Проволока для внепечной обработки металлургических расплавов

Изобретение относится к металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошкообразными реагентами. Наполнитель проволоки дополнительно содержит железо и редкоземельные металлы (РЗМ) при следующем соотношении между ингредиентами наполнителя, мас.%: кальций 8-25, кремний 35-50, РЗМ 8-20, железо остальное. Отношение между кальцием и РЗМ составляет (0,8...2,2):1. Изобретение позволяет по мере погружения проволоки в расплав быстро образовывать внутри проволоки прочное однородное соединение с температурой плавления более 1300°С, достигать глубинной пассивации кальция, синхронизировать во времени процессы высвобождения модификатора в расплав и расплавление образованного в наполнителе сплава. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошкообразными реагентами.

Известна порошковая проволока для внепечной обработки стали, которая содержит кальций в алюминиевой оболочки с соотношением массовых частей кальция и алюминия 37:63 ("Сталь", 1998, №5, с.18-22). Если исходить из диаграммы состояния кальций-алюминий, можно допустить, что при таком соотношении между кальцием и алюминием должно образовываться прочное соединение CaAl₂, или его растворы в избыточном кальции или избыточном алюминии. Но в действительности при погружении в жидкий металл алюминиевая оболочка расплавляется, взаимодействует со шлаком, кальций и алюминий не успевают образовать прочное соединение, и после расплавления оболочки в металле кальций уже находится в виде пара, что приводит к ухудшению усвоения кальция, барботажу и выбросам металла.

Наиболее близкой по технической сути и получаемому эффекту к заявляемой является проволока для внепечной обработки стали, состоящая из металлической оболочки и порошкового наполнителя, содержащего кальций и кремний, причем в наполнителе содержание кальция составляет 15...30 мас.% ("Металл и литье Украины", 2000, №1-2, с.17-20). Ввод кальция в жидкую сталь в сплаве с кремнием позволяет несколько снизить упругость диссоциации паров кальция и пары последнего в некоторой степени успевают прореагировать в глубине расплава. Процесс обработки протекает спокойнее, барботаж и выбросы уменьшаются, что позволяет немного повысить степень использования кальция. Но эта проволока также имеет ряд недостатков. Кроме высокой упругости диссоциации паров кальций имеет низкую растворимость в жидком железоуглеродистом расплаве, что вместе значительно снижает степень использования кальция. При указанном содержании кальций с кремнием образует химически непрочное соединение CaSi₂, к тому же при содержании кальция 25...30% температура плавления такого соединения относительно невысокая (около 1000°С), что приводит к повышенному угару, низкой степени усвоения кальция и повышенному расходу проволоки.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать проволоку для внепечной обработки металлургических расплавов путем введения в состав наполнителя проволоки дополнительных ингредиентов (РЗМ) и установлением зависимостей как между составными частями порошкового наполнителя, так и всей проволоки в целом. Решение этой задачи дает возможность по мере погружения проволоки в металл быстро образовывать внутри проволоки прочное однородное соединение с относительно высокой температурой плавления (более 1300°С), достигать глубинную пассивацию кальция, охватить реакцией взаимодействия кальция с расплавом максимальный объем металла в ковше, синхронизировать во времени процессы высвобождения модификатора в расплав и расплавление образованного в наполнителе сплава. Это позволяет значительно повысить эффективность использования кальция, обеспечивая полное модифицирование неметаллических включений и снизить расход проволоки.

Суть изобретения состоит в том, что в проволоке для внепечной обработки металлургических расплавов, состоящей из стальной оболочки и порошкового наполнителя, содержащего кальций и кремний, наполнитель дополнительно содержит железо и редкоземельные металлы (РЗМ), причем соотношение между ингредиентами наполнителя установлено следующим, мас.%:

кальций	8...25
кремний	35...50
РЗМ	8...20
железо	остальное

а отношение между кальцием и РЗМ находится в пределах (0,8...2,2):1. Кальций в наполнителе может находиться в наполнителе в виде сплава с кремнием, также 10...50% кальция может находиться в наполнителе в чистом виде. Наполнитель проволоки может дополнительно содержать алюминий и магний в количестве 0,1...5,0 мас.% каждого.

