Шлаковая смесь для обработки жидкого металла

Шлаковая смесь для обработки жидкого металла

Реферат

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке жидкого чугуна и стали шлаковыми смесями преимущественно в разливочных ковшах.

Широко известны способы внепечной рафинирующей обработки жидкой стали в разливочных ковшах, агрегатах «ковш-печь» (АКП) или «АКОС» (Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев A.M. Общая металлургия. М.: Металлургия, 2000. - 768 с.]; Дюдкин Д.А., Бать С.Ю., Гринберг С.Е., Маринцев С.И. Производство стали на агрегате ковш-печь. Донецк, Юго-Восток, 2003, 304 с.).

В известных способах рафинирующей обработки жидкого металла широко применяются синтетические шлаковые смеси или комплексные рафинирующие материалы, в которых в качестве основы используется известь, представляющая собой оксидное соединение кальция (СаО).

Известно, что оксид кальция в металлургических процессах является основным шлакообразующим компонентом, обеспечивающим удаление вредных примесей, в частности серы, из расплавленного металла.

Однако оксид кальция имеет высокую температуру плавления (2630°С) и требует для расплавления больших затрат тепла. Поэтому для снижения температуры плавления извести вместе с ней в шлаковых смесях используют различные добавки.

Добавки оксидных соединений кремния, алюминия, железа снижают температуру плавления извести, но снижают и «основность» шлаковой смеси, которая является одним из показателей активности рафинирующих материалов к десульфурации жидких металлов.

Известен способ наведения синтетического рафинирующего шлака при обработке жидкой стальной заготовки на установке печь-ковш и шихта для наведения рафинирующего шлака, содержащего в качестве основы известь (КЦ№2255119, С21C 7/076. Дата заявки 14.10.2003 г. №2003130358/02. Опубликован 27.05.2005 г.).

Указанный известный рафинирующий материал кроме извести содержит шлак от производства вторичного алюминия и стабилизированный отвальный шлак производства феррованадия.

Недостатком указанного рафинирующего материала является высокая окисленность шлака феррованадиевого производства из-за присутствия в нем большого количества оксидов железа и кремния и содержание других компонентов в оксидных соединениях. Повышенная окисленность шлака приводит к снижению эффективности удаления серы из металла.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является шлаковая смесь для обработки жидкой стали в ковше (RU №2176273 С2; 7 С21С 7/06. Заявка №2000100199/02. Дата подачи заявки 01.10.2000. Дата публикации: 27.11.2001).

Шлаковая смесь, применяемая для удаления серы из жидкой стали, состоит из смеси извести в качестве основы от 50 до 70 мас.% и добавки нефелинового сиенита, содержащего компоненты в следующих соотношениях, мас.%:

оксидные соединения кремния SiO2	40-48
-«- -«- алюминия Аl2O3	25-40
-«- -«- железа Fе2О3	20-3,5
-«- -«- натрия и калия (Na2O+K2O)	18-22,5

Добавка к извести нефелинового сиенита способствует повышению активности рафинирующей шлаковой смеси к удалению серы из жидкой стали, особенно за счет присутствия в ней щелочных соединений натрия и калия.

Однако содержащиеся в ней оксидные соединения кремния, железа и алюминия в большом количестве снижают общую десульфурирующую способность шлаковой смеси. Кроме этого, применение шлаковой смеси, в которой в качестве основы используется известь, снижает ее десульфурирующую способность из-за ее высокой температуры плавления и высокой вязкости образующейся рафинирующей шлаковой смеси.

Недостатки прототипа состоят в том, что рафинирующая шлаковая смесь в качестве основы содержит кальций только в оксидном соединении, а также содержит большое количество оксидных соединений кремнезема, и железа, и алюминия, которые хотя и способствуют некоторому снижению температуры плавления шлаковой смеси, но уменьшают общую ее «основность» и, следовательно, ее десульфурирующую способность.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение температуры плавления и вязкости шлаковой смеси и повышение эффективности удаления серы из металла.

