Флюс для разжижения шлака

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству стали. Флюс содержит красную глину, которая содержит смесь оксидов алюминия, железа, кремния при следующем соотношении, мас.%: оксид алюминия от 12 до 27, оксиды железа (FeO+Fe₂O₃) от 2,5 до 15; оксид кремния от 43 до 74; оксид магния от 0,7 до 7,3; оксид кальция от 0,5 до 7,7, оксиды щелочно-земельных металлов (Na₂О, К₂O) от 1,4 до 8,7; примеси других минералов - от 0,9 до 5,6. Использование изобретения позволяет разжижать шлакообразующую смесь без снижения качества плавки, широко использовать в сталеплавильном производстве.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству стали.

Скоротечность процесса конверторного производства, т.е. небольшая продолжительность плавки, требует создания условий для быстрого наведения шлака по количеству, гомогенности и в достижения его максимально положительного влияния на процесс выплавки стали.

Наиболее широко для разжижения шлака в металлургической промышленности используют плавиковый шпат (Абросимов Е.В. и др. «Металлургия стали», М., 1961, с.265-268).

Плавиковый шпат регулирует температуру плавления шлака и применяется в металлургических процессах для интенсификации шлакообразования. Плавиковый шпат, обладая низкой температурой плавления - 1360°С, снижает температуру плавления всей гетерогенной системы, присутствующей в шлаке, способствует снижению вязкости шлакового расплава, т.е. повышает его жидкоподвижность. Однако помимо положительных моментов использования плавикового шпата имеются негативные: во-первых, действие плавикового шпата на шлак кратковременное вследствие удаления фтора в форме фтористоводородного газа или фтористого кремния. Интенсивность наведения шлака определяется количеством введенного в состав флюса шпата. Однако количество шпата во флюсе критично, так увеличение его снижает производительность процесса плавки вследствие возрастания электропроводности расплава, одновременно увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, что ограничивает его применение при выплавке высококачественных сталей, а уменьшение его количества не обеспечивает необходимой жидкоподвижности шлака.

Во-вторых, повышается активность закиси железа в шлаке, что приводит к ускоренному износу футеровки. Плавиковый шпат оказывает существенное отрицательное воздействие на футеровку конвертера. Даже находясь в минеральной ассоциации с другими компонентами шлака, плавиковый шпат не ослабляет своей активности в разъедании огнеупоров. Обладая низкой вязкостью и хорошей смачиваемостью, шпат проникает в поры, трещины и швы футеровки, увлекая за собой и коррогинеты.

Кроме того, при использовании плавикового шпата выделяются фтористые соединения, что делает известный флюс экологически вредным. При этом плавиковый шпат является дефицитным и дорогостоящим компонентом флюса, что повышает себестоимость известного флюса.

Известно использование в качестве флюса для разжижения шлаков боксита, содержащего, в зависимости от месторождения, (мас.%) оксидов алюминия 88, оксидов железа от 18 до 38,3, оксидов кремния от 3,5 до 7 (Абросимов Е.В. и др. «Металлургия стали», М., 1961, с.265-268).

Недостатком известного флюса является высокое содержание оксидов алюминия. Действие боксита основано на увеличении в шлаке концентрации оксида алюминия, который, являясь амфотерным, разжижает как высоко кремнеземные шлаки кислого процесса, так и основные шлаки. Известно, что оксид алюминия, увеличивает электросопротивление шлака, что повышает производительность процесса, а также увеличивает окислительный потенциал шлака и улучшает состояние поверхности слитка. Однако повышенное содержание оксидов алюминия в боксите способствует восстановлению алюминия, нежелательному при переплаве, например, кислой стали. Присутствие в боксите оксида кремния при соотношении масс оксида кремния и оксида алюминия, в которых они находятся в природном материале, не позволяет максимально снизить восстановление более прочного термодинамически оксида алюминия, что не позволяет устранить нежелательные для ряда марок стали (например, кислой стали) последствия восстановления алюминия, а также оптимизировать электросопротивление шлака. Кроме того, при присадках боксита наблюдается повышение концентрации водорода. В результате применение боксита в качестве флюса для разжижения шлака требует дополнительных мер для устранения этих недостатков. Таким образом разжижение шлаковой смеси с помощью боксита зачастую снижает качество плавки, что сужает круг использования боксита в сталеплавильном производстве. При этом боксит имеет температуру плавления, превышающую 2000°С, которая является высокой для флюсов этого назначения.

