Способ производства композиционного материала с алюминиевой матрицей - раскислителя стали

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении композиционных материалов с алюминиевой матрицей для использования в качестве раскислителя при производстве стали. В способе осуществляют нагрев формованной свободностоящей преформы до температуры, которая выше температуры плавления алюминия и ниже температуры плавления богатого железом компонента, в течение времени, обеспечивающего переход алюминия в жидкое состояние, при этом прикладывают давление к свободностоящей преформе до получения плотно уплотненного богатого железом компонента свободностоящей преформы и затвердевания в ней расплавленного алюминия. Свободностоящая преформа может также состоять из частиц алюминия и частиц компонентов, выбранных из группы, состоящей из стали, ферромарганца, силикокальция, карбида кальция, редкоземельных металлов, ферросплава, за исключением ферромарганца, и их комбинации. Изобретение позволяет получить эффективный и экономичный композиционный материал с алюминиевой матрицей - раскислитель стали, который почти полностью плотен, свободен от хрупких интерметаллических соединений и позволяет алюминию глубоко проникать в расплавленную сталь, устраняя ненужные потери этого ценного металла на ненужные реакции его окисления в шлаке и атмосфере. 2 н. и 18 з.п. ф-лы.

 

ССЫЛКА НА АССОЦИИРОВАННУЮ ЗАЯВКУ

Настоящая заявка объявляет приоритет и использует Временную Заявку Соединенных Штатов Серийный №62/079,558 от 14 Ноября 2014 г., содержание которой включено в данную по упоминанию.

Область Изобретения

Изобретение в общем относится к способу производства композиционных материалов и в частности к способу изготовления композиционного материала с алюминиевой матрицей для использования в качестве раскислителя при производстве стали.

Описание Предшествующего Уровня Техники

Раскисление стали (т.е. удаление кислорода из расплавленной стали перед разливкой) является необходимой технологической операцией в современном сталеплавильном процессе. Во время операции разливки, пока сталь охлаждается и затвердевает, растворенный кислород реагирует с углеродом, образуя газовые пузырьки монооксида углерода (СО), которые застревают в стальных слябах и чушках, в результате образуя пористость. Пористость - это серьезный дефект производственного процесса, вызывающий снижение механических свойств стали и плоского стального проката в особенности, и поэтому кислород подлежит обязательному удалению.

Для раскисления расплавленной стали металлурги обычно вводят сильные оксидообразующие элементы, такие как Mn, Si, и Al в стальной расплав. Эти элементы реагируют с растворенным кислородом и образуют твердые частицы оксидов, которые легче расплавленной стали и всплывают на поверхность расплава присоединяясь к шлаку, защищающему поверхность расплавленной стали.

Алюминий - это один из наиболее мощных раскислительных агентов используемый для практически всего плоского стального проката, составляющего около 60% от всей производимой стали. Алюминий обычно подается в расплавленную сталь на двух стадиях процесса сталеплавильного производства. Первая подача, где используется большая часть алюминия, производится при выпуске стали в ковш из электродуговой или кислородно-конверторной печи в виде чушки или конусов, помещаемых на дно пустого ковша и/или вбрасываемых в воронку потока выпускаемой стали. Подача алюминия при выпуске помимо своей основной задачи по раскислению, также увеличивает производительность, поскольку раскисление алюминием протекает быстро и доходит до конца, пока ковш переносится к следующей операции. Вторая подача, где обычно используется меньшее количество алюминия, производится непосредственно в ковш на установке внепечной обработки стали (УВОС) - специальном промежуточном агрегате между плавильной печью и кристаллизатором, основная задача которого - улучшение качества расплавленной стали и доводка ее состава до соответствующего спецификации. В среднем по индустрии используется 2 килограмма алюминия на тонну стали.

Основная проблема использования алюминия для раскисления стали - это то, что этот ценный металл теряется безвозвратно. После того, как алюминий реагирует с кислородом образуя оксид алюминия или алюминий-содержащие оксиды, которые всплывают на поверхность расплавленной стали и смешиваются с покровным шлаком, не существует практичного способа восстановить алюминий до металлического состояния. В результате, до 4% первичного (восстановленного из бокситной руды) алюминия, производимого в мире безвозвратно, теряется в процессе раскисления стали. Однако только около 30% этих потерь являются технологически необходимыми и результатом реакции кислорода, растворенного в стали с алюминием, остальные 70% это бесполезные потери. Чтобы понять почему, представим, что в ходе раскисления алюминий в форме чушек или небольших конусов загружается в ковш содержащий расплавленную сталь. Поверхность расплавленной стали в ковше покрыта защитным шлаком, содержащим большое количество оксида железа. Поскольку алюминий имеет гораздо меньшую плотность чем расплавленная сталь (2.2 против 7 г/куб. см при такой температуре), он всплывает на поверхность расплава, где застревает в шлаке, покрывающем поверхность расплавленной стали, и большая часть алюминия (70%) оказывается в контакте и реагирует с кислородом в оксиде железа в шлаке или в воздухе атмосферы вместо кислорода, растворенного в стали, и поэтому теряется бесполезно.