Задача решается тем, что шлаковая смесь для обработки жидкого металла, преимущественно в разливочном ковше, включающая известь как основу шлаковой смеси в виде оксида кальция и добавок к извести в виде оксидных соединений элементов кремния, алюминия, железа, калия и натрия, согласно изобретению дополнительно содержит галоидное соединение кальция, карбонатные соединения кальция, бария, стронция, а также восстановительные элементы при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

соединения кальция в сумме: (СаО+СаСО3+СаF2)	40-70
оксидные соединения кремния SiO2	4-12
оксидные соединения алюминия Аl2О3	0,5-5,0
оксидные соединения железа Fе2О3	0,2-0,8
оксидные соединения натрия и калия (Na2O+KaO)	3-8
карбонатные соединения в сумме (ВаСО3+SrСО3)	1,2-18
восстановительные элементы	0,5-25

Отличием шлаковой смеси является то, что в качестве восстановительных элементов она содержит совместно кремний, алюминий, магний, углеродосодержащий материал.

Другим отличием шлаковой смеси является то, что в качестве восстановительных элементов она содержит кремний.

Другим отличием шлаковой смеси является то, что в качестве восстановительных элементов она содержит алюминий.

Другим отличием шлаковой смеси является то, что в качестве восстановительных элементов она содержит магний.

Другим отличием шлаковой смеси является то, что в качестве восстановительных элементов она содержит углеродосодержащий материал.

Сущность изобретения состоит в нижеследующем.

Из литературы установлено, что оксидное соединение кальция «СаО», известное в металлургии и химии под тривиальным названием «известь» (Свойства неорганических соединений. Справочник. / Ефимов А.И. и др. - Л.: Химия, 1983. - Стр.223), имеет высокую температуру плавления: 2630°С (там же, стр.139). Поэтому при удалении серы из жидкого металла, проводимого обычно при температурах 1580-1620°С, известь, находящаяся при этих температурах в твердом состоянии, слабо реагирует с серой, находящейся в жидком металле в растворенном состоянии.

Для повышения эффективности удаления серы из металла необходимо снижать температуру плавления и вязкость рафинирующей шлаковой смеси на основе извести.

Для снижения температуры плавления извести обычно к ней добавляют кремнезем - диоксид кремния (SiO₂) и другие «кислотные» соединения.

Однако как кремнезем, так и другие «кислотные» соединения снижают «основность» шлаковых смесей, представляющих собой отношение «основных» элементов к «кислым», и, тем самым, уменьшают эффективность удаления серы из металлов.

Известно, что некоторые соединения кальция, в частности карбонатные и галоидные соединения, не только снижают температуру плавления оксида кальция, но активно взаимодействуют с другими компонентами в шлаковых смесях.

Так, карбонатные соединения кальция более активно взаимодействуют с кремнеземом, чем чисто оксидное соединение кальция и при более низких температурах нагрева. Согласно известным данным (Бабушкин В.И. и др. Термодинамика силикатов. - М.: Стройиздат, 1986. - С.98) взаимодействие карбоната кальция с кремнеземом начинается уже при температурах 750-850°С с выделением углекислого газа по реакции:

СаСО₃+SiO₂=CaSiO₃+СО₂ ^↑

Примерно такой же характер взаимодействия имеют другие карбонатные соединения, в частности бария и стронция (там же, стр.103).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что для повышения скорости формирования шлаковой системы и эффективного снижения ее температуры плавления и вязкости, кроме оксидных соединений кальция в рафинирующем материале необходимо применять другие его соединения, в частности карбонатные и галоидные. При этом карбонатные соединения бария и стронция также снижают температуру плавления оксида кальция, но они также, как и соединения кальция, повышают «основность» шлаковой системы.

