Способ выплавки хромистых и хромоникелевых нержавеющих титансодержащих сталей
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 06.01.76 (21) 2309600/02 с присоединением заявки . и (23) Приоритет
Опубликовано 30.05.77. Бюллетень М 20
Дата опубликования описания 23.06.77 (51) М, Кл.»» С 21С 5/52
6D делам изааретений и аткрытий (53) УДК 669.187.25 (088.8) (72) Авторы изобретения А. Ф. Старцев, Н. Т. Заозерный, Т. M Бабксв, С. С. Попов, В. В. Шматченко, А. T. Перевязко, А. В, Губенко и Г. Д. Данченко
Запорожский электрометаллургический завод «Днепроспецсталь» им. А. Н, Кузьмина
1. (54) СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ХРОМИСТЪ|Х И ХРОМОНИКЕ ЕВЫХ
НЕРЖАВЕЮЩИХ ТИТАНСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ
Изобретение относится к электрометаллургии стали и может быть использовано при выплавке легированных сталей в основных дуговых электропечах.
Известны способы выплавки нержавеющих сталей в основных дуговых печах переплавом отходов с применением газообразного кислорода, предусматривающие проведение периодов продувки расплава кислородом, плавления феррохрома и рафинирования под известковосиликатным шлаком (1).
Известен способ выплавки нержавеющих сталей в основных дуговых печах методом переплава отходов с применением кислорода, заключающийся в том, что, с целью повышения извлечения хрома из шлака в металл после продувки расплава кислородом вводят ферросиликохром или 45%-ный ферросилиций в количестве 10 — 15 кг на 1 т расплава в смеси с 20 кг/т извести и феррохром. В период плавления феррохрома шлак раскисляют дробленым ферросиликохромом или 45% ным ферросилицием в количестве 10 — 15 кг/т в смеси с 10 — 20 кг/т извести, затем шлак дополнительно обрабатывают порошком 65%ного ферросилиция в количестве 2 — 4 кг на
1 т расплава в течение 25 — 35 мин, после чеIo шлак окислительного периода скачивают начисто. Рафинировочный шлак, наведенный из 15 кг/т извести и 3 — 4 кг/т плавикового шпата, после раскисл ния смесью порошков ферросилиция и алюминия скачивают перед легированием металла титаном (2).
Повышение основности шлака путем ввода
5 в печь посл продувки расплава кислородом
20 — 40 кг/т извести и увеличение расхода ферросиликохрома или 45%-ного ферросилиция (20 — 30 кг/т) позволяет снизить содержание хрома в скачиваемом шлаке до 8 — 10 вес. %
10 через 25 — 35 мин or начала раскисления шлака, Однако при таком способе общее извлечение хрома из IllHxTbl и ферросплавов в практически.; условиях производства не превыша)5 ет 87 — 88 отн. %: увеличение расхода извести до 30 — 40 кг/т для повышения основности шлака и двукратное скачивание его способствует значительному насыщению металла водородом, снижают производительность элек2Э тропечи, усложняют труд обслуживающего персонала. Кроме того, оольшой рàc oä кремнийсодержащих ра скислителей (20 — 30 кг/т) увеличивает содержание кремHttÿ в металле, который существенно понижает пластические
25 свойства нержавеющих сталей, увеличивает отбраковку металла при прокате и снижает выход годного.
Целью изобретения является повышение извлечения хрома и снижение содержания
3Ý вредных примесей в стали.
Это достигается тем, что шлак периода продувки расплава кислородом до ввода феррохрома обрабатывают дроссом электротермического силумина при соотношении извести, ферросиликохрома и дросса силумина
1,00: (0,93 — 0,87): (0,73 — 0,65) в количестве
7,7 — 0,0 кг на 1 т расплава, затем после ввода феррохрома задают дополнительно смесь извести и порошка алюминия, взятых в соотношении 1,00: (0,60 — 1,40), в количестве 1,60—
2,40 кг на 1 т, и шлак не скачивают до легпрованпя стали титаном.
