Способ выплавки стали и смесь для легирования стали

(72 А,А В Ю СМЕ окисокисли анадийние вос. новил и- целью 10-16 6-10 ОстальнГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИД(71) Уральский научно-исследовательский институт черных металлови Чусовской металлургический завод(56) 1. Патент Японии 9 13173,кл. 10 д 161 1 С 21 С 39/50), 1972.2, Авторское свидетельство СССР9.358374, кл, С 21 С 5/52, 1969.3. Авторское свидетельство СССРР 394437, кл. С 21 С 5/52, 1970,4. Авторское свидетельство СССР9 196064, кл. С 21 С 5/52, 1964.5. Авторское свидетельство СССР9 276427, кл. С 22 С 35/00, 1970,б. Авторское свидетельство СССРВ 368343, кл. С 22 С 35/00, 1973.(54) СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ ИДПЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ,(57) 1, Способ выплавки сталвключающий расплавление шихтлительный период, скачиваниетельного шлака, легированиесодержащим материалом, наведстановительного шлака, воссттельный период и выпуск, о тч а ю щ и й с я тем, что, с повышения степени усвоения ванадия в процессе плавки, повышения механических свойств металла и снижения его себестоимости, легирование стали ванадием и наведение восстановительного шлака проводят смесью, состоящей из технической пятиокиси ванадия молотого кокса, ферросилиция, алюминиевого порошкаплавикового шпата и извести, вводимой сразу после скачивания окислительного шлака в количестве 2-5 от массы жидкого металла.2. Смесь для легирования стали, включающая ванадийсодержащий мате риал, ферросилиций, алюминиевый порошок, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения степени усво- Е ения ванадия в процессе плавки, пов щения механических свойств металла и снижения его себестоимости, смесь дополнительно содержит молотый кокс плавиковый шпат и известь, в качест ве ванадийсодержащего материала - Я техническую пятиокись ванадия, а компоненты смеси взяты в следующем соотношении, мас.В: Техническаяпятиокись ванадия 5-15Молотый кокс 5-10 ферросилиций 15-20 Алюминиевый порошок Плавиковый шпат Известь оеИзобретение относится к черной металлургии, а именно к производству ванадийсодержащих сталей в дуговых электросталеплавильных печах Известен способ получения сплавов, легированных ванадием, заключающийся н том, что сырую ванадийсодержащуюруду в смеси с угольнымпорошком постепенно добавляют наповерхность расплавленного металлав печи, восстананливая окись ванадия 1 3,Недостатком указанного способаприменительно к выплавке стали является необходимость введения большого количества ванадиевой руды, имеющей низкую концентрацию ванадия.Значительные присадки окисленных материалов приводят к перерасходуэлектроэнергии и раскислителей,снижают качество металла, засоряя егонеметаллическими включениями и кислородом.Известны способы выплавки сталис использованием ванадиевого конвертерного шлака, который вводят в завалку или в периоды плавления, окислительный или восстановительный )2 )и 133.В процессе плавки окислы ванадияиз шлака .восстанавливают углеродом, З 0кремнием и марганцем металла и специально нвадимйми восстановителями ( уг. ерод, кремний, алюминий ), при этомвосстановленный ванадий переходит нметалл, легируя его., 35Недостатки данных спОсобов - повышенный расход восстановителей,-высокое содержание закиси железа в шлаке перед выпуском металла из печи,трудность Формирования шлака с необходимыми физико-химическими свойствами, недостаточно высокие механическиесвойства выпланляемых сталей.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемо му результату являетСя способ выплавки стали, включающий расплавлениешихты, окислительный период, скачина-.ние окислительного шлака, легированиеванадийсодержащим материалом, наведение восстановительного шлака, восстановительный период и выпуск 4 ).Однако содержание пятиокиси ванадия в шлаке не превышает .25 (остальное - окислы железа, марганца, титана и др.), что требует повышенного. 55его расхода, (т.е. для введения 1 кгванадия необходимо не .менее 10 кгшлака), при этом вносится большеколичество окислов железа и марган-.