Способ рафинирования малоуглеродистой стали

 

О П И С А Н И Е ()926028

ИЗОЬРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соввтскик

Социапнстичвскик

Респубпми (6) ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 02.10.80 (23) 298?738/22-02 (5()Я. (,, С 21 С 7/10 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Веудеретееквй кеметет

CCCP ее делам еаееретений и еткуыте)3

Опубликовано 07.05.82 ° Бюллетень М 17 (53) УДК 669. .18.27 (088.8) Дата опубликования описания 10.05.82

А.И. Лукутин, Е.3. Кацов, В.В. Поляк в, НГ Гладышев, В.А. Синельников и Ю.Е. Самврду сов I

J (72) Авторы изобретения

Институт металлургии им. А.А. Байкова и Научнопроизводственное обьединение "Тулачермет" (73) Заявители (54) СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ ИАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ

СТАЛИ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам рафинирования металлических расплавов от углерода, маганца и кислорода. Отливки из таких расплавов применяют для специальных переплавов. Кроме этого, рафинированный от углерода, марганца и кислорода расплав может быть использован в качестве полупродукта при производстве электротехнических (трансформаторных) сталей, нормы содержания углерода, марганца, кислоторастворимого алюминия в которых низки и достаточно узки. В частности, изобретение относится к технологическим приемам, реализуемым в черной металлургии с использованием вакуумной обработки жидкой стали ковшевым способом.

В современной практике производства рафинированных от углерода, марганца и кислорода расплавов, используемых в виде отливок для специальной переплавной металлургии, а также в качестве полупродукта для производства электротехнических марок стали с низким и достаточно узким содержанием марганца (0,06-0,094}, находит широкое применение выплавка их в кислородных конверторах, поскольку возможность использования в качестве шихты 1003-ного чугуна, чистого по цветным металлам, позволяет получать в готовой металлопродукции очень низкие концентрации этих примесей. Вместе с тем удаление из конверторной стали углерода до менее 0,013 и марганца до 0,01-0,024, осуществляемое на этапе ее выплавки в конверторе, связано с выраженным переокислением металла и шлака, что приводит к значительному снижению стойкости футеровки конверторов, а также к ухудшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик их работы. Наиболее экономичным является вынесение операций по рафинированию жидкого металлического полупродукта от углерода и марганца иэ конвертора в ковш,,где этот по3 92б0 лупродукт подвергают вакуумной обработке, проводимой в окислительном режиме.

Известен способ рафинирования малоуглеродистой стали, согласно которому в процессе вакуумирования нераскисленного полупродукта в ковш из него удаляют углерод с 0,02-0,063 до менее 0,014 и кислород до менее

0,010 . Рафинирование полупродукта 16 от углерода и кислорода достигают путем регулирования исходного перед вакуумированием соотношения между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак. Регулирование указанного соотношения производят путем введения в ковш на шлак корректирующих добавок, содержащих кислород или углерод в количествах, обеспечивающих исходное весовое соотношение между кислородом в металле, в окислах железа шлака, в добавках— с одной стороны, и углеродом в металле и добавках — с другой стороны, в пределах 1,1- 1,3 от стехиометрически необходимого соотношения для полного окисления углерода. Количество шлака, слитого в ковш из плавильного агрегата, в данном случае не превышает 0 50,93 от веса металла в ковше (1) .

Использование технологических приемов данного способа для рафинирования низкоуглеродистого конверторного полупродукта связано со следующим недостатком.

Регулирование соотношения между

33 окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак, осуществляемое в рассмотренных количественных пределах, обеспечивая получе46 ние в металле после окончания периода его вакуумного обезуглероживания содержания углерода менее 0,01 и кислорода менее 0,014, термодинамически исключает окисление в этот период марганца, содержащегося в рас43 плаве. Потребность в рафинировании расплава от марганца очевидна, так как при использовании обычных пере-. дельных чугунов для выплавки в кислородных конверторах полупродукта с 0,05-0,154 углерода содержание в нем марганца может составлять 0,150,201.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ рафинирования малоуглеродистой стали с содер жанием углерода 0,05-0,101 и 0,1028 4

0,20 марганца, включающий регулирование отношения между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак, вакуумирование с продувкой металла инертным газом, раскисление стали f2j..

Технологические особенности известного способа обеспечивают снижение содержания кислорода в стали и углерода до менее, чем 0,015Ф (в подавляющем числе случаев содержание углерода снижают до менее, чем

0,6103) .