Кроме того, боксит требует особых условий хранения, является дорогостоящим продуктом. Последнее обусловлено добычей его подземным способом, что повышает себестоимость флюса.

Наиболее близким к предлагаемому является флюс для конвертеров с магнезитовой футеровкой, который содержит (мас.%): оксиды магния от 26 до 35, оксиды алюминия от 0,3 до 7,0, оксиды железа от 5,0 до 15,0, оксиды кремния от 0,5 до 7,0, оксиды кальция - остальное (РФ, патент №2145357, С21С 5/36, С21С 5/54, 10.02.2000).

Недостатком известного флюса для конвертеров с магнезитовой футеровкой является то, что он имеет пониженную температуру плавления только благодаря принятому соотношению компонентов, что делает его специфичным по составу и ограничивает использование флюса в сталеплавильном производстве.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска флюсы для разжижения шлака в конвертере (аналоги и наиболее близкий к предлагаемому) при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в возможности разжижения шлакообразующей смеси без снижения качества плавки, в возможности широкого использования в сталеплавильном производстве, в упрощении хранения флюса, в снижении себестоимости.

Заявленное изобретение «Флюс для разжижения шлаков в конвертере» решает задачу создания соответствующего флюса, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности разжижения шлакообразующей смеси без снижения качества плавки, в возможности широкого использования в сталеплавильном производстве, в упрощении хранения флюса, в снижении себестоимости, а также в расширении арсенала средств для разжижения шлаков в сталеплавильном производстве.

Суть заявленного изобретения состоит в том, что во флюсе для разжижения шлака в конвертере новым является то, что в качестве флюса используют красную глину, которая содержит смесь оксидов алюминия, железа, кремния, магния, кальция и окислы щелочно-земельных металлов при следующем соотношении, мас.%.

оксид алюминия	12-27
оксиды железа (FeO+Fe2О3)	2,5-15
оксид кремния	43-74
оксид магния	0,7-7,3
оксид кальция	0,5-7,7
окислы щелочно-земельных металлов (Na2O, К2O)	1,4-8,7
примеси других минералов	0,9-5,6

Технический результат достигается следующим образом. Глины - это связные несцементированные осадочные породы, с преобладанием глинистых минералов, держатся в куске благодаря межмолекулярным силам и сцеплению между тончайшими частицами. По одной из классификаций глинистые частицы имеют d<0,005 мм (Геологический словарь, т.1, М., 1972, с.171). Глина - это вторичный продукт земной коры, осадочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания. Образование глины идет, главным образом, на поверхности суши в результате процессов выветривания. Основным источником глинистых пород служит полевой шпат, при распаде которого под воздействием атмосферных явлений образуются каолинит и другие гидраты алюминиевых силикатов. Минералы горных пород, соприкасаясь с атмосферой и подвергаясь механическому и химическому воздействию воды и воздуха, постепенно изменяются, разрушаются и переходят в минералы глины. Первичные глины образовались в геологические эпохи интенсивного выветривания. Континентальные образования глин, возникающие в результате разложения горных пород и в результате накопления глинистых продуктов при выветривании, относятся к элювиальным глинам. Некоторые глины осадочного происхождения образуются в процессе местного накопления упомянутых минералов, но большинство из них представляют собой наносы водных потоков, выпавшие на дно озер и морей, а также являются продуктом разрушения горных пород. Такие глины относятся к аллювиальным (Краткая химическая энциклопедия, М.: 1961, с.968; http: // ru. wikipedia.org.; Геологический словарь, т.1, М., 1972, с.171, 174).

