Способ азотирования металлических расплавов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (ii>968078

4i Ю. .\ г% г г (61) Дополнительное к авт. свид-ву № 46112? (22) Заявлено 02.10.80 (21) 2987735/22-02 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 23.10.82. Бюллетень №39

Дата опубликования описания 28.10.82 (51) М. Кл.з

С 21 С 7/10

Гееудерствеллмй кемнтет (53) УДК 669.18. .27 (088.8) ле делам лзебретений и еткрмтий

А. И. Лукутин, Е. 3. Кацов, В. В. Поляков, Н. Г.

В. А. Синельников и Ю. Е. Самардук (72) Авторы изобретения

° ll

Научно-производственное объединение «Тул EA" и И нститут металлургии и м. А. А. Б а и о ва

1 (71) Заявители

I ! (54) СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

РАСПЛАВОВ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам производства стали с повышенным содержанием азота, в частности к технологическим приемам, реализуемым в черной металлургии с использованием вакуумной обработки жидкой стали ковшевым способом.

По основному авт. св. № +61127 известен способ азотирования металлических расплавов, включающий раскисление, десульфурацию и одновременное создание газовой фазы над расплавом и вдувание газа в рас10 плав, причем азот вдувают под давлением на 0,1 — 1,6 атм большим, чем сумма давления газовой фазы над расплавом и столба расплава, причем давление газовой фазы над расплавом поддерживают в пределах

0,8 — 10 атм.

Однако материалы способа не содержат сведений, используя которые можно бы конкретно для каждой плавки определить оптимальное давление продувки расплава азотом, так как эта величина различна для

20 разных плавок. Данное различие обусловлено разным весом металла и шлака в ковше, различной плотностью шлака, различ2 ным сопротивлением продувочных элементов, неравноценным практически для каждой отдельной продувки. Превышение давления продувки расплава азотом над оптимальным приводят либо к переливу металла через край ковша, либо к забрызгиванию металлом внутренних узлов камеры и выводу их из строя.

Использование давления продувки расплава азотом, величина которого ниже оптимального, снижает эффективность азотирования расплава. В то же время регулировка интенсивности продувки, основанная на визуальном наблюдении за поверхностью расплава, в ковше, помещенным в герметичную камеру, в которой создано избыточное давление, исключена вследствие полной потери видимости.

Вдувание в расплав азота под давлением на 0,1 — 1,6 атм больше, чем сумма давлений газовой фазы над расплавом и столба расплава над местом вдувания, не гарантирует оптимальных условий азотирования по следующим причинам: сопротивление продувочного пористого элемента и подводящих к нему коммуникаций в ряде случаев может быть сопоставимы или даже несколько боль968078 шем величины перепада давления продувки азотом (0,1 — 1,6 атм), что приведет соответственно либо к знанительному замедлению процесса азотирования расплава, либо полному его прекращению; перепад давления продувки азота в пределах 0,1 — 1,6 атм мо5 жет оказаться недостаточным и из-за необходимости преодоления сопротивления столба шлака и ковша, что совершенно не учтено в известном способе. Повышенное сопротивление шлака продувке расплава азотом обусловлено в основном высокой вязкостью шлака, которая наиболее отчетливо выражена в случаях азотирования хромистых расплавов, когда в шлаке наблюдается высокое содержание окислов хрома. В ряде

2S случаев такие шлаки просто гетерогенны, т. е имеют наружный (иногда значительный по толщине) твердый слой. К этому явлению приводят и факты повышенного содержания окиси магния в шлаке,что наблюдается при срывах подины в плавильных агрегатах, а также физическое застывание наружного слоя шлака из-за удлинения периода от выпуска расплава из плавильного агрегата до момента его обработки в ковше.

Азотирование расплава путем его продувки газообразным азотом в герметичной камере, в рабочем пространстве которой поддерживают давление азота 1,5 — 10 атм, и приводит к тому, что после завершения этои операции, часть азота находится в расплаве в газообразном состоянии в виде пузырьков очень малого размера. Эти пузырьки обладают незначительной скоростью всплывания, в силу чего они могут сохраняться в расплаве длительное время. Последующая разливка такой стали в условиях атмосферного давления связана с выделением этой части азота при кристаллизации в изложницах или непрерывнолитых заготовках, что

: снижает качество этих отливок, а в ряде случаев может привести и к их отбраковке по газовым пузырям.

Цель изобретения — повышение качества азотируемого расплава, снижение себестоимости его производства и оптимизации процесса азотирования.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу азотирования металлических расплавов расплав продувают азотом через донные пористые элементы под давлением Р, определяемым по формуле Рц ——

=Р +Р— Рад„, где Р— оптимальное давление продувки расплава азотом при атмосферных условиях в ковше, помещенном в вакуумную камеру; Рр — давление азота в рабочем пространстве вакуумной камеры;

ParM — атмосферное давление, причем по окончании процесса азотирования расплав подвергают вакуумной обработке в течение

4 — 5 мин при давлении в камере 200—

500 мм рт.ст. с одновременным продувкой его инертным газом илн азотом через донные элементы ковша.

