Патент на изобретение №2293125

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, точнее – к выплавке высококачественных легированных сталей с обработкой на агрегате комплексной обработки стали (АКОС). Способ включает выплавку жидкой заготовки в сталеплавильном агрегате, слив ее в ковш с введением в ковш части раскислителей, легирующих и компонентов покровного шлака и последующую обработку на АКОС с введением оставшейся части компонентов покровного шлака, раскислителей и легирующих, рафинирование полупродукта до необходимых параметров под покровным известково-глиноземистым шлаком. В ковш до обработки на АКОС и при обработке на АКОС до рафинирования вводят компоненты глиноземоизвестковистого покровного шлака, а перед рафинированием в ковш добавляют известьсодержащий материал до получения известково-глиноземистого шлака. Технический результат – снижение продолжительности обработки на АКОС. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, точнее – к выплавке высококачественных легированных сталей с обработкой на агрегете комплексной обработки стали (АКОС).

Известен способ выплавки стали по так называемой классической технологии (см. Д.П.Поволоцкий и др. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургия, 1995 г., стр.344), при этом высоколегированные стали выплавляются в дуговых электрических печах малой и средней вместимости.

Классическая технология выплавки стали имеет ряд вариантов, но все они включают трудоемкий период доводки плавки (рафинирование, раскисление, легирование, нагрев до заданной температуры), занимающий до 60% времени от общей продолжительности плавки при значительных потерях легирующих элементов (Cr, W, V, Nb, Si, Mn), имеют высокий удельный расход электроэнергии. Кроме того, классическая технология требует от исполнителей большого производственного опыта, высокой профессиональной подготовки.

Известны способы выплавки стали (а.с. СССР №191599, МПК С 21 С 5/56, 1966 г. и а.с. №208739 МПК, С 21 С 5/56, 1963), включающие выплавку жидкой заготовки в одном плавильном агрегате, при этом заготовка при необходимости легируется никелем, молибденом, медью, а жидкого раскисляющего легирующего сплава совместно с синтетическим рафинирующим известково-глиноземистым шлаком в другом агрегате (электропечи). Для выплавки сплава используются ферросплавы – феррохром, ферросилиций, ферромарганец, феррованадий, ферровольфрам и др., а также отходы высоколегированных сталей и сплавов. Для выплавки рафинирующего шлака используют свежеобожженную известь и глиноземсодержащий материал (технический глинозем, отходы абразивного производства и др.).

По готовности жидкой заготовки и сплава с синтетическим шлаком их смешивают в разливочном ковше в процессе выпуска жидкой заготовки из плавильной печи.

Способы по а.с. №191599 и 208739 не требуют проведения в плавильных печах глубокого раскисления металла перед легированием и доводки металла до заданного химического состава, позволяют получать высоколегированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, низкой загрязненностью неметаллическими включениями, использовать отходы высоколегированных сталей и сплавов для частичной замены дорогостоящих ферросплавов.

К основным недостаткам указанных способов относятся:

– Нестабильное “попадание” в заданный (в т.ч. зауженный “экономный”) химический состав стали, особенно при выплавке сложных высоколегированных сталей вследствие колебаний массы жидкой заготовки из-за качества (загрязненности) шихты, состояния весового хозяйства, а также колебаний содержания легирующих элементов в ферросплавах, используемых для выплавки сплава.

– Для успешного рафинирования стали от серы и неметаллических включений при смешении жидкой заготовки и сплава требуется предварительное раскисление заготовки перед выпуском из печи, что увеличивает продолжительность ее выплавки, приводит к восстановлению фосфора из печного шлака.