Следует отметить, что алюминий - это очень высоко энергоемкий в производстве металл, требующий 174 гДж электрической энергии для производства одной тонны первичного алюминия из бокситной руды. К счастью алюминий очень устойчив к атмосферной коррозии и может быть легко использован вторично путем переплава лома - операции, которая использует в 10 раз меньше энергии чем первичное производство алюминия из руды. Поэтому в свете глобального изменения климата, вызванного эмиссией углекислого газа, произведенного в значительной части в процессе выработки электрической энергии, безвозвратные потери алюминия в целом, и бесполезные безвозвратные потери в частности, являются очень серьезной проблемой для окружающей среды.

Очевидным инженерным решением проблемы всплывания алюминия на поверхность стали во время раскисления было бы соединение алюминия с более тяжелым компонентом, так чтобы алюминий глубже погружался в момент загрузки в жидкую сталь. Логичным выбором утяжеляющего компонента было-бы железо или сталь, так как оно может утяжелить соединенный материал, не загрязняя стальной расплав. Действительно, если рассматривать предыдущую общеизвестную практику решения данной проблемы, такой материал называющийся сплав ферроалюминий получаемый сплавлением при высокой температуре железа (или стали) с алюминием предлагается на рынке приблизительно с 1970-х годов - см. [Deely P.D. "Ferroaluminum -Properties and Uses" in Ferroalloys and Other Additives to Liquid Iron and Steel, ASTM STP 739, J.R. Lampman and A.T. Peters, Eds, American Society for Testing of Materials, 1981, pp. 157-169]. Его практическое применение в сталеплавильной промышленности показало, что потребление алюминия для раскисления можно сократить вдвое. Однако, будучи успешным технологически, ферроалюминий страдает от нескольких недостатков, которые не допустили его широкого применения в промышленности. Поскольку сплав производится путем плавки при высокой температуре, он оказался дорогим в производстве из-за высоких затрат на электроэнергию и ремонт печей, а также больших потерь алюминия вследствие окисления. Еще одна проблема, связанная с высокой температурой процесса - это подверженность ферроалюминия растрескиванию во время его загрузки в расплавленную сталь по причине наличия термических напряжений и больших хрупких интерметаллических фаз в микроструктуре. Некоторые из этих интерметаллических фаз к тому-же реагируют с водяными парами в атмосфере, так что ферроалюминиевый сплав часто разрушается в пыль даже во время хранения. Растрескавшийся раскислитель гораздо менее эффективен поскольку легкая крошка легко застревает в шлаке на поверхности расплавленной стали, когда раскислитель загружается в стальной расплав.

Утверждается, что указанные выше недостатки ферроалюминия могут быть преодолены путем механического брикетирования смеси частиц алюминий-сталь в соответствии с патентом США №6350295. Другой подход к соединению алюминия с более тяжелым компонентом описанный в предшествующей практике заключается в расплавлении алюминия и заливке его вокруг заранее изготовленных стальных форм - см. например патент США №4801328 или китайский патент CN 21102974 Y. Техника ввода алюминиевой проволоки для целей раскисления описана, например, в патенте США №333160. Инновационная технология изготовления материала алюминиевого раскислителя раскрыта в патенте РФ №2269586.

Однако, хотя было предпринято несколько попыток по созданию эффективного алюминиевого раскислительного материала, практичное решение, приемлемое для сталеплавильной промышленности по-прежнему отсутствует, о чем свидетельствует текущая практика раскисления с загрузкой алюминиевых конусов и чушки в расплавленную сталь - неэффективный процесс, приводящий к огромным необратимым потерям алюминия и энергии потраченной на его производство. Таким образом, существует реальная потребность в новом алюминиевом раскислительном материале, который обеспечил-бы более эффективное использование алюминия в раскислении стали по сравнению с текущей практикой, а также в технологически и экономически реализуемом процессе его производства.

РЕЗЮМЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представленный композиционный материал и способ его изготовления, как совершенно ясно здесь показано, не выводятся из, не представлены как очевидные и даже не упомянуты ни в каких известных ранее техниках и механизмах, ни сами по себе, и ни в какой их комбинации. Поэтому несколько примеров воплощения настоящего способа производства представлены ниже.

