Способ легирования стали марганцем

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированию стали марганцем в печи и/или при внепечной обработке расплава оксидными марганецсодержащими смесями. Осуществляют введение в жидкий металл оксидов марганца и восстановителя порциями, а также оксидов кальция, выпуск металла в ковш и обработку его в ковше. При этом первую порцию оксидов марганца вводят в жидкий металл после выпуска шлака на зеркало металла в смеси с восстановителем, количество которой составляет 40-60% от необходимого, а остальную часть смеси задают вместе с известью в процессе выпуска металла в ковш. Изобретение позволяет сократить расход марганецсодержащего сырья, извести и восстановителя на единицу восстановленного марганца, сократить кратность шлака, повысить извлечение марганца в металл и снизить содержание неметаллических включений. 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированию стали марганцем путем печной и/или внепечной обработки расплава оксидными марганецсодержащими смесями.

Легирование стали оксидными смесями называют прямым легированием, т.е. легирование стали марганцем или другими элементами без необходимости выплавки стандартных ферросплавов (ферромарганца, силикомарганца и металлического марганца).

Известен способ легирования стали марганцем, включающий выплавку, выпуск металла в ковш, подачу легирующих и продувку металла инертным газом, в котором после выпуска металла в ковш на поверхность расплава дают малофосфористый марганецсодержащий шлак ферросплавного производства, восстановитель и известь в количестве, обеспечивающем основность шлака 2,0-3,5; при этом допускается подача на поверхность ковша кислорода в течение 3-30 секунд (АС СССР №1044641, МКИ С 21 С 7/00, 1983).

Недостатками аналога являются:

- низкое извлечение марганца из силикатного марганецсодержащего шлака;

- необходимость перегрева металла перед выпуском в ковш, чтобы расплавить марганецсодержащую шихту;

- необоснованно высокая основность конечного шлака;

- необходимость в продувке поверхности ковша кислородом, что может привести к окислению как уже восстановленного металла, так и самого металла-восстановителя.

Известен способ производства стали, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, раскисление, легирование, получение жидкого металла, содержащего восстановители кремний и алюминий, введение в жидкий металл оксидов марганца и кальция в виде оксидной смеси при их соотношении CaO/Mn_xO_y=0,6-1,2, при этом обработку шлаком осуществляют выдержкой жидкого металла под шлаком с основностью CaO/SiO₂=0,7-1,8 (патент РФ №2096491, МПК С 21 С 7/00, 1997).

Недостатками аналога являются:

- неопределенность отношения оксидов кальция к оксидам марганца из-за того, что марганец имеет четыре соединения с кислородом (MnO, Mn₃O₄, Mn₂O₃, MnO₂);

- отношение CaO/SiO₂ поддерживают в пределах от 0,7 до 1,8, что равносильно работе, как на кислых шлаках, так и на основных с одним и тем же результатом, - это противоречит теории и не может обеспечить высокого извлечения марганца в сталь. Наиболее близким к предлагаемому является способ производства низкоуглеродистой конструкционной стали по патенту Российской Федерации №2212453, МПК С 21 С 7/00, 2003 г., при котором производят выплавку металла в сталеплавильном агрегате, раскисление и легирование, введение в жидкий металл оксидов марганца и кальция, выпуск металла в ковш, обработку жидкого металла в ковше шлаком, образующимся после восстановления марганца алюминием, а оксиды марганца вводят в жидкий металл двумя порциями, одну из которых вводят в сталеплавильный агрегат совместно с углеродосодержащим восстановителем, взятых в соотношении (8,8-9,2)/1 из расчета получения в металле перед выпуском в ковш содержания марганца в количестве 0,1-0,2, необходимого в готовой стали, другую порцию оксидов марганца вводят в ковш совместно с алюминийсодержащим восстановителем, оксиды кальция вводят в ковш в виде рафинирующей смеси с оксидами бария при их отношении 8,5-9,5, причем соотношение оксидов марганца, подаваемых в ковш, алюминийсодержащего восстановителя и рафинирующей смеси выбирают равным (70-75):(8-10):(17-20).

