Способ легирования стали марганцем

Изобретение относится к области металлургии, в частности к внепечной обработке стали марганцем. В способе осуществляют выплавку стали, выпуск металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав одновременно оксидного марганецсодержащего материала, алюминия и флюса. Оксидный марганецсодержащий материал, алюминий и флюс вводят непрерывно в виде материала плотностью (2,2-2,5)·10² м³/т, предварительно окомкованного, термообработанного и офлюсованного смесью оксидов алюминия и кальция и металлического алюминия, начиная его подачу с максимальным удельным расходом после закрытия днища ковша металлическим расплавом и заканчивая подачу при наполнении 2/3 объема ковша со снижением в процессе подачи удельного расхода материала прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей. Изобретение обеспечивает протекание процессов раскисления, легирования и десульфурации в течение выпуска металлического расплава за счет использования кинетической энергии падающей струи, что приводит к повышению степени десульфурации при сокращении времени обработки и сохранении высокого извлечения марганца. 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированию стали марганцем путем внепечной обработки.

Известен способ легирования стали, включающий введение в расплав легирующих элементов в виде оксидов и алюминия в качестве восстановителя, взятого в количестве сверх стехиометрически необходимого, восстановление бора или марганца и легирование стали, при этом алюминий вводят в виде прутков, а легирующие элементы - в виде датолитового концентрата или шлака металлического марганца, предварительно нанесенных путем намораживания толщиной слоя 1-5 мм на эти прутки (SU №1219654 А, кл. С21С 7/00, В22D 7/00, опубл. 23.03.1986 г.).

В результате обеспечения постоянного контакта восстановителя с оксидами легирующих элементов в известном способе достигнуто высокое извлечение марганца. Однако из-за локального размещения в ковше вводимых материалов распределение легирующего элемента в объеме металлического расплава неравномерное, в результате чего требуется дополнительная обработка металла путем его перемешивания. Кроме того, десульфурации металлического расплава при реализации известного способа не происходит, потому что в составе используемых компонентов отсутствуют материалы, обладающие серопоглотительной способностью.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ легирования стали марганцем, включающий выплавку и раскисление стали, выпуск металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав после выпуска в ковш одновременно оксидного марганецсодержащего материала, восстановителей и флюса в виде наполнителя оболочковой порошковой проволоки в количестве 20-55 кг·N на тонну стали, где N - требуемый прирост содержания марганца в готовой стали, мас.%, в качестве восстановителей используют материал, выбранный из группы: алюминий и/или ферросилиций или ферросилиций и силикокальций, а в качестве флюса используют плавиковый шпат, причем оксидный марганецсодержащий материал, плавиковый шпат и материал, выбранный из группы: алюминий и/или ферросилиций или ферросилиций и силикокальций используют в виде смеси порошков при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%: оксидный марганецсодержащий материал 66-75, плавиковый шпат 1-5, материал, выбранный из группы: алюминий и/или ферросилиций или ферросилиций и силикокальций - остальное (SU №2104311 С1, кл. С21С 7/00, опубл. 10.02.1998 г.).

Наличие в материалах, используемых в известном способе, элементов, имеющих высокое сродство к кислороду, взятых в количествах, сверх стехиометрически необходимых для восстановления легирующего элемента, обеспечивают высокое извлечение марганца. Однако степень десульфурации металлического расплава в известном способе не превышает 20%, а обработку в сталеразливочном ковше ведут после окончания в него выпуска металлического расплава из сталеплавильного агрегата. Низкая степень десульфурации обусловлена выбранным составом компонентов смеси, используемой для рафинирования и легирования металлического расплава, содержащим значительное количество оксидов кремния, препятствующим десульфурации из-за связывания их в прочные соединения с кальцийсодержащими материалами и снижения тем самым активности кальция. Кроме того, процессы рафинирования и легирования металлического расплава рассредоточены во времени, что приводит к снижению эффективности десульфурации. Обработка металлического расплава согласно известному способу происходит в локальных объемах плавления подаваемой в сталеразливочный ковш проволоки, что приводит к неравномерности распределения легирующего элемента и в последующем требует обязательного перемешивания для усреднения металлического расплава по химическому составу, что приводит к повышению времени обработки.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа легирования стали марганцем путем оптимизации технологических параметров.

Ожидаемый технический результат - равномерное распределение подаваемого материала в объеме металлического расплава, обеспечивающее протекание процессов раскисления, легирования и десульфурации в течение выпуска металлического расплава за счет использования кинетической энергии падающей струи, что приводит к повышению степени десульфурации при сокращении времени обработки и сохранении высокого извлечения марганца.