Целью настоящего способа производства является получение эффективного и экономичного раскислительного композиционного материала с алюминиевой матрицей, почти полностью плотного, свободного от хрупких интерметаллидных включений, обеспечивающего глубокое погружение в расплавленную сталь, таким образом снижая ненужные потери этого ценного металла из-за паразитных окислительных реакций со шлаком и атмосферой.

Другой целью настоящего способа производства является предоставление инновационной и затратоэффективной технологии производства раскислительного композиционного материала с алюминиевой матрицей основанной на технологии пропитки под давлением на месте (in-situ), что означает пропитку пористой заготовки для пропитки (преформы) сталь-алюминий или другой черный металл наполнитель-алюминий алюминиевым компонентом, который присутствует на месте (in-situ) внутри пористой заготовки для пропитки, то есть преформы.

Другая цель настоящего способа производства - это обеспечить изготовление почти полностью плотного, свободного от хрупких интерметаллидов и, следовательно, не крошащегося раскислительного композиционного материала с алюминиевой матрицей, который можно легко и безопасно применять в сталеплавильном процессе без какой-либо замены оборудования или изменения существующих ручных или автоматических процессов раскисления применяющихся в промышленности.

Еще одна цель настоящего способа производства - это изготовление композиционного материала раскислителя-модификтора с алюминиевой матрицей, содержащего одну или более раскисляющих и модифицирующих включения добавок в дополнение к алюминию, таким образом делая новый материал даже более эффективным для раскисления и улучшения свойств стали.

В одном из вариантов осуществления настоящего способа производства представлен способ изготовления композиционного материала с алюминиевой матрицей. Данный способ включает шаги формирования пористой свободностоящей преформы включающей в себя алюминий и и богатый железом компонент, нагрева свободностоящей преформы до температуры выше точки плавления алюминия и ниже точки плавления компонента богатого железом, и приложения давления для уплотнения свободностоящей преформы и ее затвердевания.

В еще одном варианте осуществления настоящего способа производства, компонент богатый железом является сталью. Алюминий присутствует в количестве 10-50% от веса композиционного материала. Также, в одном из вариантов осуществления настоящего способа производства, алюминий составляет 30% от веса композиционного материала.

Другой вариант осуществления представленного способа производства предполагает использование свободностоящей преформы, сформованной с помощью процессов механического прессования, брикетирования, использования контейнера, использования неорганического связующего или комбинации любых из перечисленных процессов.

Один из вариантов осуществления представленного способа производства предполагает использование определенного количества тепла, которое передается свободностоящей преформе чтобы поднять ее температеру до более 661 градусов по Цельсию. В одном из вариантов осуществления тепло передается свободностоящей преформе с помощью процесса, выбранного из группы, включающей индукционный нагрев, нагрев в печи сопротивления, и печи с горелкой на органическом топливе. Далее, другой вариант осуществления представленного способа производства предполагает, что некоторое количество внешнего давления прилагается к свободностоящей преформе, достаточное чтобы расплавленный алюминиевый компонент заполнил почти все поры и промежутки между богатым железом компонентом. А еще один из вариантов осуществления представленного способа производства предполагает приложение количества внешнего давления к свободностоящей преформе для ее уплотнения. Такое давление с целью уплотнения прикладывается путем прессования в закрытой матрице.

Один из вариантов осуществления представленного способа производства предполагает, что богатый железом компонент выбран из группы, включающей ферромарганец, и смесь стали и ферромарганца.

В еще одном варианте осуществления свободностоящая преформа связывается и поддерживается процессом, выбранным из группы, включающей механическое прессование, использование неорганической связки, использование стального контейнера и любую их комбинацию. Далее, количество тепла, переданного свободностоящей преформе передается с использованием процессов, которые могут включать индукционный нагрев, нагрев в печи электросопротивления, и нагрев в печи с горелкой на органическом топливе.

Один вариант осуществления настоящего способа производства предлагает способ производства композиционного материала с алюминиевой матрицей. Шаги способа включают формование пористой свободностоящей преформы, имеющей в своем составе множество мелкоразмерных частиц алюминия и множество мелеоразмерных частиц материала, выбранного из группы, включающей сталь, ферромарганец, силикокальций, карбид кальция, редкоземельные металлы, любой ферросплав за исключением ферромарганца. Затем, передачу количества тепла свободностоящей преформе достаточного чтобы поднять ее температуру выше точки плавления алюминия и ниже точки плавления других компонентов преформы и приложение количества давления с целью уплотнения свободностоящей преформы до почти полностью плотного состояния позволив алюминию в свободностоящей преформе затвердеть.

