экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали

Формула изобретения

Экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая алюминий, оксиды кальция, магния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксиды алюминия, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов, мас. %,:

алюминий 5,0-83

оксид алюминия 2,5-75

оксид кальция 0,5-10

оксид магния не более 8

оксид железа не более 15

оксид меди не более 2

оксид титана не более 7

оксид марганца не более 12,

оксиды натрия и/или калия 5-7,

при этом ее влажность не превышает 2,2%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для их раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования как при внепечной обработке стали, так и в процессе разливки.

Известно применение экзотермических смесей для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая, мас.%: оксиды и/или карбонаты кальция, магния, бария - 50-70, оксиды редкоземельных металлов 1-10, боратовую руду 2-5, алюминий 5-20, кремний 20-35. Указанная смесь позволяет снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, в том числе серой, регулировать содержание вводимых элементов в обрабатываемый расплав [1].

Однако данной экзотермической смеси присущи следующие недостатки. Из-за высокого содержания кремния в смеси и недостаточного содержания в ней алюминия замедляется реакция раскисления стали, так как кремнеземсодержащие оксиды всплывают из жидкой стали медленнее, чем продукты раскисления алюминием. Основная часть кислорода в виде глиноземистых включений удаляется из жидкого железа в течение первой минуты после добавки алюминия. Удаление же кремнеземсодержащих включений при добавках кремния выше 0,1% протекает в течение всей выдержки металла в печи или ковше, в связи с чем содержание кислорода в железе не достигает равновесных концентраций [2]. Это приводит к перерасходу раскислителей и легирующих, взаимодействующих с оксидами железа в шлаке, а также к повышенной загрязненности металла трудноудаляемыми неметаллическими включениями - оксидами кремния. Кроме того, наличие в шлаке кислых кремнеземсодержащих включений снижает срок службы основной футеровки металлургической емкости, в которой находится обрабатываемая сталь.

Задачей изобретения является разработка универсального состава экзотермической смеси для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, которую можно использовать при производстве различных марок стали.

Желаемым техническим результатом изобретения является снижение длительности обработки стали при повышении ее качества, снижение содержания в ней неметаллических включений, повышение степени десульфурации стали, предотвращение растворения азота в металле, повышение эффективности процесса рафинирования, модифицирования и легирования стали, а также расширение технологических возможностей путем использования заявленной экзотермической смеси при производстве различных марок стали и повышение стойкости футеровки металлургического агрегата.

Это достигается тем, что известная экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая алюминий, оксиды кальция, магния по изобретению дополнительно содержит оксиды алюминия, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий 5,0-83,

оксид алюминия 2,5-75,

оксид кальция 0,5-10,

оксид магния не более 8,

оксид железа не более 15,

оксид меди не более 2,

оксид титана не более 7,

оксид марганца не более 12,

оксиды натрия и/или калия 5-7,

при этом ее влажность не превышает 2,2%.

Алюминий раскисляет жидкую сталь, то есть удаляет кислород, а шлак, содержащий оксид алюминия, эффективно ассимилирует неметаллические включения, что способствует снижению содержания вредных примесей, например серы, кислорода и неметаллических включений в стали. Раскисление жидкого металла алюминием и одновременное рафинирование его шлаком, содержащим оксид алюминия, зависит от процесса растворения и горения экзотермической смеси. При выборе различных соотношений алюминия и оксида алюминия в смеси можно регулировать процесс шлакообразования.

Кроме того, при введении алюминия и оксидов железа в жидкую сталь начинается экзотермическая реакция восстановления активных элементов смеси из их оксидов: марганца, кальция, магния, меди, титана, при этом формируется жидкоподвижный высокоактивный шлак и образуется комплексный модифицирующий и легирующий сплав. Это обеспечивает эффективный отвод из зоны горения реакции ее продуктов - восстановленного легирующего элемента в объем металла, а также оксидов элементов-восстановителей - в шлаковую фазу.

Для получения жидкоподвижного шлака в состав смеси введены легкоплавкие компоненты: оксиды натрия и/или калия в количестве 5-7 мас.%. Снижение содержания в смеси оксидов натрия и/или калия ниже 5% приведет к образованию вязкого шлака, что приводит к ухудшению условий плавления смеси, повышению времени обработки стали. При совместном использовании в экзотермической смеси оксида натрия и оксида калия их желательно вводить в количестве соответственно не более 4 мас.%. и не более 3 мас.%.

Введение в смесь более 7% оксидов натрия и/или калия приведет к понижению температуры металла и шлака в зоне реакции и снижению эффективности его обработки экзотермической смесью.

Снижение содержания алюминия в смеси ниже 5% приведет к недостаточному восстановлению из смеси модифицирующих компонентов, понижает ее рафинирующую способность.

Увеличение содержания в смеси алюминия выше 83 мас.% может привести к чрезмерному повышению температуры в зоне горения, что приведет к возгоранию высокоактивных элементов и их удалению в газовую фазу, возникновению взрывоопасной ситуации при изготовлении смеси, уменьшению рафинирующего, модифицирующего и легирующего эффекта.

Для исключения возникновения пожароопасных ситуаций при изготовлении, хранении и транспортировке смеси необходимо соблюдать также условие, чтобы ее влажность не превышала 2,2%.

Кроме того, в случае выполнения смеси в виде брикета при ее влажности более 2,2% возможно саморассыпание брикета при его хранении и транспортировке.

