способ раскисления и легирования ванадийсодержащей стали

Формула изобретения

1. Способ раскисления и легирования ванадийсодержащей стали, включающий ввод в ковш в процессе выпуска металла раскислителей и ванадийсодержащих материалов и окончательную доводку металла, отличающийся тем, что в качестве ванадийсодержащих материалов в ковш вводят ванадийсодержащий шлак в количестве 1,0-1,5% от объема металла в ковше, а окончательную доводку металла осуществляют на установке "печь ковш", где металл продувают нейтральным газом в течение 3-5 мин с интенсивностью 150-300 л/мин, после чего металл нагревают до 1530-1585^oС, в ковш вводят шлакообразующую смесь в количестве до 10 кг/т до достижения слоя шлака в ковше равного 65-110 мм, затем вводят ферросплавы в количестве необходимом для восстановления ванадия из шлака и корректировки состава, после чего металл нагревают и повторно продувают нейтральным газом в течение 3-5 мин с интенсивностью 200-300 л/мин до достижения массовой доли ванадия в металле 0,01-0,05% и получения технологически требуемой температуры.

2. Способ по п.1 отличающийся тем, что в качестве нейтрального газа используют аргон.

3. Способ по п.1 отличающийся тем, что шлакообразующая смесь содержит известь и плавиковый шпат при следующем содержании компонентов, мас.

Известь 75 80

Плавиковый шпат 20 25

4. Способ по п. 1 отличающийся тем, что в качестве ванадийсодержащего шлака используют ванадиевый шлак стального передела дуплекс- процесса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к раскислению и легированию ванадиевой стали.

Известен способ выплавки ванадийсодержащей стали в конвертере c кислой футеровкой заключающийся в том, что расплав, состоящий из 65-75% передельного чугуна и 25-30% ванадиевого чугуна, продувают до содержания углерода 0,08-0,15% и температуры 1600-1800^oС, а раскисление металла ведут последовательным вводом твердого ванадиевого чугуна в количестве 20-25кг/т и высокоуглеродистого ферромарганца в количестве 15-40кг/т [1]

Для реализации данного способа необходимо иметь для раскисления твердый (чушковый) ванадиевый чугун. Поскольку в ванадиевом чугуне содержится повышенное содержание фосфора (0,06%) и серы (0,04%), которые переходят в сталь в результате качество готовой продукции получится недостаточным.

Известен cпособ выплавки углеродистой стали, по которому сталь раскисляют и микролегируют в ковше жидким ванадиевым чугуном в котором предварительно растворяют 20-60% силикокальция, и 10-90% ферромарганца, а остальное количество силикокальция и ферромарганца вводят в ковш под струю металла [2]

Этот способ предполагает использование ванадиевого чугуна для микролегирования стали, т.е. исключается ряд этапов производства феррованадия. Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков, связанных с организационными трудностями по дозировке и заливке ванадиевого чугуна в ковш. Необходимость большого перегрева стали в сталеплавильном агрегате увеличивает расход топлива, кислорода, повышается угар металла, расплав насыщается газами, так как чугун имеет температуру примерно на 300^oС ниже, чем сталь. Содержащиеся в ванадиевом чугуне фосфор (0,06%) и сера (0,04%), также переходят в сталь, что отражается на качестве готовой продукции.

Известен также способ выплавки легированной ванадием стали, включающий завалку металлошихты и шлакообразующих, их расплавление, проведение окислительного периода и наводку рафинировочного восстановительного шлака. В этом способе предусматривается введение в завалку или во время окислительного периода ванадийсодержащей шлакометаллической магнитной фракции из расчета внесения в расплав 0,03-0,08% ванадия, а окончательную корректировку стали по содержанию ванадия производят в доводку ванадиевым шлаком совместно с молотым коксиком и ферросилицием в соотношении 1,0:(0,1-0,5):(0,05-0,5) в количестве 0,2-1,0% от массы металла [3]

Однако сталь, полученная этим способом, имеет более высокую себестоимость. Это связано с ограничением количества присаживаемого ванадиевого шлака, так как содержание до 13% MnO в этом шлаке не обеспечивает конечного содержания марганца на большинстве ванадийсодержащих марок в пределах 0,2-0,5% Качественные показатели готового металла из-за повышенных содержаний серы также недостаточны. Проведение рафинировки (доводки) металла с присадкой ванадиевого шлака в смеси с коксиком и ферросилицием в указанных соотношениях не обеспечивает требуемого химического состава стали, а также вязкостных характеристик, что снижает рафинирующую способность этого восстановительного шлака.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является cпособ выплавки ванадийсодержащей стали, в котором раскрыт способ раскисления и микролегирования стали, предусматривающий ввод в ковш в процессе выпуска стали из плавильного агрегата раскислителей и ванадийсодержащих материалов (окатышы) и окончательную доводку металла [4]

К недостаткам его можно отнести то, что при его использовании имеют место большие потери ванадия (46-52%), а также значительное загрязнение атмосферы при производстве что связано со сложной, многоступенчатой схемой производства феррованадия со значительными потерями ванадия и пылевыделениями на каждой ступени.