Таким образом, выше были выделены, довольно широко, наиболее важные черты способа производства композита с алюминиевой матрицей, с тем чтобы его последующее детальное описание могло быть более понятным, и чтобы настоящий вклад в современный уровень техники мог быть лучше оценен. Существуют дополнительные характеристики композиционного материала и способа производства которые будут здесь описаны ниже и которые составят предмет прилагаемой формулы изобретения.

Для достижения вышеизложенных и связанных с ними целей, некоторые иллюстративные аспекты описываются здесь в связи с нижеследующим описанием. Эти аспекты показывают различные пути применения раскрываемых здесь принципов и все аспекты и их эквиваленты предназначены находиться в рамках предмета формулы изобретения. Другие преимущества и новые черты станут ясны из последующего детального описания.

В этом отношении, прежде чем будет дано детальное объяснение хотя бы одного осуществления способа производства композиционного материала, должно быть понятно, что эта методология не ограничивается ее применением в отношении только детального описания композиционного материала и шагов процесса производства как они представлены в нижеследующем описании. Настоящий способ производства может иметь другие осуществления и может практиковаться и быть воплощенным различными способами. Также, должно быть понятно, что фразеология и терминология используемые здесь применены с описательной целью и не должны считаться лимитирующими.

Все это вместе с другими целями композиционного материала и способа производства, наряду с различными чертами новизны, которые характеризуют систему, четко выделены и указаны в формуле изобретения прилагаемой к, и образующей часть раскрываемой информации. Для лучшего понимания методологии, ее операционных преимуществ и конкретных результатов, достигаемых в результате ее использования, следует ссылаться на описательный материал содержащий иллюстративное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего сособа производства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Новый материал - раскислитель стали, являющийся продуктом настоящего способа производства, лучше всего описывается как композит с алюминиевой матрицей. Композиционные материалы обычно определяются как состоящие из дискретных частиц или волокон упрочнителя или наполнителя, содержащимися в, или окруженными непрерывным материалом матрицы. В отличие от обычных металлических сплавов, состоящих из различных металлических фаз, чьи взаимодействия подчиняются законам термодинамического равновесия, композиты с металлической матрицей зачастую называют материалами с заранее заданными свойствами. Упрочнитель и матрица композитов соединяются с использованием инженерно разработанных процессов производства и вообще говоря не находятся в термодинамическом равновесии, во многих случаях будучи химически инертными друг к другу - как, например, тугоплавкие керамические частицы в композите с алюминиевой матрицей.

С инженерной точки зрения существует убедительная причина для добавления композиционных материалов к широкому арсеналу уже имеющихся металлов и сплавов. Она заключается в том, что композиты позволяют разрабатывать материалы с микроструктурой и свойствами недоступными в случае использования обычных методов плавки, литья термообработки, холодной и горячей обработки давлением, которые опираются на физико-химические процессы и реакции в металлических системах. Например, чтобы сделать материал раскислитель тяжелее алюминия, можно использовать сплавление алюминия и железа при высокой температуре, получая в результате металлургический ферроалюминий, описанный ранее в тексте. Ферроалюминий тяжелее алюминия, но содержит большое количество хрупких и подверженных коррозии интерметаллидных фаз, которые вызывают его разрушение при хранении или, когда его загружают в расплавленную сталь. Однако, если стальные частицы удастся соединить с алюминиевой матрицей в полностью плотный композиционный материал с заранее заданными свойствами, используя метод изготовления отличный от сплавления при высокой температуре, полученный в результате материал будет иметь значительно более высокую плотность чем алюминий, но в то же время свободным от хрупких интерметаллидных фаз, которые снижают эффективность ферроалюминиевого раскислителя из-за раскрошивания.

Существует много технологических способов производства композиционных материалов с металлической матрицей, которые хорошо известны специалистам в данной области. Например, литье, где частицы упрочнителя сначала смешиваются с расплавленным металлом, а затем смесь заливается в изложницу. Другой пример - это методы порошковой металлургии, когда твердые частицы упрочнителя и матрицы смешиваются, прессуются в форму, а затем спекаются в твердом состоянии при высокой температуре. Другой хорошо известный широко применяемый способ можно в общем описать как технологию пропитки под давлением. В обычном его исполнении, сначала изготавливается сухая преформа из частиц упрочнителя, которая нагревается, помещается в прессформу и затем расплавленный металл матрицы заливается сверху в прессформу и пропитывает сухую преформу под действием внешнего давления приложенного к металлу матрицы, обычно через пуансон гидравлического пресса. Недостатками обычной технологии пропитки под давлением являются необходимость сложной оснастки, точного контроля производственных параметров для каждого индивидуального брикета. Еще одним наиболее критичным недостатком является необходимость расплавления и поддержания в таком виде больших партий металла матрицы, что в случае алюминия ведет к большим потерям алюминия в виде шлака.