Недостатками известного способа легирования стали марганцем являются:

- использование углерода в качестве восстановителя требует более высоких температур процесса;

- сложность ведения плавки из-за необходимости постоянно проводить экспресс-анализ металла и шлака на содержание в них основных элементов (Mn и C в металле и MnO и CaO в шлаке);

- неоправданно низкая остаточная концентрация марганца в металле при обработке его в печи и необходимость использования печного шлака при обработке металла в ковше;

- низкое извлечение марганца в сталь;

- необоснованно сильное влияние низкого расхода BaO (0,52 кг/т) на высокую серопоглотительную способность шлака.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в упрощении технологии легирования стали марганцем, повышении извлечения марганца и улучшении качества стали.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе осуществляют введение в жидкий металл оксидов марганца и восстановителя порциями, а также оксидов кальция, выпуск металла в ковш и обработку его в ковше, при этом первую порцию оксидов марганца вводят в жидкий металл после выпуска шлака на зеркало металла в смеси с восстановителем, количество которой составляет 40-60% от необходимого, а остальную часть смеси задают вместе с известью в процессе выпуска металла в ковш. Кроме этого, заявленное техническое решение характеризуются дополнительно следующими признаками:

- в качестве восстановителей используют металлы, термодинамическая прочность оксидов которых выше, чем у закиси марганца;

- содержание кремния в стали перед выпуском в ковш поддерживают на 20-30% выше его верхнего предела;

- в качестве марганца используют его соединения с кислородом при содержании в них марганца от 62,2 до 72,0%;

- после выпуска металла его продувают инертным газом в течение 3-5 минут.

Отличительными признаками предложенного способа являются: подача на зеркало металла смеси, содержащей оксиды марганца с восстановителем, и то, что остальную часть смеси задают вместе с известью в процессе выпуска металла в ковш.

Подача в печь смеси оксидов марганца с восстановителем менее 40% от необходимого его количества приводит к увеличению количества шлака в ковше и ухудшает его рафинирующие свойства. Если количество смеси, подаваемой в электропечь, будет больше 60%, то это увеличит количество шлака и потери с ним марганца в виде корольков.

Колебания содержания марганца в соединениях его с кислородом от 62,2 до 72,0% объясняются присутствием в смеси нескольких его соединений: MnO₂ (62,2% Mn) и Mn₃O₄ (72,0% Mn).

Практикой использования инертного газа в качестве источника для усреднения химического состава готового металла установлено, что для этого требуется 3-5 минут.

Пример осуществления способа.

Пример №1.

В лабораторной дуговой электропечи с трансформатором мощностью 100 кВ·А были проведены эксперименты по выплавке сталей трех марок: 15Г, 16Г2, 20 (см. табл.1).

Таблица 1
Марка стали	C	Si	Mn	S	Р	Назначение
не более
15Г	0,12-0,19	0,17-0,37	0,7-1,0	0,035	0,035	ТУ14-143250-77
16Г2	0,12-0,20	0,17-0,37	2,0-2,4	0,030	0,035	ТУ14-143250-77
20	0,17-0,24	0,17-0,37	0,35-0,65	0,040	0,035	ТУ14-143250-77

Выбор этих марок сталей обусловлен различным содержанием в них марганца при постоянной концентрации кремния. Объем каждой плавки составляет 10 кг готовой стали.

После расплавления шихтовой заготовки и получения жидкого металла его раскисляют, ферросилицием марки ФС65, наводят известковый шлак и через 5 минут после расплавления шлак выпускают в изложницу. Температура стали в печи по показаниям оптического пирометра составляет 1590°С. На зеркало жидкого металла задают часть смеси, состоящей из оксидов марганца и восстановителя (Si, Al, SiCa). Выбор восстановителя обуславливают степенью окисленности марганца. Если марганецсодержащий компонент смеси состоит из двуоксида марганца, то в качестве восстановителя используют кремний ферросилиция, и добиваются, чтобы концентрация кремния в металле в конце плавки составляла 0,41-0,45%. Если же степень окисленности марганца ниже, то в качестве восстановителя используют алюминий или силикокальций. Этим приемом добиваются ускорения усвоения марганца за счет быстрого прохождения экзотермических реакций. Температура металла в печи на 10-15°С выше, чем до начала введения смеси. Образовавшийся шлак выпускают в изложницу, а металл - в разогретый ковш. На струю металла в процессе его выпуска задают остальную часть смеси, состоящей из оксидов марганца, восстановителя и извести.

Результаты экспериментов приведены в таблице 2 и в таблице 3.

