Способ получения особонизкоуглеродистого расплава

ОЮЭ СОВЕТСНИХОЦИАЛИСТИЧЕСНИХЕСПУБЛИН ИЯ,к -ьСТ ТОРСКО е ентов стрл и ч а юснюкения ращения я расхода и огнеупо ческого циккого меодят в расп(100 тлиэлем п, 1, ото окислыпри следующных фракций: нтов соот 25 мас. 60-75 мас 10-15 мас,Ж ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕ 1 СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗО(71) Центральный ордена ТрудовогоКрасного Знамени научно-исследовательский институт черной металлургииим. И. П, Бардина(53) 669,18.27(088.8)56) 1.Патент США Иф 4160664,кл. 75-49, опублик, 1979.2. Патент ВеликобританииВ 1495723, кл. С 7 О,"опублик. 1977 54) (57) 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБОНИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО РАСПЛАВА черных еталлов, включающий продувку расп".ние в расплав окислов элемей нейтрапьного газа, о тщ и й с я тем, что с цельютрудоемкости процесса, сокрасхода кислорода, сниженираскислителей, легирующихров, сокращения, технологила и увеличения выхода видтапла, окислы элементов ввлав в виде частиц размером2000)хО 8 см.2. Способ пощ и й с я тем, чвводят в расплавноюении размерФракция (00150)хО см 5ФРакция 501600)х 10 смФракция 6011000)х 101 10544Изобретение относится к чернойметаллургии, в частности к выплавке , и внепечной обработке особонизкоуглеродистой стали.Обезуглероживание стальных расплавов до весьма низких содержаний углерода (менее 0,02%) сопряжено со значительными технологическими трудностями, обусловленными существенным замедлением, а при . концентрациях 10 углерода менее 0,03% - даже прекра-. щением реакции обезуглероживания.В термодинамике известно выражение для константы равновесия реакции обезуглероживания 15 К = О 2 где Рт-О и Р - парциальные давления2 СО и О соответственно; С - кон О центрация углерода в стали в процентах.Если Ро 1 атм и концентрация углерода 0,1%, то реакция обезуглероживания протекает при Рр = 25 р" г -г24004 При с 01 щ 0,05% требуется деелеии кислорода в зоне реакции, равное 400 К, т.е. в четыре раза большее; зо2 при С= О, 02% Р 2500 К, т. е. в 25 раз большуе," а при С 0,01%2 Р =10000 К , т.е. в 100 раз большее.Создание столь высоких парциальных З давлений кислорода в зоне реакции при современном уровне техники практически невозможно. Поэтому при продувка металла кислородом снижают парциальное давление окиси углерода в зоне 4 О редакции, применяя глубокое вакуумиро,вйние стали. Однако этот метод связан со значительными капитальными затратами на создание специализированоых вакуумных отделений, оборудованных устройствами для подогрева металла, на обслуживание и эксплуатацию этих отделений. Кроме того, при проИзводстве легированных сталей (например, высокохромистых, марганцовистых) при вакуумировании происходят значительные потери легирующих эле- ментов.Поскольку процесс ведут при повышенных температурах (1700 С и выше),55 создаются исключитвльно,сложные условия службы огнеупоров. Обычные огнеупоры не гарантируют безаварийной работы, Для осуществления процес 27 ъса требуются огнеупоры со специальными свойствами,Известен процесс получения сверхнизкоуглеродистой стали (нержавеющей), проводимый в две стадии. Напервой стадии получают низкоуглеродистый расплав нержавеющей стали с.содержанием углерода до 0,1% посредством продувки металла кислородом в вакуумной печи. На второй стадии полученный расплав подвергают,дополнительному обезуглероживаниюв вакуумной печи для получения содержания углерода 0,005% и вышепосредством глубокой продувки смесьюкислорода и аргона. При этом соотношение выделяемых и вдуваемых газовстрого регламентировано Е 1 1.Недостатки указанного способа зак-0лючаются в том, что процесс осуществ- .