды кальция и магния являются шлакообразующими материалами. Кроме того, восстановленный в процессе экзотермической реакции кальций при выплавке высоколегированных, углеродистых и конструкционных марок сталей выполняет роль модификатора. В присутствии алюминия кальций также способствует снижению содержания неметаллических включений в стали, например ее десульфурации.
Оксид магния способствует повышению стойкости основной футеровки металлургической емкости, в которой находится обрабатываемый расплав стали, так как предотвращает взаимодействие образующегося шлака с ней.
Повышение содержания оксида кальция в смеси свыше 10% нецелесообразно, так как приведет к повышению температуры плавления образующегося шлака и снижению его рафинирующей способности.
Марганец, восстановленный в процессе экзотермической реакции из оксидов марганца, является раскислителем и легирующим элементом.
Титан образует прочные карбиды, нитриды и карбонитриды и способствует защите сталей от растворения азота в них.
Медь также является легирующим элементом, например, для углеродистых, хромоникелевых и нержавеющих сталей.
Количество вводимых в состав экзотермической смеси оксидов марганца, титана, меди выбирают в зависимости от выплавляемой марки стали.
Предлагаемая экзотермическая смесь была использована при выплавке углеродистых и легированных марок сталей.
Пример
На опытных плавках с применением экзотермической смеси выплавляли сталь 20 трубн. и сталь 15Х5М, химический состав которых приведен в таблице 1. Всего провели по 15 плавок каждой марки с применением экзотермической смеси из одной партии.
| Таблица 1. Химический состав сталей опытных плавок (регламентируемый) | |||||||||||
| Марка стали | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||
| С | Si | Mn | Р | S | Аl | Ti | Мо | Ni | Сu | Cr | |
| 20 трубн. | н.б. | н.б. | | н.б. | н.б. | н.б. | н.б. | ||||
| 0,20-0,25 | 0,30-0,35 | 0,45-0,50 | 0,015 | 0,020 | 0,01-0,02 | 0,005 -0,01 | 0,010 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | |
| 15Х5М | н.б. | н.б. | н.б. | н.б. | |||||||
| 0,10-0,15 | 0,35-0,40 | 0,25-0,35 | 0,015 | 0,020 | 0,01-0,015 | 0,01-0,02 | 0,40-0,50 | 0,230 | 0,25 | 5,0- 5,5 |
Общая схема выплавки обоих марок сталей была следующая. В дуговой сталеплавильной печи выплавляли окисленный железоуглеродистый полупродукт, который при температуре 1620°С выпускали в ковш с отсечкой печного шлака. При выпуске в полупродукт присаживали раскислители, ферросплавы и шлакообразующие, в том числе экзотермическую смесь. Затем ковш с плавкой передавали на агрегат печь-ковш, где при периодическом подогреве плавки дораскисляли металл, корректировали содержание легирующих присадкой ферросплавов, доводили состав и количество шлака до заданных величин подачей на поверхность ванны извести и экзотермической смеси, затем выдерживали металл в течение 10-15 мин при невысокой интенсивности продувки аргоном через днище (около 100 л/мин) для удаления из него неметаллических включений и усреднения химического состава и температуры, а затем передавали плавку на разливку.
Содержание компонентов в применяемой на опытных плавках экзотермической смеси приведен в табл. 2.
| Таблица 2. Содержание компонентов в экзотермической смеси, мас.% | ||||||||
| Аl | Аl2O3 | СаО | MgO | FeO*) | CuO | ТiO2 | MnO | К2О+Nа2O |
| 15,0 | 31,0 | 10,0 | 8,0 | 10,0 | 2,0 | 5,0 | 12,0 | 7,0 |
| t) в пересчете на FeO |
Средняя суммарная подача ферросплавов, раскислителей и шлакообразующих в процессе внепечной обработки 15 опытных плавок каждой марки приведена в табл.3.
| Таблица 3. Количество поданных материалов при внепечной обработке, кг (среднее по 15 плавкам каждой марки) | ||||||||||
| Марка стали | ФС45 | ФХр100 | СиМн17 | ФМн угл. | ФМо | АВ86 | СК30 | ФТи | Экзосмесь | Известь |
| 15Х5М | 550 | 4400 | 100 | 0 | 55 | 60,5 | 120 | 40 | 250 | 1100 |
| 20 трубн. | 350 | 0 | 200 | 150 | 0 | 20,6 | 120 | 30 | 150 | 752 |
Состав сталей, полученных на опытных плавках (средний), приведен в табл.4.
| Таблица 4. Состав сталей, полученных на опытных плавках (средний) | |||||||||||
| Марка стали | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||
| С | Si | Mn | Р | S | Аl | Ti | Мо | Ni | Сu | Cr | |
| 20 трубн. | 0,22 | 0,33 | 0,48 | 0,012 | 0,011 | 0,016 | 0,007 | 0,008 | 0,19 | 0,19 | 0,10 |
| 15Х5М | 0,11 | 0,37 | 0,28 | 0,015 | 0,013 | 0,015 | 0,015 | 0,470 | 0,20 | 0,22 | 5,02 |
Анализ полученных результатов показал, что при использовании экзотермической смеси, предусмотренной изобретением, за счет эффективного раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали повышается ее ударная вязкость, снижается холодноломкость, в целом повышается качество стали, снижается ее себестоимость.
Источники информации
1. RU 2192479 C1, C 21 C 1/00, 7/06, 10.11.2002.
2. Хан Б.Х. и др. Раскисление, дегазация легирование стали. М., “Металлургия”. 1965. С.49-50.
Экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая алюминий, оксиды кальция, магния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксиды алюминия, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов, мас. %,:
алюминий 5,0-83
оксид алюминия 2,5-75
оксид кальция 0,5-10
оксид магния не более 8
оксид железа не более 15
оксид меди не более 2
оксид титана не более 7
оксид марганца не более 12,
оксиды натрия и/или калия 5-7,
при этом ее влажность не превышает 2,2%.
