способ выплавки и вакуумирования рельсовой стали
Классы МПК: | C21C7/00 Обработка расплавленных ферросплавов, например стали, не отнесенная к группам 1/00 |
Автор(ы): | Юрьев Алексей Борисович (RU), Годик Леонид Александрович (RU), Козырев Николай Анатольевич (RU), Захарова Татьяна Петровна (RU), Корнева Лариса Викторовна (RU), Тиммерман Наталья Николаевна (RU), Кузнецов Евгений Павлович (RU), Обшаров Михаил Владимирович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Новокузнецкий металлургический комбинат" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-08-04 публикация патента:
20.07.2010 |
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства рельсовой стали в дуговых электропечах с применением вакуумирования. Способ включает выплавку металла в дуговых электропечах, выпуск стали из печи с отсечкой печного шлака, присадку в ковш шлакообразующей смеси и ферросплавов, обработку стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре. При выпуске стали из печи в ковше осуществляют продувку азотом через пористые фурмы с расходом 0,004-0,014 м3/тонну и интенсивностью 5-15 м3/ч, в кош присаживают известь в количестве 4-8 кг/т стали, а также кремний- и марганецсодержащие ферросплавы по расчету на средний предел содержания в готовой стали, обработку стали на агрегате «ковш-печь» проводят до температуры 1600-1630°С. При обработке производят продувку стали в ковше азотом через донные пористые фурмы с расходом 8-20 м3/ч; обработку на вакууматоре камерного типа осуществляют при давлении менее 0,3 Торр. Обработку проводят при непрерывной продувке через пористые фурмы азотом с интенсивностью 5-25 м 3/ч и расходом 0,01-0,30 м3/т стали при общей продолжительности обработки 15-60 минут. Использование изобретения позволяет сократить затраты и продолжительность обработки стали при карбонитридном упрочнении, уменьшить концентрацию кислорода в стали и уровень загрязненности стали неметаллическими включениями, повысить механические свойства рельсов.
Формула изобретения
Способ выплавки и вакуумирования рельсовой стали, включающий выплавку металла в дуговых электропечах, выпуск стали из печи в ковш с отсечкой печного шлака, присадку в ковш шлакообразующей смеси и ферросплавов, доводку стали на агрегате «ковш-печь», отличающийся тем, что при выпуске стали из печи сталь в ковше продувают азотом через пористые фурмы с расходом 0,004-0,014 м3/т стали и интенсивностью 5-15 м3/ч, в ковш присаживают известь в количестве 4-8 кг/т стали с обеспечением высоты шлака в ковше 80-140 мм, кремний- и марганецсодержащие ферросплавы присаживают из расчета на средний предел содержания их в готовой стали, проводят доводку стали на агрегате «ковш-печь» до температуры 1600-1630°С и получения требуемого химического состава по углероду, марганцу, кремнию и ванадию введением необходимых углерод-, марганец-, кремний- и ванадийсодержащих лигатур и ферросплавов, и производят продувку стали в ковше-печи азотом через донные пористые фурмы с расходом 8-20 м3/ч, после чего осуществляют обработку стали на вакууматоре камерного типа при давлении менее 0,3 торр, причем вакуумную обработку проводят при непрерывной продувке через пористые фурмы азотом с интенсивностью 5-25 м 3/ч и расходом 0,01-0,30 м3/т стали при общей продолжительности обработки 15-60 мин.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства рельсовой стали в дуговых электропечах с применением вакуумирования.
Известны железнодорожные рельсы низкотемпературной надежности, изготавливаемые из перлитных сталей с карбонитридным упрочнением [1]. Данные рельсы используют в районах Сибири и Дальнего Востока, где температура достигает минус 35°С и ниже.
Необходимые свойства таких сталей достигаются за счет легирования стали азотом и ванадием, измельчающих зерно и увеличивающих ударную вязкость стали при отрицательных температурах. Обычно для легирования стали ванадием и азотирования стали применяют азотированные ферросплавы. Однако производство сплавов азотированного феррованадия сопряжено с высокими затратами, они дорогостоящи и при введении их в сталь степень усвоения азота низка.