Новый композиционный раскислительный материал с матрицей на основе алюминия описываемый здесь, изготавливается с использованием технологии пропитки под давлением, которая радикально улучшена по сравнению с обычной, с целью сделать ее экономичной в применении и минимизировать потери ценного алюминия. В отличие от обычной технологии, в новой технологии матричный алюминиевый пропитывающий материал не должен проходить от одной границы сухой преформы, состоящей из стальных частиц, через толщу преформы и до конца к противоположной границы, чтобы полностью пропитать преформу. Такой длинный путь расплавленного алюминия делает необходимым изготовление сложных и точно обработанных прессформ, чтобы исключить выбросы алюминия под давлением, а также несет в себе риск преждевременного охлаждения алюминия, и в результате - неполной пропитки преформы. Вместо этого, в новой технологии, алюминий должен пройти лишь короткое расстояние чтобы заполнить пространство между стальными частицами преформы. Это потому, что алюминий заранее смешивается со сталью на этапе изготовления преформы - операция, которая еще и автоматически гарантирует точное весовое соотношение алюминия к стали в новом композитом раскислителе. Заранее подмешанный алюминий переходит в жидкое состояние во время нагрева преформы и должен пройти лишь расстояние сравнимое со средним размером частиц стали чтобы заполнить пространство вокруг них, когда преформа сжимается в прессформе гидравлического пресса. Такую технологию можно назвать пропиткой на месте (in-situ) под давлением, поскольку алюминиевый пропитывающий материал присутствует на месте (in-situ) внутри преформы, которая пропитывается.

В предпочтительном варианте осуществления, сначала, пористая свободностоящая преформа формуется из дробленой стружки, струганных отходов, отходов расточки или других достаточно мелких частиц алюминия, смешанных с дробленой стружкой, струганными отходами, отходами расточки или другими достаточно мелкими частицами стали, причем предпочтительно так, чтобы весовая доля алюминия была близка к 30%. Формование - это производственная операция хорошо известная специалистам в данной области, для осуществления которой предпочтительно использовать механическое прессование или брикетирование. Альтернативными вариантами формования преформы может быть использование контейнера, неорганического связующего (например, силиката натрия), или того и другого, чтобы сделать ее свободностоящей. Геометрия преформы может варьироваться. В предпочтительном варианте осуществления, геометрия может быть цилиндрической с диаметром между 20 и 200 миллиметрами и высотой между 20 и 200 миллиметрами, при соотношении диаметра к высоте 1 к 1 или близко к тому.

Затем, формованная преформа нагревается до температуры выше температуры плавления алюминия, но ниже температуры плавления стали, и в течение времени, достаточного для перехода алюминия в жидкое состояние. Точное значение температуры нагрева может варьироваться. В предпочтительном варианте осуществления диапазон температур может быть между 661 и 800 градусов по Цельсию. Возможные методы нагрева хорошо известны специалистам в данной области. В предпочтительном варианте осуществления этим методом может быть индукционный нагрев, поскольку он предельно эффективен при нагреве материалов, содержащих ферромагнитные компоненты, в частности углеродистую сталь.

Следует отметить, что, хотя некоторое окисление алюминия преформы будет происходить, оно будет сильно снижено по сравнению с расплавлением и выдержкой больших партий алюминия в открытых воздуху печах, вследствие краткости процесса и затрудненного доступа воздуха в преформе.

Далее, нагретая формованная преформа сжимается в достаточно герметичном пространстве при уровне давления достаточном для расплавленного на месте (in-situ) алюминиевого компонента преформы заполнить практически всю пористость и промежутки между стальными частицами так, чтобы композит сталь почти полностью плотным, с плотностью по крайней мере превышающей 90 процентов теоретически возможной, и предпочтительно превышающей 95 процентов теоретически возможной. Давление должно воздействовать на преформу до момента, когда расплавленный алюминий затвердеет. Операция сжатия может производиться множеством способов хорошо известных специалистам в данной области. В предпочтительном варианте осуществления, таким способом может быть прессование в закрытой прессформе установленной на гидравлическом прессе. Прессформа подходящая для операции сжатия может быть гораздо менее сложной по сравнению с используемой в обычной технологии пропитки под давлением. Это является следствием того, что в обычной технологии пропитки под давлением пуансон гидравлического пресса должен толкать относительно большой объем расплавленного металла под высоким давлением на значительное расстояние до тех пор, пока он полностью не пропитает сухую преформу. Горячий расплавленный металл может вырваться из прессформы если он найдет хотя бы крошечный зазор между стенками пуансона и прессформы. Чтобы избежать выбросов и минимизировать зазор необходима точная обработка пуансона и матрицы, что в свою очередь приводит к трудностям с извлечением пуансона из прессформы после завершения пропитки.