ца, которые необходимо носстанавливать, а также до 40 балластныхокислов (810, Т 102, СаО, МдО, Сг 20),которые увеличивают общее количество печного шлака. Степень усвоенияванадия н известном способе не пре вышает 75, имеет место засорение металла неметаллическими включениями.Известна экзотермическая смесь, содержащая, мас.;Ванадиевый шлак ОснонаАлюминий 8-16Кремний 4-12Кальций Не более 5 5.Недостатками известной смеси являются повышенная вязкость шлака, образующегося в печи после ее расплавления, низкая степень извлечеиия ванадия, а также высокий расход смеси для обеспечения заданного содержания ванадия в стали, так как концентрация пятиокиси ванадия н ванадиеном шлаке не превышает 25.Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является смесь для легиронания стали, включающая, мас.:Алюминий 8-16Кремний 4- 12Окись кальция 8-15Кальций Не более 5Ванадиевыйшлак Остальное 61.Недостатками известной смеси являются высокий расход ее для обеспечения заданного содержания ванадия в стали, необходимость восстановления содержащихся в ванадиевом шлаке " окислов железа и марганца, н снязи с этим. повышенный расход раскислителей на 1 кгсодержания ванадия в стали и высокая себестоимость.легирования, а также невысокие механические свойства полученного металла.Цель изобретения - повышение степени усвоения ванадия в процессе плавки, повышение механических свойств металла и снижение его себестоимости.Постанленная цель достигается тем, что согласно способу ныплавки стали, включающему расплавление шихты, окислительный период, скачинание окислительного шлака, легирование ванадийсодержащим материалом, наведение восстановительного шлака, восстановительный период и выпуск, легирование стали ванадием и, наведение восстановительного шлака проводят смесью, состоящей из технической пятиокиси ванадия, молотого кокса, ферросилиция, алюминиевого порошка, плавикового шпата и извести, вводимой сразу после скачивания окислительного шлака в количестве 2-5 от массы жидкого металла.Смесь для легирования стали, включающая ванадийсодержащий материал, Ферросилиций, алюминиевый порошок, дополнительно содержит молотый кокс, плавиковый шпат и известь, в качестве ванадийсодержащего материала- техническую пятиокись ванадия, а компоненты смеси взяты в следующем соотношении, мас.:Техническаяпятиокисьванадия 5-15Молотый кокс 5-10 5ферросилиций 15-20Алюминиевыйпорошок 10-16Плавиковый шлат 6-10Известь Остальное 10Техническая пятиокись ванадия содержит 76-82 ЧО, 6-8 ГеО, 4-6 МпО, остальное - окислы титана,хро-, ма, кремния, При необходимости содер. жанне пятиокиси ванадия может быть увеличено до 98. Таким образом, концентрация ванадия в технической пятиокиси составляет 43-55, что делает этот .материал наиболее приемлемым для прямого легирования стали по сравнению с другими материалами, содержащими ванадий в виде окислов (ванадиевая руда, шлак и т.п.). Количество технической пятиокиси ванадия (5-15.) выбрано, исходя из необходимости обеспечения заданного содержания ванадия в стали.Молотый. кокс в количестве. 5-10 обеспечивает снижение расхода более дорогостоящих раскислителей - ферросилиция и алюминия, Кроме того, 30 применение его не снижает основности печного шлака. Менее 5 кокса не обеспечивает достаточной экономии ферросилиция, а более 10 приводит к увеличению остаточного содержания 35 углерода в металле, что нежелательно для малоуглеродистых сталей.ферросилиций и алюминиевый порошок взяты как основные восстановители для пятиокиси ванадия, а также 40 для окислов железа, которыми металл насыщен после окислительного периода плавки. Количество их обеспечивает максимальную степень усвоения ванадия металлом, а соотношение - обраэование печного шлака с низкой вязкостью и температурой плавления.Увеличение расхода Ферросилиция свыше 20 приводит к неоправданному увеличению себестоимости легированйя, а, алюминия свыше 16 - к увеличению, кроме того температуры плавления и вязкости шлака.Плавиковый шпат обеспечивает до полнительное разжижение шлака для облегчения диффузионных процессов 55 при восстановлении ванадия, а известь - необходимую основность печного шлака для создания оптимальных Физико-химических свойств и повышения активности пятиокиси ванадия, 60 благодаря чему достигается высокая степень усвоения ванадия металлом.