– Необходимость проведения операций отделения шлака при выпуске жидкой заготовки из печи, что требует использования кранового хозяйства цеха и специальных устройств;

– Необходимость применения в качестве синтетического шлака – известково-глиноземистого, обладающего десульфурирующей способностью. При этом невозможно получить низкоуглеродистый легирующий сплав из-за науглероживания его карбидом кальция, образующегося в зоне дуг, а также графитовыми электродами. Так, по имеющейся практике, при выплавке сплава с химическим составом Cr – 48…55%, Si ˜3,5%, V ˜0,70%, Nb – 0,60, Mn ˜1%, остальное – Fe, сплав содержит 0,28…0,35% углерода, вместо расчетного 0,08% (вносимого из ферросплавов и отходов) и не может быть использован при выплавке низкоуглеродистой стали, например, стали 07Х12НМБФ с содержанием углерода 0,05…0,09%.

В настоящее время широкое распространение получил способ выплавки высококачественных сталей, принятый в качестве прототипа (см. “Труды VI конгресса сталеплавильщиков”, г.Череповец, 17-19.10.2000 г.), включающий выплавку жидкой заготовки одношлаковым процессом в сверхмощных дуговых электропечах, слив заготовки в разливочный ковш, отфутерованный высокостойкими к агрессивному воздействию шлакового расплава периклазоуглеродистыми материалами, имеющий устройства для продувки жидкого металла инертными газами. Разливочный ковш с жидкой заготовкой передается на АКОС. На АКОС, оснащенном специальным трансформатором, производят нагрев жидкой заготовки электрическими дугами, через загрузочные устройства вводят в разливочный ковш необходимые флюсующие с целью формирования покровного шлака, а также раскислители, ферросплавы, содержащие легирующие элементы, и модификаторы. Полученный полупродукт обрабатывают на АКОС.

Этот способ позволяет получать высококачественную сталь, обладающую высокими металлургическими параметрами (однородность по химическому составу, температуре, низкие концентрации вредных примесей, газов, низкая загрязненность неметаллическими включениями, хорошая “разливаемость”), обеспечивающими изготовление качественной металлопродукции при минимальных затратах на выплавку стали.

Однако указанный способ выплавки стали не может быть применим для выплавки сложных, высоколегированных, особенно низкоуглеродистых сталей по следующим основным причинам:

– Большие массы вводимых на АКОС раскислителей и ферросплавов, содержащих легирующие элементы, что значительно увеличивает продолжительность обработки стали на АКОС, так, при выплавке стали 15Х5М с введением в полупродукт 5 тонн феррохрома (при общей массе плавки 62 т) продолжительность обработки плавки составила 1,60 часа, а стали 40ХН – 0,95 часа и расход электроэнергии 103 и 60 кВт·ч/т соответственно.

– Специальная подготовка ферросплавов перед введением в ковш на АКОС, включающая дробление, прокалку.

– Увеличенная продолжительность обработки приводит к большему износу футеровки, а также нежелательному науглероживанию металла за счет углерода из огнеупорной футеровки.

– Необходимость оснащения АКОС мощным печным трансформатором, сравнимым по мощности с печным трансформатором электропечи, выплавляющей жидкую заготовку, что при одновременном отборе максимальной мощности требует создания мощных электрических токоподводящих сетей и устройств, компенсирующих “пиковую” нагрузку.

Задачей изобретения является снижение затрат и трудоемкости получения сложных, высоколегированных, особенно низкоуглеродистых (с содержанием углерода менее 0,10%) сталей.

Поставленная задача решается усовершенствованием способа получения высококачественной легированной стали, включающего выплавку жидкой заготовки в сталеплавильном агрегате, слив ее в ковш с введением в ковш части раскислителей, легирующих и компонентов покровного шлака и последующую обработку на АКОС с введением оставшейся части компонентов покровного шлака, раскислителей и легирующих, рафинировку полупродукта до необходимых параметров под покровным известково-глиноземистым шлаком.

Это усовершенствование заключается в том, что в ковш до обработки на АКОС и при обработке на АКОС до рафинировки вводят компоненты глиноземоизвестковистого покровного шлака, а перед рафинировкой в ковш добавляют известьсодержащий материал до получения известково-глиноземистого шлака.

Кроме того, перед сливом жидкой заготовки в ковш вводят раскислители и легирующие в количестве до 10% от массы жидкой заготовки, сливаемой в ковш.

Кроме того, при сливе жидкой заготовки в ковш в качестве раскислителя под струю вводят алюминий с расходом 1,5-2,0 кг на тонну жидкой заготовки.

Кроме того, компоненты глиноземоизвестковистого покровного шлака вводят в количестве: глинозем – 50-60%, оксид кальция – 25-35%, оксид магния не более 5%, остальное кремнезем (10%).

Кроме того, перед введением в ковш раскислители и легирующие подогревают до температуры 800-1000°С в ковшах, “ожидающих” приема плавки.

Введение в ковш до обработки на АКОС и при обработке на АКОС до рафинировки компонентов глиноземоизвестковистого покровного шлака, обладающего высоким электрическим сопротивлением, приводит к большому выделению тепла в полупродукте, быстрому его нагреву и снижению продолжительности обработки на АКОС. Кроме того, указанный шлак имеет повышенную вязкость, что способствует меньшему разрушению футеровки ковша.

Добавление перед рафинировкой в ковш известьсодержащего материала до получения известково-глиноземистого шлака позволяет производить рафинировку полупродукта до необходимых параметров под покровным известково-глиноземистым шлаком, что необходимо для эффективного рафинирования от серы и неметаллических включений.

Введение перед сливом жидкой заготовки в ковш раскислителей и легирующих в количестве до 10% от массы жидкой заготовки, сливаемой в ковш, выбрано из условия оптимальной температуры сливаемой в ковш жидкой заготовки, учитывая, что повышенный перегрев жидкой заготовки в печи приводит к переокислению ее, повышению содержания газов, продолжительности плавки, расходам огнеупорных материалов, электроэнергии. Введение раскислителей и легирующих в количестве более 10% от массы жидкой заготовки может привести к “закозлению” ковша, потере работоспособности продувочного узла, невозможности обработки полупродукта на АКОС и браку всей плавки.

Введение при сливе жидкой заготовки в ковш в качестве раскислителя под струю алюминия с расходом 1,5-2,0 кг на тонну жидкой заготовки выбрано из условия обеспечения минимального окисления легирующих, вводимых в ковш, а также раннего формирования шлака с повышенным содержанием в нем глинозема. Расход алюминия определяется содержанием углерода в жидкой заготовке перед сливом ее в ковш. При содержании углерода в жидкой заготовке менее 0,06% вводится 2 кг/т, более 0,06% вводится 1,5 кг/т.

Введение компонентов глиноземоизвестковистого покровного шлака в количестве: глинозем – 50-60%, оксид кальция – 25-35%, оксид магния не более 5%, остальное кремнезем (10%) позволяет получить более вязкий шлак с большим электросопротивлением, обеспечить устойчивый режим горения дуг и уменьшить продолжительность обработки на АКОС.

Обработка полупродукта под покровным глиноземоизвестковистым шлаком с содержанием глинозема более 60% и (или) менее 25% оксида кальция приводит к получению более вязкого шлака, к еще большему его электросопротивлению, неустойчивому режиму горения дуг и увеличению продолжительности обработки.

При содержании в глиноземоизвестковистом шлаке оксида кальция более 35% и глинозема менее 50% повышается его электропроводность, происходит перераспределение тепла, выделяемого от горения дуг в сторону увеличения его в шлак и уменьшению выделения в полупродукте, что приводит к перегреву шлакового расплава и повышенному износу футеровки ковша, особенно в зоне шлакового пояса. Повышенный износ футеровки приводит к повышению концентрации оксида магния, что в дальнейшем снижает рафинирующие свойства известково-глиноземистого покровного шлака, под которым проводят рафинировку полупродукта на АКОС.

Подогрев раскислителей и легирующих перед введением в ковш до температуры 800-1000°С позволяет обеспечить поддержание высокой температуры полупродукта в ковше после введения в ковш раскислителей и легирующих. Подогрев раскислителей и легирующих в ковшах, “ожидающих” приема плавки, позволяет рационально использовать имеющиеся горячие ковши и таким образом повысить экономичность процесса выплавки стали.