Дросс ctt. 1vlIIII3 является продуктом рафинирования электротермического производства алюминиевокремниевых сплавов и содержит ингредиенты в соотношении, вес. /о . алюминий 20 — 40; кремний 4 — 8; глинозем 49 — 55; криолит 3 — 6; остальное (до 100 вес. о/о) железо, марганец, титан.
Введение на шлак периода продувки расплава кислородом дросса силумина в смеси с известью и ферросиликохромом обеспечивает достаточное снижение активности кремнезема и глинозема, повышает раскислительную способность кремния и алюминия, в результате чего содержание окислов хрома в шлаке через 10 — 12 мин после ввода раскислительной смеси снижается с 27 — 34 вес. о/о до 2 — 3 вес. /о. При этом за счет уменьшения содержания окислов хрома, марганца и железа в раскисленном шлаке периода продувки количество его не превышает 43/о от веса металла.
Расходы дросса силумина, ферросиликохрома, порошка алюминия зависят от фактического содержания в шихте легкоокисляющихся легирующих элементов, состава футеровки печи, расхода ферросплавов, степени окисленности феррохрома и содержания кислорода в расплаве после продувки его газообразным кислородом, В промышленных условиях в основных электропечах емкостью 30 — 50 т при выплавке сталей типа 08-12Х18Н10Т, 0,8-10Х17Н
13М2-МЗТ, 08Х21Н5Т, 08-40Х13 и других проводят испытания способа выплавки нержавеюших сталей.
Выплавку нержавеющих сталей производят следующим образом.
После загорания углерода образовавшийся в период плавления шихты шлак скачивают на 70 — 90 отн. /о и непрерывно подкачивают до снижения содержания углерода в расплаве в пределах 0,20 — 0,15 вес. /о. После продувки расплава кислородом на шлак вводят 9,80—
13,40 кг/т ферросиликохрома, затем 7,7—
100 кг/т дросса силумина и 105 — 155 кг/r извести. После ввода шлаково-раскислительной смеси названного состава в расплав вводят феррохром, никель и при необходимости отходы родственной марки стали. Металл н шлак перемешивают в течение 8 — 10 мин установкой ЭМП и гребками. После ввода в расплав корректирующих добавок, величину которых определяют по результатам анализа
65 двух остаточных проб, отобранных в конце продувки расплава кислородом, в печь вводят раскислительную смесь из извести и порошка алюминия в количестве 1,6:2,4 кг/т, взятых в соотношении 1,00: (0,60 — 1,40), затем шлак скачивают на 70 — 90 отн. /о для легирования стали титаном, которое производят по существующей технологии.
При вводе в печь раскислительной смеси из извести, силикохрома и дросса силумина шлак периода продувки расплава кислородом через 2 — 3 мин становится жидкоподвижным и через 10 — 12 мин после ввода в расплав феррохрома содержание окислов хрома в шлаке снижается с 27 — 34 до 2 — 3 вес. /о.
Шлак сохраняет высокую жидкоподвижность до момента скачивания его для легирования стали титаном. Содержание кремния в металле в период рафинирования составляет
0,25 — 0,35 вес., содержание серы — 0,015—
Использование предлагаемого способа выплавки нержавеющих сталей в основных дуговых печах методом переплава по сравнению с существующими способами обеспечивает повышение извлечения хрома из шихты и ферросплавов с 87 — 88 до 90 — 92 отн. ; уменьшение расхода извести в 2,0 — 2,5 раза, порошка 65 /О-ного ферросилиция в 3 — 4 раза, стабилизацию усвоения титана в пределах
52 — 60 отн. /о, сокращение длительности рафинировки на 25 — 30 мин, облегчение труда сталеваров; улучшение технйко-экономических показателей выплавки нержавеющих сталей и получение экономического эффекта более 5 руб. на 1 т. стали.
