Патент на изобретение №2304623

(54) СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ МАРГАНЦЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к внепечной обработке стали марганцем. В способе осуществляют выплавку стали, выпуск металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав одновременно оксидного марганецсодержащего материала, алюминия и флюса. Оксидный марганецсодержащий материал, алюминий и флюс вводят непрерывно в виде материала плотностью (2,2-2,5)·10² м³/т, предварительно окомкованного, термообработанного и офлюсованного смесью оксидов алюминия и кальция и металлического алюминия, начиная его подачу с максимальным удельным расходом после закрытия днища ковша металлическим расплавом и заканчивая подачу при наполнении 2/3 объема ковша со снижением в процессе подачи удельного расхода материала прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей. Изобретение обеспечивает протекание процессов раскисления, легирования и десульфурации в течение выпуска металлического расплава за счет использования кинетической энергии падающей струи, что приводит к повышению степени десульфурации при сокращении времени обработки и сохранении высокого извлечения марганца. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированию стали марганцем путем внепечной обработки.

Известен способ легирования стали, включающий введение в расплав легирующих элементов в виде оксидов и алюминия в качестве восстановителя, взятого в количестве сверх стехиометрически необходимого, восстановление бора или марганца и легирование стали, при этом алюминий вводят в виде прутков, а легирующие элементы – в виде датолитового концентрата или шлака металлического марганца, предварительно нанесенных путем намораживания толщиной слоя 1-5 мм на эти прутки (SU №1219654 А, кл. С21С 7/00, В22D 7/00, опубл. 23.03.1986 г.).

В результате обеспечения постоянного контакта восстановителя с оксидами легирующих элементов в известном способе достигнуто высокое извлечение марганца. Однако из-за локального размещения в ковше вводимых материалов распределение легирующего элемента в объеме металлического расплава неравномерное, в результате чего требуется дополнительная обработка металла путем его перемешивания. Кроме того, десульфурации металлического расплава при реализации известного способа не происходит, потому что в составе используемых компонентов отсутствуют материалы, обладающие серопоглотительной способностью.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ легирования стали марганцем, включающий выплавку и раскисление стали, выпуск металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав после выпуска в ковш одновременно оксидного марганецсодержащего материала, восстановителей и флюса в виде наполнителя оболочковой порошковой проволоки в количестве 20-55 кг·N на тонну стали, где N – требуемый прирост содержания марганца в готовой стали, мас.%, в качестве восстановителей используют материал, выбранный из группы: алюминий и/или ферросилиций или ферросилиций и силикокальций, а в качестве флюса используют плавиковый шпат, причем оксидный марганецсодержащий материал, плавиковый шпат и материал, выбранный из группы: алюминий и/или ферросилиций или ферросилиций и силикокальций используют в виде смеси порошков при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%: оксидный марганецсодержащий материал 66-75, плавиковый шпат 1-5, материал, выбранный из группы: алюминий и/или ферросилиций или ферросилиций и силикокальций – остальное (SU №2104311 С1, кл. С21С 7/00, опубл. 10.02.1998 г.).

Наличие в материалах, используемых в известном способе, элементов, имеющих высокое сродство к кислороду, взятых в количествах, сверх стехиометрически необходимых для восстановления легирующего элемента, обеспечивают высокое извлечение марганца. Однако степень десульфурации металлического расплава в известном способе не превышает 20%, а обработку в сталеразливочном ковше ведут после окончания в него выпуска металлического расплава из сталеплавильного агрегата. Низкая степень десульфурации обусловлена выбранным составом компонентов смеси, используемой для рафинирования и легирования металлического расплава, содержащим значительное количество оксидов кремния, препятствующим десульфурации из-за связывания их в прочные соединения с кальцийсодержащими материалами и снижения тем самым активности кальция. Кроме того, процессы рафинирования и легирования металлического расплава рассредоточены во времени, что приводит к снижению эффективности десульфурации. Обработка металлического расплава согласно известному способу происходит в локальных объемах плавления подаваемой в сталеразливочный ковш проволоки, что приводит к неравномерности распределения легирующего элемента и в последующем требует обязательного перемешивания для усреднения металлического расплава по химическому составу, что приводит к повышению времени обработки.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа легирования стали марганцем путем оптимизации технологических параметров.