При продувке расплава азотом через донные пористые элементы ковша в герметичной (вакуумной) камере, в рабочем пространстве которой создано давление азота в пределах 1,5 — 10 атм, регулировка интенсивности продувки, основанная на визуальном наблюдении за поверхностью расплава в ковше, невозможна вследствие полной потери видимости в камере. В этих условиях первостепенное значение приобретает предварительное определение такого параметра, как оптимальное давление азота для продувки, которое позволяет провести весь процесс азотирования в минимальнйй срок, добиться от продувки максимального эффекта и исключить перелив металла через край ковша, а также забрызгивание крышки камеры и ее внутренних узлов металлов. Максимальный эффект от продувки, а также соблюдение норм, обспечивающих исключение перелива расплава через край ковша и сохранность оборудования камеры, могут достигаться в том случае, когда расплав над местом продувки на участке поверхности диаметром 1,0 — 1,5 м свободен от шлака, а

«кипение» металла (от продувки) носит интенсивный, но спокойный характер без всплесков и фантанирования. Подъем уровня металла над местом продувки составляет при этом около 500 мм.

Оптимальное давление для продувки, которое обеспечивает рассмотренные условия, может быть определено путем применения предварительной пробной продувки расплава. Такая продувка, осуществляемая перед каждой операцией азотирования в одинаковых с ней условиях, преследует цель определения той части давления продувки расплава азотом, которая компенсирует сопротивление продувочного элемента, сопротивление коммуникации для подвода азота, сопротивление металла и шлака над местом продувки, а также обеспечивает оптимальную интенсивность «кипения» расплава от продувки. Поскольку пробная продувка осуществляется на воздухе в ковше, установленном в вакуумную камеру (при открытой крышке камеры), интенсивность кипения расплава можно точно оценить визуально. Давление азота Р>, которое обеспечивает требуемую интенсивность «кипения» расплава, легко определяют по показанию манометра. Величину Pi используют- в дальнейшем для проведения операции азотирования расплава, когда давление азота в рабочем пространстве камеры составляет Р . В этом случае оптимальное давление азота для продувки расплава равно: Ро = Р + Р» — Р»,„, где Рг определяют также по показанию манометра. Величину Ро поддерживают в процессе продувки постоянной также по показанию манометра.

Операция вакуумирования расплава в течение 4 — 5 мин при остаточном давлении в камере 200 — 500 мм, совмещенная с его

968078 продувкои азотом или инертным газом, пре- путем и является достаточной для получения следует цель удаления из металла газооб- плотных отливок из азотированной стали. разной части азота, находящейся там в виде Эта продолжительность является минимально допустимой и ее сокращение связано с

Применение продувки азотированного рас- возможностью неполного удаления из расплава азот

5 ми а азотом или инертным газом при ва- плава газообразной части азота котор куу ровании вызвано тем фактом, что на является источником наличия газовых пан д ном этапе технологического процесса азо- зырей в отливках из этой стали. Увеличение тирования расплав является хорошо раскис- рассматриваемого периода не связано с доленным, что исключает его кипение в ковше полнительной глубиной удаления той части при остаточном давлении в камере 200 — 10 азота расплава, которая влияет на качество мм рт. ст. от протекания реакции взаимо- полученных из него отливок, т. е. приводит к действия между растворенными в металле необоснованному удлинению периода вауглеродом и кислородом или от выделения из куумирования.

Остаточное давление 200 †5 мм рт. ст.

Величина остаточного давления 200 в в рабочем пространстве камеры поддержир . ст. термодинамически исключает вает за счет напуска воздуха в вакуумную

1S удаление при вакуумировании из расплава систему на участке вакуумпровода от камерастворенного в нем азота. Вместе с тем, в ры до вакуумного насоса, что позволяет иссочетании с продувкой азотом или инертным - ключить попадание кислорода воздуха в кагазом вакуумирование при остаточном -дав- меру и предотвратить окисление комноненлении в пределах 200 — 500 мм является до- щ тов расплава, обладающих повышенным средстаточным для удаления из расплава части ством к кислороду. азота, находящейся там в виде пузырьков Пример 1. В основной электропечи по мелкого размера. При этом остаточное дав- двухшлаковой технологии выплавляют деление в пределах 400 — 500 мм рт. ст. исполь- сульфурированный полупродукт для трубной зуют для вакуумирования преимуществен- нитридноупроченной стали марки 16Г2САФ но углеродистых низколегированных, угле- 5 Полупродукт сливают из печй в сталеразродистых марганцевистых (1,5 — 2,0% мар- ливочный нарощенный ковш, оборудованганца) азотированных сталей, где даже при ный шиберным затвором, пористым элеменсодержании в расплаве 0,02 — 0,04% раст- том, установленным в днище ковша. Высоворенного азота существует термодинами- та свободного объема в ковше составляет ческая вероятность удаления этого азота при 1,5 м. Слив металла из печи производят е изком остаточном давлении. Остаточ- частью печного шлака, количество которого зо

