Брикет для легирования стали марганцем

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве углеродистой и легированной стали, включая низкокремнистые марки стали. Брикет содержит термообработанный марганецсодержащий компонент в виде обожженного марганцевого концентрата, восстановитель в виде алюминийсодержащего материала, флюс в виде смеси уральского боксита, доломитизированной извести и обожженой извести, и каолин в качестве связующего. При этом соотношение компонентов в брикете следующее, мас.%: обожженный марганцевый концентрат 40,0-45,0; уральский боксит 7,5-9,0; доломитизированная известь 12,0-14,0; обожженная известь 15,0-18,0; каолин 3,5-4,5; алюминийсодержащий материал - остальное. Целесообразно содержание в алюминийсодержащем материале глинозема и металлического алюминия. Брикет обладает высокой десульфурирующей способностью при сохранении высокой восстановительной способности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве углеродистой и легированной стали, включая низкокремнистые марки стали.

Известен экзотермический брикет для легирования стали, включающий комплексный сплав алюминия, марганца, кремния и железа (АМС), марганцевую руду и плавиковый шпат при следующем соотношении компонентов, мас.%: комплексный сплав алюминия, кремния, марганца и железа 41,0-48,0; марганцевая руда 29,0-33,5; доломит 14,5-25,0; связующее - остальное (SU №1079682 А1, кл. С22С 35/00, опубл. 15.03.1984 г.).

При загрузке таких брикетов на зеркало металла в ковш и их нагреве до 1300-1550°С в них начинаются экзотермические реакции восстановления оксидов марганца алюминием и кремнием из комплексного сплава АМС. Скорость таких реакций в брикетах велика: процесс завершается в брикете за 20-30 с, в загружаемой порции брикетов за 2-3 мин. Поэтому восстановившийся марганец равномерно распределяется во всем объеме металла, чему в значительной мере способствует введение в брикет доломита, что ускоряет растворение тугоплавкого глинозема (Т_пл=2050°С) и кремнезема (Т_пл=1723°С) и уменьшает угар алюминия и кремния. С другой стороны, при использовании таких брикетов в ходе их расплавления и окисления алюминия и кремния выделяется тепло. Это позволяет раскислять и легировать в ковше не только углеродистую, но и легированную сталь без большого перегрева ее перед выпуском. Однако хорошие показатели по извлечению марганца в металл при этом получаются только под достаточно основными шлаками, что увеличивает расход доломита и заметно снижает скорость и полноту восстановления оксидов марганца из руды. С другой стороны, при использовании таких брикетов наблюдаются довольно большие потери марганца, а его высокое извлечение даже при оптимальном соотношении между расходом руды и восстановителями 0,7 (89-91%) имеет место только благодаря тому, что значительная часть марганца в брикет вводится сплавом Fe-Mn-Si-Al. Извлечение марганца из руды, несмотря на наличие в брикете очень сильного восстановителя алюминия, составляет не более чем 70-80%. Наличие в составе известного брикета кремнийсодержащих материалов - оксидов кремния в марганцевой руде и образующегося диоксида кремния в процессе раскисления сплавом АМС стали и восстановления марганца из руды не нейтрализуется входящими в состав брикета оксидами магния и образующимися в процессе обработки металла оксидами алюминия. Поэтому значительная часть основного десульфурирующего компонента, входящего в состав брикета, - оксида кальция связывается в прочные соединения с диоксидом кремния, при этом активность оксида кальция резко снижается и десульфурация не происходит.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является брикет для раскисления и легирования стали, содержащий продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды в качестве марганецсодержащего компонента, ферросилиций ФС 45 и/или ФС 50 в качестве восстановителя марганца, флюс и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферросилиций ФС 45 и/или ФС 50 41,0-45,5; продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды 47,0-50,5; флюс 7,5-8,5; связующее - остальное (SU №2055910 С1, кл. С21С 7/00, С22С 35/00, опубл. 19.03.1997 г.).

