Патент на изобретение №2305140

(54) БРИКЕТ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ МАРГАНЦЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве углеродистой и легированной стали, включая низкокремнистые марки стали. Брикет содержит термообработанный марганецсодержащий компонент в виде обожженного марганцевого концентрата, восстановитель в виде алюминийсодержащего материала, флюс в виде смеси уральского боксита, доломитизированной извести и обожженой извести, и каолин в качестве связующего. При этом соотношение компонентов в брикете следующее, мас.%: обожженный марганцевый концентрат 40,0-45,0; уральский боксит 7,5-9,0; доломитизированная известь 12,0-14,0; обожженная известь 15,0-18,0; каолин 3,5-4,5; алюминийсодержащий материал – остальное. Целесообразно содержание в алюминийсодержащем материале глинозема и металлического алюминия. Брикет обладает высокой десульфурирующей способностью при сохранении высокой восстановительной способности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве углеродистой и легированной стали, включая низкокремнистые марки стали.

Известен экзотермический брикет для легирования стали, включающий комплексный сплав алюминия, марганца, кремния и железа (АМС), марганцевую руду и плавиковый шпат при следующем соотношении компонентов, мас.%: комплексный сплав алюминия, кремния, марганца и железа 41,0-48,0; марганцевая руда 29,0-33,5; доломит 14,5-25,0; связующее – остальное (SU №1079682 А1, кл. С22С 35/00, опубл. 15.03.1984 г.).

При загрузке таких брикетов на зеркало металла в ковш и их нагреве до 1300-1550°С в них начинаются экзотермические реакции восстановления оксидов марганца алюминием и кремнием из комплексного сплава АМС. Скорость таких реакций в брикетах велика: процесс завершается в брикете за 20-30 с, в загружаемой порции брикетов за 2-3 мин. Поэтому восстановившийся марганец равномерно распределяется во всем объеме металла, чему в значительной мере способствует введение в брикет доломита, что ускоряет растворение тугоплавкого глинозема (Т_пл=2050°С) и кремнезема (Т_пл=1723°С) и уменьшает угар алюминия и кремния. С другой стороны, при использовании таких брикетов в ходе их расплавления и окисления алюминия и кремния выделяется тепло. Это позволяет раскислять и легировать в ковше не только углеродистую, но и легированную сталь без большого перегрева ее перед выпуском. Однако хорошие показатели по извлечению марганца в металл при этом получаются только под достаточно основными шлаками, что увеличивает расход доломита и заметно снижает скорость и полноту восстановления оксидов марганца из руды. С другой стороны, при использовании таких брикетов наблюдаются довольно большие потери марганца, а его высокое извлечение даже при оптимальном соотношении между расходом руды и восстановителями 0,7 (89-91%) имеет место только благодаря тому, что значительная часть марганца в брикет вводится сплавом Fe-Mn-Si-Al. Извлечение марганца из руды, несмотря на наличие в брикете очень сильного восстановителя алюминия, составляет не более чем 70-80%. Наличие в составе известного брикета кремнийсодержащих материалов – оксидов кремния в марганцевой руде и образующегося диоксида кремния в процессе раскисления сплавом АМС стали и восстановления марганца из руды не нейтрализуется входящими в состав брикета оксидами магния и образующимися в процессе обработки металла оксидами алюминия. Поэтому значительная часть основного десульфурирующего компонента, входящего в состав брикета, – оксида кальция связывается в прочные соединения с диоксидом кремния, при этом активность оксида кальция резко снижается и десульфурация не происходит.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является брикет для раскисления и легирования стали, содержащий продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды в качестве марганецсодержащего компонента, ферросилиций ФС 45 и/или ФС 50 в качестве восстановителя марганца, флюс и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферросилиций ФС 45 и/или ФС 50 41,0-45,5; продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды 47,0-50,5; флюс 7,5-8,5; связующее – остальное (SU №2055910 С1, кл. С21С 7/00, С22С 35/00, опубл. 19.03.1997 г.).

Брикеты известного состава при использовании их в технологии легирования обладают высокой восстановительной способностью, обусловленную наличием в брикете активного по отношению к кислороду элемента – кремния. Однако известные брикеты имеют низкую десульфурирующую способность, поскольку оксид кальция, входящий в состав брикета, будет связан в прочное соединение с диоксидом кремния, значительное количество которого входит в состав окисного марганцевого концентрата, а также – образуется при легировании стали с использованием известного брикета в процессе восстановления марганца кремнием. Другие основные оксиды, входящие в состав брикета, не оказывают десульфурирующее действие при обработке стали, ввиду их малых концентраций. Кроме того, из-за значительного количества диоксида кремния, образующегося при раскислении стали или восстановлении марганца кремнием, входящим в состав известного брикета, а также оксидов железа, служащих источником кислорода в металлическом расплаве, невозможно выполнение одного из главных условий десульфурации – глубокого раскисления металла. Это отрицательно сказывается на процессе удаления серы из металла.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования брикета для легирования стали марганцем путем оптимизации качественного и количественного состава.