Использование технологических приемов известного способа для рафинирования малоуглеродистой стали связано со следующим недостатком.

Соотношение между восстановительным и окислительным потенциалами системы металл-шлак, соблюдаемое в рассмотренных количественных пределах

1,33ХС и, = = 0,3-0,7 соответствует

X.0 1 величине n =

1,33ЕС n „ — = 33,31, 1 3, где С - суммарное весовое количество углерода в металле и углеродсодержащих добавках; О - суммарное весовое количество кислорода в металле, в окислах лелеза шлака и в добавках окислительного типа;

1,33 — коэффициент, учитывающий стехиометрическое соотношение участвующих в реакции компонентов (углерода и кислорода) .

Эта величина, являясь достаточной для реализации стабильного глубокого обезуглероживания металла при вакуумировании и получения в нем содержания углерода менее 0,0104, не обеспечивает требуемой степени окисления марганца при вакуумной обработке конверторного полупродукта, содержащего в исходном состоянии 0,05-0,153 углерода и до 0,15-0,203, марганца.

Целью изобретения является повышение качества стали, снижение себестоимости ее производства.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу рафинирования малоуглеродистой стали с содержанием

0,05-0,154 углерода и 0,10-0,201 марганца, включащему регулирование отношения между окислительным и восста% 9260 новительным потенциалами системы металл-шлак, вакуумирование с продувкой металла инертным газом, раскисление стали, перед вакуумированием в шлак вводят добавки, содержащие кис 5 пород или углерод в количестве, обес" печивающем исходное весовое. отношение между кислородом в металле, в окислах железа шлака и в добавках, с одной

|стороны,- и углеродом в металле и в добавках — с другой стороны, в пределах 5-6 от стехиометрически необходимого для полного окисления углерода, расплав подвергают вакуумному обезугпероживанию, после чего удаляют из ковша шлак, а металл раскисляют алюминием.

Количество алюминия для раскисления составляет при этом 1,10- 1,15 от рассчетного количества для рас- 20 киспения 0,063 кислорода металла.

Использование в качестве окиспительных добавок агломерата, железной руды или прокатной окалины вызвано тем, что эти материалы состоят в ос- 2> новном из легковосстановимых окислов железа. При вакуумировании окислы железа легко восстанавливаются углеродом, даже когда его содержание в расплаве составляет менее 0,024. Восста- Зо навливаясь, окислы железа являются основным источником кислорода, который переходит в металл,. и участвует в окислении углерода или других элементов, обладающих повышенным средст- вом к кислороду. Обычно при вакуумировании окло 70-803 углерода окисляется за счет кислорода окислов железа.

Использование других окислов, например окислов марганца, исключено по io причине восстановления из них марганца (углеродом) и перехода его в расплав, а окислов элементов, обладающих высоким средством к кислороду (Si0<, Мдо, Сг,о,, Ae,о, ), - no при- чине их практической инертности к возможности восстановления углеродом в вакуме при содержании углерода

0,15-0,053. Обычно восстановление этих окислов в весьма ограниченных размерах наблюдается в процессе вакуумирования при содержании углерода

0,70-1,2Æ.

Величина исходного отношения меж-. ду окислитепьным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак (n = 5-6) позволяет получать s металле в конце периода его обезуглероживания содержание углерода в пределах

28 6

0,002-0,0084 и кислорода 0,05-0,064.

Уровень содержания кислорода завышен для целевой реализации реакции глубокого обезугпероживания металла до .

0,002-0,0083 углерода, но он является минимально допустимым дпя целей глубокого рафинирования расплава от марганца и получения в конце периода обезугпероживания 0,01-0,024 марганца практически с любого технически оправданного его содержания в стали перед вакуумированием (0,15-0,203).

На чертеже приведена зависимость содержания марганца в расплаве после окончания периода глубокого обезуглероживания металла от его начальной концентрации в металле перед вакуумированием дпя различных исходных величин отношения (n) между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак.

Как видно из приведенных данных, " стабильное удаление марганца с 0,040,19 до 0,01-0,204 в период вакуумного обезуглероживания расплава происходит только в случае использования величины и в пределах 5-6 и более 6.