Способ осуществляется следующим образом: в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) выплавляли жидкую заготовку, которую сливали в ковш с введением в ковш части раскислителей и легирующих в количестве до 10% от массы жидкой заготовки, сливаемой в ковш и компонентов глиноземоизвестковистого покровного шлака. При сливе жидкой заготовки предусматривали меры, предотвращающие попадание в ковш окисленного печного шлака, а в качестве раскислителя под струю вводили алюминий с расходом 1,5-2,0 кг на тонну жидкой заготовки. Далее проводили обработку на АКОС с введением оставшейся части компонентов глиноземоизвестковистого покровного шлака, раскислителей и легирующих. Перед введением в ковш раскислители и легирующие подогревали до температуры 800-1000°С в ковшах, “ожидающих” приема плавки. Компоненты глиноземоизвестковистого покровного шлака вводили в количестве, обеспечивающем получение шлака следующего состава: глинозем – 50-60%, оксид кальция – 25-35%, оксид магния не более 5%, остальное кремнезем (10%).

Перед рафинировкой в ковш добавляли известьсодержащий материал до получения известково-глиноземистого шлака, под которым проводили рафинировку полупродукта до необходимых параметров.

Пример выплавки низкоуглеродистой высоколегированной стали 07Х12НМФБ по ТУ 14-1-2918-80 предлагаемым способом.

Жидкая заготовка, легированная молибденом, никелем, выплавлялась в дуговой сталеплавильной печи ДСП-60, укомплектованной трансформатором 40 МВА. В качестве шихты использовали лом углеродистых и легированных марок сталей, а также никель и ферромолибден. Общая масса металлозавалки – 52 т.

В горячий (из-под плавки) ковш, готовый к приему плавки, загружали раскислители и легирующие – подогретые до температуры 900°С феррохром (ФХ005) – 4400 кг, ферросилиций (ФС45) – 600 кг и дополнительно подогревали ковш с ферросплавами в течение 2 часов до температуры ˜900°С. Ковш с ферросплавами подавали к печи ДСП-60, в который сливалась жидкая заготовка, доведенная до необходимых параметров в печи ДСП-60. Во время слива жидкой заготовки из печи в ковш под струю вводили раскислители – алюминий в количестве 90 кг и известь в количестве 100,0 кг, предпринимались меры, обеспечивающие минимальное попадание окисленного печного шлака в ковш.

Химический состав жидкой заготовки перед сливом, %: С – 0,04; Mn – 0,10; Si – 0,01; P – 0,006; S – 0,022; Cr – 0,18; Ni – 2,05; Mo – 0,54; Cu – 0,11, Fe – остальное.

Температура полупродукта в начале обработки на АКОС – 1595°С, химический состав, %: С – 0,05; Mn – 0,13; Si – 0,25; Р – 0,007; S – 0,020; Cr – 5,72; Ni – 1,85; Mo – 0,50; Cu – 0,15, Fe – остальное. Химический состав шлака: СаО – 40%; Al₂O₃ – 35%; SiO₂ – 11%; FeO – 6,5%; MnO – 1,5%; MgO – 6%.

При обработке жидкой заготовки на АКОС произвели присадку отходов от производства вторичного алюминия в количестве 200 кг.

Химический состав покровного шлака, %: CaO – 28%; Al₂O₃ – 55%; SiO₂ – 12%; FeO – 1,0%; MnO – 1,0%; MgO – 3%.

Нагревали полупродукт до температуры 1610°С и вводили 4600 кг феррохрома ФХ 005 и ферросилиция ФС 45 100 кг ферросплавы перед вводом нагревали до температуры 950°С. В процессе расплавления ферросплавов добавляли известь и шлак от производства вторичного алюминия в количестве 100 и 150 кг соответственно. После полного расплавления ферросплавов и достижения температуры полупродукта 1590°С наводили покровный рафинировочный шлак присадками извести с одновременными присадками феррованадия ФВо45 – 230 кг, феррониобия ФНб60 – 120 кг, феррохрома ФХ005 – 400 кг, модификатора в виде силикокальциевой проволоки 1,5 кг/т.