Ожидаемый технический результат – повышение десульфурирующей способности брикета при сохранении высокой восстановительной способности за счет образования известково-глиноземистого шлака с температурой плавления на 250-300°С ниже температуры сталеплавильных процессов, обладающего высокой серопоглотительной способностью, обеспечивающего синхронность процессов плавления исходных компонентов брикета, проведение восстановительного процесса и десульфурации стали.

Технический результат обеспечивается тем, что брикет для легирования стали марганцем, включающий термообработанный марганецсодержащий компонент, восстановитель, флюс, и связующее, по изобретению в качестве термообработанного марганецсодержащего компонента он содержит обожженный марганцевый концентрат, в качестве восстановителя – алюминийсодержащий материал, в качестве флюса – смесь уральского боксита, доломитизированной извести и обожженой извести, а в качестве связующего взят каолин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Целесообразно содержание в алюминийсодержащем материале глинозема и металлического алюминия.

Входящий в состав заявляемого брикета уральский боксит, имеющий в своем составе, мас.%: Al₂O₃ 56,2; Fe₂O₃ 26,0; SiO₂ 4,0; TiO₂ 2,4, способствует образованию известково-глиноземистого шлака с температурой плавления на 250-300°С ниже температуры сталеплавильных процессов. В алюминийсодержащемся материале, который является составной частью брикета, содержится глинозем и металлический алюминий. Глинозем используется для повышения жидкотекучести образующегося при обработке металла шлака и для связывания, входящего в состав марганцевого концентрата, диоксида кремния, чем обеспечивается повышение активности десульфурирующих оксидных составляющих шлака. Металлический алюминий используется для восстановления марганца и раскисления прилегающих к шлаку слоев металлического расплава. Процесс обработки стали с использованием заявляемых брикетов происходит в синхронном режиме, т.е. плавления исходных компонентов, входящих в состав брикета, восстановления марганца из оксидов, десульфурации марганцем прилегающих к зоне реакции слоев металлического расплава и равномерного распределения восстановленного марганца в объеме металлического расплава.

Начиная с первого периода восстановительного процесса и до его окончания температура в зоне восстановительной реакции и в прилегающих слоях металлического расплава близка к температуре плавления исходных компонентов брикета. В зоне восстановления протекает реакция:

Концентрация восстановленного марганца в прилегающих к зоне реакции слоях металлического расплава находится на уровне, превышающем значения выше 1,0%. Восстановленный марганец вступает в реакцию с растворенной в металлическом расплаве серой по реакции:

При низких температурах (менее 1300°С) коэффициент распределения серы между шлаком и металлом достигает значения 18, а содержание серы в верхних слоях металлического расплава снижается до значений 0,001%.

В связи с тем, что реакция десульфурации протекает в непосредственной близости с плавящимися компонентами брикета и толщина их оксидного слоя мала, образующиеся сульфиды марганца с высокой скоростью ассимилируются гомогенной оксидной фазой компонентов брикета с одновременным прохождением реакции:

Образующийся в результате реакции обмена оксид марганца восстанавливается алюминием согласно уравнению реакции (1).

Кроме того, в процессе плавления исходных компонентов, содержащихся в брикете, и восстановительной реакции образуется известково-глиноземистый шлак, отношение в котором CaO/Al₂О₃=1,00-1,05. При низкой вязкости такой шлак обладает высокой серооглотительной способностью, что способствует десульфурации металлического расплава во всем его объеме.

Таким образом, при обработке металла заявляемым брикетом десульфурация осуществляется посредством восстановленного марганца, а по мере повышения температуры – образовавшимся известково-глиноземистым шлаком, что способствует получению стали с низким содержанием серы.

Содержание обожженного марганцевого концентрата в брикете составляет 40,0-45,0 мас.%. Снижение содержания обожженного марганцевого концентрата в брикете приводит к нерациональному расходу восстановителя – алюминия, входящего в состав алюминийсодержащего материала, а также к повышению вязкости образующегося при обработке металлического расплава шлака и снижения показателей десульфурации. Повышение количества марганцевого концентрата в составе брикета приводит к содержанию в образующемся шлаке остаточных (невосстановленных) оксидов марганца, которые снижают серопоглотительную способность шлака.