В остальных случаях, когда величина и соответственно равна около 2 ипи 2,14,8 стабильного удаления марганца до

0,01-0,023 добиться нельзя. При величине и = 2,1-4,8 (конкретно при и = 3,0-4,8) стабильное удаление марганца до 0,01-0,02 происходит при использовании полупродукта, в котором перед вакуумированием содержание марганца составляет около 0,044. Такие концентрации марганца в конверторной стали обычно достигают при окислении углерода в конверторе до 0,023 и менее, что связано с переокиспением металла, шлака (содержание FeO в шлаке составляет более 403) и с резким. ухудшением условий службы футеровки конвертора.

Опытным путем установлено, что при вакуумировании полупродукта, для которого величина и = 5-6, после окончания периода обезуглероживания расплава содержание кислорода в металле всегда находится в пределах 0,050,064 при условии продувки расплава инертным газом и интенсивного перемешивания его со шпаком.

Пределы по содержанию кислорода в металле (0,05-0,063) достаточно узки, .что позволяет качественно осу- < ществить операцию раскиспения металла алюминием, ориентируясь при опре7 9260 делении количества необходимого алюминия только на данный уровень окисленности металла, а также вес стали в ковше, и получить после реализации этой операции содержание кислорода в 5 металла 4 0,0053 и кислоторастворимого алюминия в пределах 0,005-0,0073

Рассмотренный уровень содержания в расплаве кислоторастворимого алюминия является оптимальным как для npo О изводства из него отливок, предназначенных для переплавных процессов, так и в случае производства иэ этого расплава электротехнической (трансформаторной) стали, где пределы по содержанию кислоторастворимого алюминия (0,004-0,0071) являются одной из основных предпосылок получения требуемого уровня электромагнитных свойств.

Получение низких и весьма узких 2О пределов по содержанию углерода и марганца в расплаве является оптималь ным для отливок, используемых в переплавных процессах. Кроме этого, в случае необходимости, например для производства трансформаторной стали, где нормы по содержанию углерода и марганца низки и достаточно узки, такой расплав легко легировать углеродом до 0,02-0,04ro и марганцем до 0,06- зо

0,094, ориентируясь практически только на вес металла в ковше.

Применение продувки Ьакуумируемого расплава инертным газом через донные пористые элементы ковша позволяет обеспечить требуемую интенсивность перемешивания металла со шлаком, поступление кислорода из шлака в металл со скоростью и полнотой, необходимыми для достижения в расплаве устойчивых концентраций углерода в пределах

0,002-0,0083; обеспечить практически постоянный уровень содержания кислорода в металле (0,05-0,06/) после завершения реакции обезуглероживания 4 при изменении исходной величины и в пределах 5-6; обеспечить равномерное распределение раскислителя и легирующих компонентов по всему объему металла в ковше. 50

Необходимость удаления шлака из ковша после окончания периода обезуглероживания металла и до момента

его раскисления алюминием обусловлена тем, что окисление марганца до

0,01-0,024 в период обезуглероживания связано с образованием в металле окислов марганца и их всплыванием в шлак. Последующее раскисление обеэ28 углероженного и рафинированного от марганца расплава алюминием, при условии наличия в ковше шлака и продувки металла инертным газом, неизбежно связано со следующими нежелательными явлениями: восстановлением марганца из его окислов в шлаке (степень восстановления марганца в этих условиях переменна и зависит от исходного содержания окислов марганца в шлаке, степени перемешивания металла со шлаком и т.д., что крайне затрудняет получение в готовой стали узких пределов по содержанию марганца); в условиях продувки металла инертным газом, когда в металле с9держание кислорода достигает 0,05-0,06, шлак также характеризуется узкими, но достаточно высокими пределами по содержанию окислов железа, которые составляют 18-20> (в пересчете Hà FeO) таким образом, наличие шлака в ковше неизбежно повлекло бы за собой резкое увеличение количества алюминия, необходимого для раскисления металла; раскисление шлака алюминием в условиях продувки расплава инертным газом в ковше может привести к рефосфо" рации металла, степень развития которой зависит от количества шлака и исходного содержания в нем пятиокиси фосфора; наличие шлака крайне затрудняет реализацию операции легирования расплава добавками, часть которых имеет мелкодисперсную фракцию, запутывание этой части добавок в шлаке неизбежно.