Известен также выбранный в качестве прототипа способ получения рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома и извести, расплавление металлолома, заливку жидкого чугуна, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, последующий выпуск стали в ковш, присадку в ковш во время выпуска шлакообразующей смеси и ферросплавов, отличающийся тем, что сталь и шлак в печи не раскисляют, выпуск производят с отсечкой печного шлака с оставлением в печи 10-15% жидкого металла от массы плавки, присаживают в ковш на выпуске шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата в соотношении (0,8-1,2):(0,2-0,5) с расходом 10-17 кг/т стали, а также кремний- и марганецсодержащие ферросплавы из расчета введения в сталь до 0,15% кремния и до 0,75% марганца, далее сталь обрабатывают на агрегате типа "печь-ковш" введением в ковш последовательно до требуемых концентраций марганца, кремния, углерода, ванадия и кальция, причем при введении осуществляют продувку стали через донную пористую фурму азотом с расходом до 65 нм3/ч при общем количестве введенного газообразного азота не более 20 нм3 до содержания 0,020% азота, окончательную продувку проводят аргоном с расходом до 65 нм 3/ч [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 также способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, раскисление в печи стали алюминием и шлака порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата, отличающийся тем, что выплавку стали производят сериями, причем металлошихту первой плавки в серии дают массой на 10-15% больше массы металлошихты последующих плавок, а массу металлошихты последней плавки в серии уменьшают на 10-15%, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода не менее 0,60% и температуры выше ликвидуса на 180-240°С; причем сталь раскисляют на всех плавках серии алюминием в количестве 0,07-0,10% от массы металлошихты, а раскисление шлака в печи порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия в количестве, соответственно, каждого 0,09-0,10% от массы металлошихты проводят на последней плавке в серии, при выпуске первой и последующих плавок отсекают печной шлак, а последнюю плавку выпускают с печным шлаком, при выпуске плавок в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата, при соотношении (1,0-1,5):(0,3-0,5), соответственно, в количестве 3-3,3% от массы жидкой стали, и необходимые раскислители и легирующие [3].
Существенными недостатками данного способа выплавки являются:
- повышенный уровень концентрации кислорода в стали в связи с отсутствием вакуумной обработки;
- высокий расход азотированных ферросплавов, вводимых при выпуске стали в ковш из-за низкой концентрации азота в выплавляемой стали;
- низкие механические свойства рельсов, изготовленных по данному способу, из-за повышенного содержания кислорода, способствующему образованию оксидных неметаллических включений и нестабильной концентрации азота в стали, обеспечивающего карбонитридное упрочнение.
Известен также 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 [4].
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.
Известен также способ азотирования металлических расплавов [5], при котором расплав продувают азотом через донные пористые элементы под давлением Ро, определяемым по формуле Ро =P1+P2-Ратм,
где P1 - оптимальное давление продувки расплава азотом при атмосферных условиях в ковше, помещенном в вакуумную камеру;
Р2 - давление азота в рабочем пространстве вакуумной камеры;
Ратм - атмосферное давление, причем по окончании процесса азотирования расплав подвергают вакуумной обработке в течение 4-5 мин при давлении в камере 200-500 мм рт.ст. с одновременной продувкой его инертным газом или азотом через донные элементы ковша.
Техническими недостатками данного способа азотирования металлических расплавов являются:
- низкая степень дегазации по снижению концентрации кислорода и водорода из-за незначительной (4-5 мин) длительности вакуумной обработки;
- низкие механические свойства стали в связи с высоким содержанием кислорода и, соответственно, повышенной загрязненностью стали оксидными неметаллическими включениями;
- высокая продолжительность операции насыщения металла азотом из- за нерационального режима, включающего значительную длительность продувки расплава азотом и незначительную (или отсутствие вообще) продувку расплава азотом непосредственно при операции вакуумирования;
- не определены оптимальные удельные расходы и интенсивность продувки азотом при азотировании расплава.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение затрат и продолжительности обработки стали при карбонитридном упрочнении, уменьшение концентрации кислорода в стали и уровня загрязненности стали неметаллическими включениями, повышение механических свойств рельсов.
Для этого предложен способ выплавки и вакуумирования рельсовой стали, включающий выплавку металла в дуговых электропечах, выпуск стали из печи в ковш с отсечкой печного шлака, присадку в ковш шлакообразующей смеси и ферросплавов, доводку стали на агрегате «ковш-печь», в котором при выпуске стали из печи сталь в ковше продувают азотом через пористые фурмы с расходом 0,004-0,014 м3/тонну стали и интенсивностью 5-15 м3/ч, в кош присаживают известь в количестве 4-8 кг/т стали с обеспечением высоты шлака в ковше 80 - 140 мм, кремний- и марганецсодержащие ферросплавы присаживают из расчета на средний предел содержания их в готовой стали, проводят доводку стали на агрегате «ковш-печь» до температуры 1600-1630°С и получения требуемого химического состава по углероду, марганцу, кремнию и ванадию введением необходимых углерод-, марганец-, кремний- и ванадийсодержащих лигатур и ферросплавов и производят продувку стали в ковше-печи азотом через донные пористые фурмы с расходом 8-20 м3/ч; после чего осуществляют обработку стали на вакууматоре камерного типа при давлении менее 0,3 Торр, причем вакуумную обработку проводят при непрерывной продувке через пористые фурмы азотом с интенсивностью 5-25 м 3/ч и расходом 0,01-0,30 м3/т стали при общей продолжительности обработки 15-60 минут.
Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.
Продувка стали азотом через пористые фурмы с расходом 0,004-0,014 м 3/тонну и интенсивностью 5-15 м3/ч выбраны исходя из следующих предпосылок. При снижении расхода менее 0,004 нм 3/тонну выплавляемой стали и интенсивности менее 5 м 3/ч происходит снижение скорости насыщения стали азотом. При повышении расхода более 0,014 нм3/т и интенсивности продувки стали азотом более 15 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.
