Способ дегазации и десульфурации нержавеющей стали

ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ К ПАТЕНТУ Ь 4 Р Комитет Российской Федерацт по патентам и товарным знака(71) Череповецкий металлургический комбинат(73) Череповецкий металлургический комбинат(54) СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ И ДЕСУЛФУРАЦИИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ(57) Изобретение позволяет повысить производительность дуговой печи и качество стали: Металл ишпак перед вакуумированием раскисляют смесьюкокса и алюминия с известью и перед установкой(51) 5 С 21 С 7 10 раскиспенного металла в камеру снижают температуру стали присадками шлакообразующих и легирующих добавок вакуумируют в течение 5 - 7 мин при низком уровне вакуума, например 60 - 120 мм ртст с одновременной подачей кислорода сверху и аргоном снизу, прекращают подачу кислорода и удаляют его из металла при высоком вакууме, на - пример при 05 - 3 мм рт.ст, в течение 5 - 15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30 - 40 мин при низком вакууме до содержания углерода в ме - талле 0,04 - 0,08%, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком вакууме. 2 табл.Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству нержавеющих сталей в дуговых печах с применением вакуумирования стали в ковшевых вакууматсрах.Известен способ вакуумного рафинирования стали с высокой скоростью продувки газообразным кислородом через специальные сопла Лаваля в вакуумной камере.Требуемое динамическое давление и глубина ироникновения кислорода со сверхзвуковой скоростью контролируют давлением кислорода перед критическим. отверстием фурмы, Регулирование высоты фурмы во время рафинирования стали поэтому не требуется; потери хрома и, например, марганца снижены до минимума, содержание кислорода в обезуглероженной стали низкое, более точно может быть определено конечное содержание углерода, При этом температуру металла при рафинировании не очень высокая, а время рафинирования уменьшается,Недостатком известного способа является ограниченная возможность удаления азота, а также снижения серы в стали из-эа невозможности вакуумирования под активньми шлаками раскисленного металла без подачи окислителя,Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату можно отнести получение нержавеющей стали с весьма низким содержанием углерода и азота по способу ЧОР.С целью получения высокохромистой стали с весьма низким содержанием углерода и азота (0,015 ) путем рафинирования по способу ЧОО, расплавленный металл с начальным содержанием углерода 1,0-1,3продували арганом с расходом (0,2 - 0,4 л/мин т). При этом с целью уменьшения концентрации кислорода, оказывающего большое влияние на реакцию деазотации, продувку расплавленного металла кислородом при концентрации углерода более 0,3 прекращали, и в дальнейшем продолжали процесс деазотации в вакууме, Это позволило понизить концентрацию азота в металле до 0,005 , Обезуглероживание осуществляли в два этапа.При содержании углерода в металле 0,02 осуществляли продувку расплава кислородом, а при содержании углерода менее 0,02 фперемешивали металл только путем продувки эргоном в вакууме, Для обеспечения высокой скорости обезуглероживания на втором этапе необходим глубокий вакуум, активное перемешивание металла и наличие на его поверхности окисленного шлака. В ходе опытов было обнаружено, что процесс обеэуглероживания протекал наиболее быстро даже при неслишком бурном перемешивании металла5 при содержании в окисленном шлаке около10,0 окислов хрома,В данной работе не использована возможность более короткого и более производительного, а следовательно, более10 эффективного удаления азота эа счет вакуумирования раскисленного хромистого расплава коксом и алюминием и переводаазота из металла в шлак и последующегоудаления цианистых соединений шлака пу 15 тем последующей продувки металла кислородом и удаления иэ шлака уже окисныхсоединений азота,Более того, в приведенной работе нетданных по удалению серы из металла в про 20 цессе вакуумирования стали, В этом случае,заведомо, нужно использовать чисты по содержанию серы лом и отходы для производства высококачественной нержавеющейстали.