Глины разного типа широко применяют в промышленности. Красные глины (железисто-монтмориллонитовые, основной состав: MgO, Al₂O₃, 3SiO₂, 1,5Н₂O; FeO, Fe₂O₃) используют в качестве строительных материалов, в изделиях грубой керамики, в гончарном производстве, в производстве разного рода вспученных глин, например керамзита, служащих заполнителем легких бетонов (Краткая химическая энциклопедия, М.: 1961, с.968; http: // ru. wikipedia.org.).

Патентный поиск не выявил применение красной (железисто-монтмориллонитовой) глины в сталелитейном производстве в качестве флюса для разжижения шлака. Из этого следует, что заявленное изобретение расширяет арсенал средств для разжижения шлака в сталеплавильном производстве.

Возможность применения красной глины в сталелитейном производстве для разжижения шлакообразующей смеси подтверждается следующим образом. Известно, что для шлакообразования в сталеплавильном производстве используют флюсы, в состав которых входят оксиды магния, алюминия, железа, кремния и кальция в требуемых соотношениях компонентов. Из литературы известно, что значительную часть глинообразующих минералов составляют оксид алюминия и оксид кремния. Кроме того, в состав глин входят оксиды магния, железа и кальция (http: // ru. wikipedia.org.).

Авторами изобретения выполнен лабораторный анализ химического состава нескольких природных месторождений красной железисто-монтмориллонитовой глины элювиального и аллювиального типов и определены массовые соотношения между шлакообразующими компонентами глины: оксиды магния, алюминия, железа (FeO+Fe₂O₃), кремния и кальция. В результате авторами изобретения установлено, что в красной глине содержится смесь шлакообразующих минералов: оксидов алюминия, железа, кремния, магния и кальция при следующем соотношении, мас.%: оксид алюминия от 12 до 27, оксиды железа (FeO+Fe₂O₃) от 2,5 до 15, оксид кремния от 43 до 74, оксид магния от 0,7 до 7,3, оксид кальция от 0,5 до 7,7, оксидов щелочных металлов (Na₂O, К₂O) от 1,4 до 8,7, остальное от 0,9 до 5,6.

Кроме того, опытным путем установлено, что температура плавления красной глины, имеющей указанный выше состав, составляет от 1100 до 1200°С, т.е. красная глина является легкоплавким материалом и имеет температуру плавления ниже температуры плавления боксита (температура плавления боксита выше 2000°С).

Высокое содержание оксида кремния в красной глине, используемой в заявленном изобретении, при низком содержании оксида кальция и оксида магния (оксид кремния от 43 до 74%; оксид кальция от 0,5 до 7,7%; оксид магния от 0,7 до 7,3%) обеспечивает ее низкую водопроницаемость, а следовательно, практически не вносит во флюсовую смесь освобожденные не связанные ионы кислорода.

Известно, что двуокись кремния так же, как и оксид алюминия, увеличивает электросопротивление шлака, что повышает производительность процесса, а также увеличивает окислительный потенциал шлака и улучшает состояние поверхности слитка. Повышенное содержание двуокиси кремния в красной глине (от 43 до 74%) увеличивает окислительный потенциал шлаковой ванны, что, благодаря заявленному массовому соотношению между оксидом кремния и оксидом алюминия в красной глине, препятствует восстановлению алюминия, нежелательному при переплаве, например кислой стали. Как показал опыт, присутствие в красной глине оксида кремния при соотношении масс оксида кремния и оксида алюминия, в которых они находятся в природном материале красной глине (оксид кремния от 43 до 74%; оксид алюминия от 12 до 27%), позволяет максимально снизить восстановление более прочного термодинамически оксида алюминия, т.е. практически глина не выводит содержащийся в ней алюминий в шлак, что позволяет устранить нежелательные для ряда марок стали (например, кислой стали) последствия восстановления алюминия, а также оптимизирует электросопротивление шлака.