Технический результат достигается тем, что в способе легирования стали марганцем, включающем выплавку стали, выпуск металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав одновременно оксидного марганецсодержащего материала, алюминия и флюса, по изобретению оксидный марганецсодержащий материал, алюминий и флюс вводят непрерывно в виде предварительно окомкованного, термообработанного и офлюсованного смесью, содержащей в своем составе алюминий, материала плотностью (2,2-2,5)·10² м³/т, начиная его подачу с максимальным удельным расходом после закрытия днища ковша металлическим расплавом и заканчивая подачу при наполнении 2/3 объема ковша со снижением в процессе подачи удельного расхода материала прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей.

В предлагаемом способе легирования стали марганцем в сталеразливочном ковше используют специально подготовленный материал, который вводят в ковш во время выпуска углеродистого полупродукта из электросталеплавильной печи с эркерным (ускоренным) выпуском металлического расплава.

Специально подготовленный материал состоит из окомкованного оксидного марганецсодержащего материала, флюса и алюминия, который затем после термообработки офлюсовывают смесью оксидов алюминия и кальция и металлического алюминия. Плотность такого материала, равная (2,2-2,5)·10² м³/т, ниже плотности сталеплавильных шлаков, а температура плавления существенно ниже температуры выпускаемого металлического расплава (около 1200°С), и материал предназначен для обработки металлического расплава в отсутствие печного окислительного шлака. Уменьшение плотности материала ниже значения 2,2·10² м³/т приводит к его интенсивному всплыванию на поверхность металлического расплава, что препятствует равномерному распределению материала в объеме металла, снижению извлечения марганца и ухудшению показателей десульфурации. Повышение плотности материала выше значений 2,5·10² м³/т приводит к нарушению синхронности перемещения материала с потоком металлического расплава, образованного падающей струей во время выпуска, что приводит к локальным скоплениям материала в объеме металла, снижению степени извлечения марганца и ухудшению показателей десульфурации.

В предлагаемом способе процесс обработки металлического расплава проходит в три этапа и заключается в синхронизации постепенного плавления компонентов, входящих в поверхностный слой подаваемого материала, с одновременным обновлением поверхности контакта плавящихся компонентов с перемещающимися за счет падающей струи новыми слоями металлического расплава.

Для этого подачу материала в сталеразливочный ковш начинают после закрытия днища ковша металлическим расплавом. Непрерывно подаваемый в металлический расплав окомкованный материал тут же увлекается падающей струей металлического расплава и распределяется в объеме ковша строго в соответствии с движением потоков металлического расплава, инициированных падающей струей. Но так как количество непрерывно подаваемого в ковш окомкованного материала невелико, его скопления в зоне попадания в металлический расплав не происходит, он равномерно распределяется в объеме ковша.

Подачу материала осуществляют с максимальным удельным расходом после закрытия днища ковша металлическим расплавом. Такой расход обусловлен наличием интенсивного перемешивания металлического расплава за счет падающей струи металла в начальный период выпуска. По мере наполнения ковша металлическим расплавом удельный расход материала уменьшают прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей и заканчивают подачу материала при наполнении 2/3 объема ковша. Таким образом обеспечивают равномерность распределения подаваемого материала, формирование микрообъемов рафинировочного известково-глиноземистого шлака и последовательность этапов обработки металлического расплава.

Вначале происходит плавление поверхностного слоя материала с образованием шлака, обладающего серопоглотительной способностью. При этом происходит первичный процесс десульфурации, предваряемый раскислением металлического расплава металлическим алюминием, входящим в поверхностный слой материала, согласно реакциям:

(CaS) ассимилируется образующейся пленкой шлака, состоящей преимущественно из (СаО) и (Al₂О₃) в каждом из образованных локальных микрообъемов, равномерно рассредоточенных в металлическом расплаве. Затем плавление доходит до центральной части материала, в которой содержатся оксиды марганца, кальция и алюминий. При плавлении начинается второй этап обработки металлического расплава, идут реакции:

Во втором этапе процесс рафинирования металлического расплава от серы протекает с образованием катализатора реакции десульфурации стали согласно уравнению реакции (3). После прохождения реакции десульфурации (5) и реакции замещения (6) образуется оксид марганца (MnO), из которого снова восстанавливают марганец согласно реакциям (3) и (4). То есть процесс приобретает режим цикличности, в котором в качестве катализатора используют восстановленный марганец. После завершения восстановительного процесса проходит третий (завершающий) этап рафинирования металлического расплава от серы образовавшимся известково-глиноземистым шлаком. В условиях интенсивного раскисления металлического расплава процессы десульфурации первого, второго и третьего этапов протекают с высокой скоростью, а поскольку образующийся шлаковый слой в каждом из образовавшихся микрообъемов рафинировочной зоны невелик и составляет величину, не превышающую 1·10^-1 см, то скорость прохождения через него частиц восстановленного марганца высока и время осаждения марганца не превышает 10^-3 секунды.

