способ внепечной обработки стали

Формула изобретения

Способ внепечной обработки стали, включающий корректировку химического состава расплава металла введением легирующих добавок в ковш и продувку расплава металла, отличающийся тем, что продувку расплава металла осуществляют на верхнем и нижнем уровнях расплава металла в ковше с нагревом струей плазмообразующего газа, полученной в плазмотроне косвенного действия, при этом на верхнем уровне струю газа перемещают на глубину, при которой выходное сопло плазмотрона вводят до границы поверхности раздела расплава шлак-металл, после чего вводят легирующие добавки, а продувку на нижнем уровне расплава осуществляют от начала до конца ввода легирующих добавок путем реверсивного продольного перемещения струи в расплаве металла в пределах 0,5-0,9 высоты расплава металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего газа используют инертный газ или азот.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к процессам рафинирования и модифицирования черных и цветных сплавов.

Известен способ газокислородной обработки стали и сплавов, включающий обезуглероживание путем газокислородной продувки и рафинирование металла, в котором газокислородную продувку металлического расплава осуществляют в режиме кратковременных продувок длительностью 0,1-6 мин с перерывами между ними 0,13 -5 мин. После каждой остановки продувки изменяют соотношение в дутье кислорода и инертного газа (А.С. СССР №653299, кл. С21С 5/56, 1979).

Недостатком способа является большая продолжительность процесса из-за остановок продувки и связанных с этим перерывов между ними. Это обстоятельство увеличивает цикл плавки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ внепечной обработки стали, который включает корректировку химического состава металла введением добавок в ковш, продувку металла инертным газом через погружную фурму, металл продувают инертным газом в течение 20-60 с до ввода добавок, при вводе добавок и в течение 60-300 с после ввода добавок с заглублением фурмы на 0,2-0,5 высоты ковша, а остальное время обработки с заглублением фурмы на 0,8-0,9 высоты ковша (А.С. СССР №1747505, кл. С21С 7/00, Бюл. №26, 1992).

Недостаток способа состоит в том, что в связи с большими тепловыми потерями при обработке металла существенно снижается его температура, что требует значительных затрат газа и сравнительно большого времени на обработку, в результате этого - низкий эффект рафинирования или модифицирования расплава и невысокое качество литых изделий.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа внепечной обработки стали, в котором путем продувки и нагрева металла плазменной струей, получаемой в плазмотронах косвенного действия с газообразным рабочим телом, обеспечить максимальное снижение отрицательного влияния неметаллических включений на свойства стали, выравнивание химического состава и температуры металла по высоте ковша и за счет этого снизить время внепечной обработки металла, повысить его качество и снизить себестоимость.

Поставленная задача решается тем, что в способе внепечной обработки стали, включающем корректировку химического состава расплава металла введением легирующих добавок в ковш, продувку расплава металла инертным газом, согласно изобретению, продувку и нагрев расплава металла осуществляют на верхнем и нижнем уровнях расплава металла в ковше с нагревом струей плазмообразующего газа, полученной в плазмотроне косвенного действия, при этом на верхнем уровне струю перемещают на глубину, при которой выходное сопло плазмотрона вводят до границы поверхности раздела расплава шлак-металл, после чего вводят легирующие добавки, а продувку на нижнем уровне расплава осуществляют от начала до конца ввода легирующих добавок, путем реверсивного продольного перемещения струи в расплаве металла в пределах 0,5-0,9 высоты расплава металла, при этом плазмообразующим газом является инертный газ или азот.

Сравнительно высокие концентрации энергии, скорость истечения плазмы и очень быстрая передача тепла металлу обеспечивают удаление Н₂, N₂ и О ₂ еще до ввода каких-либо флюсов и реагентов, при этом угара углерода, марганца и кремния не происходит.

Плазменные струи, выходящие из плазмотронов на двух уровнях расплава в ковше, вследствие трения, приводят в движение металлическую ванну вокруг струи и за счет ее большой скорости, основная часть струи глубоко проникает в металлическую ванну, вовлекая металл. Возникает циркуляционное движение. Технически операция продувки больших масс металла плазменными струями по данному способу существенно расширяет активную зону охвата обработки стали и позволяет эффективно удалять неметаллические включения, расположенные в нижних горизонтах металлической ванны. Образующиеся в процессе обработки стали неметаллические включения выносятся к границе поверхности раздела шлак-металл. Гидродинамика процесса обработки на глубине 0,5-0,9 высоты металла от границы поверхности раздела шлак-металл исключает образование «мертвой зоны» между соплом плазмотрона и днищем ковша. Увеличение глубины обработки свыше 0,9 высоты металла приведет к ухудшению механических свойств готовой стали, так как в расплаве появляются продукты разрушения футеровки.