Несмотря на высокое содержание в красной глине оксидов алюминия это не приводит к заметному содержанию во флюсовой смеси тугоплавких алюминатов кальция, что объясняется низким содержанием оксидов кальция (оксид алюминия от 12 до 27%; оксид кальция от 0,5 до 7,7%). В результате это позволяет получить низкую температуру плавления флюсовой смеси, т.е. на начальном этапе плавки, и сохранить постоянный и равномерно распределенный тепловой режим плавки. При этом имеющееся количественное содержание оксидов алюминия в красной глине (оксид алюминия от 12 до 27%), используемой для разжижения шлака, не снижает скорость растворения флюса в шлаковом расплаве.

Использование красной глины для разжижения шлака обеспечивает снижение температуры наведения шлака благодаря уникальности состава, а именно: за счет наличия в составе красной глины окислов щелочных металлов (Na₂O, К₂O) в количестве от 1,4 до 3,7%, имеющих температуру плавления ниже 1000°С. В результате первыми начинают плавиться составляющие щелочной группы (Na₂O, К₂O), образуя на поверхности расплавленного чугуна многочисленные ямки с жидкой фазой, в которых идет плавление других компонентов глины. Далее лавинообразно за глиной в процесс плавления втягиваются другие компоненты шлакообразующей смеси, загруженной в конвертер. Как показал опыт, в результате использования красной глины для разжижения шлакообразующей смеси процесс образование шлака идет от 1,5 до 2 минут, в то время как продолжительность плавки в среднем составляет от 30 до 35 минут, т.е. наведение шлака происходит в начальной стадии плавки, что положительно сказывается на качестве плавки.

Кроме того, благодаря тому, что глинистые частицы имеют d<0,005 мм (Геологический словарь, т.1, М., 1972, с.171) состав заявленного флюса однороден по распределению в нем входящих компонентов, что обеспечивает равномерное распределение температуры расплава заявленного флюса, а следовательно, равномерное образование шлака и равномерный тепловой режим плавки. Как показали исследования, химический состав шлака, полученного с использованием красной глины в качестве флюса для разжижения шлака, имеет высокую однородность, что также не снижает качество плавки.

Кроме того, красная глина, обладая низкой температурой плавления, имеет сравнительно низкую подвижность расплава. Благодаря этому она оказывает на футеровку конвертера только поверхностное действие. Это позволяет использовать красную глину в качестве флюса для разжижения шлака и в конвертерах с магнезитовой футеровкой, что расширяет круг использования заявленного флюса. Были проведены опыты по сравнению характера воздействия на футеровку плавикового шпата и красной глины заявленного состава. На лабораторных образцах определяли устойчивость огнеупоров к действию флюсующих материалов: красной глины и плавикового шпата. Образцы изготавливали из периклазового плавленного порошка, который составляет основу футеровки конверторов. В образцах выполняли специальное углубление, в который помещали испытываемые флюсы. После нагрева до 1600°С определяли площадь пропитки (%) огнеупора шлаком путем разреза образца по центральной оси. Результаты показали, что уже по истечении одной минуты площадь пропитки шлаком, образованным флюсом с плавиковым шпатом, составила 11,1%, а через 6 минут испытаний - 40,1%. В то время как максимальная площадь пропитки шлаком, образованным флюсом с красной глиной, только на пятой минуте испытаний составила 9,1%, а через 7 минут испытаний составила 10,5%.

Результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что заявленный флюс, при использовании его в конвертерах с магнезитовой футеровкой для разжижения шлака, до установления в расплаве химического и динамического равновесия практически не оказывает отрицательного действия на футеровку конвертера, в то время как было изложено выше, в прототипе плавиковый шпат оказывает существенное отрицательное воздействие на футеровку конвертера в течение всей плавки Это объясняется тем, что даже находясь в минеральной ассоциации с другими компонентами шлака, плавиковый шпат не ослабляет своей активности в разъедании огнеупоров. Обладая низкой вязкостью и хорошей смачивостью, шпат проникает в поры, трещины и швы футеровки, увлекая за собой и другие коррогинеты. В отличие от шпата, красная глина в заявленном составе, обладает низкой подвижностью расплава, оказывая на футеровку конвертера только поверхностное действие.

