Способ азотирования стали

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства стали с применением вакуумирования. Способ включает вакуумирование стали в ковше с одновременной продувкой инертным газом через донные пористые фурмы под высокоосновным шлаком. Продувку в ковше при вакуумировании проводят через донные пористые фурмы азотом с интенсивностью 3-25 м³/ч и расходом 0,02-0,35 м³/т стали. Окисленность шлака не более 1,2% FeO и отношение CaO/SiO₂ 2,1-2,8, причем высоту шлака в ковше обеспечивают равной 80-150 мм. Использование изобретения позволяет сократить затраты при азотировании стали, уменьшить концентрацию кислорода в стали и уровень загрязненности неметаллическими включениями; повысить ударную вязкость при отрицательных температурах.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства стали с применением вакуумирования.

Известны азотсодержащие стали, обладающие повышенной ударной вязкостью при отрицательных температурах за счет нитридного и карбонитридного упрочнений [1]. Необходимые свойства таких сталей достигаются при легировании стали азотированными ферросплавами. Однако производство сплавов азотированного феррованадия сопряжено с высокими затратами, они дорогостоящи и при введении их в сталь степень усвоения азота низка.

Известен также способ получения рельсовой стали, включающий выплавку стали в печи, ее выпуск в ковш, раскисление и последующую продувку стали в ковше газообразным азотом через фурму, при котором газообразный азот подают через щелевую донную огнеупорную фурму, имеющую толщину щели до 0,1 мм, в течение 15-30 мин с расходом 40-65 нм³/ч при давлении (6-8)·10⁵ Па и общим расходом азота 0,10-0,30 нм³/т жидкой стали [2].

Техническими недостатками данного способа являются:

- нестабильное усвоение азота при продувке и получение различных значений ударной вязкости при прочем равном химическом составе;

- повышенный уровень загрязненности рельсовой стали оксидными неметаллическими включениями в связи с использованием азота недостаточной степени чистоты по концентрации кислорода;

- снижение механических свойств рельсов в связи с высокой концентрацией в рельсовой стали оксидных неметаллических включений;

- низкая производительность при азотировании.

Известен выбранный в качестве прототипа способ выплавки и вакуумирования стали, включающий выплавку металла, обработку рафинировочным шлаком, вакуумом, при котором металл в ковше вначале обрабатывают основным восстановительным шлаком посредством слива металла из печи в ковш на твердые шлакообразующие материалы с одновременной продувкой расплава аргоном с интенсивностью 0,01-0,07 м³/т·мин и через 30-90 с с основным окислительным шлаком и аргоном с интенсивностью продувки 0,2-0,8 первоначальной продувки в течение 30-180 с, после чего удаляют 20-40% массы шлака, присаживают нейтрализатор и осуществляют вакуумирование металла [3].

Техническими недостатками данного способа выплавки и вакуумирования стали являются:

- невозможность проведения операции азотирования из-за применения аргона в качестве используемого газа;

- невозможность совмещения операции снижения содержания кислорода и оксидных неметаллических включений с операцией по насыщению стали азотом из-за использования аргона.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение затрат при азотировании стали, уменьшение концентрации кислорода в стали и уровня загрязненности неметаллическими включениями; повышение ударной вязкости при отрицательных температурах.

Для этого предложен способ азотирования стали, включающий вакуумирование стали в ковше с одновременной продувкой инертным газом через донные пористые фурмы под высокоосновным шлаком, отличающийся тем, что продувку в ковше при вакуумировании проводят через донные пористые фурмы азотом с интенсивностью 3-25 м³/ч и расходом 0,02-0,35 м³/т стали под шлаком с окисленностью не более 1,2% FeO и отношением СаО/SiO₂ 2,1-2,8, причем высоту шлака в ковше обеспечивают равной 80-150 мм.

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.