Целью изобретения является повышение производительности и качества стали,Для достижения цели используют вакуумирование жидкого металла и шлака, егоперемешивание аргоном подачей его через30 донные канальные блоки в печи и в ковше,окисление кислородом посредством водоохлакдаемой сверхзвуковой наклонной. фурмой в вакуумной камере, при этом металл и шлак перед вакуумированием раскис 35 ляют смесью кокса и алюминия с известьюи перед установкой раскисленного металла,снижают температуру стали присадкамишалкообразующих и легирующих добавок,вакуумируют в течение 5-7 мин при низком40 вакууме, например 60 - 120 мм рт.ст., с одновременной подачей кислорода сверху и аргона снизу, прекращают подачу кислорода иудаляют его из металла при высоком вакууме, например при 0,5 - 3 мм рт.ств течение45 5 - 15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30 - 40 мин при низком вакууме досодержания углерода в металле 0,04 - 0,08 фпосле чего обработку металла продолжаюти заканчивают при высоком вакууме,50 Арсенал существенного оборудования -сверхзвуковые кислородные фурмы, каналь. ные блоки подины печи и сталеразливочныхковшей для продувки газами, мощные печные трансформаторы с наличием вакуумных55 внепечных установок позволяют успешнорешать задачи по производительности печных агрегатов, снижению материальных иэнергетических затрат, а также повышениякачества стали. При этом повышается ресурс основного оборудования, 2002816При этом также уменьшается "жидкий"период пребывания металла в печи; печьможет работать практически только как агрегат плавления с высоким значениемсаз р, достигая при этом значений 0,8-0,85,С учетом упомянутого оборудования,при расплавлении лома получение стабильного расплава по химическому составу итемпературе для последующего рафинирования нержавеющей стали от примесей вковше в вакуумной камере, значительно упрощается.Промышленными опытами установлено, что деазотация стали требует (при Р=1,0атм) крайне высоких расходов аргона. Так,поданным ЦНИИЧМ, для снижения концентрации азота с 0,010 до 0,005 О надо ввестичерез пористое днище, сопла или пористуювставку соответственно 2,0, 3,0, 4,0 нм /таргона.Доказано. что удалению азота мешаютповерхностно-активные элементы - кислород и сера. В период расплавления лома,. хромистой шихты с высоким количествамиспользования высокоуглеродистого феррохрома целесообразно для повышенияпроизводительности печи и выгодно с точкизрения термодинамики расплава сначаларасплав максимально раскислить коксом иалюминием, затем удалить кислород и серу.Более того, в условиях вакуума этот процессстановится наиболее эффективным еще ипотом, что при этом усиливается транспортазота из металла в шлак уже как бы в отсутствие кислорода и серы как поверхностноактивных элементов на границеметалл-шлак, Более того, использованиеприема чередования высокого и низкого вакуума при учете состояния окисленнасти ираскисленности жидкой металлической ванны позволяет намного эффективнее удалятьпримеси, в том числе азот и серу,В случае продувки металла при температуре металла ниже 1600 С, вероятна удаление азота не только в виде газа, на и ввиде нитридов.Особенно эффективно растворениенитридов титана (до 25 - 30 мг/см с) происг,ходит в обычных типа печных раскислительных шлаках с повышенным содержаниемокислов алюминия, например, содержащихдо 40,0 окислов кальция. до 20,0 О окислов кремния, до 20,0 О окислов алюминия,до 10,0% окислов магния, до 5,0;4 фтористого кальция и т,д. А цианистые соединенияазота и углерода, образующиеся в раскисленном шлаке, вследствие усиленноготранспорта азота в шлак при продувке аргоном через канальные блоки днища ковша в 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вакууме и еще, дополнительно, при последующей кислородной продувке, в виде газов будут удалены из шлака.Аналогичным порядком происходит удаление серы из раскисленных шлаков, т,е. комплексно, частично "возгонкой паров", частично окислением серы в виде окислов газа, частично "переходом" в прочные химические соединения с кальцием, остающихся, как правило, в шлаке,Промышленными опытами установлено, что в процессе продувки высокоуглеродистого (до 1,0 О углерода), раскисленного коксом и алюминием с известью, высокохромистого расплава (да 18.0 оь СЧ) после 15-минутной продувки аргоном через канальные фурмы ковша в вакуумной камере с давлением 1,0 - 1,5 мм рт.