ляется в вакуумном агрегате и что онсопровождается значительными потерями легирующих элементов. Процесс протекает г большим тепловыделением из-,за окисления железа и легирующихэлементов, в результате чего создаются тяжелые условия службы огнеупоров,Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому эффекту кизобретению является способ полученияособонизкоуглеродистого расплава,"включающий продувку расплава кислородом и последующее введение в расплавокислов элементов струей нейтральногогаза С 23.11 едостаток способа состоит в том,что введение окислов. с .размерами частиц 0,5-30 мкм не .оказывает влияниена реакцию обезуглероживания. Болеетого, введение окислов, имеющих низкую термодинамическую устойчивостьпри температурах сталеплавильного про-.цесса, сопровождается их быстройдиссоциацией на элемент и кислороди сильным снижением температуры металлического расплава вследствиеэндотермического характера реакции.При этом ухудшаются термодинамические условия реакции обезуглероживания и процесс замедляется. Крометого, введение большинства окисловизменяет химический состав стали,что в ряде случаев нежелательНо.Содержание кислорода в металле после такой обработки находится на уровне равновесного с углеродом.Цель изобретения - снижение труседоемкости процесса, сокращение расхода кислорода, снижение расхода рас3 1054кислителей, легирующих и огнеупоров,сокращение технологйческого цикла иувеличение выхода жидкого металла.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно. способу получения3особоннэкоуглеродистого расплава,включающему продувку расплава,кислородом и последующее введение врасплав окислов элементов струейнейтрального газа, окислы элементов 30вводят в расплав в ниде частиц размером (100-1000) х 10 Есм.Кроме того, окислы элементов вводят в расплав при следующем соотношении размерных:фракций:,фракция (100-500) х 0 Всм 1525 мас.%Фракция (501-600)х 10 см 6075 мас.Ж.Фракц (бО 1-1000) х 10 Есм 1015 мас.%Способ осуществляется следующийобразом.В сталеплавильном агрегате получают метаплический расплав и продувают его кислородом. Продувку осуществляют до.содержания углерода 0,050,1%, Продувка кислородом до болеенизких содержаний углерода неце-:лесообразна, поскольку для снижения содержания углерода менееЗО0,05% требуется значительный перегрев расплава и сильное пересыщение его кислородом, что приводит кудлинению плавки, повышению износаогнеупоров и увеличению расходараскислителвй и легирующих, Верхнийпредел содержания углерода (0,1%)обусловлен тем, что при прекращениикислородной. продувки при концентрацни углерода 0,1% содержание кислорода в металле обычно составляет0,04-0,06%, что достаточно для последующего глубокого обеэуглерожидания расплава. Прекращение продувки кислородом при более высокихконцентрациях углерода не обеспечивает дальнейшее обеэуглероживаниерасплава,45Окислы термодинамически устойчивых элементов практически не диссоциируют в расплаве и снижают его тейпературу незначительно (затраты тепла только на нагрев окислов).Иинимальный размер частицы 100 хх 10 Есм обусловлен техническими возможностями их получения.При увелиенин размера частиц ба,.нее .1000 х 10 см воздействие окис-.пов на реакцию окисления углеродауменьшается , обезуглероживание замедляется, а в большинстве случаев прекращается,После прекращения продувки расплава кислородом в него вводят посредством вдувания нейтральным газом- носителе% например аргоном, дисперсные термодинамически устойчивые при температурах расплава (1650 о17.50 С) окйслы элементов, например, из группы алюминий, РЗИ, цирконий. Размер вводимых з металл окислов дол 4 г 7 4жен составлять (100-000)х 10 см,Рекомендуемое количество окислов0,1-1,5 кг/т.Введение термодинамически устойчи"вых окислов не вызывает значитель.ное;снижение температуры расплава,поскольку тепло на эндотермическую:реакцию"их.разложения не расходуется. Легйрозавие стали вводимымиокислами незначительно. Кроме того,во время реалии обезуглерозивания частицы этих окйелов захватываютсяпузырьками образ 1 пещейся окиси углерода и всплывают:на поверхность расплава,Введение в металл дисперсных окис-;лов может быть осуществлено как всталеппавильном агрегате, так и внеего, например в сталеразливочном ковше.