Таблица 2
Марка стали	Технологические параметры
	Общий вес смеси, кг	Содержание Mn, % КХО/ме	Добавка в печь	Добавка в ковш	Время продувки, мин
			Вес, кг/%	Состав, кг		Вес, кг/%	Состав, кг
КХО	Вос-ль	КХО	Вос-ль	Известь
16Г2	0,548	62,2/2,21	0,219/40	0,147	0,072	0,329/60	0,221	0,108	0,280	3,0
20	0,122	67,4/0,53	0,073/60	0,049	0,024	0,049/40	0,033	0,016	0,047	5,0
15Г	0,176	72,0/0,94	0,088/50	0,067	0,021	0,088/50	0,067	0,021	0,023	4,0
Ближайший аналог
Состав смеси, задаваемой в печь: марганцевая руда + кокс в соотношении (8,8-9,2)/1.
Расход смеси 70 кг/т.
Состав смеси, задаваемой в ковш: марганцевая руда (90 кг) + вторичный алюминий (15 кг) + рафинирующая смесь (оксид кальция + оксид бария) в количестве 30 кг/т.
Таблица 3
Получаемые результаты
Извлечение Mn, %	Неметаллические включения
Оксиды строчечные	Оксиды точечные	Сульфиды
96,51	2,2	2,0	2,6
98,05	2,0	1,5	2,0
97,44	1,9	1,4	2,2
Ближайший аналог
85,0	3,0	2,6	1,1

Пример №2.

В литейном цехе Обуховского металлургического завода на печи ДСП-5 была проведена промышленная плавка стали марки 25Л в соответствии с заявленными в настоящем изобретении параметрами.

Состав стали, %: углерод - 0,22-0,3; марганец - 0,45-0,9; кремний - 0,2-0,52; фосфор - 0,03; сера - 0,03.

В данном примере в качестве марганецсодержащего сырья используют химконцентрат (КХО), который содержит: MnO₂ - 99,4%, SiO₂ - 0,3%, CaO - 0,1%, P - 0,01%. Вес плавки составляет - 7300 кг.

Предварительно готовят смесь, содержащую химконцентрат, ферросилиций ФС65 и известь, часть из которой (50%) задают в печь на жидкий металл, свободный от шлака; вторую часть (50%) - в ковш по мере выпуска туда жидкого металла. Состав первой части смеси: 53,8 кг КХО + 26,7 кг ФС65 + 57,8 кг извести. Состав второй части смеси: 53,8 кг КХО + 18,7 кг ФС65 + 45,0 кг извести. Температура металла на выпуске - 1570°С. Продолжительность процесса легирования стали составляет 40 минут.

Общая продолжительность плавки, ее отдельных периодов не изменяется.

Анализ результатов проведенного промышленного опробования технологии прямого легирования стали оксидами марганца показал, что химконцентрат может быть использован взамен марганцевых ферросплавов. Степень извлечения марганца из смеси превышает 90%. При этом упрощалась технология плавки за счет простоты подготовки смесей и их составов.

Предложенный способ выплавки стали, по сравнению с известным, позволяет сократить расход марганецсодержащего сырья, извести и восстановителя на единицу восстановленного марганца, соответственно сократить кратность шлака, повысить извлечение марганца в металл и снизить содержание неметаллических включений. Способ позволяет также без дополнительных затрат тепловой энергии повысить содержание марганца в стали и расширить сортамент сталей, содержащих марганец, которые можно выплавлять предложенным способом.

Разработанный способ может быть реализован на ЗАО «Обуховский спецсталь», а также на других заводах, выплавляющих аналогичную номенклатуру сталей.

1. Способ легирования стали марганцем, включающий введение в жидкий металл оксидов марганца и восстановителя порциями, а также оксидов кальция, выпуск металла в ковш и обработку его в ковше, отличающийся тем, что первую порцию оксидов марганца вводят в жидкий металл после выпуска шлака на зеркало металла в смеси с восстановителем, количество которой составляет 40-60% от необходимого, а остальную часть смеси задают вместе с известью в процессе выпуска металла в ковш.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителей используют металлы, термодинамическая прочность оксидов которых выше, чем у закиси марганца.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание кремния в стали перед выпуском в ковш поддерживают на 20-30% выше его верхнего предела для данной марки стали.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выпуска металла его продувают инертным газом в течение 3-5 мин.