Таким образом, в процессе внепечной обработки металла в ковше высокотемпературными плазменными струями, получаемыми в плазмотронах косвенного действия с газообразным рабочим телом, на двух уровнях расплава, интенсифицируется процесс перемешивания металла, сокращается время обработки стали, а гомогенизация расплава ускоряет процессы раскисления, удаления неметаллических включений, а также десульфурации и дефосфорации стали.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

После окончания плавки отбирают пробу металла для определения его химического состава. Определяют количество необходимых добавок для корректировки химического состава металла. После этого выдают плавку в ковш, который подают на участок рафинирования под зонд вытяжки отходящих газов. На ковш устанавливают водоохлаждаемую футерованную крышку, в которой в водоохлаждаемых футерованных кессонах установлены плазмотроны с возможностью фиксированного продольного перемещения. Часть плазмотронов предназначена для верхней продувки металла в ковше, а остальные - для нижней продувки. Это связано с тем, что по высоте ковша после выпуска плавки имеется значительная неравномерность по температуре с более холодными слоями металла в нижней части ковша, и для усреднения металла по химическому составу и температуре обработку металла высокотемпературными плазменными струями производят на двух уровнях, создавая при этом химически нейтральную атмосферу за счет применения инертного газа или азота в качестве плазмообразующего. Устанавливают ток и рабочий расход газа в плазмотронах верхней продувки, выводят их на рабочий режим и перемещают к поверхности шлака. Высокотемпературными плазменными потоками разрушают поверхность шлака, при этом плазмотроны погружают на глубину, при которой выходное сопло каждого плазмотрона введено на границу поверхности раздела шлак-металл. Продолжая верхнюю продувку, в присопловую зону плазмотронов вводят корректирующие добавки. Запускают плазмотроны для нижней продувки, перемещают их в расплаве на глубину 0,9 высоты металла в ковше, затем возвращают до отметки 0,5 с последующим их реверсированием в указанных пределах до конца обработки. Газ, проходя через слой жидкого металла, барботирует ванну, что способствует интенсивному перемешиванию расплава. Увеличение интенсивности перемешивания является, в свою очередь, основным условием ускорения процесса удаления неметаллических включений из металла. При необходимости совместно с плазменной струей для раскисления стали вводят алюминий. В ковше происходит выравнивание химического состава и температуры металла (стали) по высоте ковша, так как при серийной разливке стали необходима химическая однородность металла. После окончания обработки металла производится разливка металла. Процессом управляют путем регулирования мощности нагрева, расходом газообразного рабочего тела, введением присадок, а также контролем состава и температуры металла.

Пример 1. В процессе обработки сталь с химическим составом, мас.%: С=0,18-0,20; Si=0,12-0,14; Mn=0,41-0,43; S=0,045-0,048; P=0,042-0,044 выпускают из мартеновской печи в 250-т ковш. Температура стали в ковше составляет 1595°С. На ковш устанавливают футерованную водоохлаждаемую крышку, в которой в кессонах вмонтированы шесть плазмотронов мощностью 500 кВт. Три плазмотрона служат для верхней продувки, а три - для нижней продувки. Устанавливают ток и рабочий расход азота в плазмотронах верхней продувки, выводят их на рабочий режим. Досылают плазмотроны на границу поверхности раздела шлак-металл. Удельный расход азота составляет 0,0288 м³ /(т·мин). Обработку расплава осуществляли в течение 5 мин. Затем в ковш через воронку в крышке вводили обессеривающие добавки и запускали три плазмотрона нижней продувки. Плазмотроны перемещали вертикально в реверсивном режиме от 0,9 высоты металла до 0,5. Уровень заглубления плазмотронов определяли по меткам, выполненным на внешнем корпусе над крышкой ковша. Затем в ковш при помощи трайбаппарата вводили порошковую проволоку с наполнением алюминия. Расход алюминиевой проволоки к объему ковша составил 0,001 кг/кг, а масса затраченной алюминиевой проволоки составила 250 кг. Время работы плазмотронов нижнего уровня составил 10 мин. Удельный расход азота при совместной продувке составил 0,1152 м ³/(т·мин). Расход азота в плазмотронах контролировали ротаметрами. Объем затраченного азота составил 324 м ³. Общее время обработки 15 мин. Затраты электроэнергии составили 625 кВт·ч. После окончания обработки сталь имела следующий химический состав, мас.%: С=0,18-0,21; Si=0,13-0,14; Mn=0,41-0,43; S=0,025-0,028; Р=0,022-0,025.

Пример 2. При продувке расплава аргоном с исходными параметрами, приведенными в примере 1, время верхней продувки сократилось до 2,5 мин, а нижней продувки - до 5 мин. При этом объем затраченного аргона составил 160 м³, а суммарные затраты электроэнергии - 360 кВт·ч.

В процессе внепечного рафинирования продувкой аргоном в ковше выявлена возможность разливки обработанной аргоном легированной стали при температурах на 30-50°С ниже, чем обычной нерафинированной, без ухудшения характеристик разливки, при этом снижается содержание в расплаве не только кислорода, но и водорода и азота.

Анализ результатов выявил положительное влияние обработки металла аргоном на качество стали.

Применение более дешевого газа - азота, позволило получать низколегированные стали с нитридным упрочнением без применения при выплавке азотированных ферросплавов.

Как видно из примеров, предлагаемый способ обработки расплава позволяет интенсифицировать массообмен между газоплазменным потоком и расплавом, более эффективно проводить рафинирование металла, добиться однородности химического состава металла в обрабатываемом объеме, сократить тепловые потери на обработку.