Днсперсные окислы, вводимые в расп,лавленный металл, насыщенный кислородом, имеют чрезвычайно высокую по".верхность раздела (например, приразмере частиц 500 х 10 Есм 1 гоки-,си алюминия содержит 0,39 х 10 фчастиц, имеющих поверхность около 30 ьавиа которой адсорбируются поверхностно"активные элементы, в частностикислород, В результате на границе раздела частицы окисла - жидкогометалла облегчается реакция обеэугле"роживания Размер частиц окислов соизмерим с:размером зародышагазового пузыряпродукта реакции -окиси углерода, врезультате чего облегчается реакция7 беэуглероживания. ф%е исключено, что окислы пере-, численных элементов оказывают каталитическое влияние на реакцию окис пения углерода.3фПаилучшие результаты достигаются при использовании дисперсных окис", лов следующего фракционного составаФракция (100500)х 10 см 5-25 вес,Х 5Фракция (501600) х 10 8 смФракция 16011000)х 1 бфсм 0-15 вес.%Таким образом, под влиянием введенных в.металлический расплав дисперсных термодинамически устойчивых окислов активизируется растворенный кислород и развивается реакция обезуглероживания.При этом уменьшается концентрация растворенного кислорода ниже равновесной с углеродом, происходит раскисление расплава, Расход дисперсных окислов, достаточный для получения металла с содержанием углерода менее 0,015 , составляет 0,1-1,5 кг на 1 т стали. 10544 27 60-75 вес.75l П р и м е р 2. В индукционной 50- килограммовой печи расплавляют угле родистую металлическую шихту. Раоплав продувают кислородом до содержания углерода 0,05 , Затем подачу кислорода прекращают и в металл .при температуре 1650 С вводят 45 г (0,9 кгт) порошка дисперсной окиси алюминия с размером частиц (100 Иеньшие расходы окислов обычно выбирают при сильно переокисленном ме"талле при остановке кислородной продувки на содержании 0,05 углерода.Более высокие расходы дисперсныхокислов (около 1,5 кг/т) выбирают присодержании углерода в конце продувки около 0,1 Д,или для получения стали с содержанием углерода менее0,01% и особенно менее 0,005%.После введения окислов и завершения реакции обезуглероживания в расплав присаживают раскислители и легиру 35ющие и подвергают, дальнейшему обычно-му переделу,Способ применим при производствестали с содержанием углерода 0,002 О,ОВ, В частности при производствеовариваемых нержавеющих сталей,электротехнической стали с низкими ваттными потерями, других сталей и сплавов с особыми физическими свойствами.45Основные преимущества способа состоят в том, что значительно снижаются трудоемкрсть производства особонизкоуглеродистого металла, сокращается технологический цикл его получения, а для проведения процесса не тре,50буется большой перегрев расплава, врезультате чего улучшаются условияслужбы огнеупоров и сокращается ихрасход.Кроме того, в результате осуществления способа достигается сокращение расхода кислорода на продувку,снижение в металле содержания кислорода и уменьшение расхода раскислителей и пегирующих, в том числе таких как никель, вольфрам, и т.п а за счет снижения углерода железа снижается расход металлошихты на выплавку и увеличивается выход жидкого металла.В результате снижения содержания углерода становится возможным производство металла с гарантированным в узких пределах низким содержанием углерода, в результате чего может быть упрощена технология его дальнейшего передела (например, сокращение или полная ликвидация обезуглероживающего отжига электротехнической стали, сокращение гомогенизирующей ,обработки нержавеющей стали и т.п.) и упрощена технология монтажа металлоконструкций за счет повышений свариваемости металла.