Патент на изобретение №2172349

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

(57) Реферат:

Способ включает выплавку металла в плавильном агрегате, его раскисление, легирование азотом, разливку и последующую прокатку. В жидкий металл (ЖМ) вводят элементы, сродство которых к азоту больше, чем у железа. ЖМ насыщают азотом до концентрации, превышающей предел его растворимости в твердом металле, обеспечивающей необходимую степень его легирования и выделение азота в газообразную фазу при кристаллизации металла в количестве, достаточном для компенсации усадки металла. ЖМ насыщают азотом из атмосферы плавильного агрегата и/или продувкой металла азотсодержащими газами (АГ), и/или присадкой азотсодержащих материалов (AM). В качестве АГ используют воздух, газообразный технический азот, смесь азота с аргоном, смесь азота с горючими газами. В качестве AM используют азотированные ферросплавы и/или азотсодержащие минеральные, и/или органические материалы. В качестве элементов, сродство которых к азоту больше, чем у железа, в ЖМ вводят материалы, содержащие Cr, Mn, Mo, Аl, V, Nb, Ti, Zr и/или их сочетание. Для каждой марки стали выбор вводимых элементов и азотсодержащих материалов, их соотношение и количество определяется индивидуально. Использование предлагаемой технологии по сравнению с известной позволяет разливать легированную азотом сталь в уширенные книзу изложницы и за счет снижения головной обрези повысить выход годной стали не менее чем на 8-10%, исключить применение прибыльных надставок и утеплителей, уменьшить производственные трудозатраты, сократить затраты на легирование, расширить сортамент выпускаемых сталей с гарантированным уровнем механических свойств, увеличить производительность комплекса в целом. Суммарное снижение себестоимости производства стали по изобретению составит не менее 10-12%. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали.

В настоящее время наиболее близким типовым способом производства стали является способ, при котором расплав получают в плавильном агрегате, легируют, раскисляют, после получения заданного состава и температуры полученную сталь разливают на МНЛЗ, либо в уширенные кверху изложницы с прибыльными надставками и теплоизолирующими плитами с последующей передачей в прокатное производство. (Технологическая инструкция ТИ 102-СТ. КК-66-95, НТМК “Производство ванадиевого шлака и стали в конвертерах” 1995 г.). При данном способе сортимент стали ограничен, а при разливке в изложницы имеются потери металла с головной обрезью (до 10-14%).

Изобретение направлено на решение технической задачи – разработку способа производства легированной азотом стали, позволяющего осуществить разливку в уширенные книзу изложницы без прибыльных надставок и теплоизолирующих плит.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи – расширение сортамента выплавляемых сталей с улучшенными механическими свойствами, сокращение головной обрези, исключение прибыльных надставок и утеплителей при разливке в изложницы, увеличение производительности комплекса в целом.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем выплавку металла в плавильном агрегате, его раскисление, легирование азотом, разливку и последующую прокатку, по изобретению в жидкий металл вводят элементы, сродство которых к азоту больше, чем у железа, жидкий металл насыщают азотом до концентрации, обеспечивающей необходимую степень его легирования и выделение азота в газообразную фазу при кристаллизации металла в количестве, достаточном для компенсации усадки металла. В качестве элементов, сродство которых к азоту больше, чем у железа, в жидкий металл вводят материалы, содержащие Cr, Mn, Mo, Al, V, Nb, Ti, Zr или их сочетание в количествах, обеспечивающих необходимую степень растворимости азота в жидком расплаве и полное связывание растворенного азота в нитриды и карбонитриды при кристаллизации металла (степень легирования). Металл насыщают азотом из атмосферы плавильного агрегата и/или продувкой металла азотсодержащими газами, и/или присадкой азотсодержащих материалов, при этом в качестве азотсодержащих газов используются воздух, газообразный технический азот, смесь азота с аргоном, смесь азота с горючими газами, а в качестве азотсодержащих материалов используются азотированные ферросплавы и/или азотсодержащие минеральные, и/или органические материалы. В качестве азотсодержащих материалов можно использовать азотированные ферросплавы (ферромарганец, силикомарганец, феррохром, ферросилиций, ферротитан) и/или азотсодержащие минеральные, и/или органические материалы (карбамид, цианомид кальция, аммиачную селитру). Разливку металла производят на МНЛЗ, либо в уширенные книзу изложницы без утепления.

Способ основан на том, что в изобретении используется явление – “азотное кипение”, которое заключается в том, что жидкий металл насыщают азотом до концентрации, превращающей предел его растворимости в твердом металле и обеспечивающей его выделение в газовую фазу в процессе кристаллизации металла с образованием газовых пузырей. Величина концентрации для различных марок стали принимается исходя из условий получения необходимого уровня легирования, минимальных усадочных явлений и получения необходимых механических свойств стали.

