RU2002816C1 - Способ дегазации и десульфурации нержавеющей стали - Google Patents

Abstract

Изобретение позвол ет повысить производительность дуговой печи и качество стали. Металл и шлак перед вакуумированием раскисл ют смесью кокса и алюмини  с известью и перед установкой раскисленного металла в камеру снижают температуру стали присадками шлакообразующих и легирующих добавок вакуумируют в течение 5-7 мин при низком уровне вакуума, например 60 - 120 мм рт.ст, с одновременной подачей кислорода сверху и аргоном снизу, прекращают подачу кислорода и удал ют его из металла при высоком вакууме, например при 0,5 - 3 мм рт.ст, в течение 5-15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30 - 40 мин при низком вакууме до содержани  углерода в металле 0,04 - 0,08%, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком вакууме. 2 табл.

Description

Изобретение относитс  к черной металлургии , конкретно к производству нержавеющих сталей в дуговых печах с применением вакуумировани  стали в ковшевых вакууматорах.

Известен способ вакуумного рафинировани  стали с высокой скоростью продувки газообразным кислородом через специальные сопла Лавал  в вакуумной камере.

Требуемое динамическое давление и глубина проникновени  кислорода со сверхзвуковой скоростью контролируют давлением кислорода перед критическим отверстием фурмы. Регулирование высоты фурмы во врем  рафинировани  стали поэтому не требуетс ; потери хрома и, например , марганца снижены до минимума, содержание кислорода в обезуглероженной стали низкое, более точно может быть определено конечное содержание угперода. При этом температуру металла при рафинировании не очень высока , а врем  рафинировани  уменьшаетс .

Недостатком известного способа  вл етс  ограниченна  возможность удалени  азота, а также снижени  серы в стали из-за невозможности вакуумировани  под активными шлаками раскисленного металла без подачи окислител .

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату можно отнести получение нержавеющей стали с весьма низким содержанием углерода и азота по способу VOD.

С целью получени  высокохромистой стали с весьма низким содержанием углерода и азота (0,015%) путем рафинировани  по способу VOD, расплавленный металл с начальным содержанием углерода 1,0-1,3% продували аргоном с расходом (0,2-0,4 л/мин-т). При этом с целью уменьшени  концентрации кислорода, оказывающего большое вли ние на реакцию деазотации, продувку расплавленного металла кислородом при концентрации углерода более 0,3% прекращали, и в дальнейшем продолжали процесс деазотации в вакууме. Это позволило понизить концентрацию азота в металле до 0,005%. Обезуглероживание осуществл ли в два этапа.

При содержании углерода в металле 0,02% осуществл ли продувку расплава кислородом, а при содержании углерода менее 0,02% перемешивали металл только путем продувки аргоном в вакууме. Дл  обеспечени  высокой скорости обезуглероживани  на втором этапе необходим глубокий вакуум, активное перемешивание металла и наличие на его поверхности окисленного шлака. В ходе опытов было обнаружено , что процесс обезуглероживани  протекал наиболее быстро даже при не слишком бурном перемешивании металла

при содержании в окисленном шлаке около 10,0% окислов хрома,

В данной работе не использована возможность более короткого и более произво- дительного, а следовательно, более

0 эффективного удалени  азота за счет вакуумировани  раскисленного хромистого расплава коксом и алюминием и перевода азота из металла в шлак и последующего удалени  цианистых соединений шлака пу5 тем последующей продувки металла кислородом и удалени  из шлака уже окисных соединений азота.

Более того, в приведенной работе нет данных по удалению серы из металла в про0 цессе вакуумировани  стали, В этом случае, заведомо, нужно использовать чисты по содержанию серы лом и отходы дл  производства высококачественной нержавеющей стали.

5 Целью изобретени   вл етс  повышение производительности и качества стали.

Дл  достижени  цели используют ааку- умирование жидкого металла и шлака, его перемешивание аргоном подачей его через

0 донные канальные блоки в печи и о ковше, окисление кислородом посредством водо- охлаждаемой сверхзвуковой наклонной фурмой в вакуумной камере, при этом металл и шлак перед вакуумированием раскис5 л ют смесью кокса и алюмини  с известью и перед установкой раскисленного металла, снижают температуру стали присадками шалкообразующих и легирующих добавок, вакуумируют в течение 5-7 мин при низком

0 вакууме, например 60-120 мм рт.ст., с одновременной подачей кислорода сверху и аргона снизу, прекращают подачу кислорода и удал ют его из металла при высоком вакууме , например при 0,5-3 мм рт.ст., в течение

5 5-15 мин, затем обрабатывают металл в течение 30-40 мин при низком вакууме до содержани  углерода в металле 0,04-0,08%, после чего обработку металла продолжают и заканчивают при высоком вакууме.