Брикеты известного состава при использовании их в технологии легирования обладают высокой восстановительной способностью, обусловленную наличием в брикете активного по отношению к кислороду элемента - кремния. Однако известные брикеты имеют низкую десульфурирующую способность, поскольку оксид кальция, входящий в состав брикета, будет связан в прочное соединение с диоксидом кремния, значительное количество которого входит в состав окисного марганцевого концентрата, а также - образуется при легировании стали с использованием известного брикета в процессе восстановления марганца кремнием. Другие основные оксиды, входящие в состав брикета, не оказывают десульфурирующее действие при обработке стали, ввиду их малых концентраций. Кроме того, из-за значительного количества диоксида кремния, образующегося при раскислении стали или восстановлении марганца кремнием, входящим в состав известного брикета, а также оксидов железа, служащих источником кислорода в металлическом расплаве, невозможно выполнение одного из главных условий десульфурации - глубокого раскисления металла. Это отрицательно сказывается на процессе удаления серы из металла.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования брикета для легирования стали марганцем путем оптимизации качественного и количественного состава.

Ожидаемый технический результат - повышение десульфурирующей способности брикета при сохранении высокой восстановительной способности за счет образования известково-глиноземистого шлака с температурой плавления на 250-300°С ниже температуры сталеплавильных процессов, обладающего высокой серопоглотительной способностью, обеспечивающего синхронность процессов плавления исходных компонентов брикета, проведение восстановительного процесса и десульфурации стали.

Технический результат обеспечивается тем, что брикет для легирования стали марганцем, включающий термообработанный марганецсодержащий компонент, восстановитель, флюс, и связующее, по изобретению в качестве термообработанного марганецсодержащего компонента он содержит обожженный марганцевый концентрат, в качестве восстановителя - алюминийсодержащий материал, в качестве флюса - смесь уральского боксита, доломитизированной извести и обожженой извести, а в качестве связующего взят каолин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Обожженный марганцевый концентрат	40,0-45,0
Уральский боксит	7,5-9,0
Доломитизированная известь	12,0-14,0
Обожженная известь	15,0-18,0
Каолин	3,5-4,5
Алюминийсодержащий материал	Остальное.

Целесообразно содержание в алюминийсодержащем материале глинозема и металлического алюминия.

Входящий в состав заявляемого брикета уральский боксит, имеющий в своем составе, мас.%: Al₂O₃ 56,2; Fe₂O₃ 26,0; SiO₂ 4,0; TiO₂ 2,4, способствует образованию известково-глиноземистого шлака с температурой плавления на 250-300°С ниже температуры сталеплавильных процессов. В алюминийсодержащемся материале, который является составной частью брикета, содержится глинозем и металлический алюминий. Глинозем используется для повышения жидкотекучести образующегося при обработке металла шлака и для связывания, входящего в состав марганцевого концентрата, диоксида кремния, чем обеспечивается повышение активности десульфурирующих оксидных составляющих шлака. Металлический алюминий используется для восстановления марганца и раскисления прилегающих к шлаку слоев металлического расплава. Процесс обработки стали с использованием заявляемых брикетов происходит в синхронном режиме, т.е. плавления исходных компонентов, входящих в состав брикета, восстановления марганца из оксидов, десульфурации марганцем прилегающих к зоне реакции слоев металлического расплава и равномерного распределения восстановленного марганца в объеме металлического расплава.

Начиная с первого периода восстановительного процесса и до его окончания температура в зоне восстановительной реакции и в прилегающих слоях металлического расплава близка к температуре плавления исходных компонентов брикета. В зоне восстановления протекает реакция:

Концентрация восстановленного марганца в прилегающих к зоне реакции слоях металлического расплава находится на уровне, превышающем значения выше 1,0%. Восстановленный марганец вступает в реакцию с растворенной в металлическом расплаве серой по реакции:

При низких температурах (менее 1300°С) коэффициент распределения серы между шлаком и металлом достигает значения 18, а содержание серы в верхних слоях металлического расплава снижается до значений ≤ 0,001%.