П р и м е р 1, В индукционной 50- Килограммовой печи расплавляют углеродистую металлическую шихту. Расплав продувают кислородом до содержания углерода 0,1 Е, Затем подачукислорода прекращают, и в металл при температуре 1600 С вводят 15 г (О,З кг/т) порошка дисперсной окиси алюминия с размером частиц (100- 1000)х 10 см, имеющей фракционный составФракция (100500)х 10 см 15%Фракция (501600)х 10 смФракция (6011080) х 10 8 см 10% Диснерсную окись алюминия вводят в расплав сверху через алундовую трубку в струе аргона. Через 1 мин после завершения реакции при температуре 1600 оС в металле содержится 0,0143 углерода. Содержание кислорода составляет 0,039 ., что зьачительно ниже равновесного с данным углеродом, равного 0,1 2 при температуре 600 С.75% 18% Тираж 568 Подписное ВНИИПИ Заказ 904 О 34 Филиал 111 П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 7 105441000)х 10 8 см,имеющей фракционный составФракция (100. 500)х 10 см 15%фракция (5015600)х 10 смФракция (6011000)х 10 8 см 10%Дисперсную окись алюминия вводятв расплав, как в примере 1, сверху 1 Очерез алундовую трубку струей аргона,Через 1 мин после завершения реакции отбирают пробу.:Содержание; угле-рода составляет 0,007%, кислорода -0)0288% (равновесное 0,47% ). Затем металл раскисляют, вводят легиру- .ющие элементы и разливки в изложницына слитки массой по 10 кг,П р и м е р 3. В индукционной50"килограммовой печи расплавляют углеродистую металлическую шихту.Расплав продувают кислородом до содержания углерода 0,07%, Затем подачу кислорода прекращают, и в металлпри температуре 1640 С вводят 1,5 г . 25(0,03 кг/т) порошка дисперсной окиси алюминия с размером частиц (1001000)х 10 см,имеющей, фракционный составФракция (100- 30500)х 10 смФракция (501600) х 10 см 70%Фракция (6011000)х 10 Есм 12% Дисперсную окись алюминия вводятр расплав сверху через алундовую трубку в струю аргона. Через 1 мин послезавершения реакции в металле содержится 0,018% углерода. Содержаниекйслорода составляет 0,100%, что значительно ниже равновесного с даннымуглеродом, равного 0,18% при температуре 640 ос,1 П р и м е р 4. В индукционной 50- килограммовой лечи расплавляют углеродистую металлическую шихту. Расплав продувают кислородом до содержания углерода 0,05%. Затем подачу кислоро 50 да прекращают, и в металл при температуре 1650 С вводят 7-5 г (1,5 кг/т) порошка дисперсной окиси алюминия 2.7 8с размером частиц (100-1000)хО е см,имеющей фракционный составФракция (100500)х 10" см 25%фракция (501600)х 10 см 60%фракция (601-1000)х 10 см 15%Дисперсную окись алюминия вводят в расплав, как в примерах 1-3,сверху через алуйдовую трубку струей аргона, Через 1 мин после завершения реакции отбирают пробу. Со-,держание углерода составляет 0,005%,кислорода - 0,0268% (равновесное0,64%), Затем металл раскисляют, вводят легируюпде элементы и разливают в изложницы на слитки массой по10 кг,Приведенные примеры показывают,что предлагаемый способ позволяетсущественно сократить технологический цикл производства особониэкоуглеродистой стали и за счет этогоснизить расход кислорода на продувку металла, уменьшить угар железа иувеличить выход жидкого металла, снизить температуру процесса и за счетэтого улучшить условия службы огнеупоров и сократить их расход.. Снижение концентрации кислородав металле по сравнению с равновеснойс углеродом после введения в металлдисперсных окислов также позволяетуменьшить угар раскнслителей и легирующих.В яромьипленных условиях способможет бйФФ осуществлен практическив любом стйлеплавильном агрегате, оборудованном средствами.для продувкиметалла кислородом и вдувания порошкообраэных материалов однаконаиболее предпочтительным являетсяпроведение процесса введения дисперсных окислов вне печи - в ковшах, наустановках внепечной обработки и т.д.Дисперсные окислы получены наполупромышленной установке плазменным распылением. Для промышленного производства дисперсных окисловтребуются капитальные затраты настроительство специального ипи расширение действующих отделений порошковой металлургии,