При присадке извести в ковш менее 4 кг/т стали, что соответствует высоте шлака в ковше менее 80 мм, низкая высота шлака не обеспечивает защиту металла от поглощения газов из атмосферы. Присадка же извести в количестве более 8 кг/т стали, что соответствует высоте шлака более 140 мм, при дальнейшей обработке на вакууматоре увеличивает продолжительность обработки.
Кремний- и марганецсодержащие ферросплавы вводят из расчета на средний предел содержания в готовой стали с целью снижения длительности обработки на агрегате «ковш-печь».
При нагреве стали на агрегате «ковш-печь» до температуры менее 1600°С дальнейшая обработка на вакууматоре, приводящая к снижению температуры, не позволяет проводить разливку стали на МНЛЗ из-за низких температур, что требует повторного дополнительного нагрева на агрегате «ковш-печь». При температуре более 1630°С температура после обработки на вакууматоре получается высокой для разливки стали на МНЛЗ, что требует дополнительной выдержки в ковше для охлаждения.
Для доведения химического состава вводят соответствующие лигатуры и ферросплавы на агрегате «ковш-печь».
С целью насыщения стали азотом при обработке осуществляют продувку стали азотом через пористые фурмы с расходом 8-20 м3/ч. При расходе ниже нижнего заявляемого предела насыщение стали незначительно и нагрев стали затруднен. При расходе выше верхнего заявляемого предела происходят выбросы металла и шлака из ковша, что приводит к аварийным ситуациям на агрегате «ковш-печь».
Для успешной дегазации обработку стали на вакууматоре производят при давлении менее 0,3 Торр. Причем интенсивность продувки азотом менее 5 м3/ч и расход ниже 0,01 м3/т значительно увеличивают длительность обработки на вакууматоре, при этом насыщение стали азотом незначительно. При интенсивности продувки через пористые донные фурмы азотом с интенсивностью более 25 м /ч и расходом более 0,30 м /т наблюдаются значительные технологические выплески металла и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы, кроме того, насыщение стали азотом достигает значений выше требуемых содержаний в рельсовой стали.
Продолжительность обработки выбрана исходя из условий: при обработке менее 15 мин не удается провести требуемую дегазацию стали, продолжительность обработки более 60 мин не требуется в связи с достижением требуемых значений содержания газов при заявляемом условии при ранней длительности.
Заявляемый способ выплавки стали был реализован при производстве рельсовой стали марок Э76Ф, НЭ76Ф в дуговых электросталеплавильных печах типа ДСП 100И10 с обработкой на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD. На остаток металла и шлака в печи заваливался металлолом и заливался жидкий чугун. Окисление углерода проводили продувкой стали в печи газообразным кислородом через систему газокислородных горелок фирмы BSE. При достижении требуемого содержания углерода и температуры проводили выпуск плавки с отсечкой печного шлака. При выпуске стали в ковш присаживали необходимые ферросилиций ФС65 и силикомарганец МнС17 и известь 400-900 кг. В ковш наливали 90-120 т стали. При выпуске осуществляли продувку азотом с расходом 0,004-0,014 м3/тонну стали и интенсивностью 5-15 м3/ч. Дальнейшую доводку стали по температуре и химическому составу проводили на агрегате типа "ковш-печь". Высота шлака в ковше составляла 80-140 мм. Обработку проводили введением необходимых ферросплавов и лигатур: ферросилиция ФС65, ФС75; ферромарганца, силикомарганца, порошка кокса - до получения требуемых содержаний элементов по ГОСТ Р 51685-2000. Нагрев проводили до температуры 1600-1630°С. За время обработки проводили продувку через донные пористые фурмы с расходом 8-20 м3/ч. Далее сталь в ковше передавалась на вакууматор камерного типа VD. Перед созданием разряжения ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку азотом через пористые донные фурмы с интенсивностью 5-25 м3 /ч и расходом 0,01-0,30 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-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа Р65.
При использовании заявляемого способа снижен расход азотированных ванадийсодержащих ферросплавов в среднем на 0,6 кг/т выплавляемой стали. Содержание кислорода снижается до менее 20 ррm, водорода - менее 2 ррm, содержание азота поддерживается в пределах 100-250 ррm. 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.
Литература
1. Козырев Н.А., Павлов В.В., Годик Л.А., Дементьев В.П. Железнодорожные рельсы из электростали. - Новокузнецк - 2006. - 388 с.
2. Патент РФ № 2254380, кл. С21С 7/00, 5/52.
3. Патент РФ № 2235790, кл. С21С 5/52, 7/07.
4. А.с. № 968078, кл. С21С 7/10.
5. А.с. № 1803434, кл. С21С 7/10.
Класс C21C7/00 Обработка расплавленных ферросплавов, например стали, не отнесенная к группам 1/00