Продувку стали азотом через пористые фурмы проводят с расходом 0,02-0,35 м³/т и интенсивностью 3-25 м³/ч, выбраными исходя из следующих предпосылок. При снижении расхода менее 0,02 нм³/т выплавляемой стали и интенсивности менее 3 м³/ч происходит снижение скорости насыщения стали азотом. При повышении расхода более 0,35 нм³/т и интенсивности продувки стали азотом более 25 нм³/ч на тонну выплавляемой стали происходит интенсивное вспенивание стали и шлака в ковше, что затрудняет обработку в связи с выплесками стали и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы.

При увеличении окисленности шлака более 1,2% FeO при обработке стали происходят аварийные ситуации, связанные с резким вскипанием стали в ковше и выбросами в танк вакууматора, вследствие чего процесс дальнейшего вакуумирования прекращается.

Отношение СаО/SiO₂, равное 2,1-2,8, выбрано исходя из того, что при снижении соотношения ниже 2,1 не обеспечивается требуемый уровень загрязненности стали оксидными экзогенными включениями из-за эрозии футеровки стальковша ковшевым шлаком, кроме того, жидкотекучесть шлаков не позволяет эффективно насыщать сталь азотом в связи с быстрым удалением пузырьков азота через шлак. При увеличении данного соотношения более 2,8 шлаки получаются «густыми» и тугоплавкими, что затрудняет процесс присадки азотообразующих ферросплавов (ванадия, титана, алюминия и др.) в сталь, так как прохождение ферросплавов через слой шлака затрудняется и в связи с отсутствием в стали необходимых нитридообразующих элементов, присаживаемых ферросплавами, процесс азотирования стали замедляется, а следовательно, продолжительность вакуумной обработки увеличивается.

При высоте шлака в ковше менее 80 мм низкая высота шлака не обеспечивает защиту металла от поглощения газов из атмосферы. При высоте шлака более 150 мм увеличивается продолжительность обработки на вакууматоре.

Заявляемый способ азотирования стали был реализован при производстве рельсовой стали марки НЭ76Ф с обработкой на вакууматоре камерного типа VD. Выплавленная сталь в сталеразливочном ковше после подогрева на агрегате «ковш-печь» подавалась для обработки на вакууматор. При этом обеспечивали содержание в ковшевом шлаке не более 1,2% FeO и отношение СаО/SiO₂, равное 2,1-2,8. Высота шлака в ковше составляла 80-150 мм. При высоте шлака более 150 мм производили скачивание шлака машиной для скачивания шлака через борт сталеразливочного ковша. Перед созданием разряжения ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку азотом через пористые донные фурмы с интенсивностью 3-25 м³/ч и расходом 0,02-0,35 м³/т стали. Далее надвигалась крышка вакууматора и в течение до 5 мин создавалось давление менее 0,3 торр. Длительность выдержки под вакуумом составляла 15-60 мин. После операции обработки вакуум снимался, открывалась крышка и ковш подавался на непрерывную разливку. Разливку стали проводили на 4-ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа P65.

При использовании заявляемого способа снижен расход азотированных ванадийсодержащих ферросплавов на 0,5-0,7 кг/т выплавляемой стали.

Содержание кислорода снижено до 12-20 ppm, содержание азота 100-250 ppm. Длина строчки оксидных включений сокращена с 1,5 мм до 0,5 мм. Ударная вязкость термоупрочненных рельсов увеличена с 25 Дж/см² до 45 Дж/см².

Источники информации

1. Филиппенков А.А. Ванадийсодержащие стали для отливок. - Екатеринбург: УРО РАН. - 2001. -345 с.

2. Патент РФ №2161205, кл С21С 7/00, 7/072.

3. А.с №968078, кл С21С 7/10.

Способ азотирования стали, включающий вакуумирование стали в ковше с одновременной продувкой инертным газом через донные пористые фурмы под высокоосновным шлаком, отличающийся тем, что продувку в ковше при вакуумировании проводят через донные пористые фурмы азотом с интенсивностью 3-25 м³/ч и расходом 0,02-0,35 м³/т стали, под шлаком с окисленностью не более 1,2% FeO и отношением CaO/SiO_2, равным 2,1-2,8, а высоту шлака в ковше обеспечивают равной 80-150 мм.