Трудности с извлечением пуансона часто приводят к дальнейшему усложнению конструкции прессформы. Например, для извлечения, вместо унитарной цилиндрической прессформы, может быть необходимо использование составной прессформы. В случае in-situ пропитки под давлением, пуансон должен пройти только короткое расстояние для уплотнения преформы, и материал, прессуемый пуансоном, является полу-жидким, а не полностью жидким как алюминий в случае обычной технологии пропитки под давлением. Это позволяет использовать гораздо менее тесные зазоры между стенками пуансона и прессформы и облегчает проблему извлечения, так что может применяться простая унитарная цилиндрическая прессформа.

В альтернативных вариантах осуществления данного способа производства, весовые доли алюминия в свободностоящей пористой формованной преформе могут колебаться между 10% и 50%.

В другом альтернативном варианте осуществления данного способа производства, формованная пористая свободностоящая преформа формируется из дробленой стружки, струганных отходов, отходов расточки, или других достаточно мелких частиц алюминия, смешанных с достаточно мелкими частицами ферромарганца, так что весовая доля алюминия близка к 25%. Остальные шаги процесса, включая нагрев формованной преформы и ее сжатия практически такие же. Обоснование замены стали на ферромарганец состоит в том, что с одной стороны специалистам в данной области известно, что комбинированный эффект алюминия и марганца в качестве раскислителей более сильный, чем от каждого элемента по отдельности. С другой стороны, ферромарганец может выполнять те же функции, что и сталь с точки зрения утяжеления алюминиевого раскислителя и обеспечения эффективного индукционного взаимодействия во время индукционного нагрева формованной пористой свободностоящей преформы.

В других альтернативных вариантах осуществления данного способа производства, некоторое количество стали и алюминия в формованной свободностоящей пористой преформе может быть заменено добавками полезными в сталеплавильном процессе, такими как силикокальций, карбид кальция, редкоземельные металлы и другими полезными добавками. Такие добавки могут помочь раскислить сталь даже лучше, чем один алюминий, или модифицировать форму и размер оксидов и других неметаллических частиц, взвешенных в расплавленной стали, делая их мельче и компактнее, таким образом улучшая внешний вид и механические свойства конечного продукта - плоского проката.

В предпочтительном варианте осуществления, новый композитный материал-раскислитель стали с алюминиевой матрицей произведенный в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, описанным выше используется для раскисления стали на стадии ее выпуска из электрической дуговой печи или конвертора в ковш, в качестве прямого заменителя алюминиевой чушки или конусов. Без привязки к определенной теории, отношение веса композитного материала-раскислителя к весу алюминиевой чушки или конусов, которые он заменяет, может быть оценено как 1,66 к 1 основываясь на следующих соображениях. Из предыдущей производственной практики известно, что некрошеный ферроалюминий, содержащий около 30% алюминия по весу, экономит около 50% алюминия по сравнению с применением чушки или конусов для раскисления. Таким образом, каждый килограмм алюминиевой чушки или конусов может быть заменен 0,5 килограммами алюминия, содержащегося в ферроалюминии, или в случае данного способа производства - в раскислителе-композите с алюминиевой матрицей. Для предпочтительного весового соотношения алюминия к стали 30 к 70, можно рассчитать общий вес нового раскислителя, замещающий один килограмм алюминиевой чушки или конусов, как 0,5 килограмм умноженные на 100 и деленные на 30, что равняется 1,66 килограмм.

Хотя приведенное выше описание содержит много конкретных деталей, они не должны быть восприняты как ограничения на охват настоящего способа производства, а скорее, как примеры предпочтительного его осуществления. Возможны многие другие вариации. Соответственно, охват данного способа производства должен определяться не осуществлениями, приведенными как иллюстрации, а приложенной формулой изобретения и ее законными эквивалентами.