Для организации “азотного кипения” и связывания растворенного азота (обеспечение необходимой степени легирования) в металл вводят Cr, Mn, Mo, которые обладают большим химическим сродством к азоту, чем железо (при парциальном давлении азота, равном 1 атм, эти элементы в жидком железе при концентрациях, встречающихся в стали, нитридов не образуют, однако заметно увеличивают растворимость азота в жидком металле), V, Nb, Ti, Zr, которые образуют прочные нитриды (с увеличением концентрации этих элементов растворимость азота в жидком железе возрастает), Al, который образует прочные нитриды (растворимость азота не изменяет). При этом Al образует нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения -Fe в -Fe; V, Nb, Zr образуют нитриды во время кристаллизации, Ti образует нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации. Образующиеся нитриды и карбонитриды обеспечивают необходимые механические свойства полученной стали при уменьшенных расходах ферросплавов.

Эти элементы могут вводиться в чистом виде, в виде лигатур, азотированных ферросплавов, азотированных комплексных сплавов. Для каждой марки стали выбор вводимых элементов и азотсодержащих материалов, их соотношение и количество определяется индивидуально.

На практике концентрацию азота для конкретной марки стали, при наличии нескольких легирующих элементов, определяют экспериментально или используют уравнение
Lg[%N]_спл.= Lg[%N]_Fe–e^R_N[%R],
где коэффициенты активности легирующих элементов выражены через параметры взаимодействия первого, а при необходимости и второго порядка.

Для корректировки состава стали и усадочных явлений присадка соответствующих материалов возможна непосредственно в промковш или в изложницы.

Опыты проводились на металлургическом комплексе, оснащенном кислородными конвертерами емкостью 160 т.

Пример.

В кислородных конвертерах провели 21 плавку с продувкой передельного чугуна на сталь. В конвертер заливали 160 тонн чугуна следующего химсостава, мас.%: C 4,2, Si 0,6, Mn 0,52, P и S – 0,05.

Заказанная сталь – 12САТЮ-1 (условная марка) – аналог базовой марки 09-12Г2С
Продувку плавок производили кислородом через четырехсопловую фурму с интенсивностью 370-390 куб. м/мин в течение 25-27 минут. В начале продувки фурму устанавливали на высоте 2,0-2,5 м над уровнем спокойного металла и после продувки в течение 3-4 минут фурму опускали до 1,0-1,3 м. По ходу продувки по тракту сыпучих материалов присаживали известь, доломит, плавиковый шпат в количествах 35-37, 2,0-2,5, 0,3-0,6 кг/т чугуна соответственно. Присадку сыпучих материалов осуществляли порциями на 3,5 и 8 мин. После продувки производили выпуск металла из конвертера.

В конвертере, перед выпуском, получили металл с температурой 1610-1630^oC, следующего среднего химсостава, мас.%: C -0,12, Si-сл., Mn-0,13, P и S-0,025, N-0,003.

На выпуске в ковш с металлом для раскисления присаживания (кг): чушковый алюминий (АВ 86) – 100, ферротитан (ФТи 20) – 60, силикокальций (СК 15) – 120, ферросилиций (ФС 45) – 2000, а для азотирования вводили карбамид – 100 и азотированный силикомарганец – 1000.

Металл разливали в сквозные уширенные книзу изложницы СТ-17 без использования утеплителей, масса слитка составила 17 т. Получили сталь следующего среднего химсостава, мас.%: C-0,16, Si-0,9, Ti-0,013, Ca-0,01, Mn-0,6, Al-0,05, P и S-0,035, N-0,025, что соответствует заданному составу. При прокатке головная обрезь составила 2,6%. Испытание механических свойств металла показало их соответствие свойствам конструкционных марок сталей классов C345-C375.

Использование предлагаемой технологии по сравнению с известной позволяет разливать легированную азотом сталь в уширенные книзу изложницы и за счет снижения головной обрези повысить выход годной стали не менее чем на 8-10%, исключить применение прибыльных надставок и утеплителей, уменьшить производственные трудозатраты, сократить затраты на легирование, расширить сортамент выпускаемых сталей с гарантированным уровнем механических свойств, увеличить производительность комплекса в целом. Суммарное снижение себестоимости производства стали, по предлагаемой технологии составит не менее 10-12%.

Формула изобретения

1. Способ производства стали, включающий выплавку металла в плавильном агрегате, его раскисление, легирование азотом, разливку и последующую прокатку, отличающийся тем, что в жидкий металл вводят элементы, сродство которых к азоту больше, чем у железа, жидкий металл насыщают азотом до концентрации, обеспечивающей необходимую степень его легирования и выделение азота в газообразную фазу при кристаллизации металла в количестве, достаточном для компенсации усадки металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металл насыщают азотом: из атмосферы плавильного агрегата, и/или продувкой металла азотсодержащими газами, и/или присадкой азотсодержащих материалов.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащих газов используются воздух, газообразный технический азот, смесь азота с аргоном, смесь азота с горючими газами.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащих материалов используются азотированные ферросплавы, и/или азотсодержащие минеральные, и/или органические материалы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве элементов, сродство которых к азоту больше, чем у железа, в жидкий металл вводят материалы, содержащие Сг, Мn, Мо, Аl, V, Nb, Ti, Zr и/или их сочетание в количествах, обеспечивающих увеличение растворимости азота в жидком расплаве и полное связывание растворенного азота в нитриды и карбонитриды при кристаллизации металла.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку металла производят в уширенные книзу изложницы без утепления.