Целью изобретения является разработка экономичного способа раскисления и легирования ванадисодержащей стали и повышение ее качественных показателей.

Это достигается тем, что в известном способе раскисления и легирования полученный жидкий металл раскисляется и легируется ферросплавами и ванадийсодержащими материалами при выпуске из плавильного агрегата, при этом в качестве ванадийсодержащего материала используют ванадийсодержащий шлак, который вводят в ковш в количестве 1,0-1,5 от объема металла в ковше, а окончательную доводку металла осуществляют на установке "печь-ковш". Режим доводки предусматривает продувку металла в ковше нейтральным газом в течении 3-5 мин с интенсивностью 150-300 л/мин, после чего расплав подогревают до 1530-1585^oС, в ковш вводят шлакообразующую смесь в количестве до 10 кг/т, до достижения высоты слоя шлака равной 65-110 мм, вводят ферросплавы в количестве необходимом для восстановления ванадия из шлака и повторно нагревают и продувают металл нейтральным газом в течении 3-5 мин с интенсивностью 200-300 л/мин до достижения массовой доли ванадия в металле равной 0,01-0,05 и получения технологически требуемой температуры.

По изобретению в качестве нейтрального газа может использоваться аргон.

В качестве шлакообразующей смеси может использоваться смесь содержащая 75-80 извести и 20-25 плавикового шпата.

В качестве ванадиевого шлака шлак от стального передела содержащий ванадий.

Изобретение основано на том, что в качестве материала источника ванадия вместо сплава Fe-V используется жидкий ванадиевый шлак, в частности шлак, образующийся на стадии передела углеродистого полупродукта в сталь.(2-7 V₂O₅ ). Могут использоваться и другие ванадисодержащие шлаки или их смеси с содержанием окислов ванадия 2-7

Шлак вводят в процессе выпуска расплава в ковш в количестве 1-1,5% от объема ковша, после чего вместе с металлом он подвергается обработке на установке "печь-ковш" для создания условий, при которых ванадий из шлака восстанавливается в металл до достижения массовой доли ванадия в ковше 0,01-0,05

Количество ванадиевого шлака в ковше менее 1,0 от объема металла не обеспечивает достижение массовой доли ванадия в готовом металле в интервале 0,01-0,05 а иметь в ковше более 1,5 шлака от его объема нецелесообразно, поскольку возникают трудности для создания условий для восстановления ванадия из шлака.

Температура металла перед обработкой его на установке "печь-ковш" должна превышать температуру ликвидуса для данной марки стали не менее чем на 50^oС, а химический состав стали должен соответствовать нижнему пределу для каждой марки по углероду, марганцу и кремнию. Для этого в начале на установке "печь-ковш" металл продувают нейтральным газом например: аргоном, в течение 3-5 мин с интенсивностью 150-300 л/мин для усреднения химического состава и температуры.

Продувка металла нейтральным газом с интенсивностью менее 150 л/мин в течении менее 3 мин не обеспечивает усреднение состава и температуры, а продувка продолжительностью более 5 мин с интенсивностью более 300 л/мин нецелесообразна, так как приводит к большим потерям температуры и повышенным расходам продувочного газа.

Чтобы процессы десульфурации и восстановления ванадия и других компонентов шлака проходили быстро и достаточно полно, необходимо иметь шлак с хорошей жидкоподвижностью. Получение требуемой вязкости шлака с необходимыми для десульфурации и высокими восстановительными свойствами по изобретению достигается за счет подбора его состава и количества в ковше и определяется толщиной слоя шлака. По изобретению толщина слоя шлака в ковше на установке "печь-ковш" должна составлять 65-110 мм.

Указанная толщина шлака наиболее эффективна для проведения требуемых процессов. Уменьшение толщины шлака менее 65 мм не позволяет достигать требуемой массовой доли ванадия в металле. Увеличение толщины слоя шлака более 110 мм нецелесообразно, так как приводит к уменьшению жидкоподвижности шлака, что ухудшает процессы десульфурации и восстановления элементов.