Пример 1. В 140 т основном кислородном конверторе выплавляют полупродукт следующего химического состава, i: С 0 16; Мп 0,18; Si 0,01;

S 0,010; P 0 010. Полупродукт сливают в вакуумный сталеразливочный ковш, имеющий высоту свободного объема на

1,5 м большую, чем высота обычных ковшей. Слив полупродукта в ковш осуществляют вместе с частью конечного конверторного шлака, количество которого составляет 2,04 от веса плавки, т.е. 2,8 т. Вес металла в ковше определяют взвешиванием - он составляет 14, т. По результатам анализа проб металла в шлака, отобранных из конвертора непосредственно перед выпуском, определяют, что содержание кислорода в металле составляет 0,030 ... а содержание окислов железа в шлаке — 15 (e пересчете Hà FeO).

9 9260

В целях соблюдения величины исходного соотношения (n) между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак в пределах 5-6 непосредственно перед вакуумированием в ковше на шлак равномерно по всей его поверхности засыпают 3300 кг прокатной окалины, что обеспечивает n - =5,5, после чего закрывают крышкой вакуумную камеру, включают пароэжекторный насос и расплав подвергают вакуумной обработке.

По ходу вакуумирования непрерывно измеряют состав отходящих газов, определяя в них суммарную концентрацию

СО и .СО . При достижении первого максимума на кривой изменения суммарного содержания СО и СО расплав начинают продувать в вакууме инертным газом через донные пористые элементы 20 ковша. Окончание продувки инертным га зом и одновременно окончание периода обезуглероживания стали определяют по линейному снижению суммарной концентрации СО и СОз в отходящих газах 2 после достижения второго максимума на кривой изменения этих газов. В этот момент металл содержит, 3: углерод 0,008, марганец 0,01, кремний

0,01, кислород 0,057. Окисленность Зо шлака составляет 194 (в пересчете йа FeO).

Отключив вакуумный насос от камеры, сообщают рабочее пространство камеры с атмосферой, извлекают ковш З с металлом из камеры и удалили полностью шлак с поверхности металла в ковше. Затем ковш вновь помещают в вакуумную камеру, создают в камере остаточное давление 0,5 мм рт.ст. и ав в условиях продувки расплава инертным. газом принудительно вводят в него

104 кг чушкового алюминия. Закончив продувку стали инертным газом, отключают вакуумный насос, сообщают про- 45 странство камеры с атмосферой, открывают крышку камеры, засыпают последовательно экзотермическую и теплоизолирующую смесь на поверхность металла и подают ковш на разливку. 50

Химический состав стали перед разливкой следующий, 3: С 0,008; Нп

0,01, Si 0,01; S 0,010; Р 0,010; А

0,008; О 0,005.

Разливка стали произведена на УНРСд в квадратный кристаплизатор сечением 100 100 мм. Заготовки реализуют для специальных переплавов.

28 1О

Как вариант способа, при использовании рафинированного расплава для производства трансформаторной стали, в него после реализации операции раскисления алюминием последовательно вводят посредством специального устройства 45 кг молотого электродного боя, через дозаторы - 5830 кг рафиний рованного от алюминия и титана ферросилиция и 145 кг ферромарганца (753 Мп). Завершив введение в расплав всех присадок, в целях равномерного их распределения расплав, продувают в течение 4 мин инертным газом.

Дополнительная цель продувки стали в этот период — удаление из нее водорода, внесенного в значительном количестве вместе с ферросилицием. Закончив продувку стали инертным газом, отключают вакуумный насос, сообщают пространство камеры с атмосферой, открывают крышку камеры, засыпают теплоизолирующую смесь на поверхность металла и подают ковш на разливку.

Химический состав стали перед разливкой, Ф: С 0,035; Мп 0,08; Si! 3,30;

Р 0,0101 (01 0э005 А1р 0 007 S

0,025 (для получения такого содержания серы используют полупродукт, выплавленный в конверторе, содержание серы в котором составляет 0,025 ).

Разливка трансформаторной стали производится в изложницы для слитков весом 13 т. Слитки последовательно прокатывают на слябы, а слябы — на горячекатаный подкат толщиной 2 мм.

Рулоны подката подвергают травлению в потоке. После 1-ой холодной прокатки на толщину 0,7 мм и рекристаллизационного отжига ленту подвергают окончательной деформации на 0,35 мм, затем — обезуглероживанию и высокотемпературному отжигу. !

Готовый металл толщиной 0,35 мм имеет следующее сдаточные электротехнические свойства: Рю

1,01 Вт/вг; В = 1,91 Тл.

Для обоих. вариантов примера осуществления способа операция по удалению шлака из ковша может быть заменена операцией перелива (на воздухе или в вакууме) металла через шиберное устройство первого сталеразливочного ковша во второй сталеразливочный ковш.