Состав легирующе-восстановитель.ной смеси, в которую входит техническая пятиокись ванадия, выбран, ис. 65 ходя из необходимости формйрования шлака, облацающего оптимальными физико-химическими свойствами, такими как вязкость, температура плавления, основность, термодинамическая активность ЧО. Образование такого шлака обеспечивает максимальную степень восстановления ванадия и перехода его в металл.В табл.1 приведены составы печного шлака, образующегося в начале восстановительного периода при ис" пользовании способа-прототипа (1) и предлагаемого способа (2-10), а также некоторые его физико-химические свойства, в табл.2 результаты при-менения предлагаемого и известного способовКак видно из табл.1, предлагаемый способ выплавки стали обеспечивает получение печного шлака, обладающего низкой температурой плавления и вязкостью, что увеличивает скорость диффузионных процессов при восстановлении ванадия и переходе его в металл. Кроме того, обеспечивается высокая основность шлака (1,3-3,5), благодаря чему достигается низкое значение коэффициента распределения 1 ; Ч 20"фванадия , 2 э , , т.е. минимальнаяЧ)равновесная концентрация его в шлаке и максимальная в металле. Два перечисленных фактора позволяют добиться высокой степени усвоения ванадия в процессе плавки, обеспечив тем самым минимальные его потери (табл.2).Из табл.1 видно, что уменьшение содержания алюминия и плавикового шпата в смеси ниже нижнего предела ухудшает свойства шлака, то же происходит при увеличении расхода .Ферросилиция, Особенно сильно повышается вязкость шлака при увеличении расхода алюминиевого порошка выше верхнего предела содержания его в смеси, Введение компонентов легирующе-вос" становительной смеси в заявляемых пределах обеспечивает, таким образом, оптимальные физико-химические свойства печного шлака в восстановительный период и максимальную степень восстановления ванадия (табл.2. Из табл.1 и 2 видно, что расходлегирующе-восстановительной смеси впределах 2-5 кг/т жидкого металлаобеспечивает получение в стали 0,050,375 ванадия, что удовлетворяеттребования к большинству литейныхнизколегированных сталей. Менее2 кг/т смеси не поэволяет получитьнеобходимое содержание Ч в стали(0,05), а более 5 кг приводит кнеоправданному перерасходу смеси,снижению степени усвоений. ванадия и,увеличению себестоимости стали.1073292 Таблица 1 Содержание компонентов шлака,Температураплавления, С СаО (ликвид.) Вдб Способ СаО МдО А 1203 СаГ 2 ЫО 2 ЕеО 10,0 26,0 8,0 2,5 28,015,015,0 1430 22,0 1,2 3,5 42,0 6,0 16,0 5,0 12,0 1360 2. 4,0 1350 1,5 11,5 22,0 5,5 25,0 6,0 15,0 3. 14,0 14,5 33,5 6,0- 20,0 6,0 1330 2,4 4. 6,0 1,5 1310 5,17,0 6,0 15,0 8,0 1300 2,4 6. 7,5 1370 42,0 7,0 13,5 6,5 15,0 3,5 7. 8,5 6,0 1440 14, О 4,0 27,5 4,5 36,037,0 5,0 21,5 у 8. 2,0 8,0 8,0 4,0 , 15,5 2,4 1360 9,0 33,0 7,0 22,0 5,9 20,0 5,0 1,6 1380 10. 8,0 Остальное - примеси окислов титана, марганца, хрома Низкое содержание окислов железа в шлаке перед выпуском (табл.2) и небольшое количество самого шпака при использовании предлагаемого способа выплавки стали позволяет получить металл с низкой концентрацией 5 кислорода (менее 0,01) и неметаллических включений, что положительно сказывается на его механических свойствах. Кроме того, предлагаемый способ позволяет снизить себестои мость стали благодаря снижению рас" хода раскислителей.П р и м е р. В 0,5-тонной электро- дуговой печи выплавляют сталь 20 Г 1 ФЛ по способу-прототипу с использовани ем ванадиевого шлака (плавки 1-2) и по предлагаемому способу с использованием технической пятиокиси ванадия (плавки 3-6), а также в качестве базового образца с феррованадием (плавка 7). Ванадиевый материал из расчета получения в стали 0,1 У в смеси в раскислителями и шлакообразующими добавками вводят в печь сразу после окончания окислительного периода и скачивания окислительного шпака. Применяют ванадиевый шлак, содержащий 18 УО (10 ванадия), 40 РеО, 20 ЯдО, СаО, ИдО, Тд 02, МпО остальное, техническую пятиокись ванадия, содержащую 82 У 20 (46 У), 7 ГеО и 3 О 5 МпО и ферровайадий марки ФВд 35 А,12 О 25 О 6 О 26 О 8 О 9 О , 36,0 5,0 21 О 6 О содержащий 35 ванадия. Восстанови-. тельный период плавки проводят в течение 40 мин, затем иэ готового металла отливают трефовидные пробы по ГОСТ 977-74, которые разрезают на лепестки и подвергают нормализации от 9500 С. Результаты плавок приведены в табл,3 и 4.