ст. содержание азота в металле снизилось с 0.030 до 0,015 Ясаде ржа н ие се р ы с н из ил а с ь с 0,35 О до 0,010 О, содержание кислорода снизилось с 0,012 до 0,005 ,. Эта продувка аргоном была осуществлена после обработки в течение 5 мин высокоуглерадистого расплава при высоком вакууме (100 мм рт,ст) с подачей кислорода сверхзвуковой фурмой до начала закипания ванны.Смысл заключается в следующем. Энергия активации образования пузырей окиси углерода ча "холодном" металле довольно высока.Для разгона реакции окисления углерода жидкий металл насыщается кислородом, до начала "самараскисления" углеродом, затем подачу кислорода прекращают и начинают его удаление посредством максимально низкого физического вакуума и максимального насыщения металла пузырьками аргона (т,е. химического вакуума дляокиси углерода),Непрерывное окисление углерода в вакууме тоже способствует удалению азота из металла с пузырьками окиси углерод.Постоянное поступление кислорода в ванну блокирует, особенно на межфазных поверхностях металла, шлака, газа, переход азота и его удаление. Этому мешают более, чем азот, поверхностно-активные элементы - кислород и сера.Поочередная смена режимов подачи кислорода и удаление его при низком и высоком вакууме с перемешиванием арганом позволяет достигать высокой степени чистоты готовой стали перед ее разливной, чта влечет за собой высокую производительность печи й высокое качество стали.В табл, 1 приведены техника-эканамические показатели вариантов выплавки стали по апьтной и обычной технологиям.10 20 25 30 шлака перед его удалением из ковша, 40 Обработка высокоуглеродистого высо 45 50 55 Проведение опытных плавок показало также, что тепловой режим выплавки нержавеющий стали в печи с последующим более длительным рафинированием от примесей вне печи вполне вписывается в технологический цикл эксплуатации оборудования. Цеховые грузопотоки также практически не изменяются при применении новой технологии. Суммарные затраты тепла при обработке легированных расплавов с учетом экзотермических реакций окисления углерода, хрома, кремния, алюминия и продолжительности рафинирования около 90 мин составят значительное повышение температуры стали, Это обстоятельство позволяет выпускать плавку из печи с температурой не более 1720 С, а одной стороны, и присаживать шлакообразующие и легирующие добавки в ковш для снижения температуры стали перед вакуумированием в ковше с продувкой аргоном в необходимом для десульфурации стали количестве без опасения разливать "холодный металл" Раскисление металла, содержащего углерод в пределах 0,6 - 1,00 кремний в пределах 0,1 - 0,20 коксом и алюминием с известью позволяет дополнительно получать экзотермический эффект при окислении их в процессе продувки металла кислородом, при этом шлак будет обогащаться окислами алюминия, Раскисление алюминием снижает активность кислорода и серы и повышает активность азота, Наиболее высоким был эффект по удалению азота и серы при содержании остаточного алюминия в пределах 0,035 - 0,050 мас.%,Более того, раскислением предусматривают максимальное извлечение хрома из кохромистого.расплава в вакууме с подачей кислорода при низком давлении менее 60 мм рт,ст. в вакууме чревата опасностью выброса жидкого металла из ковша, а обработка в этом же случае при давлении более 120 мм рт.ст. не эффективна и длительна. Обработка металла менее 5 мин не способствует насыщению металла кислородом, а обработка металла в этих же условиях более 7 мин не рациональна, так как начинается интенсивное окисление углерода и эффект самораскисления без подачи кислорода будет упущен для условий удаления азота.Удаление кислорода и азота при более высоком уровне вакуума, чем 0,5 мм рт.ст было бы более эффективным, однако возможности и мощности оборудования, э именно насосов, которые обеспечивают высокий вакуум, ограничены. Однако удаление кислорода и азота приуровне вакуума более 3 мм рт,ст, недостаточно эффективно. Удаление кислорода иазота в течение менее 5 мин незначительно,а более 15 мин нецелесообразно из-за выработки кислорода в стали в процессе самораскисления и в дальнейшем процессесамораскисления затухает. Обезуглероживание металла менее 30 мин не позволяетдостигнуть в металле содержания углерода,даже уровня 0,08,Однако обезуглероживание металла более 40 мин приводит к перерасходу кислорода и аргона.5 Достижение углерода в металле менее0,04затруднительно и дополнительно за- .