В связи с тем, что реакция десульфурации протекает в непосредственной близости с плавящимися компонентами брикета и толщина их оксидного слоя мала, образующиеся сульфиды марганца с высокой скоростью ассимилируются гомогенной оксидной фазой компонентов брикета с одновременным прохождением реакции:

Образующийся в результате реакции обмена оксид марганца восстанавливается алюминием согласно уравнению реакции (1).

Кроме того, в процессе плавления исходных компонентов, содержащихся в брикете, и восстановительной реакции образуется известково-глиноземистый шлак, отношение в котором CaO/Al₂О₃=1,00-1,05. При низкой вязкости такой шлак обладает высокой серооглотительной способностью, что способствует десульфурации металлического расплава во всем его объеме.

Таким образом, при обработке металла заявляемым брикетом десульфурация осуществляется посредством восстановленного марганца, а по мере повышения температуры - образовавшимся известково-глиноземистым шлаком, что способствует получению стали с низким содержанием серы.

Содержание обожженного марганцевого концентрата в брикете составляет 40,0-45,0 мас.%. Снижение содержания обожженного марганцевого концентрата в брикете приводит к нерациональному расходу восстановителя - алюминия, входящего в состав алюминийсодержащего материала, а также к повышению вязкости образующегося при обработке металлического расплава шлака и снижения показателей десульфурации. Повышение количества марганцевого концентрата в составе брикета приводит к содержанию в образующемся шлаке остаточных (невосстановленных) оксидов марганца, которые снижают серопоглотительную способность шлака.

Содержание в заявляемом брикете уральского боксита менее 7,5 мас.% приводит к повышению вязкости плавящихся компонентов, входящих в состав брикета, при обработке им металлического расплава, что снижает восстановимость легирующего элемента - марганца и ухудшает десульфурирующую способность брикета. Повышение количества уральского боксита до величины, превышающей 9,0 мас.%, приводит к нерациональному расходу восстановителя - алюминия на взаимодействие его с оксидами железа, входящими в состав брикета, снижая при этом показатели восстановимости марганца и ухудшая процесс десульфурации в результате повышения вязкости шлака из-за увеличивающегося количества глинозема в его составе. Снижение расхода доломитизированной извести ниже 12,0 мас.% приводит к повышению вязкости образующегося в процессе обработки металлического расплава шлака, что ухудшает процесс десульфурации металла и снижает показатели восстановимости марганца. Повышение содержания доломитизированной извести в составе брикета выше 14,0 мас.% также приводит к повышению вязкости образующегося шлака из-за повышенного содержания магнезии в его составе. Снижение количества обожженной извести в заявляемом брикете ниже 15,0 мас.% приводит к снижению восстановимости марганца из-за уменьшения основности образующегося в процессе обработки металлического расплава шлака, а также к снижению десульфурирующей способности брикета из-за уменьшения в составе образующегося известково-глиноземистого шлака извести и увеличения за счет этого количества глинозема. При этом повышается вязкость шлака, что ухудшает процесс десульфурации. Повышение количества обожженной извести более 18,0% также отрицательно скажется на физических характеристиках образующегося шлака, повышая его вязкость, что приведет к снижению восстановимости марганца и уменьшению степени десульфурации.

Содержание каолина в брикете в количестве 3,5-4,5 мас.% обеспечивает их прочность. Снижение расхода каолина ухудшает механические характеристики брикета - прочность, истираемость, гигроскопичность, что приводит к снижению технологических показателей при обработке стали заявляемыми брикетами. Повышение расхода каолина выше заявляемого предела вносит в состав брикета дополнительное количество диоксида кремния, что повлечет за собой необходимость дополнительного расхода компонентов, содержащих в своем составе оксиды, которые могут связать диоксид кремния в прочные сложные соединения. Это приводит к нерациональному повышению расхода других материалов и ухудшению показателей восстановимости марганца и десульфурации стали.