Таким образом, степень усвоения ванадия в сталь при использовании предлагаемого способа выплавки значительно выше, чем при использовании способа-прототипа (95 и 75 соответственно) и находится на уровне базового образца - способа выплавки стали с использованием феррованадия марки ФВд 35 А, стоимость леги-рования и раскисления металла в предлагаемом способе ниже, чем в способе-прототипе, на 2,50 руб/т (сравнивают оптимальные варианты) и ниже, чем в базовом образце, на 4 руб/т, содержание кислорода в готовой стали при использовании предлагаемого способа ниже почти в 2 раза, чем при использовании способа-прототипа, и находится на уровне базового образца, механические свойства стали, выплавленной по предлагаемому способу, на 5-15 выше, чем по способу-прототипу, а ударная вязкость при -400 выше в 1,6 раза (880 и 530 кДж/м соответственно).1073292 Продолжение табл.1 Вязкостьпз. при1600 С Примечание Содержание компонентов легирующе-восстановительной смеси, мас.З о о М о е Д й о и 1 и3,0 5,0 5,0 15,0 10,0 6 1,6 15,0 10,0 20,0 16,0 10,0 -фф 1,5 10,0 7,5 175 13,0 8,0: -фф 1,0 2 Расход - нанижнем пределе все - на сред- нем 15,0 10,0 20,0 16,0 10,0 -ф 1,2 10,0 7,5 17,513,0 8,0 -ф 3,5 Все на среднем уровне 1,0 10,0 7,5 17;5 9,0 8,0 3,5 Все компоненты ниже нижнего предела 2,0 10 0 10 0 7 5 17 у 5 .17 0 8 0 -ф 3,5 Все компоненты выше верхнего предела Все коМпоненты ниже нижнего предела г100. 75 175 130 50 .-ф 3,5 1,8 10,0 7,5 21,0 13,0 8,0 -ф 3,5 Все компоненты выше верхнего предела 2,0 3 63 Х ф о Э А Ф о Э М Х и х о 6 ч н н о охн Ц Ю оа Х Н о о.2 Расход смесии все компоненты на нижнем пределе,СаО - на верхнем. 2 Расход - нанижнем пределе. Все, кроме извести,на верхнем 5 Расход смесии все компоненты, кромеизвести, на.верхнем пре- деле1073292 10 Таблица 2 Показатели Способ 1 2 3 4 7 8 9 10 РеО перед выпуском,6,0 3,0 2,5 2,0 1,0 1,7 . 1,5 2,0 1,8 1,2 Ч 205 передвыпуском,2,5 0,29 . 0,46 0,30 0,84 0,36 1,28 1,60 1,26 1,28 Ч в готовойсталя,0,126 0,0520,126 0,052 0,155 0,08 . 0,375 0,194 0,164 0,143 0,174 0,151 Степень усвоения ванадия металлом,75 93 96 95 93 96 85 80 86 84 Таблица 3 Расход компонентовлегирующе-восстановительной смеси, кг/т стали Плавка,М Примечание о Х О Ы ф О Х ф ф п 3 и о ф й н о 1. 13,5 - 6,0 16,0 5,0 - 20,0 - 75 10,50 1,0 60 Прото- тип 14,0 - 6,0 8,0 8,0 - 20,0 - 74 10,80 1,12 60 11 2. 3. 2,4 2,0 3,0 2,0 2,0 8,00 0,55 4,0 2,6 16,4 33 кг,96или3 3 232650 40 Все насреднемуровне 9,00 0,19 4. 2,5 2,5 7,5 5,0 3,0 29,5 50 кг, 91или 5 10,00 О, 31 5. 1ф,о ффф фе ф 1них ф ф Я Ц Х о о А й,о а о й О и 1 Степеньусвоенияванадия,86 20 кг 93или 2 от веса ме- талла Стоимостьлегированияи раскислеНия,руб/т Содержаниечг ов шлаке передвыпуском,Колвопечногошлака,кг/тстали 25 Расходсмеси, А 1 и ФС- на нижнем преде- ле 60 Расходна верхнемпреде- ле12 1073292 продолжение табл. 3 ааааааа аааааа Фааеа Приме- чание Стененьусвоенияванадия,Расход компонентов легирующе-восстановительной смеси, кг/т стали Плавакаей о и О аааале аааааа аааааа 25 8,00 0,22 2,25 1 еО 4 еО 2 еб 1 еб 8 еб 20 кге 97или 2 б. Базовый образец 12,00 039 7 ферро-2 еО 4 е 0 2 е 5 2 еО 10 еОванадийФВД 353-3 е 1 Таблица 4 Механические свойства ааааааа 6 з, Ьт, д" М КСФ КСЧе Мпа Мпа фь В кДж/и кдж/м.0020 Ое 018 008 592 386 26 60 1300 875 9 1 е 13 Ое 02 0,19 396 24 58 1250 850 0102 Ое 010 61 Ое 105 Ое 007 60 Ое 22 Ое 44 1 е 20 Ое 01 Ое 20 Ое 40 1 е 03 Ое 01 0 1 1280 8 3 13108 90 25 02 Ое 10 Ое 009 58 0103 Ое 009 58 385 2 385 2 6 . О.18 Ое 34 1 е 14 7 0,19 0,35 1,15 Ое 020 Ое 023 Ое 021 0;022 63 . 1305 Составитель Л.Магаюмоватор В.Ковтун Техред О.Неце Корректор Г.Огар Тираж 540 Подписноеударственного комитета СССРизобретений н открытийква, Жа 35, Раушская наб, д.4/5 каз 274/24 ВНИИПИ Р по дел 113035, М