Галоидные соединения кальция также снижают температуру плавления извести, но при условии перехода соединения в гомогенное состояние с образованием, например с галоидом кальция, сплава CaO•CaF₂. При этом реакция гомогенизации обычно протекает медленно. Она ускоряется в присутствии в шлаковой системе карбонатного соединения кальция, бария, стронция и щелочных соединений натрия и калия.

Поэтому применение в качестве основы шлаковой смеси трехкомпонентного состава соединений кальция: оксидного, карбонатного и галоидного, в присутствии других перечисленных компонентов приводит к увеличению скорости формирования гомогенного состояния рафинирующих шлаковых смесей, уменьшению температуры их плавления, снижению вязкости и, тем самым, к повышению эффективности удаления серы из металла.

Известно (А.М.Бигеев, В.А.Бигеев. Металлургия стали. Учебник для вузов. - Магнитогорск, МГТУ, 2001. - С.229), что повышенная окисленность жидкого металла при наведении рафинирующего шлака снижает эффективность удаления из него серы. При снижении вязкости рафинирующего шлака жидкотекучесть его повышается и, в связи с этим, повышается возможность доступа кислорода из атмосферы в металл через слой рафинирующего шлака.

С целью предотвращения возможности дополнительного окисления металла в процессе рафинирующей обработки металла в состав рафинирующей шлаковой смеси дополнительно к шлакообразующим компонентам вводятся один или несколько восстановительных элементов в виде кремния, алюминия, магния и углеродосодержащего материала, которые снижают возможность окисления металла в процессе удаления из него серы.

Примеры реализации изобретения

Испытания шлаковых смесей проводили в металлургической лаборатории с использованием стандартных приборов испытания металлов и оснащенной индукционной плавильной печью емкостью 200 кг и разливочными ковшами емкостью 50 кг.

Температуру интенсивного плавления шлаковых смесей проверяли на высокотемпературном приборе системы Паулик-Эрдеи с максимальной температурой нагрева образцов до 1500°С. При этом прибор позволяет определять продолжительность нагрева образцов до момента начала интенсивного плавления материала.

Вязкость расплавленных шлаковых смесей проверяли на высокотемпературном вискозиметре модели Q-1500. Вязкость шлаковых смесей проверяли методом сравнения с эталонным шлаковым составом, приведенным в прототипе. При этом сравнивали измеряемые величины угла замедления (угол отставания) вращения лопастного вала при погружении в расплавленный шлак пропеллерного наконечника из корунда. При этом замеры вязкости проводили при температуре интенсивного плавления шлаковой смеси, предварительно определяемой на установке Паулик-Эрдеи.

Масса образцов шлаковых смесей составляла 400 г.

В качестве эталона для сравнения принят состав шлаковой смеси, соответствующий среднему наилучшему по свойствам составу по прототипу, мас.%:

СаО	70 SiO2 14,4 Аl2O3 7,8
Fе2О3	1,05 (Na+K)2O 6,75

Десульфурирующую способность шлаковых смесей проверяли при обработке образцов металла, которые предварительно расплавляли в индукционной печи в количестве 50 кг. При этом при прочих равных условиях замеряли содержание серы в металлах до и после обработки их шлаковыми смесями при одинаковых удельных их расходах 0,8% от массы обрабатываемого металла.

Обработку металла шлаковыми смесями проводили при температурах металла 1580-1610°С. После расплавления металла брали пробу на содержание серы, а на поверхность расплавленного металла засыпали расчетное количество шлакового состава. Шлаковый состав засыпали на поверхность расплавленного металла, после этого делалась выдержка в течение 10 минут. После этого из-под шлака брали пробу металла на серу, а металл сливали в изложницу. Контрольную пробу брали также из металла после охлаждения его в изложнице.

Оценку десульфурирующей способности шлаковых составов проводили по разности содержания серы в пробах металла до и после обработки жидкого металла рафинирующими шлаковыми смесями. Степень десульфурации характеризовали в % к исходному содержанию серы в металле.