0 Арсенал существенного оборудовани  - сверхзвуковые кислородные фурмы, канальные блоки подины печи и стэлерэзливочных ковшей дл  продувки газами, мощные печные трансформаторы с наличием вакуумных

5 внепечных установок позвол ют успешно решать задачи по производительности печных агрегатов, снижению материальных и энергетических затрат, а также повышени  качества стали. При этом повышаетс  ресурс основного оборудовани .

При этом также уменьшаетс  жидкий период пребывани  металла в печи; печь может работать практически только как агрегат плавлени  с высоким значением cos p, достига  при этом значений 0,8-0,85.

С учетом упом нутого оборудовани , при расплавлении лома получение стабильного расплава по химическому составу и температуре дл  последующего рафинировани  нержавеющей стали от примесей в ковше в вакуумной камере, значительно упрощаетс .

Промышленными опытами установлено , что деазотаци  стали требует (при ,0 атм)- крайне высоких расходов аргона. Так, по данным ЦНИИЧМ, дл  снижени  концентрации азота с 0,010 до 0,005% надо ввести через пористое днище, сопло или пористую вставку соответственно 2,0, 3,0, 4,0 нм /т аргона.

Доказано, что удалению азота мешают поверхностно-активные элементы - кислород и сера. В период расплавлени  лома, хромистой шихты с высоким количеством использовани  высокоуглеродистого феррохрома целесообразно дл  повышени  производительности печи и выгодно с точки зрени  термодинамики расплава сначала расплав максимально раскислить коксом и алюминием, затем удалить кислород и серу. Более того, в услови х вакуума этот процесс становитс  наиболее эффективным еще и потом, что при этом усиливаетс  транспорт азота из металла в шлак уже как бы в отсутствие кислорода и серы как поверхностно- активных элементов на границе металл-шлак. Более того, использование приема чередовани  высокого и низкого вакуума при учете состо ни  окисленности и раскисленности жидкой металлической ванны позвол ет намного эффективнее удал ть примеси, в том числе азот и серу.

В случае продувки металла при температуре металла ниже 1600°С, веро тно удаление азота не только в виде газа, но и в виде нитридов.

Особенно эффективно растворение нитридов титана (до 25-30 мг/см с) происходит в обычных типа печных раскислитель- ных шлаках с повышенным содержанием окислов алюмини , например, содержащих до 40,0% окислов кальци , до 20,0% окислов кремни , до 20,0% окислов алюмини , до 10,0% окислов магни , до 5,0% фтористого кальци  и т.д. А цианистые соединени  азота и углерода, образующиес  в раскисленном шлаке, вследствие усиленного транспорта азота в шлак при продувке аргоном через канальные блоки днища ковша в

вакууме и еще, дополнительно, при последующей кислородной продувке, в виде газов будут удалены из шлака.

Аналогичным пор дком происходит 5 удаление серы из раскисленных шлаков, т.е. комплексно, частично возгонкой паров, частично окислением серы в виде окислов газа, частично переходом в прочные химические соединени  с кальцием, остающих0 с , как правило, в шлаке.

Промышленными опытами установлено , что в процессе продувки высокоуглеродистого (до 1,0% углерода), раскисленного коксом и алюминием с известью, высоко5 хромистого расплава (до 18,0% СЧ) после 15-минутной продувки аргоном через канальные фурмы ковша в вакуумной камере с давлением 1,0-1,5 мм рт.ст. содержание азота в металле снизилось с 0.030 до

0 0,015%; содержание серы снизилось с 0,35% до 0,010%, содержание кислорода снизилось с 0,012 до 0,005%. Эта продувка аргоном была осуществлена после обработки в течение 5 мин высокоуглеродистого

5 расплава при высоком вакууме (100 мм рт.ст) с подачей кислорода сверхзвуковой фурмой до начала закипани  ванны.

Смысл заключаетс  в следующем. Энерги  активации образовани  пузырей окиси

0 углерода ча холодном металле довольно высока.