Необходимую толщину шлака создают путем присадки смеси шлакообразующих материалов, например на основе извести, плавикового шпата, шлаков производства вторичного алюминия, соды и других, при этом расход шлакообразующей смеси в ковше не должен превышать 10 кг/т, при количестве ванадийсодержащего шлака в ковше 1,0-1,5 от объема металла.

Расход смеси более 10 кг/т металла ухудшает процесс десульфурации и восстановления из-за значительного понижения концентрации окислов ванадия в образующемся шлаке.

Общее количество шлака в ковше должно быть в пределах 12-20 кг/т металла.

По изобретению предпочтительно использовать смесь, содержащую 75-80% извести и 20-25% плавикового шпата. При присадке шлакообразующей смеси, содержащей более 80% извести и менее 20% плавикового шпата, не достигается требуемая жидкоподвижность шлака, а при присадке смеси, содержащей менее 75% извести и более 25% плавикового шпата, десульфурирующая способность образующегося в ковше шлака значительно понижается.

Для получения заданного химического состава металла в ковш добавляют раскисляющие и легирующие элементы в необходимом расчетном количестве. При присадке материалов в ковш происходит снижение температуры металла. Ориентировочное снижение температуры металла при присадке 1,0 тонны материала составляет, ^oC: ферромарганца 110; ферросилиция 50; феррохрома 130; силикомарганца 100; никеля 90; шлакообразующей смеси 150. Поэтому перед вводом шлакообразующей смеси, раскислителей и легирующих металл в зависимости от выплавляемой марки стали предварительно подогревают до температуры 1530-1585^oС.

При температуре металла ниже 1530^oС не достигаются требуемые условия для обеспечения жидкоподвижности шлака и усвоения элементов металлом, а нагрев металла выше 1585^oС нецелесообразен из-за значительных расходов электрической энергии.

После ввода в ковш необходимого количества шлакообразующей смеси, раскислителей и легирующих, расплав снова подогревают и повторно продувают нейтральным газом в течение 3-5 минут с расходом 200-300 л/мин.

В процессе повторной продувки металла на установке "печь-ковш" создаются условия для восстановления ванадия из шлака в металл, массовая доля которого составляет 0,01-0,05% и обеспечивается количеством шлака в ковше.

При повторной продувке металла с расходом менее 200 л/мин в течение менее чем 3 минуты, массовая доля ванадия в металле не достигает 0,01% а продувка расплава с расходом более 300 л/мин при продолжительности продувки более чем 5 мин нецелесообразна, так как весь ванадий, содержащийся в шлаке, практически полностью восстановится, а массовая доля ванадия в металле не будет превышать 0,05% при этом значительно увеличится расход продувочного газа.

При необходимости получения в металле более высоких концентраций ванадия в металле в "печь-ковш" допустимо присаживать дополнительные ванадийсодержащие материалы, при этом следует дополнительно корректировать режим повторной продувки и нагрева металла.

При повторной продувке металла нейтральным газом температура металла понижается и может достигать величин, при которых она будет технологически недостаточна для дальнейшей обработки металла, например: на вакуумной установке или машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Поэтому по изобретению предполагается подогревать металл как одновременно с повторной продувкой, так и раздельно от продувки. Наиболее целесообразным является режим обработки, при котором подогрев металла и повторную продувку, осуществляют одновременно, при этом интенсивность продувки должна быть согласована со скоростью нагрева для обеспечения одного и того же времени обработки.

Изобретение реализовано в конвертерном цехе оборудованном 160-т. конвертерами, работающими "дуплекс-процессом" и оснащенному установкой "печь-ковш".

На первой стадии процесса (стадия деванадации) ванадиевый чугун следующего состава, C 4,2-4,5; V 0,35-0,45; Si 0,10-0,3; Ti 0,10-0,20; Mn 0,14-0,20; Cr 0,05-0,08; P 0,06-0,08; S 0,025-0,050, продувают кислородом сверху с интенсивностью 200-250 м³/мин в течение 8-10 мин. В процессе продувки в ванну с первой минуты присаживают окалину в количестве 50-80 кг/т. После окончания продувки получили товарный ванадиевый шлак (V₂O₅ > 18) и углеродистый полупродукт содержащий, С 3,2-3,6; V 0,01-0,04; Si 0,03-0,04 Mn 0,09-0,12; Ti 0,03-0,06; Cr 0,10-0,15; P 0,06-0,12; S 0,03-0,07. Товарный шлак отделяют от полупродукта и направляют на дальнейшую переработку.