тягивает длительность обработки стали, аболее 0080 невозможно иэ-за опасностипревысить требуемый по ГОСТ уровень содержания углерода, в случае дополнительных присадок, содержащих углерод,П р и м е р 1, Шихту для плавки нержавеющей стали 08 Х 18 Н 10 Т составляют из30-50% скрапа, высокоуглеродистых ферросплавов из дешевь 1 х материалов, содержащих никель,Исходное содержайие углерода и кремния в шихте должно быть соответственно0,6 - 1,0 и 0,1 - 2,00. При таких исходных значениях углерода и кремния окисления (предварительное в печи) позволяет снизитьсодержание углерода до 0,5-0,70 при расходе газообразного кислорода до 15 нм /тстали,5 Предварительное окисление углерода вдуговой печи до более низких чем 0,50 ь содержаний нежелательно, так как начинаетзначительно окисляться хром.Перед удавлением печного шлака металл и цлак раскисляют коксом и кусковымалюминием с известью в количестве 11 - 17кг/т в соотношении (2-3):(1-4):(8 - 10) соответственно, затем после удаления печногошлака еще известь в количестве 8-10 кг/тстали и снижают температуру стали до уровня 1620 - 1650 С, а при необходимости легирование металла хромом никелем,марганцем температура будет еще болеепонижена,Далее устанавливают ковш в камеру и начинают вакуумировать металл при низком вакууме 60 мм рт,ст, с окислением кислородом срасходом до 1800 нм /ч и продувкой аргономзв течение 7 мин. Прекращают продувку сталикислородом и продолжают продувку аргоном срасходом 40 нм /ч и не прекращают вакуумизрование стали на низком уровне вакуума 0,5мм рт,ст, в течение 15 мин,Затем повышают уровень вакуума до120 мм рт,стопускают кислородную фурмудо уровня 200-400 мм над поверхностью металла и, не прекращая подачи аргона с расходом 20 нм /ч, начинают окисление углерода до его содержания 0,08 в течение 30 мин,После достижения содержания углерода 0,08 снижают уровень вакуума до 3 мм рт.ст., увеличивают расход аргона до 40 нмЗ/ч и прекращают окисление металла,В течение 10 - 20.мин продувку стали в вакууме осуществляют только аргоном, после чего "срывают" вакуум, присаживают кремний около 2 т, известь, 0,5 т плавикового шпата и в течение 15 мин металл.продувают аргоном с расходом 50 нм /ч.зП р и м е р 2. Шихту для плавки стали ОЗХ 18 Н 9 составляют с расчетом получения углерода на уровне 0,6 - 1,0, 0,1 - 0,2 кремния и 17,770 хрома. На предварительное.окисление примесей в печи используют не более 10 нм /т газообразного кислорода при температуре 1530-1580 С,Перед удалением печного шлака металл и шлак раскисляют коксом, кусковым алюминием с известью в количестве 11 - 17 кг/т стали в соотношении (2 - 3):(1 - 4)(8 - 10) соответственно, затем после удаления печного шлака присаживают известь до 10 - 15 кг/т стали, а при необходимости легируют металл хромом, никелем, марганцем и дополнительно понижают температуру стали, например, до уровня 1600 С.Устанавливают ковш в камеру и начинают вакуумировать металл при низком вакууме 100 мм рт,ст. с окислением кислородом с расходом его до 1700 нм /ч в течение 5змин.Далее прекращают продувку кислородом и продолжают продувку аргоном с расходом его 40 нм /ч в течение 12 мин призвысоком уровне вакуума, 1 мм рт.ст. Затем постепенно понижают уровень вакуума до 100 мм рт.стначинают подавать окисли.тель в виде газообразного кислорода с расходом его 1500 нм /ч и одновременно снизу . при подаче аргона через канальные блоки ковша устанавливают расход 20 нм /ч.Аргоно-кислородное вакуумное обезуглероживание осуществляют в течение 35 мин до содержания углерода 0,06 , После этого повышают уровень вакуума до 1 мм рт,ст. и устанавливают расход аргона 30 нм ./ч и обрабатывают расплав в течение 7 мин. Затем открывают крышку вакуумной камеры, присаживают 1 т ферросилиция, 1 т извести, перемешивают металл аргоном, сливают шлак, присаживают титан, известь, плавиковый шпат и снова перемешивают в вакуумной камере расплав аргоном в тече.ние 8 - 10 мин при высоком уровнем вакуума, 50 В табл. 2 приведены технико-экономические показатели проведенных плавок.При этом следует обратить внимание, что производительность печи с уровня, например, 200 тыс. т в год на одной печи уве 55 личивается на 20, т.е. становится на уровень 250 тыс,т и это позволяет сократитьрасходы первого передела,Более того, уменьшение содержания азота и серы в стали позволило снизить брак эа счет уменьшения толщины поверхности ФП р и м е р 3. Шихту для нержавеющейстали составляют с расчетом получения химического состава металла по расплавлении по содержанию углерода 0,6 - 1,0,5 кремния 0,1 - 0,2, хрома 17,5.