Дл  разгона реакции окислени  углерода жидкий металл насыщаетс  кислородом, до начала самораскислени  углеродом,

5 затем подачу кислорода прекращают и начинают его удаление посредством максимально низкого физического вакуума и максимального насыщени  металла пузырьками аргона (т.е. химического вакуума дл 

0 окиси углерода).

Непрерывное окисление углерода в вакууме тоже способствует удалению азота из металла с пузырьками окиси углерод.

Посто нное поступление кислорода в

5 ванну блокирует, особенно на межфазных поверхност х металла, шлака, газа, переход азота и его удаление. Этому мешают более, чем азот, поверхностно-активные элементы - кислород и сера.

0Поочередна  смена режимов подачи

кислорода и удаление его при низком и высоком вакууме с перемешиванием аргоном позвол ет достигать высокой степени чистоты готовой стали перед ее разливной, что

5 влечет за собой высокую производительность печи и высокое качество стали.

В табл. 1 приведены технико-экономические показатели вариантов выплавки стали по опытной и обычней технологи м.

Проведение опытных плавок показало также, что тепловой режим выплавки нержавеющий стали в печи с последующим более длительным рафинированием от примесей вне печи вполне вписываетс  в технологический цикл эксплуатации оборудовани . Цеховые грузопотоки также практически не измен ютс  при применении новой технологии .

Суммарные затраты тепла при обработке легированных расплавов с учетом экзотермических реакций окислени  углерода, хрома, кремни , алюмини  и продолжительности рафинировани  около 90 мин состав т значительное повышение температуры стали. Это обсто тельство позвол ет выпускать плавку из печи с температурой не б&- лее 1720°С, а одной стороны, и присаживать шлакообразующие и легирующие добавки в ковш дл  снижени  температуры стали перед вакуумированием в ковше с продувкой аргоном в необходимом дл  десульфурации стали количестве без опасени  разливать холодный металл.

Раскисление металла, содержащего углерод в пределах 0,6-1,0% кремний в пределах 0.1-0,2%, коксом и алюминием с известью позвол ет дополнительно получать экзотермический эффект при окислении их в процессе продувки металла кислородом, при этом шлак будет обогащатьс  окислами алюмини . Раскисление алюминием снижает активность кислорода и серы и повышает активность азота. Наиболее высоким был эффект по удалению азота и серы при содержании остаточного алюмини  в пределах 0,035-0,050 мас.%.

Более того, раскислением предусматривают максимальное извлечение хрома из шлака перед его удалением из ковша.

Обработка высокоуглеродистого высо- кохромистога расплава в вакууме с подачей кислорода при низком давлении менее 60 мм рт.ст. в вакууме чревата опасностью выброса жидкого металла из ковша, а обработка в этом же случае при давлении более 120 мм рт.ст. не эффективна и длительна. Обработка металла менее 5 мин не способствует насыщению металла кислородом, а обработка металла в этих же услови х более 7 мин не рациональна, так как начинаетс  интенсивное окисление углерода и эффект самораскислени  без подачи кислорода будет упущен дл  условий удалени  азота.

Удаление кислорода и азота при более высоком уровне вакуума, чем 0,5 мм рт.ст , было бы более эффективным, однако возможности и мощности оборудовани , а именно насосов, которые обеспечивают высокий вакуум,ограничены.

Однако удаление кислорода и азота при уровне вакуума более 3 мм рт.ст. недостаточно эффективно. Удаление кислорода и азота в течение менее 5 мин незначительно,

а более 15 мин нецелесообразно из-за выработки кислорода в стали в процессе самораскислени  и в дальнейшем процессе самораскислени  затухает. Обезуглероживание металла менее 30 мин не позвол ет

0 достигнуть в металле содержани  углерода, даже уровн  0,08%.

Однако обезуглероживание металла более 40 мин приводит к перерасходу кислорода и аргона.

5 Достижение углерода в металле менее 0,04% затруднительно и дополнительно зат гивает длительность обработки стали, а более 0,08% невозможно из-за опасности превысить требуемый по ГОСТ уровень со0 держани  углерода, в случае дополнительных присадок, содержащих углерод.

П р и м е р 1. Шихту дл  плавки нержавеющей стали 08Х18Н10Т составл ют из 30-50% скрапа, высокоуглеродистых фер5 росплавов из дешевых материалов, содержащих никель.