Общими с прототипом существенными признаками являются:

- стальная оболочка;

- порошковый наполнитель, содержащий кальций и кремний.

Отличительными от прототипа существенными признаками являются:

- наполнитель дополнительно содержит железо и редкоземельные металлы (РЗМ);

- соотношение между ингредиентами наполнителя установлено следующим, мас.%:

кальций	8...25
кремний	35...50
РЗМ	8...20
железо	остальное

- отношение между кальцием и РЗМ находится в пределах (0,8...2,2):1.

Дополнительными признаками изобретения являются:

- использование кальция в наполнителе в виде сплава с кремнием;

- использование 10...50% кальция в наполнителе в чистом виде;

- наполнитель проволоки может дополнительно содержать алюминий и магний в количестве 0,1...5,0 мас.% каждого.

Приведенные выше признаки являются необходимыми и достаточными для всех случаев, на которые распространяется область использования изобретения.

Между существенными признаками и техническим результатом - повышением степени использования кальция, полным модифицированием неметаллических включений и снижением расхода проволоки - существует причинно-следственная связь, которая объясняется следующим образом. Комплексное использование кальция и РЗМ обусловлено тем, что при температурах внепечной обработки стали у чистого кальция высокая упругость диссоциации паров и низкая растворимость в расплаве, а РЗМ имеют низкую упругость диссоциации паров и практически полную растворимость в жидком железе. РЗМ являются очень эффективным модификатором, но продукты реакции имеют высокую плотность и находятся в твердом состоянии при температурах жидкой стали, что затрудняет их удаление в шлаковую фазу. Использование же комплексного сплава РЗМ и кальция обеспечивает во время взаимодействия с жидкой сталью образование жидких оксидных или оксисульфидных включений с пониженной плотностью, которые будут способны к коагуляции и всплыванию в шлаковую фазу. Наличие в составе наполнителя проволоки железа обеспечивает по мере вхождения проволоки в жидкий металл быстрое образование внутри проволоки прочного однородного соединения с относительно высокой температурой плавления (более 1300°С). Отношение между содержанием кальция и РЗМ именно в пределах (0,8...2,2):1 обеспечивает по мере вхождения проволоки в жидкую сталь образование однородного сплава-модификатора с соответствующими характеристиками и в объеме металла не образуются локальные зоны, перенасыщенные кальцием или наоборот. Если отношение между содержанием кальция и РЗМ будет меньше, чем 0,8:1, кальций в составе модификатора будет иметь недостаточную растворимость, а если отношение между содержанием кальция и РЗМ будет больше, чем 2,2:1, активность и упругость диссоциации паров кальция будут оставаться высокими, что снизит эффективность использования кальция. Причем для ускорения процесса образования комплексного сплава-модификатора кальций в наполнителе может использоваться в виде сплава с кремнием. Однако в связи с чрезмерной трудностью получения сплава с таким содержанием кальция и РЗМ (20...25%) в промышленных масштабах, 10...50% кальция в состав наполнителя подается в чистом виде и сплав с указанным содержанием кальция образуется внутри проволоки по мере ее вхождения в расплав. Вследствие этого дополнительно снижается активность и упругость диссоциации паров кальция и повышается температура его испарения из металлургического расплава, снижается температура в зоне взаимодействия модификатора с жидкой сталью за счет протекания эндотермической реакции взаимодействия металлического кальция с кремнием, содержащимся в сплаве. Наличие в составе наполнителя проволоки алюминия и магния в указанном количестве интенсифицирует процесс рафинирования и модифицирования жидкой стали по всему объему металла в ковше. В локальной зоне взаимодействия с расплавом комплексный модификатор кальций растворяется, модифицируя все неметаллические включения. Процесс обработки жидкой стали проволокой со всеми указанными параметрами протекает спокойно, без выбросов и барботажа. Все это позволяет значительно увеличить степень использования кальция, полностью модифицировать все неметаллические включения, уменьшить расход проволоки и пылегазообразование.