Перелив металла осуществляют до момента попадания шлака во второй сталеразливочный ковш..Предпочтитель11 926028 l2 на эта схема для производства данным мированием выдерживают величину относпособом трансформаторной стали, где шения между окислительным и восстапотери температуры при переливе прак- новительным потенциалами системы метически компенсируются за счет теп- талл-шлак соответственно равным 5 лового эффекта растворения кремния в s и 6. расплаве на основе железа. Основные параметры плавок при веПример 2. Процесс осуществ- личине и = 5 и n = 6 приведены в ляют как в примере 1, но перед вакуу- таблице.

Содержание алюминия

Количество

Содержание в металле.Исходное перед вакуумированием соотношение между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак окалины, введенной на шлак перед вакуумированием, кг в стали после раскисления алюминием, о кислорода после окончания периода вакуумного обезуглероживания, Ф

0,053

0,007

0,004

2 )0

5,0

6,0

0,059

3580

Таким обрвзом, преимуществами изобретения по сравнению с известным способом являются возможность повышения качества стали, снижение себестоимости ее производства, а также зо устранение недостатков известного способа.

Повышение качества малоуглеродистой стали достигают за счет вынесения операции глубокого рафинирования стали по углероду, кислороду и осо" бенно по марганцу из конвертора в ковше, где с помощью вакуумной обработки рафинирование этой стали осуществляют до более низких концентраций рассмотренных компонентов.

Снижение себестоимости производства малоуглеродистой рафинированной от углерода, марганца и кислорода стали обеспечивается за счет улуч- шения стойкости футеровки конверторов, увеличения производительности конверторов, увеличения выхода жидкой стали и сокращения расхода алюминия для раскисления металла, а так- о же значительного сокращения расхода раскислителей для раскисления шлака.

Последний факт неизбежен, так как рафинированный расплав по известному способу раскисляют при наличиии окис- лительного шлака в ковше и при применении продувки расплава инертным газом в процессе раскисления расплава.

Для расчета, экономического эффекта сопоставлены две технологические схемы выплавки электротехнической стали в кислородном конверторе: с остановкой продувки при содержании углерода

0,05-0,153 и марганца 0,15-0,203; с остановкой продувки при содержании углерода в металле 0,024 с целью достижения в расплаве не более 0,043 марганца.

В результате работы по технологическому режиму для 140 т конверторов достигается улучшение следующих технико-зкономических показателей: увеличение стойкости футеровки конвертора на 30-40 плавок; увеличение производительности конвертора на 8-94; увеличение выхода жидкой стали на

7 кг/т; сокращение расхода извести на 14 кг/т; сокращение расхода алюминия на раскисление металла на

0,25 кг/т стали; сокращение расхода силикокальция на 3,0 кг/т, предназначенного только для раскисления шлака.

Такой расход силикокальция, цена которого составляет 560 руб./т, применяют при производстве релейной стали с содержанием, углерода менее 0,014.

Удельный экономический эффект для стали, предназначенной для переплавных процессов, по сравнению с использованием приемов известной технологии составляет 1,92 руб./т.

9260

Формула изобретения " Аж @

020

074

2 4 Е о й1 и 1Ф Ф 1д РРГГР4Р6 /ЬР3 л /ф, tu

ВНИИПИ Заказ 2892/10 Тираж . 587. Подписное

М

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Способ рафинирования малоуглеродистой стали с содержанием 0,05-0,153 углерода и 0,10-0,203 марганца, вклю- s чающий регулирование отношения между окислительным и восстановительным потенциалами системы металл-шлак, вакуумирование с продувкой металла инертным газом, раскисление стали, tO отличающийся тем, что, с целью повышения качества стали и снижения себестоимости ее производства, перед вакуумированием в шлак вводят добавки, содержащие кислород или 1 углерод в количестве, обеспечивающем

28 14 исходное весовое отношение между кислородом в металле, в окислах железа шлака и в добавках - с одной стороны, и углеродом в металле и в добавкахс другой стороны, в пределах 5-6,от стехиометрически необходимого до полного окисления углерода, после вакуумирования удаляют из ковша шлак, а металл раскисляют алюминием.

Источники информации, принятые во внимание IlpN экспертизе

Авторское свидетельство СССР

11" 697573, кл. C 21 C 7/10, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР и 483441, кл. С 21 C 7/00, 1975.