Широкий диапазон содержания алюминия в смеси позволяет применять ее для обработки различных марок стали. При этом, чем больше в смеси алюминия, тем меньше следует в нее вводить оксида алюминия, так как в противном случае повышается температура плавления образующегося шлака, что приводит к снижению эффективности обработки стали экзотермической смесью.

Оксиды кальция и магния являются шлакообразующими материалами. Кроме того, восстановленный в процессе экзотермической реакции кальций при выплавке высоколегированных, углеродистых и конструкционных марок сталей выполняет роль модификатора. В присутствии алюминия кальций также способствует снижению содержания неметаллических включений в стали, например ее десульфурации.

Оксид магния способствует повышению стойкости основной футеровки металлургической емкости, в которой находится обрабатываемый расплав стали, так как предотвращает взаимодействие образующегося шлака с ней.

Повышение содержания оксида кальция в смеси свыше 10% нецелесообразно, так как приведет к повышению температуры плавления образующегося шлака и снижению его рафинирующей способности.

Марганец, восстановленный в процессе экзотермической реакции из оксидов марганца, является раскислителем и легирующим элементом.

Титан образует прочные карбиды, нитриды и карбонитриды и способствует защите сталей от растворения азота в них.

Медь также является легирующим элементом, например, для углеродистых, хромоникелевых и нержавеющих сталей.

Количество вводимых в состав экзотермической смеси оксидов марганца, титана, меди выбирают в зависимости от выплавляемой марки стали.

Предлагаемая экзотермическая смесь была использована при выплавке углеродистых и легированных марок сталей.

Пример

На опытных плавках с применением экзотермической смеси выплавляли сталь 20 трубн. и сталь 15Х5М, химический состав которых приведен в таблице 1. Всего провели по 15 плавок каждой марки с применением экзотермической смеси из одной партии.

Таблица 1. Химический состав сталей опытных плавок (регламентируемый)
Марка стали	Содержание элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Р	S	Аl	Ti	Мо	Ni	Сu	Cr
20 трубн.				н.б.	н.б.			н.б.	н.б.	н.б.	н.б.
	0,20-0,25	0,30-0,35	0,45-0,50	0,015	0,020	0,01-0,02	0,005 -0,01	0,010	0,25	0,25	0,25
15Х5М				н.б.	н.б.				н.б.	н.б.
	0,10-0,15	0,35-0,40	0,25-0,35	0,015	0,020	0,01-0,015	0,01-0,02	0,40-0,50	0,230	0,25	5,0- 5,5

Общая схема выплавки обоих марок сталей была следующая. В дуговой сталеплавильной печи выплавляли окисленный железоуглеродистый полупродукт, который при температуре 1620°С выпускали в ковш с отсечкой печного шлака. При выпуске в полупродукт присаживали раскислители, ферросплавы и шлакообразующие, в том числе экзотермическую смесь. Затем ковш с плавкой передавали на агрегат печь-ковш, где при периодическом подогреве плавки дораскисляли металл, корректировали содержание легирующих присадкой ферросплавов, доводили состав и количество шлака до заданных величин подачей на поверхность ванны извести и экзотермической смеси, затем выдерживали металл в течение 10-15 мин при невысокой интенсивности продувки аргоном через днище (около 100 л/мин) для удаления из него неметаллических включений и усреднения химического состава и температуры, а затем передавали плавку на разливку.

Содержание компонентов в применяемой на опытных плавках экзотермической смеси приведен в табл. 2.

Таблица 2. Содержание компонентов в экзотермической смеси, мас.%
Аl	Аl 2O3	СаО	MgO	FeO *)	CuO	ТiO 2	MnO	К 2О+Nа2O
15,0	31,0	10,0	8,0	10,0	2,0	5,0	12,0	7,0
t) в пересчете на FeO

Средняя суммарная подача ферросплавов, раскислителей и шлакообразующих в процессе внепечной обработки 15 опытных плавок каждой марки приведена в табл.3.

Таблица 3. Количество поданных материалов при внепечной обработке, кг (среднее по 15 плавкам каждой марки)
Марка стали	ФС45	ФХр100	СиМн17	ФМн угл.	ФМо	АВ86	СК30	ФТи	Экзосмесь	Известь
15Х5М	550	4400	100	0	55	60,5	120	40	250	1100
20 трубн.	350	0	200	150	0	20,6	120	30	150	752

Состав сталей, полученных на опытных плавках (средний), приведен в табл.4.

Таблица 4. Состав сталей, полученных на опытных плавках (средний)
Марка стали	Содержание элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Р	S	Аl	Ti	Мо	Ni	Сu	Cr
20 трубн.	0,22	0,33	0,48	0,012	0,011	0,016	0,007	0,008	0,19	0,19	0,10
15Х5М	0,11	0,37	0,28	0,015	0,013	0,015	0,015	0,470	0,20	0,22	5,02

Анализ полученных результатов показал, что при использовании экзотермической смеси, предусмотренной изобретением, за счет эффективного раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали повышается ее ударная вязкость, снижается холодноломкость, в целом повышается качество стали, снижается ее себестоимость.

Источники информации

1. RU 2192479 C1, C 21 C 1/00, 7/06, 10.11.2002.

2. Хан Б.Х. и др. Раскисление, дегазация легирование стали. М., “Металлургия”. 1965. С.49-50.