Известно, что от количественного содержания оксидов железа зависят тепловые потери расплава, которые образуются при разложении оксидов железа. Наличие в составе красной глины в заданном соотношении оксидов алюминия и оксидов железа (оксид алюминия от 12 до 27, оксид железа от 2,5 до 15) повышает активность оксидов железа до величины, которая позволяет увеличить скорость растворения флюса в шлаковом расплаве, сохраняя при этом низкую температуру плавления. При этом, как показал опыт, присутствие в красной глине оксидов железа в пределах от 2,5 до 15% обеспечивает минимальное отрицательное воздействие оксидов железа в шлаке на магнезитовую футеровку печи. Это объясняется тем, что имеющееся в красной глине, используемой в заявленном изобретении, соотношение масс между оксидами алюминия, магния и оксидами железа (оксид алюминия от 12 до 27%, оксид магния от 0,7 до 7,3%, оксиды железа от 2,5 до 15%) оптимизирует содержание оксидов железа в шлаке, частично тормозя образование оксидов железа благодаря близости величин ионных радиусов железа, магния и алюминия. Замедление перехода оксида железа в самостоятельную фазу не приводит к повышению активности оксидов железа до такой величины, при которой оксиды железа агрессивно воздействуют на огнеупорную футеровку сталеплавильного агрегата, вытягивая из нее оксиды магния и, тем самым, проявляя свои разрушительные действия. В результате на начальном этапе наведения шлака, когда расплав еще не содержит требуемой концентрации оксидов магния, футеровка не портится, что также позволяет использовать красную глину в конвертерах с магнезитовой футеровкой и расширяет круг использования заявленного флюса в сталеплавильном производстве.

Количественное содержание оксидов железа (FeO+Fe₂О₃ от 2,5 до 15%) в используемой красной глине позволяет присаживать флюс во все периоды продувки, обеспечивая возможность поддержания жидкоподвижности шлака по ходу плавки, улучшая рафинирование стали и тепловой баланс плавки.

При шлакообразовании, несмотря на высокое содержания оксидов кремния (оксид кремния от 43 до 74%), образование двух - или трехкальциевых силикатов в шлаке отсутствует из-за низкого содержания оксида кальция (оксид кальция от 0,5 до 7,7%), что не ухудшает шлакообразование сталеплавильной плавки.

Использование природного материала красной глины (железисто-монтмориллонитовой) в качестве флюса для разжижения шлака снижает себестоимость флюса, так как красная глина представляет собой готовую смесь шлакообразующих компонентов, а добыча глины осуществляется открытым способом. Причем, как показал опыт, наличие в ней примесей других минералов, не участвующих в процессе шлакообразования (остальное от 0,9 до 5,6%), не оказывает существенного влияния на физические и химические свойства красной глины при использовании ее в качестве заявленного флюса, а следовательно, не ухудшает качество плавки. Это же обеспечивает возможность ее широкого использования в сталеплавильном производстве при выплавке различных марок сталей.

Кроме того, глина является экологически чистым продуктом и, как природный материал, не требует специальных условий хранения, что делает ее срок хранения практически неограниченным, упрощает условия хранения флюса и также снижает его себестоимость. Применение в качестве флюса для разжижения шлаков красной глины заявленного состава позволяет отказаться от плавикового шпата, экологически опасного флюса для разжижения шлака, дефицитного и дорогостоящего, в отличие от красной глины. Это снижает себестоимость и повышает экологичность заявленного флюса.

Возможность использования красной глины (железисто-монтмориллонитовой) в качестве флюса для разжижения шлаков расширяет арсенал флюсов аналогичного назначения, применяемых в сталеплавильном производстве.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленное изобретение «Флюс для разжижения шлаков в конвертере» при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности разжижения шлакообразующей смеси без снижения качества плавки, в возможности широкого использования в сталеплавильном производстве, в упрощении хранения флюса, в снижении себестоимости, а также в расширении арсенала средств для разжижения шлаков в сталеплавильном производстве.

Способ осуществляют следующим образом. Для получения заявленного флюса для разжижения шлака в конвертере используют красную глину, которая содержит смесь оксидов алюминия, железа, кремния, магния, кальция и окислы щелочно-земельных металлов при следующем соотношении, мас.%.

