способ производства вольфрамсодержащей стали и сплавов

Формула изобретения

1. Способ производства вольфрамсодержащей стали и сплавов, включающий получение жидкого металла, легирование его путем подачи окисленного сырья, содержащего вольфрам, флюсующего материала и восстановителя, отличающийся тем, что подачу окисленного сырья, флюсующего материала и восстановителя осуществляют на предварительно очищенную от шлака поверхность жидкого металла, при этом в качестве окисленного сырья, содержащего вольфрам, используют отходы заточки инструмента, сформированные в брикеты совместно с флюсующим материалом и выбранным в качестве восстановителя 15%-ным силикокальцием, причем отходы заточки инструмента, флюсующий материал и 15%-ный силикокальций взяты в количестве, выбранном из соотношения (3,9-4,1):(1,9-2,1):(1,0-1,2) соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы заточки инструмента имеют следующий химический состав, мас.%: железо 16,0-19,0; оксид вольфрама 6,5-8,5; кремний 16,0-18,0; оксид магния 1,0-2,5; кобальт 0,15-0,25; углерод 14,0-16,0; сера 0,007-0,015; фосфор 0,015-0,020; глинозем - остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству стали и сплавов.

Известен способ выплавки вольфрамсодержащей стали и сплавов, включающий получение жидкого металла, легирование его путем подачи на шлак вольфрамсодержащей лигатуры (карбид вольфрама) в виде дисперсной смеси с комплексным восстановителем, последующую кислородную продувку и рафинирование металла, причем один из компонентов комплексного восстановителя при взаимодействии с окислами шлака и кислородом, растворенным в металле, образует газообразный продукт реакции (SU 581151 А, кл. С 21 С 5/25, опубл. 25.11.1977 г.).

Использование в известном способе тугоплавкой вольфрамсодержащей лигатуры с температурой плавления карбида вольфрама 2550-2870°С в процессе легирования стали сопровождается низкими скоростями плавления и равномерного распределения в объеме жидкого металла вольфрама, обусловленными молекулярной диффузией, всегда сопровождающей процессы легирования стали тугоплавкими материалами. Все это приводит к снижению производительности, осложнениям в управлении процессом легирования, непопаданию в заданные пределы по химическому составу легирующего элемента, ухудшению качества стали.

Кислородная продувка, которую проводят после подачи на шлак одновременно с вольфрамсодержащей лигатурой восстановителя сопровождается нерациональным использованием восстановителя при взаимодействии его с газообразным кислородом в процессе продувки, что приводит к угару восстановителя, высокой окисленности металла и, следовательно, к ухудшению качества стали.

Использование в известном способе дисперсной смеси лигатуры и восстановителя сопровождается их потерями в процессе транспортировки, а также и при подаче на шлак в электросталеплавильную печь. Кроме того, такие материалы пожароопасны и при их использовании требуется проведение соответствующих специальных мероприятий по защите окружающей среды, сопровождаемых высокими энергетическими и материальными затратами.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является способ производства вольфрамсодержащего сплава технологией жидкофазного восстановления, включающий подачу кислородсодержащего газа в шлаковый расплав, разделение гетерогенного расплава на верхнюю барботируемую и нижнюю спокойную, состоящую из слоя спокойного шлака и слоя получаемого жидкого металла части, легирование металла путем подачи окисленного сырья из материала, содержащего тугоплавкие металлы вольфрам и молибден, и железосодержащего компонента, характеризующегося основной пустой породой, углеродсодержащего материала, используемого в качестве топлива и восстановителя, а также флюсующего материала, при этом в образующемся оксидном расплаве концентрацию закиси железа поддерживают на уровне 10-20 мас.% и основность (CaO/SiO2), равную 1,5-2,0 (RU 2135611 С1, кл. С 22 В 5/10, 4/06, 34/30, опубл. 27.08.1999 г.).

Известный способ не обеспечивает получение требуемого технического результата по следующим причинам.

Использование в качестве окисленного сырья материала, содержащего тугоплавкие металлы вольфрам и молибден и железосодержащий компонент, в котором концентрация WO₃ составляет 0,2%, приводит к высоким материальным и энергетическим затратам на получение в сплаве требуемого содержания вольфрама, в 30-40 раз превышающего его концентрацию в окисленном сырье.

Учитывая то, что известный способ предназначен для реализации только в агрегатах жидкофазного восстановления, в которых температура процесса на 200-250°С ниже температуры процесса сталеплавильных агрегатов, для обеспечения приемлемой для жидкофазного восстановления текучести расплавленной шихты поддерживают высокую концентрацию закиси железа, необходимую для интенсификации процесса растворения флюсующего материала, который, в свою очередь, вводят для обеспечения основности на уровне 1,5-2,0, снижая тем самым содержание ведущего элемента - вольфрама в шлаковом расплаве и ухудшая условия его восстановления. Поэтому для повышения усвоения сплавом ведущего элемента требуются дополнительные энергетические затраты.

Процесс жидкофазного восстановления вольфрама согласно известному способу ведут при низких температурах, высокой кратности шлака, превышающей 3, и низком содержании оксида вольфрама перед началом процесса восстановления, равном 0,06%, который сопровождается молекулярной диффузией, а следовательно, низкими скоростями плавления материалов и равномерного распределения восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла. Поэтому для обеспечения полноты извлечения ведущего элемента требуется увеличение времени, а также обеспечение интенсивного перемешивания шлакового расплава для создания максимального контакта восстановителя с оксидами вольфрама. Это приводит к низкой производительности агрегата, большим энергетическим и материальным затратам, нестабильному и низкому извлечению вольфрама из шлакового расплава.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа производства вольфрамсодержащей стали и сплавов путем оптимизации технологических параметров, обладающего пониженными энергетическими и материальными затратами.

Ожидаемый технический результат - повышение скоростей плавления материалов и равномерного распределения восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла за счет конвективной диффузии процесса легирования.

Технический результат достигается тем, что в способе производства вольфрамсодержащей стали и сплавов, включающем получение жидкого металла, легирование его путем подачи окисленного сырья, содержащего вольфрам, флюсующего материала и восстановителя, по изобретению подачу окисленного сырья, содержащего вольфрам, флюсующего материала и восстановителя, осуществляют на предварительно очищенную от шлака поверхность жидкого металла, при этом в качестве окисленного сырья, содержащего вольфрам, используют отходы заточки инструмента, сформированные в брикеты совместно с флюсующим материалом и выбранным в качестве восстановителя 15%-ным силикокальцием, причем отходы заточки инструмента, флюсующий материал и 15%-ный силикокальций подают в количестве, выбранном из соотношения (3,9-4,1):(1,9-2,1):(1,0-1,2) соответственно.

Целесообразно использовать отходы заточки инструмента следующего химического состава, мас.%: железо 16,0-19,0; оксид вольфрама 6,5-8,5; кремний 16,0-18,0; оксид магния 1,0-2,5; кобальт 0,15-0,25; углерод 14,0-16,0; сера 0,007-0,015; фосфор 0,015-0,020; глинозем - остальное.

Предварительное очищение от шлака поверхности жидкого металла перед подачей на него окисленного сырья, содержащего вольфрам, флюсующего материала и 15%-ного силикокальция в виде сформированных из этих материалов брикетов, обеспечивает ускорение плавления подаваемых материалов в результате исключения их ошлаковывания, снижающего скорость плавления и сопровождающегося дополнительными материальными и энергетическими затратами.

В качестве окисленного сырья, содержащего в своем составе вольфрам, в предлагаемом способе используют отходы заточки инструмента. Оксид вольфрама, входящий в состав отходов, образуется во время заточки твердосплавного инструмента путем окисления карбида вольфрама. Температура плавления оксида вольфрама существенно ниже температуры плавления карбида вольфрама и составляет величину, равную 1470°С, что обеспечивает в процессе легирования с использованием этого окисленного сырья высокие скорости плавления и равномерного распределения восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла, при снижении материальных и энергетических затрат на легирование.

В качестве восстановителя используют в предлагаемом способе 15%-ный силикокальций, обеспечивая тем самым экзотермичность смеси подаваемых материалов, которая способствует ускорению плавления материалов, равномерному распределению восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла и снижению материальных и энергетических затрат на легирование.

Все подаваемые на поверхность жидкого металла материалы предварительно формируют в брикеты. Это позволяет избежать потерь дисперсных материалов - окисленного сырья, содержащего вольфрам, и флюсующего материала во время подачи их на поверхность жидкого металла, способствует ускорению плавления подаваемых материалов, равномерному распределению восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла, приводит к снижению материальных и энергетических затрат на легирование.

Опытным путем было установлено, что оптимальная степень извлечения вольфрама из его оксидов и равномерное распределение вольфрама в объеме жидкого металла были получены при поддержании основности (CaO/SiO₂) на уровне 1,0-1,1, что обеспечивается выбранным соотношением используемых материалов: отходов заточки инструмента, флюсующего материала и 15%-ного силикокальция, равным (3,9-4,1):(1,9-2,1):(1,0-1,2), при котором были получены наиболее высокие результаты извлечения вольфрама из его оксидов, обусловленные высокими скоростями плавления материалов и равномерного распределения восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла.

При увеличении количества флюсующего материала происходит загущение шлака, приводящее к снижению скоростей плавления окисленного сырья и равномерного распределения восстановленного вольфрама в объеме жидкого металла. При уменьшении расхода извести в результате увеличения содержания кремнезема в шлаке ухудшаются условия силикотермического восстановления вольфрама, что также приводит к снижению скоростей извлечения вольфрама из его оксидов и неравномерности распределения восстановленного вольфрама в металле. Повышение расхода отходов заточки инструмента приводит к неполному извлечению из них вольфрама, т.е. к нерациональному их использованию. Снижение расхода отходов заточки инструмента также нецелесообразно, потому что нерациональным в этом случае оказывается расход восстановителя - 15%-ного силикокальция. При уменьшении расхода силикокальция меньше заявленного предела происходит неполное восстановление вольфрама, что приводит к непопаданию в заданный химический состав по вольфраму. Увеличение расхода 15%-ного силикокальция также нецелесообразно, так как приводит к его перерасходу, ухудшая показатели извлечения вольфрама из оксида и его равномерное распределение в объеме жидкого металла, повышая при этом энергетические и материальные затраты.