Исходная подготовка материалов для всех составов принята одинаковой, все операции испытания проводили при равных условиях.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Как видно в таблице, при содержании суммы соединений кальция меньше 40 мас.% и более 70 мас.% эффективность удаления серы из металла снижается. Наилучшие результаты получены при испытании шлаковых составов, приведенных в примерах 3 и 4.

Предлагаемые составы шлаковых смесей за счет дополнительного подбора компонентов в комплексе с кальцийсодержащими компонентами обеспечивает интенсивное снижение ее температуры и вязкости и, тем самым, эффективное уменьшение содержания серы в металле.

Промышленная применимость

Предлагаемые составы шлаковых смесей могут быть использованы для проведения десульфурации стали и чугуна в плавильных агрегатах, но преимущественно в разливочных ковшах при выпуске металла из плавильного агрегата и, особенно, в агрегатах типа «Печь-ковш». При этом достигается сокращение продолжительности рафинирующей обработки металла, сокращаются расходы раскислителей и потери легирующих элементов в обрабатываемых металлах, так как процессы десульфурации можно проводить при более низких температурах и при сокращенных сроках обработки. Предлагаемая шлаковая смесь может эффективно использоваться при обработке металла в разливочных ковшах, в агрегатах «печь-ковш», а также непосредственно во всех известных плавильных агрегатах: мартенах, конвертерах, электропечах.

Содержание компонентов, мас.% и параметры оценки	Примеры испытаний шлаковых смесей
Прототип	1	2	3	4	5
СаО/СаСО3/СаF2	70,0/0/0	25,0/8,0/2,0	30,0/5,0/5,0	45,0/5,0/10,0	40,0/15,0/10,0	60,0/10,0/5,0
SiO2/Al2O3/Fe2O3	14,4/7,8/1,05	12,0/5,0/0,8	12,0/5,0/0,2	4,0/5,0/0	4,0/5,0/0,2	3,0/0,5/0,2
(Na2O+K2O)	6,75	8,0	8,0	8,0	7,8	3,3
(ВаСО3+SrСО3)	-	18,0	16,0	12,0	8,0	12,0
Si/Al/Mg/C	-	10,5/3,5/0.5/2,0	8,0/0/0/0	0/8,0/0/0	0/7,0/0/0	0/0/0/5,0
Температура начала интенсивного плавления, °С	1485	1315	1343	1355	1325	1358
Время нагрева до начала интенсивного плавления, мин.	105	48	56	62	54	66
Вязкость, угол отставания, °	34	8	16	16	12	19
Относительное удаление серы, %	12	21	26	28	31	22

1. Шлаковая смесь для обработки жидкого металла преимущественно в разливочном ковше, включающая в качестве основы известь в виде оксида кальция и добавок к извести в виде оксидных соединений кремния, алюминия, железа, натрия и калия, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит галоидное соединение кальция, карбонатные соединения кальция, бария, стронция, а также восстановительные элементы при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

соединения кальция в сумме (СаО+СаСО3+СаF2)	40,0-70,0
оксидные соединения кремния SiO2	4,0-12,0
оксидные соединения алюминия Аl2О3	0,5-5,0
оксидные соединения железа Fе2О3	0,2-0,8
оксидные соединения натрия и калия (Na2O+K2O)	3,0-8,0
карбонатные соединения в сумме (ВаСО3+SrСО3)	1,2-18,0
восстановительные элементы	0,5-25,0

2. Шлаковая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве восстановительных элементов она совместно содержит кремний, алюминий, магний, углеродосодержащий материал.

3. Шлаковая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве восстановительных элементов она содержит кремний.

4. Шлаковая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве восстановительных элементов она содержит алюминий.

5. Шлаковая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве восстановительных элементов она содержит магний.

6. Шлаковая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве восстановительных элементов она содержит углеродосодержащий материал.