экзотермическая смесь для выплавки и легирования стали

Формула изобретения

1. Экзотермическая смесь для выплавки и легирования стали, содержащая оксид железа, металл-восстановитель, легирующие и шлакообразующие компоненты, отличающаяся тем, что в качестве металла-восстановителя она содержит металлический кальций, а в качестве легирующих и шлакообразующих компонентов - кальциевые соли металлов типа Ca_aMe_bO_c и/или Ca_aMe_bF_a, где Me - Mo, W, Cr, Nb, Ta, V, Zr, Ti; a, b, c - стехиометрические коэффициенты.

2. Экзотермическая смесь по п.1, отличающаяся тем, что она является наполнителем для порошковой проволоки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству экзотермических смесей для выплавки и легирования сталей при внепечной обработке.

Известна экзотермическая смесь в виде силикокальция, смеси кальция и алюминия, заключенная в оболочковую проволоку для внепечной обработки стали (журнал "Металлург", М., N 1, 1999 г.).

Недостатком известной экзотермической смеси является низкий экзотермический эффект. Сталь при обработке смесью охлаждается, что сокращает время, необходимое для ее разливки в изложницы. Для предотвращения кристаллизации металла в ковше часть стали возвращают на плавку или используют для нагрева расплава дорогостоящую и энергоемкую установку ковш-печь.

Наиболее близкой к предлагаемой экзотермической смеси является смесь для легирования железоуглеродистых сплавов молибденом в ковше, содержащая железоалюминиевый термит, ферромолибден и плавиковый шпат (патент РФ N 2098492, 1995 г.).

Недостатками указанной экзотермической смеси являются: низкий экзотермический эффект; загрязнение выплавляемых сплавов алюминием, особенно в случаях, если алюминий не является легирующим элементом, использование дорогостоящего, отдельно выплавляемого ферромолибдена, требующего значительного количества тепла для нагрева и расплавления при легировании стали; отсутствие возможности управления по времени температурным режимом выплавки стали и другие.

Технической задачей изобретения является создание экзотермической смеси, способной разогреть расплав при внепечной обработке, исключить загрязнение стали металлом-восстановителем, повысить усвоение легирующих компонентов и снизить себестоимость выплавляемой стали.

Техническое решение достигается тем, что в качестве металла-восстановителя использован металлический кальций, а в качестве легирующих и шлакообразущих компонентов смесь содержит кальциевые соли металлов типа Ca_aMe_bO_c и/или Ca_aMe_bF_c (где Me - Mo, W, Cr, Nb, Ta, V, Zr, Ti; a, b, с - стехиометрические коэффициенты). При этом экзотермическая смесь является наполнителем для порошковой проволоки.

В отличие от прототипа введение в качестве металла-восстановителя металлического кальция позволяет исключить загрязнение выплавляемой стали алюминием, в случаях, когда данный элемент не является легирующим. При использовании кальция в результате восстановления выделяется тепловая энергия Q по реакциям (в общем виде):

Fe_aO_b + bCa ---> bCaO + aFe + Q; (1)

Ca_aMe_bO_c + (c-a)Ca ---> cCaO + bMe + Q; (2)

Ca_aMe_bF_c + (c/2-a)Ca ---> c/2CaF + bMe + Q. (3)

Суммарные реакции в проволоке (без учета стехиометрических коэффициентов):

CaMeO + FeO + Ca ---> CaO + Me(Fe)_{ферро сплав} + Q (4) и/или

CaMeF + FeO + Ca ---> CaF + CaO + Me(Fe)_{ферр осплав} + Q. (5)

В объеме расплава образуется восстанавливаемый металл в виде легкоплавкого, легкоусвояемого ферросплава оксид кальция и/или фтористый кальций. Образующийся в объеме расплавленной стали оксид кальция имеет высокую удельную поверхность контакта, что значительно повышает степень очистки стали от серы и фосфора по сравнению со шлаком, наведенным на поверхности стали по прототипу.

Полученный шлак, содержащий оксид кальция и/или фтористый кальций, можно использовать для получения исходных кальциевых солей легирующих элементов.

Введение легирующих элементов в виде кальциевых фтор- или кислородсодержащих солей типа Ca_aMe_bO_c и/или Ca_aMe_bF_c позволяет получить тепловой эффект, в 1,5-2,0 раза превышающий необходимый для нагрева и плавления компонентов смеси и оболочки. Тем самым исключается дополнительный электронагрев при внепечной обработке выплавляемых сталей, например, с помощью дорогостоящих энергоемких установок ковш-печь, применение которых необходимо в прототипе, где легирующие элементы вводят в виде дорогостоящих ферросплавов, требующих тепла для нагрева и плавления. Количество и состав образующегося по экзотермической реакции шлака легко регулировать, используя необходимое соотношение оксидов железа, кальциевых солей и легирующих элементов в соответствии с вышеуказанными реакциями.

Смешивание компонентов смеси - простой процесс, не требующий сложного оборудования.

Поскольку металлический кальций имеет высокую химическую активность, хранение экзотермической смеси, содержащей данный металл, на воздухе является проблематичным. В заявляемом способе экзотермическая смесь помещается в металлическую оболочку. В порошковой проволоке, полученной известными способами, экзотермическая смесь может храниться длительное время.

Введение заявляемой экзотермической смеси в сталь при внепечной обработке в виде порошковой проволоки позволяет точно регулировать заданный температурный режим выплавки стали во времени путем регулирования скорости подачи проволоки в ковш без использования дополнительных иных способов нагрева расплава.

Таким образом, заявляемый состав экзотермической смеси для внепечной обработки и легирования стали не известен в мировой практике, отличается от прототипа и позволяет повысить качество выплавляемой стали и коэффициент использования легирующих элементов, снизить энергозатраты и себестоимость выплавки, что подтверждает новизну и изобретательский уровень заявляемого технического решения.

Пример осуществления.

Для получения экзотермической смеси использовали гранулированный кальций с диаметром гранул 0,2-2,0 мм, оксид железа и кальциевые соли легирующих элементов в виде порошков с размерами частиц 0,01-0,2 мм. Исходные компоненты после взвешивания загружали в барабанный смеситель и проводили смешивание в течение 10-30 мин. Полученную смесь засыпали в загрузочный бункер линии изготовления порошковой проволоки. Проволоку с наполнителем формировали в виде бухты. Изготовленную бухту устанавливали в трайб-аппарат.

Состав и масса экзотермической смеси, а также результаты испытаний представлены в таблице.

Испытания заявляемой экзотермической смеси проводили в литейном цехе в процессе электродуговой плавки с разливкой стали в ковш и далее - в изложницы.

Легирование стали проводили путем введения в ковш порошковой проволоки с различным содержанием легирующих элементов. Экзотермическая смесь при введении в ковш при температуре ~1570^oC вступала в реакцию с расплавом. При этом фиксировалась температура стали и после ее легирования отбирались пробы для химического анализа.

Из приведенных в таблице данных видно, что вводимая экзотермическая смесь обеспечивала повышение температуры стали в ковше без дополнительного обогрева, а также высокое усвоение легирующих элементов (99,0-99,5%).

Таким образом, внепечная обработка стали заявляемой экзотермической смесью в составе порошковой проволоки обеспечила высокое качество выплавляемой стали при одновременном снижении энергозатрат и себестоимости плавки.

В настоящее время на ОАО "Чепецкий механический завод" отрабатывается процесс производства порошковой проволоки с наполнителем в виде экзотермической шихты заявляемого состава.