1. Способ производства раскислительного композиционного материала с алюминиевой матрицей для сталеплавильного процесса, включающий формование пористой свободностоящей преформы, состоящей из алюминия и богатого железом компонента, и приложение давления к свободностоящей преформе, отличающийся тем, что осуществляют нагрев формованной свободностоящей преформы до температуры, которая выше температуры плавления алюминия и ниже температуры плавления богатого железом компонента, в течение времени, обеспечивающего переход алюминия в жидкое состояние, при этом прикладывают давление к свободностоящей преформе до получения плотно уплотненного богатого железом компонента свободностоящей преформы и затвердевания в ней расплавленного алюминия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что богатый железом компонент является сталью.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что алюминий присутствует в диапазоне от десяти до пятидесяти процентов от веса композиционного материала.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что алюминий составляет тридцать процентов композиционного материала по весу.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свободностоящую преформу формуют с помощью процесса, выбранного из группы, состоящей из: механического прессования, брикетирования, использования контейнера, использования неорганического связующего и любой комбинации из них.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев свободностоящей преформы осуществляют выше шестисот шестидесяти одного градуса Цельсия.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев свободностоящей преформы осуществляют с помощью процесса, выбранного из группы, включающей индукционный нагрев, нагрев в печи электрического сопротивления, нагрев в печи с горелкой на органическом топливе и любой комбинации из них.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прикладывают давление к свободностоящей преформе, достаточное для заполнения пор и промежутков между богатыми железом компонентами расплавленным алюминиевым компонентом.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прикладывают внешнее давление для уплотнения преформы путем прессования в закрытой матрице.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что богатый железом компонент выбирают из группы, состоящей из: ферромарганца, смеси стали и ферромарганца.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что свободностоящую преформу формуют с помощью процесса, выбранного из группы, включающей механическое прессование, использование неорганической связки, использование стального контейнера и любой комбинации из них.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что нагрев свободностоящей преформы осуществляю с использованием процесса, выбранного из группы, состоящей из: индукционного нагрева, нагрева в печи электрического сопротивления, нагрева в печи с горелкой на органическом топливе и любой комбинации из них.

13. Способ производства раскислительного композиционного материала с алюминиевой матрицей для сталеплавильного процесса, включающий формование пористой свободностоящей преформы и приложение давления к свободностоящей преформе, отличающийся тем, что свободностоящая преформа состоит из частиц алюминия и частиц компонентов, выбранных из группы, состоящей из стали, ферромарганца, силикокальция, карбида кальция, редкоземельных металлов, ферросплава, за исключением ферромарганца, и их комбинации, осуществляют нагрев формованной свободностоящей преформы до температуры и в течение времени, обеспечивающих переход алюминия в жидкое состояние, при этом прикладывают давление к свободностоящей преформе до получения плотно уплотненных упомянутых компонентов свободностоящей преформы и затвердевания в ней расплавленного алюминия.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что алюминий присутствует в диапазоне от десяти до пятидесяти процентов от веса композиционного материала.

15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что алюминий составляет тридцать процентов композиционного материала по весу.

16. Способ по п. 13, отличающийся тем, что свободностоящую преформу формуют с помощью процесса, выбранного из группы, состоящей из: механического прессования, брикетирования, использования контейнера, использования неорганического связующего и любой комбинации из них.

17. Способ по п. 13, отличающийся тем, что нагрев свободностоящей преформы осуществляют выше шестисот шестидесяти одного градуса Цельсия.

18. Способ по п. 13, отличающийся тем, что нагрев свободностоящей преформы осуществляют с использованием процесса, выбранного из группы, состоящей из: индукционного нагрева, нагрева в печи электрического сопротивления, нагрева в печи с горелкой на органическом топливе и любой комбинации из них.

19. Способ по п. 13, отличающийся тем, что прикладывают давление к свободностоящей преформе, достаточное для заполнения пор и промежутков между богатыми железом компонентами расплавленным алюминиевым компонентом.

20. Способ по п. 13, отличающийся тем, что давление для уплотнения преформы осуществляют с помощью прессования в закрытой матрице.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу переработки ильменитовых концентратов для производства титановых шлаков, являющихся сырьем для получения диоксида титана и металлического титана.

Изобретение относится к способам гранулирования шихты рудных концентратов для подготовки к металлургическому переделу. Способ гранулирования шихты, содержащей ильменитовый концентрат и антрацит, включает измельчение и смешивание компонентов шихты, добавление связующего с получением гранулируемой смеси, окатывание и последующую сушку гранул.

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для рафинирования различных марок стали, наведения, разжижения и нейтрализации шлаков в агрегатах ковш-печь при внепечной обработке сталей, для ускоренного получения рафинировочных шлаков на поверхности жидкого расплава и нейтрализации их разрушающего влияния на футеровку путем образования в зоне взаимодействия шлака с магнезиальной футеровкой ковша защитной шпинели.

Изобретение относится к производству железорудных окатышей. Влажную шихту подают в окомкователь двумя потоками, осуществляют формирование гарнисажа на днище наклоненного окомкователя.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству брикетов для выплавки феррованадия. Брикет содержит в качестве оксидов ванадия осаждённый из раствора концентрат пентоксида ванадия, а в качестве связующего - смесь, содержащую металлическую фазу конвертерного ванадиевого шлака в виде дисперсного железа, оксидную составляющую конвертерного ванадиевого шлака и корректирующую шлакообразующую добавку, при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксиды ванадия на прокалённое вещество - основа; углеродистый восстановитель 2-8; связующее 0,1-12,0; при этом соотношение дисперсного железа и оксидной составляющей конвертерного ванадиевого шлака в связующем составляет 1:(0,02-0,5), а в качестве корректирующей шлакообразующей добавки используют материалы, содержащие соединения кальция в виде извести, известняка или плавикового шпата в количестве 0,01-0,5 от массы связующего по оксиду кальция.