Пример 1.

Брикеты изготавливали следующим образом. Обожженный марганцевый концентрат состава, мас.%: Mn 39,1; SiO₂ 18,2; Al₂О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe₂О₃ 2,06; S 0,05 смешивали с уральским бокситом состава, мас.%: Al₂О₃ 56,2; Fe₂О₃ 26,0; SiO₂ 4,0; TiO₂ 2,4, доломитизированной известью, в состав которой входит 56,0% CaO и 19,6% MgO, обожженной известью, содержащей 94,3% CaO, алюминийсодержащим материалом, содержащим в своем составе 27,2% глинозема и 41,5% металлического алюминия. В смесь добавляли каолин, в состав которого входит глинозем в количестве 52,3% и кремнезем в количестве 14,7%, полученный материал подавали на брикетный пресс и при давлении 65 МПа получали брикеты. Затем брикеты загружали в обжиговую чашу и осуществляли термообработку при 450°С в течение 1,5 часа.

Брикеты предлагаемого состава использовали при обработке металлического расплава химического состава, мас.%: С 0,05; Mn 0,09; Si 0,03; S 0,018; P 0,010 в индукционной печи ИСТ-006. Пробы металла на химический анализ отбирали через 5 минут после обработки металлического расплава вводимыми материалами.

Плавку с известными брикетами - ближайшего аналога состава, мас.%: ферросилиций ФС 45 - 42,0; продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды - 50,0; флюс - 8,0; связующее - остальное, проводили в той же индукционной печи при обработке металлического расплава химического состава, мас.%: С 0,04; Mn 0,10; Si 0,03; S 0,016; P 0,011.

Пробы металла на химический анализ отбирали через 5 минут после обработки металлического расплава вводимыми материалами. Состав предлагаемого и известного брикетов и технологические показатели плавок представлены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что при обработке металлического расплава брикетами заявляемого состава, показатели десульфурации существенно превосходят показатели плавки с использованием известных брикетов, при, практически, такой же восстановимости марганца.

Таблица 1
№	Состав брикета, мас.%	Технологические показатели плавок
пп	Обожженный марганцевый концентрат	Уральский боксит	Каолин	Доломитизированная известь	Обожженная известь	Al-содержащий материал	Содержание Mn в стали, %	Содержание S в стали, %	Степень извлечения марганца, %	Степень десульфурации, %
Исходный металл	Готовая сталь	Исходный металл	Готовая сталь
1.	40,0	7,5	3,5	14,0	18,0	17,0	0,09	0,54	0,018	0,006	96,3	72,2
2.	43,0	8,0	4,0	13,0	17,0	15,0	0,09	0,55	0,018	0,007	97,4	63,3
3.	45,0	9,0	4,5	12,0	15,0	15,5	0,09	0,55	0,018	0,006	97,4	72,2
4.	ферросилиций ФС 45 - 36,0; продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды - 50,0; флюс - 8,0; связующее - 6,0.	0,10	0,53	0,016	0,015	93,2	6,2

1. Брикет для легирования стали марганцем, включающий термообработанный марганецсодержащий компонент, восстановитель, флюс и связующее, отличающийся тем, что в качестве термообработанного марганецсодержащего компонента он содержит обожженный марганцевый концентрат, в качестве восстановителя - алюминийсодержащий материал, в качестве флюса - смесь уральского боксита, доломитизированной извести и обожженной извести, а в качестве связующего - каолин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Обожженный марганцевый концентрат	40,0-45,0
Уральский боксит	7,5-9,0
Доломитизированная известь	12,0-14,0
Обожженная известь	15,0-18,0
Каолин	3,5-4,5
Алюминийсодержащий материал	Остальное

2. Брикет по п.1, отличающийся тем, что алюминийсодержащий материал содержит глинозем и металлический алюминий.