Ожидаемый технический результат – равномерное распределение подаваемого материала в объеме металлического расплава, обеспечивающее протекание процессов раскисления, легирования и десульфурации в течение выпуска металлического расплава за счет использования кинетической энергии падающей струи, что приводит к повышению степени десульфурации при сокращении времени обработки и сохранении высокого извлечения марганца.

Технический результат достигается тем, что в способе легирования стали марганцем, включающем выплавку стали, выпуск металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав одновременно оксидного марганецсодержащего материала, алюминия и флюса, по изобретению оксидный марганецсодержащий материал, алюминий и флюс вводят непрерывно в виде предварительно окомкованного, термообработанного и офлюсованного смесью, содержащей в своем составе алюминий, материала плотностью (2,2-2,5)·10² м³/т, начиная его подачу с максимальным удельным расходом после закрытия днища ковша металлическим расплавом и заканчивая подачу при наполнении 2/3 объема ковша со снижением в процессе подачи удельного расхода материала прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей.

В предлагаемом способе легирования стали марганцем в сталеразливочном ковше используют специально подготовленный материал, который вводят в ковш во время выпуска углеродистого полупродукта из электросталеплавильной печи с эркерным (ускоренным) выпуском металлического расплава.

Специально подготовленный материал состоит из окомкованного оксидного марганецсодержащего материала, флюса и алюминия, который затем после термообработки офлюсовывают смесью оксидов алюминия и кальция и металлического алюминия. Плотность такого материала, равная (2,2-2,5)·10² м³/т, ниже плотности сталеплавильных шлаков, а температура плавления существенно ниже температуры выпускаемого металлического расплава (около 1200°С), и материал предназначен для обработки металлического расплава в отсутствие печного окислительного шлака. Уменьшение плотности материала ниже значения 2,2·10² м³/т приводит к его интенсивному всплыванию на поверхность металлического расплава, что препятствует равномерному распределению материала в объеме металла, снижению извлечения марганца и ухудшению показателей десульфурации. Повышение плотности материала выше значений 2,5·10² м³/т приводит к нарушению синхронности перемещения материала с потоком металлического расплава, образованного падающей струей во время выпуска, что приводит к локальным скоплениям материала в объеме металла, снижению степени извлечения марганца и ухудшению показателей десульфурации.

В предлагаемом способе процесс обработки металлического расплава проходит в три этапа и заключается в синхронизации постепенного плавления компонентов, входящих в поверхностный слой подаваемого материала, с одновременным обновлением поверхности контакта плавящихся компонентов с перемещающимися за счет падающей струи новыми слоями металлического расплава.

Для этого подачу материала в сталеразливочный ковш начинают после закрытия днища ковша металлическим расплавом. Непрерывно подаваемый в металлический расплав окомкованный материал тут же увлекается падающей струей металлического расплава и распределяется в объеме ковша строго в соответствии с движением потоков металлического расплава, инициированных падающей струей. Но так как количество непрерывно подаваемого в ковш окомкованного материала невелико, его скопления в зоне попадания в металлический расплав не происходит, он равномерно распределяется в объеме ковша.

Подачу материала осуществляют с максимальным удельным расходом после закрытия днища ковша металлическим расплавом. Такой расход обусловлен наличием интенсивного перемешивания металлического расплава за счет падающей струи металла в начальный период выпуска. По мере наполнения ковша металлическим расплавом удельный расход материала уменьшают прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей и заканчивают подачу материала при наполнении 2/3 объема ковша. Таким образом обеспечивают равномерность распределения подаваемого материала, формирование микрообъемов рафинировочного известково-глиноземистого шлака и последовательность этапов обработки металлического расплава.

Вначале происходит плавление поверхностного слоя материала с образованием шлака, обладающего серопоглотительной способностью. При этом происходит первичный процесс десульфурации, предваряемый раскислением металлического расплава металлическим алюминием, входящим в поверхностный слой материала, согласно реакциям:

(CaS) ассимилируется образующейся пленкой шлака, состоящей преимущественно из (СаО) и (Al₂О₃) в каждом из образованных локальных микрообъемов, равномерно рассредоточенных в металлическом расплаве. Затем плавление доходит до центральной части материала, в которой содержатся оксиды марганца, кальция и алюминий. При плавлении начинается второй этап обработки металлического расплава, идут реакции:

Во втором этапе процесс рафинирования металлического расплава от серы протекает с образованием катализатора реакции десульфурации стали согласно уравнению реакции (3). После прохождения реакции десульфурации (5) и реакции замещения (6) образуется оксид марганца (MnO), из которого снова восстанавливают марганец согласно реакциям (3) и (4). То есть процесс приобретает режим цикличности, в котором в качестве катализатора используют восстановленный марганец. После завершения восстановительного процесса проходит третий (завершающий) этап рафинирования металлического расплава от серы образовавшимся известково-глиноземистым шлаком. В условиях интенсивного раскисления металлического расплава процессы десульфурации первого, второго и третьего этапов протекают с высокой скоростью, а поскольку образующийся шлаковый слой в каждом из образовавшихся микрообъемов рафинировочной зоны невелик и составляет величину, не превышающую 1·10^-1 см, то скорость прохождения через него частиц восстановленного марганца высока и время осаждения марганца не превышает 10^-3 секунды.

Одновременно идет процесс интенсивного перемешивания металлического расплава с гомогенными составляющими плавящихся оксидных компонентов материала, обладающих высокой серопоглотительной способностью. Учитывая высокие скорости химических реакций, скорость процесса десульфурации лимитируется скоростью обновления поверхности металлического расплава в зоне гомогенной составляющей плавящихся компонентов материала. Выбранная плотность материала обеспечивает время его плавления, совпадающее с временем перемещения металлического расплава в пределах одного оборота. При этом за время прохождения потоком металлического расплава одного оборота заканчивается первый и второй этапы десульфурации, затем наступает третий этап, который завершает десульфурацию металлического расплава при одновременном его легировании марганцем.

Пример.

Предлагаемый и известный способы легирования осуществляли в 120-тонном сталеразливочном ковше при производстве стали марки 08Ю. Содержание марганца в металлическом полупродукте перед выпуском составляло 0,04%.

В предлагаемом способе раскисление, легирование и десульфурацию металлического расплава проводили с использованием материала, приготовленного в виде окатышей, состоящих из центральной части, включающей оксидный марганецсодержащий материал, флюс, содержащий оксиды кальция и алюминия, и алюминий, дополнительно офлюсованных смесью оксидов алюминия и кальция, и металлического алюминия Содержание компонентов в используемом материале составляло, мас.%: оксидный марганецсодержащий материал 75; алюминий 15; флюс 10. Удельный расход материала составил 6,5 кг/т.

Окатыши начинали подавать в сталеразливочный ковш после закрытия днища ковша металлическим расплавом с удельным расходом 0, 166 кг/т·с с последовательным снижением в процессе подачи удельного расхода прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей и заканчивали подачу при наполнении 2/3 объема ковша с удельным расходом 0,02 кг/т·с. После окончания выпуска из сталеразливочного ковша отбирали пробы металла на химический анализ.

Плавку стали по известному способу проводили с предварительным раскислением металлического расплава алюминием во время выпуска в сталеразливочный ковш из расчета получения его в металле 0,03-0,05%.

Затем в ковш вводили оболочковую проволоку с наполнителем, состоящим из порошков оксидного марганецсодержащего материала с содержанием 44% марганца в количестве 72%, алюминия 23% и плавикового шпата 5%, со скоростью 2,4 м/с, при удельном расходе наполнителя 6,85 кг/т. После ввода проволоки металл перемешивали аргоном в течение 5 минут. После обработки стали аргоном отбирали пробы металла на химический анализ.

Результаты опытных плавок представлены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что степень десульфурации металлического расплава в плавках, проведенных по заявляемому способу, превышает степень десульфурации в опытной плавке, проведенной по способу ближайшего аналога, при, практически, одинаковых показателях извлечения марганца.

Предлагаемый способ обеспечивает протекание процессов раскисления, легирования и десульфурации в течение выпуска металлического расплава за счет использования кинетической энергии падающей струи, что приводит к повышению степени десульфурации при сокращении времени обработки и сохранении высокого извлечения марганца.

Формула изобретения

Способ легирования стали марганцем, включающий выпуск выплавляемого металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав одновременно оксидного марганецсодержащего материала, алюминия и флюса, отличающийся тем, что оксидный марганецсодержащий материал, алюминий и флюс вводят непрерывно в виде предварительно окомкованного, термообработанного и офлюсованного смесью оксидов алюминия и кальция и металлического алюминия материала плотностью (2,2-2,5)·10² м³/г, при этом подачу материала начинают после закрытия днища ковша металлическим расплавом с максимальным удельным расходом и заканчивают при наполнении на 2/3 объема ковша, а в процессе подачи материала снижают удельный расход в прямой пропорциональной зависимости от интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей.