способ получения материала для прямого легирования стали марганцем

Формула изобретения

Способ получения материала для прямого легирования стали марганцем, включающий смешение марганецсодержащего материала с флюсом, содержащим оксид магния, термообработку смеси и добавку алюминийсодержащего материала, отличающийся тем, что смешение марганецсодержащего материала, в качестве которого используют концентрат карбонатной марганцевой руды, с флюсом, содержащим оксид магния, в качестве которого используют доломитизированную известь, ведут в количестве, обеспечивающем получение в термообработанном материале отношения , термообработку смеси ведут спеканием при температуре 1050-1100°С, а в качестве алюминийсодержащего материала используют материал, в состав которого входит металлический алюминий в количестве 35-45% и глинозем в количестве 15-25%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к подготовке сырья для металлургического передела, и может быть использовано для прямого легирования стали марганцем.

В технологии прямого легирования стали в качестве материалов, содержащих в своем составе легирующий элемент, используют, в отличие от ферросплавов, неметаллические материалы, чаще оксиды. Такие материалы по своим физическим характеристикам должны отвечать всем требованиям, предъявляемым к стандартным ферросплавам - они должны быть прочными, негигроскопичными, фракционированными, с размером фракций, приемлемым для бункерно-трактовой подачи материалов в сталеплавильный агрегат или сталеразливочный ковш. В качестве восстановителей в таких процессах используют материалы, содержащие в своем составе элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем восстанавливаемый легирующий элемент, обычно это сплавы алюминия, кремния или углеродсодержащие материалы. Восстановительные реакции с алюминием и кремнием, входящими в состав материалов, носят экзотермический характер и, в основном, не требуют дополнительных затрат на подогрев металлического расплава перед его легированием, реакции с участием углеродсодержащих материалов эндотермичны и без дополнительного тепла не идут. Поэтому для прямого легирования необходимо готовить такие материалы, содержащие легирующие элементы, и восстановители, которые не вносили бы ощутимых изменений в существующие сталеплавильные процессы.

Известен способ производства брикетов для прямого легирования и раскисления стали марганцем, включающий выплавку восстановителя, дробление и размол восстановителя, марганцевой руды и флюса, их смешение с добавкой связующего и брикетирование, при этом в качестве восстановителя используют ферросилиций, который выплавляют из шихты, содержащей часть марганцевой руды, кварцит, железную стружку и кокс, полученный ферросилиций разливают в слитки и выдерживают на воздухе до рассыпания, оставшуюся часть марганцевой руды обжигают при 900-1000°С, размалывают в порошок и смешивают с ферросилицием в соотношении (0,7-0,9):1,0 соответственно, затем смесь повторно размалывают в течение 30-40 мин, в смесь добавляют 10-15% от массы сплава порошок шлака мартеновской или конвертерной плавки и 10-30% доломита, после чего смесь в течение 10-20 мин перемешивают (RU №2059014 С, кл. С22С 33/04, опубл. 27.04.1996 г.).

В брикете, полученном известным способом, основным компонентом - восстановителем является кремний. При использовании брикетов для прямого легирования стали марганцем образуется шлак неизменного состава от начала процесса легирования до его окончания, что исключает возможность варьирования его составом для получения шлака низкой вязкости с высокой серопоглотительной способностью. При использовании брикетов образуется шлаковый расплав, содержащий в своем составе около 60% диоксида кремния (SiO₂), при отношении . Шлак такого состава образуется в результате взаимодействия кремния, входящего в состав ферросилиция, с оксидами марганца в руде, а также с кислородом, растворенным в металле. Кроме того, диоксид кремния внесен в состав известного брикета сталеплавильным шлаком. Низкая основность образующегося шлака препятствует процессу десульфурации и снижает степень восстановления марганца из руды.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ получения брикетов для прямого легирования стали марганцем, включающий предварительное смешение марганецсодержащего материала, в качестве которого используют концентрат химического обогащения с флюсом, в качестве которого используют обожженный доломит, содержащий оксид магния, в соотношении , обжиг смеси в окислительной атмосфере при 920-950°С в течение 1-2 ч с получением мангонит-марокитового концентрата, охлаждение обожженной смеси в области температур 920-680°С со скоростью 100-120°С/ч, добавку к мангонит-марокитовому концентрату содержащего марганец, кремний, алюминий и железо сплава (АМС), выплавленного из природной марганцевой руды и высокозольного угля и выдержанного на воздухе до его полного рассыпания, и связующего, и прессование (RU №2086675 С1, кл. С22В 1/24, С22С 35/00, опубл. 10.08.1997 г.).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения: смешение марганецсодержащего материала с флюсом, содержащим оксид магния, термообработка смеси, добавка алюминийсодержащего материала.

Известный способ способствует высокому извлечению марганца из концентрата химического обогащения, улучшению использования алюминия и кремния.

Однако известный способ не обеспечивает получение требуемого технического результата по следующим причинам.

Брикет для прямого легирования стали марганцем, полученный известным способом, имеет восстановимость марганца из оксидной составляющей брикета 88-94%, но марганец, переходящий в сталь, наполовину состоит из металлического марганца, входящего в состав сплава АМС, являющегося компонентом брикета. При прямом легировании стали брикетом образуется шлаковый расплав с высоким (до 50,0%) содержанием диоксида кремния, в котором отношение , что обуславливает низкую серопоглотительную способность шлака. При этом в сталь дополнительно переходит кремний в количестве около 0,2% на каждый 1,0% введенного в металл марганца, что ограничивает применение известных брикетов в легировании стали и исключает возможность их использования при производстве низкокремнистых марок стали. При использовании брикетов в технологии прямого легирования стали марганцем не представляется возможным управлять скоростью плавления материала, потому что смешение марганецсодержащего материала с флюсом, содержащим магнезию, строго лимитировано соотношением , а в качестве добавки, содержащей в своем составе восстановитель, используют только один стандартный материал - сплав АМС. Поэтому скорость процесса плавления брикетов в процессе прямого легирования стали не регулируют из-за невозможности регулирования термичности смеси материалов, входящих в состав брикетов.

Получение материала для прямого легирования стали марганцем известным способом имеет ограниченное применение в области использования различных марганецсодержащих материалов и распространяется лишь на высококонцентрированные марганцевые оксидные материалы, полученные по специальной технологии. Кроме того, известному способу присущи недостатки, свойственные брикетам и технологиям их изготовления: наличие гигроскопичных мелкофракционных взрыво- и пожароопасных компонентов, входящих в состав брикетов, необходимость их прессования, сушки, термообработки и охлаждения в специальных условиях и на специальных установках, что также ограничивает их применение из-за наличия технологических сложностей и высокой стоимости.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа получения материала для прямого легирования стали марганцем путем оптимизации технологических параметров.

Ожидаемый технический результат - возможность управления скоростью плавления материала за счет регулирования его термичности и восстановления из него марганца, обеспечивающая получение шлака с высокой серопоглотительной способностью, что приводит к повышению десульфурации стали при сохранении высокой степени восстановления марганца.

Технический результат достигается тем, что в способе получения материала для прямого легирования стали марганцем, включающем смешение марганецсодержащего материала с флюсом, содержащим оксид магния, термообработку смеси, и добавку алюминийсодержащего материала, по изобретению смешение марганецсодержащего материала, в качестве которого используют карбонатную марганцевую руду с флюсом, содержащим оксид магния, в качестве которого используют доломитизированную известь, ведут в количестве, обеспечивающем получение в термообработанном материале отношения , термообработку смеси ведут спеканием при температуре 1050-1100°С, а добавку алюминийсодержащего материала осуществляют в виде материала, в состав которого входит металлический алюминий в количестве 35-45% и глинозем в количестве 15-25%.

Материал, полученный в соответствии с заявляемым способом, имеет температуру плавления на 250-250°С ниже температуры сталеплавильных процессов, что обеспечивает его интенсивное плавление при попадании на поверхность металлического расплава, например, в сталеразливочном ковше. В результате образуется первичный шлак (первая стадия процесса шлакообразования), содержащий в своем составе более 30% СаО, около 10% SiO₂, до 10% Al ₂О₃, а также оксиды марганца, магния, железа. При формировании первичного шлака SiO ₂ является компонентом, снижающим вязкость шлака до значений, не превышающих 0,2 Па·с. Температура плавления такого шлака находится в пределах 1200-1250°С. С образованием первых порций гомогенных фаз оксидных компонентов и восстановителя, входящих в состав материала для прямого легирования, протекает экзотермическая реакция восстановления марганца, сопровождающаяся образованием оксидного продукта реакции - Al₂ О₃, содержание которого повышается до уровня концентраций СаО. Процесс шлакообразования переходит во вторую стадию, характеризующуюся тем, что в шлаке происходит перераспределение оксидов с образованием новых сложных оксидных комплексов. Увеличивающееся количество Al₂О₃ в шлаке обеспечивает связывание его с SiO₂ в прочные соединения, что повышает активность СаО и приводит к увеличению серопоглотительной способности шлака.

Использование в качестве флюса доломитизированной извести, содержащей 56% СаО и 19% MgO, снижает вязкость шлака, образующегося в результате обработки металлического расплава, когда в процессе восстановления марганца образуется значительное количество оксида алюминия, а также обеспечивает в совокупности с оксидом кальция, входящим в состав доломитизированной извести, основность, представленную в виде отношения .

Уменьшение показателя основности ниже значения 1,25 приводит к тому, что в шлаковом расплаве образуются сложные оксидные соединения с SiO₂, в результате снижается активность оксидов марганца, уменьшается количество марганца, перешедшего в металлический расплав, и снижается серопоглотительная способность шлака. Повышение основности выше значения 1,35 приводит к повышению вязкости шлака, снижая рафинирующие показатели по сере, а также снижая степень восстановления марганца. Термообработку исходных оксидных компонентов материала для прямого легирования стали проводят спеканием при температуре 1050-1100°С. При температурах ниже 1050°С не происходит полного разложения сложных комплексных оксидов, входящих в состав марганецсодержащего материала, что приводит к ухудшению физико-химических характеристик материала. Повышение температуры спекания выше 1100°С сопровождается образованием настылей, что также ухудшает качество спекаемого материала. Добавка алюминийсодержащего материала обеспечивает в процессе обработки металлического расплава получение шлака, обладающего высокой серопоглотительной способностью, что способствует повышению качества стали. Алюминийсодержащий материал содержит металлический алюминий в количестве 35-45%, а также глинозем в количестве 15-25%. Металлический алюминий в процессе прямого легирования стали марганцем является восстановителем марганца. Уменьшение его содержания менее 35% приводит к неполному восстановлению марганца, получению в шлаке остаточного количества оксидов невосстановленного марганца, что отрицательно сказывается на процессе десульфурации металлического расплава. Повышение содержания металлического алюминия приводит к увеличению содержания алюминия в стали, что приводит к осложнениям во время разливки. Уменьшение содержания глинозема ниже 15% приводит к снижению активности оксида кальция, что снизит показатели восстановимости марганца и десульфурации стали. Повышение содержания глинозема в алюминийсодержащем материале выше 25% приводит к повышению вязкости образующегося шлака, что приводит к снижению восстановимости марганца и уменьшению степени десульфурации стали.

Пример.

Марганцевый концентрат карбонатной марганцевой руды, химического состава, мас.%: Mn 29,1; SiO₂ 18,2; Al₂ О₃ 1,33; CaO 10,84; MgO 1,19; Fe ₂O₃ 2,06; S 0,05; п.п.п. 28,5, смешали с доломитизированной известью, в состав которой входит 56,0% CaO и 19,6% MgO, в количестве 85,0-95,0% и 5,0-15,0%. Количество смешанных материалов обеспечивает в готовом материале для прямого легирования стали марганцем отношение . Затем смесь подвергли спеканию при температурах 1050, 1075, 1100°С и добавили в нее алюминийсодержащий материал, в состав которого входит металлический алюминий и глинозем.

Брикеты по способу ближайшего аналога готовили из марганцевого концентрата химического обогащения (56,8% Mn), обожженного доломита 47% СаО; 29,8% MgO; 13,8% п.п.п.) и сплава (50,93% Mn; 32,47% Si; 6,15% Al).

Технологические параметры способа изготовления материала для прямого легирования стали представлены в таблице 1 (№№1-3 - предлагаемый способ, №4 - ближайший аналог).

Плавки с использованием материала для прямого легирования стали, полученного предлагаемым способом и брикетов, изготовленных по способу ближайшего аналога, проводили в индукционной печи ИСТ - 006. В качестве металлошихты использовали металл химического состава, мас.%: С 0,05-0,08; Mn 0,19-0,23; Si 0,03-0,06; S 0,018-0,021; Р 0,010-0,014. Пробы металла на химический анализ отбирали через 5 минут после обработки металлического расплава вводимыми материалами.

Результаты опытных плавок представлены в таблице 2.

Как свидетельствуют данные, приведенные в таблице 2, в плавке с использованием материала для прямого легирования, полученного по заявляемому способу, показатели десульфурации значительно превосходят данные из плавки с использованием брикетов, изготовленных по известному способу, при почти одинаковых показателях степени извлечения марганца.

Таблица 1
№ пп	Количество материалов смеси, %						Температура термообработки, °С			Состав Al-содержащего материала, %
	Mn-содержащий материал		Флюс, содержащий MgO
										Al	Al2О3
1.	95,0		5,0		1,25		1050			35	20
2.	90,0		10,0		1,30		1075			40	15
3.	85,0		15,0		1,35		1100			55	25
4.	48,0		24,0		0,6		900			6	-
Таблица 2
№ п/п	Содержание марганца в стали, %			Содержание серы в стали, %				Степень извлечения марганца, %	Степень десульфурации, %
	Исходный металл	Готовая сталь		Исходный металл		Готовая сталь
1.	0,19	0,69		0,021		0,008		97,1	62,0
2.	0,21	0.70		0,021		0,007		96.5	66,7
3.	0,20	0,68		0,019		0,009		95,1	52,6
4.	0,21	0,68		0,19		0,018		95,2	5,0