Способ выплавки хромистых и хромоникелевых нержаве1ощих титансодержащих сталей переплавом отходов с применением газообразного кислорода в основных дуговыхпечах, включающий продувку расплава кислородом, раскисление металла и шлака, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения потерь хрома и снижения содержания вредных примесей в металле, шлак периода продувки обрабатывают дроссом электротермического производства силумина в количестве
7,7 — 10,0 кг на 1 т расплава при соотношении извести, ферросиликохрома и дросса силумина 1,00: (0,93 — 0,87):(0,73 — 0,65), затем после ввода феррохрома на шлак дополнительнозадают смесь извести и порошка алюминия, взятых в соотношении 1,00:(0,60 — 1,40), в количестве 1,60 — 2,40 кг на 1 т и шлак оставляют до легирования стали титаном.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Типовая технологическая инструкция по выплавке стали и сплавов в основных электропечах -1М-3-1-64.
2. Бородулин Г. М, и Мошкевич E. И. Нержавеюгцая сталь. М., «Металлургия», 1973, с. 1 1 1.
Источник
Выплавка нержавеющей стали
Все нержавеющие, кислотоупорные и жаростойкие стали содержат то или иное количество хрома. Устойчивость этих сталей по отношению к коррозии в жидких окислительных средах (например, в кислотах) и в газах, содержащих кислород (например, на воздухе или в продуктах сгорания топлива), основана на образовании пленки окиси хрома на поверхности металла, которая препятствует проникновению окисляющих веществ в глубь металлического изделия. Сопротивление стали корродирующему действию различных сред возрастает с увеличением содержания в ней хрома.
Наибольшее распространение получили хромоникелевые нержавеющие стали, содержащие 17—20% Cr и 8—11% Ni. Вследствие значительной стоимости никеля его иногда частично или полностью заменяют марганцем и азотом. Повышение содержания углерода в такой стали свыше 0,02—0,03% резко снижает ее коррозионную стойкость. Так как выплавка нержавеющей стали со столь низким содержанием углерода сложна и дорога, для ослабления вредного влияния углерода в хромоникелевую сталь типа 18-8 вводят титан или ниобий, которые связывают углерод в прочные карбиды. Количество вводимого титана должно в пять раз превышать количество активного углерода: % Ti = 5 (%С—0,02). Вместе с тем углерод повышает твердость нержавеющей стали. Сталь, содержащая 12—14% Cr и до 0,35% С, марок 1—3X13 применяется, например, для изготовления лопастей гидротурбин, а при более высоком содержании углерода (0,35—0,45%, марка 4X13) она используется для изготовления режущего инструмента.
Выплавка нержавеющих сталей, особенно низкоуглеродистых, сопряжена с рядом трудностей, в том числе с необходимостью переработки отходов. Важность последнего обстоятельства становится ясной, если учесть, что содержание дорогостоящих легирующих составляющих в нержавеющей стали — хрома, никеля, вольфрама, молибдена — может достигать 35—40%. Сохранение никеля при переплаве не представляет трудностей. Отходы нержавеющей стали, скапливающиеся в большом количестве на металлургических и машиностроительных заводах, необходимо перерабатывать такими способами, которые позволяют в максимальной степени сохранить хром. Это возможно при ведении плавки без окисления. Недостатком этого способа является повышение содержания углерода и водорода в металле. Только применение газообразного кислорода позволило получать высококачественную нержавеющую сталь с низким содержанием углерода на шихте, содержащей до 100% отходов.
При обычных температурах сталеварения окисление углерода возможно только при невысоком содержании хрома в ванне. Даже при малом содержании хрома в металле (около 1%) при 1600—1650°С трудно окислить углерод, не окисляя хром. С повышением температуры металла сродство хрома к кислороду уменьшается в большей степени, чем сродство углерода к кислороду. Поэтому если окисление ванны проводить при более высокой температуре, то окисляться будет в первую очередь углерод.