Химический состав рафинировочного известково-глиноземистого шлака %: CaO – 55%; Al₂O₃ – 30%; SiO₂ – 8%; (FeO+MnO)1,5%; MgO – 5%.

Химический состав полупродукта, %: С – 0,07; Mn – 0,45; Si – 0,35; Р – 0,014; S – 0,010; Cr – 10,82; Ni – 1,38; Mo – 0,41; Cu – 0,14; V – 0,17; Nb – 0,08, Fe – остальное.

Температура металла в ковше перед выдачей плавки на разливку – 1580°С, разливку производили на машине непрерывного литья заготовок в заготовки сечением 270×370 мм.

Указанный способ выплавки опробован при выплавке стали 14Х17Н2А, указанная сталь имеет содержание углерода 0,12…0,17%, поэтому появилась возможность обезуглероживания жидкой заготовки до 0,06…0,12%, что позволяет производить делегирование полупродукта на АКОС феррохромом с содержанием углерода до 2%, например вместо ФХ005-ФХ100…ФХ200.

Химический состав шлака, содержание углерода в жидкой заготовке и готовой стали, продолжительность выплавки жидкой заготовки в электропечи ДСП-60, обработки полупродукта на АКОС, расходы электроэнергии на выплавку жидкой заготовки и обработку полупродукта на АКОС приведены в таблице. Варианты: 1 – прототип; 2, 3, 4 – заявляемый способ; 5 – в глиноземоизвестковистом шлаке содержание оксида кальция ниже, а глинозема выше заявляемого предела, 6 – содержание оксида кальция в глиноземоизвестковистом шлаке выше, а глинозема ниже заявляемого предела.

Из таблицы видно, что в вариантах 1, 5, 6 по сравнению с вариантами 2, 3, 4 происходит повышенное науглероживание полупродукта из-за повышенной продолжительности обработки на АКОС (углеродом из футеровки ковша и графитовых электродов) и повышенный расход электроэнергии при выплавке жидкой заготовки, обработке полупродукта и повышенный износ ковша.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет снизить затраты на получение сложных, высококачественных сталей из-за снижения продолжительности обработки на АКОС за счет большого выделения тепла в полупродукте, быстрого его нагрева и снижения продолжительности обработки на АКОС до рафинировки под обладающим высоким электрическим сопротивлением глиноземоизвестковистым покровным шлаком.

Формула изобретения

1. Способ получения высококачественной легированной стали, включающий выплавку жидкой заготовки в сталеплавильном агрегате, слив ее в ковш с введением в ковш части раскислителей, легирующих и компонентов покровного шлака и последующую обработку на агрегате комплексной обработки стали (АКОС) с введением оставшейся части компонентов покровного шлака, раскислителей и легирующих, рафинирование полупродукта до необходимых параметров под покровным известково-глиноземистым шлаком, отличающийся тем, что в ковш до обработки на АКОС и при обработке на АКОС до рафинирования вводят компоненты глиноземоизвестковистого покровного шлака, а перед рафинированием в ковш добавляют известьсодержащий материал до получения известково-глиноземистого шлака.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед сливом жидкой заготовки в ковш вводят раскислители и легирующие в количестве до 10% от массы жидкой заготовки, сливаемой в ковш.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сливе жидкой заготовки в ковш в качестве раскислителя под струю вводят алюминий с расходом 1,5-2,0 кг на тонну жидкой заготовки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что компоненты глиноземоизвестковистого покровного шлака вводят в количестве: глинозем – 50-60%, оксид кальция – 25-35%, оксид магния не более 5%, остальное кремнезем (10%).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед введением в ковш раскислители и легирующие подогревают до температуры 800-1000°С в ковшах, “ожидающих” приема плавки.