Исходное содержание углерода и кремни  в шихте должно быть соответственно 0,6-1,0 и 0,1-2,0%. При таких исходных зна0 чени х углерода и кремни  окислени  (предварительное в печи) позвол ет снизить содержание углерода до 0,5-0,7% при расходе газообразного кислорода до 15 нм3/т стали.

5 Предварительное окисление углерода в дуговой печи до более низких чем 0,5% содержаний нежелательно, так как начинает значительно окисл тьс  хром.

Перед удавлением печного шлака ме0 талл и шлак раскисл ют коксом и кусковым алюминием с известью в количестве 11-17 кг/т в соотношении (2-3):(1-4):(8-10) соответственно , затем после удалени  печного шлака еще известь в количестве 8-10 кг/т

5 стали и снижают температуру стали до уровн  1620-1650°С, а при необходимости легирование металла хромом никелем, марганцем температура будет еще более понижена.

0 Далее устанавливают ковш в камеру и начинают вакуумировать металл при низком вакууме 60 мм рт.ст. с окислением кислородом с расходом до 1800 нм /ч и продувкой аргоном в течение 7 мин. Прекращают продувку стали

5 кислородом и продолжают продувку аргоном с расходом 40 нм /ч и не прекращают вакууми- рование стали на низком уровне вакуума 0,5 мм рт.ст. в течение 15 мин

Затем повышают уровень вакуума до 120 мм рт.ст., опускают кислородную фурму

до уровн  200-400 мм над поверхностью металла и, не прекраща  подачи аргона с расходом 20 нм /ч, начинают окисление углерода до его содержани  0,08% в течение 30 мин.

После достижени  содержани  углерода 0,08% снижают уровень вакуума до 3 мм рт.ст., увеличивают расход аргона до 40 нмЗ/ч и прекращают окисление металла.

В течение 10-20 мин продувку стали в вакууме осуществл ют только аргоном, после чего срывают вакуум, присаживают кремний около 2 т. известь, 0,5 т плавикового шпата и в течение 15 мин металл продувают аргоном с расходом 50 нм3/ч.

П р и м е р 2. Шихту дл  плавки стали 03X18Н9 составл ют с расчетом получени  углерода на уровне 0,6-1,0%, 0,1-0,2% кремни  и 17,7% хрома. На предварительное окисление примесей в печи используют не более 10 нм3/т газообразного кислорода при температуре 1530-1580°С.

Перед удалением печного шлака металл и шлак раскисл ют коксом, кусковым алюминием с известью в количестве 11-17 кг/т стали в соотношении (2-3}:(1-4):(8-10) соответственно , затем после удалени  печного шлака присаживают известь до 10-15 кг/т стали, а при необходимости легируют металл хромом, никелем, марганцем и дополнительно понижают температуру стали, например, до уровн  1600°С.

Устанавливают ковш в камеру и начинают вакуумировать металл при низком ваку- - уме 100 мм рт.ст. с окислением кислородом с расходом его до 1700 нм /ч в течение 5 мин.

Далее прекращают продувку кислородом и продолжают продувку аргоном с расходом его 40 нм /ч в течение 12 мин при высоком уровне вакуума, 1 мм рт.ст. Затем постепенно понижают уровень вакуума до 100 мм рт.ст., начинают подавать окислитель в виде газообразного кислорода с расходом его 1500 нм /ч и одновременно снизу при подаче аргона через канальные блоки ковша устанавливают расход 20 нм3/ч.

Аргоно-кислородное вакуумное обезуглероживание осуществл ют в течение 35 мин до содержани  углерода 0,06%. После этого повышают уровень вакуума до 1 мм рт.ст. и устанавливают расход аргона 30 нм3/ч и обрабатывают расплав в течение 7 мин. Затем открывают крышку вакуумной камеры, присаживают 1 т ферросилици , 1 т извести, перемешивают металл аргоном, сливают шлак, присаживают титан, известь, плавиковый шпат и снова перемешивают в вакуумной камере расплав аргоном в течение 8-10 мин при высоком уровнем вакуума.

ПримерЗ. Шихту дл  нержавеющей стали составл ют с расчетом получени  химического состава металла по расплавлении по содержанию углерода 0,6-1,0%, 5 кремни  0,1-0,2%, хрома 17,5%.

Предварительное окисление углерода, кремни  в дуговой печи осуществл ют использу  до 15-20 нм3/т газообразного кислорода .

10 Перед выпуском плавки из печи металл и шлак раскисл ют коксом и алюминием с известью в количестве 11-17 кг/т стали в соотношении их как (2-3):(1-4);(8-10) и шлак затем удал ют.