Содержание в заявляемом брикете уральского боксита менее 7,5 мас.% приводит к повышению вязкости плавящихся компонентов, входящих в состав брикета, при обработке им металлического расплава, что снижает восстановимость легирующего элемента – марганца и ухудшает десульфурирующую способность брикета. Повышение количества уральского боксита до величины, превышающей 9,0 мас.%, приводит к нерациональному расходу восстановителя – алюминия на взаимодействие его с оксидами железа, входящими в состав брикета, снижая при этом показатели восстановимости марганца и ухудшая процесс десульфурации в результате повышения вязкости шлака из-за увеличивающегося количества глинозема в его составе. Снижение расхода доломитизированной извести ниже 12,0 мас.% приводит к повышению вязкости образующегося в процессе обработки металлического расплава шлака, что ухудшает процесс десульфурации металла и снижает показатели восстановимости марганца. Повышение содержания доломитизированной извести в составе брикета выше 14,0 мас.% также приводит к повышению вязкости образующегося шлака из-за повышенного содержания магнезии в его составе. Снижение количества обожженной извести в заявляемом брикете ниже 15,0 мас.% приводит к снижению восстановимости марганца из-за уменьшения основности образующегося в процессе обработки металлического расплава шлака, а также к снижению десульфурирующей способности брикета из-за уменьшения в составе образующегося известково-глиноземистого шлака извести и увеличения за счет этого количества глинозема. При этом повышается вязкость шлака, что ухудшает процесс десульфурации. Повышение количества обожженной извести более 18,0% также отрицательно скажется на физических характеристиках образующегося шлака, повышая его вязкость, что приведет к снижению восстановимости марганца и уменьшению степени десульфурации.

Содержание каолина в брикете в количестве 3,5-4,5 мас.% обеспечивает их прочность. Снижение расхода каолина ухудшает механические характеристики брикета – прочность, истираемость, гигроскопичность, что приводит к снижению технологических показателей при обработке стали заявляемыми брикетами. Повышение расхода каолина выше заявляемого предела вносит в состав брикета дополнительное количество диоксида кремния, что повлечет за собой необходимость дополнительного расхода компонентов, содержащих в своем составе оксиды, которые могут связать диоксид кремния в прочные сложные соединения. Это приводит к нерациональному повышению расхода других материалов и ухудшению показателей восстановимости марганца и десульфурации стали.

Пример 1.

Брикеты изготавливали следующим образом. Обожженный марганцевый концентрат состава, мас.%: Mn 39,1; SiO₂ 18,2; Al₂О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe₂О₃ 2,06; S 0,05 смешивали с уральским бокситом состава, мас.%: Al₂О₃ 56,2; Fe₂О₃ 26,0; SiO₂ 4,0; TiO₂ 2,4, доломитизированной известью, в состав которой входит 56,0% CaO и 19,6% MgO, обожженной известью, содержащей 94,3% CaO, алюминийсодержащим материалом, содержащим в своем составе 27,2% глинозема и 41,5% металлического алюминия. В смесь добавляли каолин, в состав которого входит глинозем в количестве 52,3% и кремнезем в количестве 14,7%, полученный материал подавали на брикетный пресс и при давлении 65 МПа получали брикеты. Затем брикеты загружали в обжиговую чашу и осуществляли термообработку при 450°С в течение 1,5 часа.

Брикеты предлагаемого состава использовали при обработке металлического расплава химического состава, мас.%: С 0,05; Mn 0,09; Si 0,03; S 0,018; P 0,010 в индукционной печи ИСТ-006. Пробы металла на химический анализ отбирали через 5 минут после обработки металлического расплава вводимыми материалами.

Плавку с известными брикетами – ближайшего аналога состава, мас.%: ферросилиций ФС 45 – 42,0; продукт совместной термической обработки смеси окисного марганцевого концентрата и карбонатной марганцевой руды – 50,0; флюс – 8,0; связующее – остальное, проводили в той же индукционной печи при обработке металлического расплава химического состава, мас.%: С 0,04; Mn 0,10; Si 0,03; S 0,016; P 0,011.

Пробы металла на химический анализ отбирали через 5 минут после обработки металлического расплава вводимыми материалами. Состав предлагаемого и известного брикетов и технологические показатели плавок представлены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что при обработке металлического расплава брикетами заявляемого состава, показатели десульфурации существенно превосходят показатели плавки с использованием известных брикетов, при, практически, такой же восстановимости марганца.

Формула изобретения

1. Брикет для легирования стали марганцем, включающий термообработанный марганецсодержащий компонент, восстановитель, флюс и связующее, отличающийся тем, что в качестве термообработанного марганецсодержащего компонента он содержит обожженный марганцевый концентрат, в качестве восстановителя – алюминийсодержащий материал, в качестве флюса – смесь уральского боксита, доломитизированной извести и обожженной извести, а в качестве связующего – каолин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Брикет по п.1, отличающийся тем, что алюминийсодержащий материал содержит глинозем и металлический алюминий.