Изобретение относится к составу для производства формованных изделий из отходов металлургических производств, способу его получения и способу изготовления формованных изделий путем его переработки.

Изобретение относится к составу для производства формованных изделий из отходов металлургических производств, способу его получения и способу изготовления формованных изделий путем его переработки.

Изобретение относится к составу для производства формованных изделий из отходов металлургических производств, способу его получения и способу изготовления формованных изделий путем его переработки.

Изобретение относится к способу изготовления брикета, содержащего углеродные носители. Углеродные носители со связующим подвергают смешиванию при добавке водяного пара, и прессуют в брикеты.

Изобретение относится к способу изготовления агломератов для применения в качестве исходного материала для производства железа. Способ изготовления агломератов включает этап термообработки порошка, содержащего оксид железа, имеющий 50% частиц с диаметром 2 мкм или менее, при температуре нагрева 900-1200°C с получением термообработанного порошка, 50% частиц которого имеют диаметр 4 мкм или более, и этап гранулирования полученного термообработанного порошка с получением агломератов.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к машинам и технологиям литейного производства. Устройство для получения отливок из железоуглеродистых сплавов содержит огнеупорный тигель для расплавления термитной шихты, выполненный в виде перевернутого усеченного конуса с леткой для скачивания шлака в изложницу и леткой для скачивания железоуглеродистого расплава в литейную форму, и установленное в верхней части тигля устройство для активации окислительно-восстановительной реакции.

Изобретение относится к области металлургии и касается раскислителя, используемого для производства стали в сталеплавильных печах, а также во внепечной обработке стали.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве легированных марок сталей с содержанием углерода от 0,2 до 0,7 мас. %, в том числе с повышенной концентрацией серы 0,01-0,04 мас.

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для её раскисления как в процессе выплавки стали в ДСП, так и при её ковшевой обработке.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для раскисления и легирования железоуглеродистых сплавов кремнием и углеродом. В качестве материала используют кусковой карбид кремния (SiC) с фракцией более 1 мм и влажностью менее 1% и его брикетированный отсев фракции менее 1 мм с конечным содержанием в брикетах основного элемента SiC 70-90%.

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при электрошлаковой выплавке сплошных, полых и фасонных заготовок из высоколегированных сталей с низким содержанием кислорода, в частности роторов среднего и высокого давления, трубопроводов острого пара, изделий запорной и регулирующей арматуры для энергетического и газо-нефтехимического машиностроения.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для обессеривания расплава доменного чугуна или стали. Средство содержит оксид кальция, битум, а также от 0,01 до 10 вес.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали с применением методов ее внепечной обработки. В способе осуществляют отсечку печного шлака, выпуск металла в ковш, подогрев металла в печи-ковше и наведение высокоосновного шлака, десульфурацию металла, наведение низкоосновного шлака, вакуумирование, непрерывную разливку металла и непрерывное перемешивание металла аргоном.

Изобретение относится к дефосфорации расплавов марганцевых руд и концентратов. Селективное восстановление фосфора из расплава ведут газообразным монооксидом углерода (СО), который продувают через расплав.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для создания рафинирующих и модифицирующих смесей для производства ответственных изделий из чугуна и стали.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении композиционных материалов с алюминиевой матрицей для использования в качестве раскислителя при производстве стали. В способе осуществляют нагрев формованной свободностоящей преформы до температуры, которая выше температуры плавления алюминия и ниже температуры плавления богатого железом компонента, в течение времени, обеспечивающего переход алюминия в жидкое состояние, при этом прикладывают давление к свободностоящей преформе до получения плотно уплотненного богатого железом компонента свободностоящей преформы и затвердевания в ней расплавленного алюминия. Свободностоящая преформа может также состоять из частиц алюминия и частиц компонентов, выбранных из группы, состоящей из стали, ферромарганца, силикокальция, карбида кальция, редкоземельных металлов, ферросплава, за исключением ферромарганца, и их комбинации. Изобретение позволяет получить эффективный и экономичный композиционный материал с алюминиевой матрицей - раскислитель стали, который почти полностью плотен, свободен от хрупких интерметаллических соединений и позволяет алюминию глубоко проникать в расплавленную сталь, устраняя ненужные потери этого ценного металла на ненужные реакции его окисления в шлаке и атмосфере. 2 н. и 18 з.п. ф-лы.

Наверх