Таким образом, чтобы значительно повысить степень использования кальция, модифицировать все неметаллические включения и снизить расход проволоки, необходимо использовать проволоку с наполнителем приведенного состава и со всеми указанными соотношениями.

Изготавливают порошковую проволоку следующим образом. Металлическую ленту профилируют в желобоподобную оболочку. Дозированными порциями из бункера заполняют оболочку порошком комбинированного сплава-модификатора, который равномерно распределяется по желобу оболочки. Если есть необходимость использовать в составе проволоке чистый кальций, то используют два бункера. Потом с помощью роликовых клетей обжимают оболочку и формируют замок. Готовая проволока наматывается на катушку и поставляется в отделения обработки стали.

На одном из металлургических комбинатов проведено опробование предложенной проволоки. Наполнение проволоки ⊘ 13 мм составляет 360 г/м, (кальция - 15 мас.%, кремния - 45 мас.%, РЗМ - 10 мас.%, магния - 1,5 мас.%, алюминия - 2,5 мас.%, железа - 26 мас.%,), соотношение между кальцием и РЗМ в наполнителе составляло 1,5:1, содержание кальция в проволоке - 10%, РЗМ - 6,7%. Проволоку вводили с помощью трайбаппарата в стальковш на установке доводки металла после усреднительной продувки во время производства стали 20 тр. Расход проволоки составил 150 м на 150-тонный ковш (0,53 кг/т стали). Проведено 10 обработок стали. В среднем содержание кальция в готовом металле (проба на МНЛЗ) составляет 0,0020%, степень усвоения - 37%, содержание РЗМ - 0,003%, степень усвоения РЗМ 83%. Все неметаллические включения модифицированы, металл полностью разливается на МНЛЗ и имеет повышенные литейные и механические свойств, брак составляет 0,5%.

На этом же комбинате используется силикокальциевая проволока (СКЗО). Наполнение такой проволоки ⊘13 мм составляет 230 г/м, содержание кальция в порошковом наполнителе составляет 30%, кремния - 61%, кальция в проволоке - 17%. Расход проволоки составлял 250 м на 150-тонный ковш (0,67 кг/т стали). В среднем содержание кальция в готовом металле (проба на МНЛЗ) составляет 0,0020%. Усвоение кальция из СКЗО на проведенных обработках составило 13% (готовый металл, проба на МНЛЗ) при производстве стали 20тр и для достижения такого же уровня кальция в готовом металле и полного модифицирования неметаллических включений (с учетом модифицирования РЗМ), как и при использовании заявляемой проволоки, проволоки-прототипа необходимо вводить 1,62 кг/т (на 205% больше: для получения такого же содержания кальция проволоки необходимо ввести в (0,0020:0,0015):(17:10)×(37:13)=2,23 раза больше плюс дополнительно за счет модифицирования РЗМ в 83:13:2,9:(17:6,7)=0,83 раза больше - в сумме в 3,06 раза больше (стехиометрический коэффициент при взаимодействии РЗМ с кислородом или серой в 2,9 раза больший, чем при взаимодействии кальция с кислородом или серой). При разливке сталей, обработанных этой проволокой, на МНЛЗ иногда затягивало разливочные стаканы, что свидетельствует о неполной глобуляризации неметаллических включений, брак составлял 5,5%.

1. Проволока для внепечной обработки металлургических расплавов, состоящая из стальной оболочки и порошкового наполнителя, содержащего кальций и кремний, отличающаяся тем, что наполнитель дополнительно содержит железо и редкоземельные металлы (РЗМ) при следующем соотношении ингредиентов наполнителя, мас.%:

кальций	8-25
кремний	35-50
РЗМ	8-20
железо	остальное,

а соотношение между кальцием и РЗМ составляет (0,8...2,2):1.

2. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что кальций находится в наполнителе в виде сплава с кремнием.

3. Проволока по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что 10...50% кальция находится в наполнителе в чистом виде.

4. Проволока по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что наполнитель проволоки дополнительно содержит алюминий и магний в количестве 0,1...5,0 мас.% каждого.