1 ное давление в пределах 200 — 300 мм рт. ст. составляет 2,0% от веса металла. используют для вакуумирования высоколеги- Химический состав металла после вып сро х сталей с высоким содержанием ка из печи характеризуется следующим соусхрома, марганца, ванадия, ниобия, алюми- держанием компонентов, %: С 0,17; МпО ния и других элементов, обладающих повы- 35 1,50; Si 0,45; P 0,015; S 0,006; (О) 0,012; щенной прочностью связей с азотом. (N) 0,011. Температура металла в ковше посПрименение при вакуумировании оста- ле слива из печи составляет 1660 С. точного давления менее 200 мм рт. ст. увели- После слива ковш с расплавом устанавчивает скорость удаления азота, находяще- ливают в вакуумную камеру, подсоединяют гося в расплаве в виде пузырьков малого раз- K коммуникации, возводящей азот к порисмера и приводит кудалению из расплава той 40 тому продувочному элементу, и в течение части азота, которая находится в растворе, 05 мин, не закрывая крышку камеры, металл что отрицательно сказывается на общей эф- продувают азотом через пористый элемент ф ости азотирования. фективности азоти ования. в целях определения оптимального давлеПрименение при вакуумировании остаточ- ния (Р ) продувки, которое обеспечивало ного давления более 500 мм рт. ст. связано. в процессе продувки требуемую интенсиву ьшением скорости удаления из рас- ность «кипения» металла над местом прод в45 плава рассмотренной газообразной части ки. Величина этого давления составляет азота, которая находится в растворе, что 5,9 атм. После окончания пробной продувотрицательно сказывается на общей эффек- ки отключают азот и подвергают расплав тивности азотирования. вакуумной обработке в течение 10 мин, совПрименение при вакуумировании оста- 50 мещая ее на, протяжении последних 6 мин точного давления более 500 мм рт. ст. свя- с продувкой аргоном через донный порисзано с уменьшением скорости удаления из тый элемент ковша. В процессе вакуумироварасплава рассмотренной газообразной час- ния на 5 минуте в расплав вводят через доти азота, которая отрицательно влияет на заторы 200 кг феррованадия, содержание качество отливок, т. е. связано с необосно- ванадия в котором составляет 50%, и на ванным удлинением периода вакуумирова- 55 7 минуте 35 кг алюминия посредством специального устройства.

Продолжительность продувки в вакууме Закончив период вакуумной обработки, в течение 4 — 5 мин установлена опытным вакуумную камеру переводят в режим, поз968078 являют как в примере 1. Исключение составляет тот факт, что азотирование расплава проволяющий создавать в ней избыточное давление. Путем напуска газообразного азота создают в рабочем пространстве камеры давление Рг = 3 атм, после чего в течение 3 мин расплав продувают азотом через пористый донный элемент. Давление азота для продувки составляет Ро = 7,9 атм и которое определено по формуле

Po = Pj + P2 — Р м =5 9 +3 0 — 1 =

= 7,9атм, где P, — давление продувки расплава азотом при атмосферном давлении;

P — давление азота в рабочем прост2 ранстве камеры;

Ра,„— атмосферное давление.

Завершив этап азотирования, камеру подключают к вакуумному насосу, при помощи которого в рабочем пространстве камеры создают остаточное давление 500 мм рт. ст.

Давление в камере поддерживают путем напуска воздуха в вакуумную систему на участ ке от камеры до вакуумного насоса.

Расплав в ковше продувают через донный пористый элемент азотом с расходом азо та 0,15 м /т.мин, после чего последовательно отключают подачу продувочного газа, отключают пароэжекторный насос, камеру сообщают с атмосферой, открывают крышку камеры, а ковш подают на разливку.

Разливку металла, температура которого составляет 1610 С, осуществляют на воздухе в слябовый кристаллизатор УНРС через подвесной удлиненный стакан под уровень зеркала металла в кристаллизаторе, причем для защиты зеркала металла используют защитную теплоизолирующую смесь.

Слябовая заготовка имеет плотное строение.

Виды пороков, связанные с наличием газовых пузырей, на поверхности и на поперечных темплетах заготовок не обнаружены.