оксид алюминия	12-27
оксиды железа (FeO+Fe2O3)	2,5-15
оксид кремния	43-74
оксид магния	0,7-7,3
оксид кальция	0,5-7,7
окислы щелочно-земельных металлов (Na2O, К2O)	1,4-8,7
примеси других минералов	0,9-5,6

Красную глину добывали в Александровском карьере г. Кушва и в Северском карьере пос.Северский Свердловской области.

Опытные плавки выполняли на Нижнетагильском металлургическом комбинате.

Во всех примерах выполнения состав красной глины соответствовал заявленному в формуле изобретения.

оксид алюминия	19,6
оксиды железа (FeO+Fe2O3)	10,2
оксид кремния	62
оксид магния	1,5
оксид кальция	1,27
окислы щелочно-земельных металлов (Na2O, К2O)	4,33
примеси других минералов	1,1

Пример 1. Выполняли конвертерную плавку стали марки 20. До завала лома вносили присадки: самораспадающаяся магниевая добавка в количестве 540 кг, известково-магнезиальный флюс - 1040 кг. После завала лома и заливки во время продувки вносили присадки: марганцовый концентрат - 1160 кг, известь - 2400 кг, красная глина - 720 кг.

Продолжительность плавки 31 минута. Начальная температура плавления 1610°С.

Химический состав готовой стали (экспресс анализ): С - 0,204, Mn - 0,465, Si - 0,27, Р - 0,012, S - 0,016, Cr - 0,015, Ni - 0,055, Cu - 0,015, Ti - <0,002, Al - 0,007, V - 0,0034, Са - 0,0024, N - 0,0054.

Пример 2. Выполняли конвертерную плавку стали марки 17Г2Б-6. После завала лома во время первых 5 минут продувки выполняли заливку и вносили присадки: марганцовый концентрат - 1240 кг, известь - 1960 кг, красная глина - 720 кг, известково-магнезиальный флюс - 620 кг; затем: известково-магнезиальный флюс - 1020 кг, известь в количестве 2020 кг, доломит - 2020 кг. Продолжительность плавки 35 минут. Начальная температура плавления 1560°С.

Химический состав готовой стали (экспресс анализ): С - 0,0172, Mn - 1,43, Si - 0,20, Р - 0,011, S - 0,003, Cr - 0,010, Ni - 0,052, Cu - 0,010, Ti - 0,002, Al - 0,031, V - 0,0041, Са - 0,0029, N - 0,0038, Nb - 0,031.

Пример 3. Выполняли конвертерную плавку стали марки 37Г2С-2. По ходу обработки до завала лома вносили присадки: известь в количестве 780 кг, магнийсодержащий флюс - 1780 кг. После завала лома во время продувки выполняли заливу и вносили присадки: известь в количестве 1600 кг, магнийсодержащий флюс - 560 кг, красная глина - 940 кг. Продолжительность плавки 37 минут 59 секунд. Начальная температура плавления 1580°С.

Химический состав готовой стали (экспресс анализ): С - 0,28, Mn - 1,30, Si - 0,40, Р - 0,020, S - 0,023, Cr - 0,02, Ni - 0,06, Cu - 0,01, V - 0,003.

По визуальной оценке, при наблюдении за ходом опытных плавок отмечено достаточно быстрое: уже на третьей минуте продувки, наведение жидкоподвижного шлака.

Флюс для разжижения шлака в конвертере, отличающийся тем, что в качестве флюса используют красную глину, которая содержит смесь оксидов алюминия, железа, кремния, магния, кальция, щелочноземельных металлов (Na₂O, К₂O) при следующем соотношении, мас.%:

оксид алюминия	12-27
оксиды железа (FeO+Fe2О3)	2,5-15
оксид кремния	43-74
оксид магния	0,7-7,3
оксид кальция	0,5-7,7
оксиды щелочноземельных металлов (Na2O, К2O)	1,4-8,7
примеси других минералов	0,9-5,6