15 После удалени  шлака на поверхность металла присаживают 8 кг/т извести, при необходимости легируют металл хромом, никелем, марганцем, снижают температуру, например, до 1610°С. Накрывают крышкой

0 вакуумную камеру и вакуумируют металл при низком вакууме 120 мм рт.ст. в течение 6 мин с продувкой аргоном снизу.

Прекращают продувку кислородов и продолжают продувку аргоном с расходом

5 40 нм3/ч, повышают уровень вакуума до 2 мм рт.ст. и обрабатывают металл в течение 5 мин.

Далее понижают уровень вакуума до 80 мм рт.ст., установив расход кислорода через

0 верхнюю сверхзвуковую наклонную фурму 1400 нм3/ч, при этом снизу подают минимально возможное количество аргона, например , 20 нм3/час в течение 20 мин.

Затем осуществл ют аргоно-кислород5 ное вакуумное обезуглероживание в течение 40 мин до содержани  углерода в стали 0,04%. По достижении содержани  углерода в стали 0,04% повышают уровень вакуума до 0,15 мм рт.ст., увеличива  при этом рас0 ход аргона до 40 нм3/ч.

Обработку металла осуществл ют в течение 10-20 мин, затем срывают вакуум, присаживают кремний в количестве 1,5 т в виде ферросилици , 2 т извести и 0,6 т пла5 викового шпата и в течение 12-15 мин перемешивают в вакуумной камере расплав дл  последующей подачи плавки под разливку его на УРНС.

0 8 табл. 2 приведены технико-экономические показатели проведенных плавок.

При этом следует обратить внимание, что производительность печи с уровн , например , 200 тыс. т в год на одной печи уве5 личиваетс  на 20%, т.е. становитс  на уровень 250 тыс.т и это позвол ет сократить расходы первого передела.

Более того, уменьшение содержани  азота и серы в стали позволило снизить брак

за счет уменьшени  толщины поверхности

строжки непрерывнолитых сл бов примерно на 0,8%. Это составл ет около 2,0 тыч.т.

Это окупает примерно в течение трех лет затраты на дополнительное оборудование , необходимое дл  осуществлени  пред- ложенного способа дегазации и десульфурации нержавеющей стали, а также на разработку новой технологии производства нержавеющей стали.

(56) 1. Патент Японии Ns 55-46445, кл. С 21 С 7/20, опублик. 25.11.80,

2. Iron and Steel Inst. Jap. 1980. 66, № 1 836 Тэцу то хаганэ, J., авт. Моришиче Мицу- оки.

Таблица 1

Показатель

Количество проведенных плавок, шт. Содержание углерода, мас.%

а)по расплавлении

б)перед вакуумированием Длительность периода, мин: а) жидкого металла в печи БО вакуумировани  Содержание в металле серы, %:

а)после раскислени  коксом и алюминием с известью и продувки Ач в вакууме

б)перед разливкой Содержание азота, %

а)после раскислени  коксом и алюминием с известью и продувки Ач в вакууме

б)перед разливкой

Вариант выплавки

обычный

опытный

21

0,9 0,7

180 88

0.013

0,010 0,007

0,013

0,015 0,001

Таблица 2

13200281614

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и  1650 с присадками Шлакообразующих и

СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ И ДЕСУЛЬФУ-легирующих добавок, вакуумируют в течеРАЦИИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ, включа-иие 5-7 мин при низком уровне вакуума,

ющий вакуумирование жидкого металла и 5например, 60- 120мм рт.ст, с одновременшлака , перемешивание аргоном подачейной подачей кислорода сверху и аргона

его через донные канальные блоки в печиснизу, прекращают подачу кислорода и

и ковше, окисление кислородом посредст-удал ют его из металла при высоком вакуувом водоохлаждаемой сверхзвуковой на-ме, например, при 0,5 - 3 мм рт.ст. в течеклонной фурмы в вакуумной камере, 10ние 5 -15 мин, затем обрабатывают металл

отличающийс  тем, что металл и шлак пе-в течение 30 - 40 мин при низком вакууме

ред оакуумированием раскисл ют смесьюдо содержани  углерода в металле 0,04 кокса и алюмини  с известью и перед уста-0,08%, после чего обработку металла проновкой раскисленного металла в камерудолжают и заканчивают при высоком вэкуснижают температуру стали до 1600 - 15уме.