Конвективная диффузия процесса легирования стали вольфрамом в предлагаемом способе обеспечивается предельно низкими размерами порций восстановленного вольфрама, попадающего в жидкий металл. Это достигается синхронностью плавления подаваемых материалов - оксида вольфрама и восстановителя, процесса восстановления вольфрама и его равномерного распределения в объеме жидкого металла. Восстанавливаемые из оксидов частички вольфрама достаточно малы для беспрепятственного их удаления из зоны реакции конвективными потоками жидкого металла, всегда имеющимися при температурах сталеплавильного процесса, не допуская высоких концентраций вольфрама в прилегающих к зоне реакции восстановления слоях жидкого металла.

Пример.

В 5-тонной электродуговой печи выплавляли сталь марки ХВГ (ГОСТ 5950-73), химического состава, мас.%: С 0,9-1,05; Si 0,1-0,40; Mn 0,8-1,0; Cr 0,9-1,2; W 1,2-1,6; S 0,03; P 0,03; Ni 0,35; Cu 0,30; Мо 0,30. В качестве шихтовых материалов использовали углеродистый лом химического состава, мас.%: С 1,2; Mn 0,45; Si 0,21; S 0,015; P 0,017. Для легирования использовали брикеты, сформированные из отходов заточки инструмента химического состава, мас.%: Fe 18,5; WO₃ 7,6; Si 17,42; MgO 2,1; Co 0,2; С 15,8; S 0,11; P 0,02; Al₂О₃ - остальное, извести и 15%-ного силикокальция, взятых в соотношении (3,9-4,1):(1,9-2,1):(1,0-1,2) соответственно. Удельный расход брикетов составил 350 кг/т стали.

После расплавления металлошихты в печь подавали брикеты и после их полного расплавления добавляли углеродистый феррохром марки ФХ-650 в количестве 90 кг на плавку и углеродистый ферромарганец в количестве 70 кг на плавку, затем металл сливали в сталеразливочный ковш и разливали на 1-тонные слитки. Степень восстановления вольфрама составила 99,8%. Содержание вольфрама в 5-ти пробах, отобранных из каждого слитка, изменялось в пределах 0,2-0,3 отн.%, т.е. на 0,002-0,003 мас.%.

Плавку по способу ближайшего аналога проводили в агрегате жидкофазного восстановления с использованием окисленного сырья, содержащего вольфрам химического состава, мас.%: СаО - 23,09; SiO₂ - 43,5; MgO - 17,25; Al ₂О₃ - 5,35; WO₃ - 0,2; V₂ O₅ - 0,86; MoO₂ - 0,07; FeO - 3,79; MnO - 1,98; CaF₂ - 2,94; P₂O₅ - 0,014; Cr₂О₃ - 2,34, которое подавали с интенсивностью загрузки - 20 т/час; конвертерного шлама химического состава, мас.%: Fe₂О₃ - 39,56; FeO - 41,03; SiO₂ - 1,47; TiO₂ - 0,025; Al₂ О₃ - 0,24; MnO - 0,58; CaO - 8,89; MgO - 0,91; Na ₂О+К₂О - 0,36; С - 2,0; ZnO - 1,5, который подавали с интенсивностью 33,8 т/час и флюса с интенсивностью подачи - 7,4 т/час. В качестве топлива и восстановителя использовали уголь марки ОС. Интенсивность дутья составляла 12000 м³/час, при степени обогащения кислородом 65%. При выпуске металла в ковш добавляли углеродистый феррохром марки ФХ-650 в количестве 18 кг/т и углеродистый ферромарганец в количестве 14 кг/т, затем металл разливали на 1-тонные слитки. Получили сталь марки ХВГ, соответствующую ГОСТ 5950-73. Степень восстановления вольфрама составила 94,3%.

Содержание вольфрама в 5-ти пробах, отобранных из каждого слитка, изменялось в пределах 0,9-1,2 отн.%, т.е. на 0,008-0,012 мас.%.

Предлагаемый способ производства вольфрамсодержащей стали позволяет вовлекать в производство стали для легирования отходы от заточки инструмента и использовать их непосредственно в процессе производства стали при ее легировании, минуя дорогостоящий и энергоемкий процесс производства вольфрамсодержащей лигатуры. Кроме того, распределение легирующего элемента - вольфрама - в стали, полученной по предлагаемому способу, более равномерно, чем при легировании согласно известному способу.