Используя пробоотборник, в процессе внепечной обработки расплава, отбирают три пробы металла. изводят на протяжении 5 мин при давлении

Ро = Pl + Pz — Ратм = 9 атм, где Р =

= 7 атм, Рг = 3 атм, Рд „, — — 1 атм. Более высокое значение величины Р1 обусловлено повышенным сопротивлением продувке хроПервая проба отобрана после окончания периода вакуумной обработки. Химический состав пробы металла, %: С 0,16; Мп 1,48;

$1 0,44; P 0,015; S 0,005 (О) 0,005; (N)

0,009; V 0 10; А1 0,034.

Вторая проба отобрана после окончания азотирования расплава. Химический состав пробы металла соответствовал, %: С, Мп, Si, P, S, (0), V, Alp — то же, что и в первой пробе (N) 0,026.

Третья проба. отобрана после окончания периода повторного вакуумирования и продувки расплава в камере при остаточном давлении в ней 450 мм рт. ст. Анализом пробы установлено, что содержание в ней азота составило 0,025%, а содержание остальных элементов осталось неизменным.

Пример 2. Относится к производству хромистомарганцевистой стали типа Х14АГ14, выплавку и вакуумирование которой осущестмистого шлака, Химический состав пробы металла, отобранный перед азотированием расплава, соответствует, %: С 0,11; Мп 12,5; Si 0,70;

Сг 13,0; S 0,020; P 0,015; (О) 0,004; (N)

0,07; А1р 0,02.

Химический состав металла после азотирования соответствует %: С, Mn, Si, Сг, S, Р, (0), A/p то же, что и перед азотированием (Щ 0,21.

Завершив этап азотирования, камеру подключают к вакуумному насосу, при помощи которого в рабочем пространстве создают остаточное давление 200 мм рт. ст. В этих

20 условиях расплав в ковше продувают азотом через донные пористые элементы. Продолжительность продувки составляет 5 мин, расход азота 0,15 мз/тмин.

Химический состав металла после повторного вакуумирования остается неизменным, 2S а отливки из этого металла имеют плотное строение.

Таким образом, преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с известным является возможность повышения качества азотируемого расплава, снижение

З0 себестоимости его производства, оптимизация процесса азотирования, а также устранение недостатков известного способа.

Повышение качества металлопродукции с высоким содержанием азота достигается за счет устранения окончательного брака от35 ливок из азотированнои стали по газовым (азотным) пузырям, а также исправим ых при помощи огневой зачистки о той же категории дефектов отливок или промежуточных профилей проката из них. Устранение пора40 женности отливок из азотированной стали газовыми (азотными) пузырями обеспечивается путем применения продувки азотного расплава инертным газом или азотом на протяжении 4 — 5 мин при остаточном давлении в реакционной емкости в пределах

200 — 500 мм рт. ст.

Снижение себестоимости производства азотированной стали по сравнению с известным способом обеспечивается за счет устранения окончательного брака отливок по газовым (азотным) пузырям и исключения затрат для осуществления дополнительной отдельной операции — огневой зачистки промежуточных профилей проката или непрерывнолитых заготовок, объем которой достигает в ряде случаев зачистки 100% поверхнос55 ти рассмотренных видов металлопродукции.

Оптимизация процесса азотирования достигается за счет применения давления продувки расплава азотом, при котором обес968078

Формула изобретения

Составитель А. Щербаков

Редактор Н. Рогулич Техред И. Верес Корректор А. Гриценко

Заказ 7261/40 Тираж 587 Поднисное

ВНИИ ПИ Государственного комитета, СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 печивается полнота азотирования в наиболее короткий период времени и исключается при этом забрызгивание металлом и вывод из строя внутренних узлов реакционной камеры. Кроме того, исключено неоправданное увеличение продолжительности продувки за счет применения заниженного давления продувки расплава азотом, вероятность чего не устранена в известном способе. Общий экономический эффект равен 2 руб/т, а общая экономия по сравнению с использовани- 10 ем технологических приемов известной технологии равна 800.00 руб/г.

Способ азотирования металлических рас- > плавов по авт. св. № 461127, отличающийся тем, что, с целью повышения качества азотируемого расплава, снижения себестоимости его производства и оптимизации процесса азотирования, расплав продувают азотом через донные пористые элементы под давлением Ро, определяемым по формуле

Ро = Р1 + Р2 — Ратм, где Р1 — оптимальное давление продувки расплава азотом при атмосферных условиях в ковше, помещенном в вакуумную камеру;

P2 — давление азота в рабочем пространстве вакуумной камеры;

Рат„— атмосферное давление, причем по окончании процесса азотирования расплава подвергают вакуумной обработке в течение 4 — 5 мин при давлении в камере

200 — 500 мм рт. ст. с одновременной продув- кой его инертным газом или азотом через донные элементы ковша.