Одновременно идет процесс интенсивного перемешивания металлического расплава с гомогенными составляющими плавящихся оксидных компонентов материала, обладающих высокой серопоглотительной способностью. Учитывая высокие скорости химических реакций, скорость процесса десульфурации лимитируется скоростью обновления поверхности металлического расплава в зоне гомогенной составляющей плавящихся компонентов материала. Выбранная плотность материала обеспечивает время его плавления, совпадающее с временем перемещения металлического расплава в пределах одного оборота. При этом за время прохождения потоком металлического расплава одного оборота заканчивается первый и второй этапы десульфурации, затем наступает третий этап, который завершает десульфурацию металлического расплава при одновременном его легировании марганцем.

Пример.

Предлагаемый и известный способы легирования осуществляли в 120-тонном сталеразливочном ковше при производстве стали марки 08Ю. Содержание марганца в металлическом полупродукте перед выпуском составляло 0,04%.

В предлагаемом способе раскисление, легирование и десульфурацию металлического расплава проводили с использованием материала, приготовленного в виде окатышей, состоящих из центральной части, включающей оксидный марганецсодержащий материал, флюс, содержащий оксиды кальция и алюминия, и алюминий, дополнительно офлюсованных смесью оксидов алюминия и кальция, и металлического алюминия Содержание компонентов в используемом материале составляло, мас.%: оксидный марганецсодержащий материал 75; алюминий 15; флюс 10. Удельный расход материала составил 6,5 кг/т.

Окатыши начинали подавать в сталеразливочный ковш после закрытия днища ковша металлическим расплавом с удельным расходом 0, 166 кг/т·с с последовательным снижением в процессе подачи удельного расхода прямо пропорционально интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей и заканчивали подачу при наполнении 2/3 объема ковша с удельным расходом 0,02 кг/т·с. После окончания выпуска из сталеразливочного ковша отбирали пробы металла на химический анализ.

Плавку стали по известному способу проводили с предварительным раскислением металлического расплава алюминием во время выпуска в сталеразливочный ковш из расчета получения его в металле 0,03-0,05%.

Затем в ковш вводили оболочковую проволоку с наполнителем, состоящим из порошков оксидного марганецсодержащего материала с содержанием 44% марганца в количестве 72%, алюминия 23% и плавикового шпата 5%, со скоростью 2,4 м/с, при удельном расходе наполнителя 6,85 кг/т. После ввода проволоки металл перемешивали аргоном в течение 5 минут. После обработки стали аргоном отбирали пробы металла на химический анализ.

Результаты опытных плавок представлены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что степень десульфурации металлического расплава в плавках, проведенных по заявляемому способу, превышает степень десульфурации в опытной плавке, проведенной по способу ближайшего аналога, при, практически, одинаковых показателях извлечения марганца.

Предлагаемый способ обеспечивает протекание процессов раскисления, легирования и десульфурации в течение выпуска металлического расплава за счет использования кинетической энергии падающей струи, что приводит к повышению степени десульфурации при сокращении времени обработки и сохранении высокого извлечения марганца.

Таблица
№ п/п	Плотность материала, 102 м3/т	Содержание марганца в стали, %	Содержание серы в стали, %	Извлечение марганца, %	Степень десульфурации, %
Исходный металл	Готовая сталь	Исходный металл	Готовая сталь
1.	2,0	0,04	0,24	0,019	0,006	93,5	68,4
2.	2,3	0,04	0,25	0,020	0,007	94,7	65,0
3.	2,5	0,04	0,24	0,019	0,007	93,5	63,2
4.	-	0,04	0,24	0,019	0,015	92,0	21,0

Способ легирования стали марганцем, включающий выпуск выплавляемого металлического расплава в ковш, введение в металлический расплав одновременно оксидного марганецсодержащего материала, алюминия и флюса, отличающийся тем, что оксидный марганецсодержащий материал, алюминий и флюс вводят непрерывно в виде предварительно окомкованного, термообработанного и офлюсованного смесью оксидов алюминия и кальция и металлического алюминия материала плотностью (2,2-2,5)·10² м³/г, при этом подачу материала начинают после закрытия днища ковша металлическим расплавом с максимальным удельным расходом и заканчивают при наполнении на 2/3 объема ковша, а в процессе подачи материала снижают удельный расход в прямой пропорциональной зависимости от интенсивности перемешивания металлического расплава падающей струей.