Предварительное окисление углерода,кремния в дуговой печи осуществляют используя до 15 - 20 нм /т газообразного кисзло рода.10 Перед выпуском плавки из печи металли шлак раскисляют коксом и алюминием сизвестью в количестве 11-17 кг/т стали всоотношении их как (2 - 3):(1-.4);(8 - 10) и шлакзатем удаляют.15 После удаления шлака на поверхностьметалла присаживают 8 кг/т извести, принеобходимости легируют металл хромом,никелем, марганцем, снижают температуру,например, до 1610 С. Накрывают крышкой20 вакуумную камеру и вакуумируют металлпри низком вакууме 120 мм рт.ст. в течение6 мин с продувкой аргоном снизу,Прекращают продувку кислородов ипродолжают продувку аргоном с расходом25 -40 нм /ч, повышают уровень вакуума до 2змм рт,ст. и обрабатывают металл в течение5 мин,Далее понйжают уровень вакуума до 80мм рт.стустановив расход кислорода через30 верхнюю сверхзвуковую наклонную фурму1400 нм /ч, при этом снизу, подают минимально возможное количество аргона, например, 20 нмз/час в течение 20 мин, .Затем осуществляют аргоно-кислород 35 ное вакуумное обеэуглероживание в течение 40 мин до содержания углерода в стали0,04. По достижении содержания углерода в стали 0,04 повышают уровень вакуумадо 0,15 мм рт.ст., увеличивая при этом рас 40 ход аргона до 40 нм /ч.Обработку металла осуществляют в течение 10 - 20 мин, затем."срывают" вакуум,присаживают кремний в количестве 1,5 т ввиде ферросилиция, 2 т извести и 0,6 т пла 45 викового шпата и в течение 12 - 15 мин перемешивают в вакуумной камере расплав дляпоследующей подачи плавки под разливкуего на УРНС,2002816 12 же на разработку новой технологии производства нержавеющей стали. строжки непрерывнолитых слябов примерно на 0,8%, Это составляет около 2,0 тыч.т.Это окупает примерно в течение трех лет затраты на дополнительное оборудование, необходимое для осуществления предложенного способа дегазэции и десульфурации нержавеющей стали, а так(56) 1, Патент Японии М 55 - 46445, кл. С 5 21 С 720, опублик, 25,11.80,2, гоп апб Ятее пз 1.,1 ар, 1980. 66, Ь 1836 Тзцу то хаганз, 3 авт. Моришиче Мицуоки. Таблица 1 Ва иант выплавки Показатель обычный опытный 18 21 Количество проведенных плавок, шт.Содержание углерода, мэс,% 0,58 а) по расплавленииб) перед вакуумированием 0,9 0,30 0,7 Длительность периода, мин:а) жидкого металла в печи 24048 180 88БО вакуумированияСодержание в металле серы, %:э) после раскисления коксом и алюминием с известью и продувки Ач в вакууме 0,010 б) перед разливкойСодержание азота, % 0.013 0,007 а) после раскисления коксом и алюминием с известью и продувки Ач в вакууме б пе е азливкой 0,015 0,001 0,013 Таблица 2 Вэкуумирование металла с продувкой аргоном в ковше,каме е,минс 02 без 02 сера азот высокий низкий вакуум вакуум ред ум. 21 18 10 120 119 119 7,0 5,0 6,0 0,004 0,006 0,007 0,006 0,005 0,004 обычная выплавка 40 0,016 35 100 0,012 Вариантвыполнения тех- нологии Раскисле ние коксом и алюминием певакууми- рованием, кг/т стали после раск. с 02 низ" кий вакуПовыш. произво- дительности печи, %14 2002816 13 Формула изобретения Составитель В.ТишковРедактор Е.Полионова Техред М,Моргентал Корректор М.Ткач Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 3217 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ И ДЕСУЛЬФУРАЦИИ НЕРЖА 8 ЕЮЩЕЙ СТАЛИ, включающий вакуумирование жидкого металла и шлака, перемешивание аргоном подачей его через донные канальные блоки в печи и ковше, окисление кислородом посредством водоохлаждаемой сверхзвуковой наклонной фурмы в вакуумной камере. отличающийся тем, что металл и шлак перед вакуумированием раскисляют смесью кокса и алюминия с известью и перед установкой раскисленного металла в камеру снижают температуру стали до 1600 1650 С присадками шлакообразующих и легирующих добавок, вакуумируют в течение 5 - 7 мин при низком уровне вакуума, например, 60 - 120 мм рт.ст. с одновременной подачей кислорода сверху и аргона снизу, прекращают. подачу кислорода и удаляют его из металла при высоком вакууме, например, при 0,5 - 3 мм рт.ст, в тече ние 5 - 15 мин, затем обрабатывают металлв течение 30 - 40 мин при низком вакууме до содержания углерода в металле 0,04- 0,086, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком ваку уме.