На второй стадии (стальной передел) углеродистый полупродукт перерабатывали на сталь в другом конвертере. В качестве шлакообразующих материалов перед продувкой в конвертер присаживали известь и плавиковый шпат в количестве 25 кг/т и 2 кг/т стали. Положение фурмы над уровнем спокойной ванны поддерживали на уровне 2,0-2,5 м в начале продувки и 0,8-1,2 м в остальное время продувки. Интенсивность подачи кислорода составляла не менее 200 м³/мин. Металл перед раскислением имел температуру 1560-1630^oС и содержал, С 0,20-0,65; Mn 0,06-0,09; V 0,005-0,01; P 0,010-0,020; S 0,016-0,025, а получаемый ванадиевый шлак от стального передела имел следующий состав, CaO 40,1-41,5; SiO 12,0-14,2; V₂O₅ 2,0-7,1; MgO 3,6-5,2; TiO₂ 1,1-3,7; FeO 12,2-19,6; остальное окислы Al₂O₃ MnO; Cr₂O₃ и P₂O₅ Раскисление стали и окончательную доводку расплава проводили по технологии предусмотренной изобретением.

Пример. Расплав после стального передела выпускали в 160-тонный ковш с температурой 1610^oС и содержанием углерода 0,39% ванадия 0,007% марганца 0,06% фосфора 0,016% и серы 0,016% При наполнении ковша в интервале 1/5 3/4 высоты последовательно вводили просушенные твердые феррохром, силикомарганец, ферросилиций и алюминий в кусках весом до 4 кг, при следующих расходах, кг/т: феррохром ФХ 800 16; силикомарганeц СМн 17 13,8; ферросилиций ФС 45 2,45 и алюминий 0,25т.

Присадку ванадийсодержащих ферросплавов на стадии слива металла в ковш не производили. Вместо них в ковш с металлом сливали стальной шлак в количестве 1,0% от объема металла в ковше. Ковш с металлом и жидким шлаком передавали на установку "печь-ковш". На ковш с металлом опускали крышку "печь-ковша" и продували аргоном в течение 5 мин с интенсивностью 200 л/мин.

Производили замер окисленности и температуры металла. Затем опускали электроды и производили нагрев металла со скоростью 4 град/мин. При достижении температуры в ковше 1560^oС производили присадку в сталеразливочный ковш твердой шлакообразующей смеси (известь 80% и 20% плавикового шпата) в количестве 8 кг/т. Высота слоя шлака в ковше составила 100 мм, а общее количество шлака 18 кг/т.

Производили отбор пробы металла и шлака на химический анализ, по результатам анализов корректировали состав металла присадкой 1,0 кг/т ферросилиция ФС 45. Металл повторно нагревали со скоростью 4 град/мин и одновременно продували аргоном с расходом 300 л/мин в течение 5 мин. Массовая доля ванадия в металле составила 0,04% Получили готовую сталь следующего состава, C 0,49; Si 0,20; Mn 0,91; Cr 1,06; Ti 0,01; P 0,012; S 0,006. Содержание окислов ванадия в отработанном шлаке V₂O₅ 0,9% а окислов железа FeO 6,3%

Температура металла, переданного на машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), равнялась 1570^oС. Продолжительность обработки металла на установке "печь-ковш" составила 0,75 ч.

Проведены также плавки, в которых раскисление металла для одного вида сталей проводилось с соблюдением характерных для изобретения условий раскисления и условий обработки металла, на установке "печь-ковш".

Усвоение базовых элементов при доводке плавки на установке "печь-ковш" приведено в таблице.

Использование изобретения позволяет сократить потери легирующих элементов за счет повышения их усвоения металлом из шлака при обработке на установке "печь-ковш". Позволяет отказаться от использования при легировании от ванадиевых сплавов и применять для этой цели ранее не используемые ванадийсодержащие шлаки. Предусмотренные по изобретению режимы обработки металла позволяют получать более стабильные результаты по составу металла, более точно достигать технологически необходимую для дальнейшей обработки температуру. Это позволяет сократить процесс окончательной доводки металла до 0,75-1,0 ч, увеличить сквозной коэффициент извлечения ванадия, повысить качество металла за счет дополнительной десульфурации металла на установке и расширить сортамент выплавляемых сталей.