При окислении жидкого металла, содержащего хром и углерод, образуется закись хрома, растворяющаяся в шлаке, и окись углерода, выделяющаяся в атмосферу. Равновесие этой реакции описывается уравнением
Эта зависимость представлена на рис. 29. С помощью графика легко определить соотношение между концентрациями углерода и хрома, при которых возможно окисление углерода при данной температуре. Если, например, содержание углерода в металле по расплавлении равно 0,12%, а хрома 12%, то [Cr]/[С] = 100. Металл указанного состава будет находиться в равновесии со шлаком, насыщенным окислами хрома, при 1770° С. Чтобы углерод окислялся, необходимо нагреть металл выше 1770° С. Если, например, температура поднялась до 1860° С, то углерод будет окисляться, причем содержание его понизится до 0,06%, так как при 1860° С в условиях равновесия [Cr]/[C] = 200. Таким образом, окисление углерода до весьма низких значений вполне возможно и при большом содержании хрома в металле, однако необходимо проводить окисление при очень высоких температурах, порядка 1800—1900° С.
Такие условия могут быть созданы без особого вреда для футеровки электропечи при продувке ванны кислородом. При окислении хрома и железа кислородом выделяется большое количество тепла, температура металла быстро растет. Например, при продувке ванны печи емкостью 30 т кислородом в течение 20—30 мин содержание хрома понижается на 3—4%, а температура металла повышается от 1500 до 1800—1850° С. При этом в отличие от обезуглероживания металла железной или хромистой рудой становится возможным окислить углерод до 0,06—0,04%, сохранив большую часть хрома в металле. При продувке кислородом нагрев металла и окисление углерода происходят значительно быстрее. Температура шлака ниже, чем температура металла, благодаря чему высокая температура процесса практически не сказывается на стойкости стен и свода дуговой печи.
Технология выплавки нержавеющей стали методом переплава отходов с применением кислорода предусматривает использование в шихте 60—80% отходов нержавеющей стали и 40—20% отходов углеродистой, кремнистой или низколегированной хромоникелевой стали. Шихту подбирают таким образом, чтобы содержание хрома в пей было 10—14%, а кремния 1—1,3%. Окисление кремния, содержащегося в шихте, кислородом обеспечивает быстрый нагрев ванны. Это способствует снижению угара хрома и железа. При низком содержании кремния в отходах добавляют ферросилиций.
Для понижения содержания фосфора в шихте иногда приходится вводить в ее состав некоторое количество шихтовой заготовки с низким содержанием фосфора. Применение такой заготовки оказывается необходимым потому, что при выплавке нержавеющей стали описываемым методом фосфор практически не удаляется.
Взамен низкофосфористой шихтовой заготовки используют более дешевые отходы трансформаторной стали, которая, кроме того, содержит около 3% Si. что позволяет сэкономить ферросилиций. В завалку вводят требуемое количество никеля, иногда в виде закиси никеля. Шлакообразующие материалы — шамотный бой, известь— добавляют в завалку или во время плавления шихты.
Подрезку шихты кислородом для ускорения плавления и предупреждения зависания или образования мостов можно начинать, как только на подине образуется лужица жидкого металла, а шихта разогреется докрасна. Однако наряду с сокращением удельного расхода электроэнергии при этом одновременно возрастает угар хрома. С целью уменьшения угара хрома и связанных с этим неприятных последствий (получение густых, с трудом поддающихся раскислению шлаков; повышенные потери хрома в шлаке; повышенный расход раскислителей) продувку ванны кислородом начинают лишь после расплавления 70—80% шихты. Умелая и своевременная подрезка шихты кислородом позволяет сократить продолжительность периода плавления на 15—20% и расход электроэнергии на 20—25%.
После расплавления и отбора пробы для химического анализа ванну продувают кислородом в течение 20—30 мин. При этом окисляется 2—3% Cr, так что содержание его в металле снижается, например, с 12 до 9%. Металл нагревается до 1800—1850° С. Повышение температуры ванны создает условия для окисления углерода.
Чем выше содержание хрома в металле и ниже требуемое содержание углерода, тем выше должна быть температура конца продувки, тем труднее добиться обезуглероживания металла. В отличие от этого увеличенное содержание углерода в шихте не осложняет хода продувки: чем оно выше, тем при менее высоких температурах начинается окисление углерода. О начале процесса окисления углерода судят по появлению светящегося пламени, выбивающегося из печи; это догорает окись углерода. Расход кислорода в окислительный период плавки обычно составляет 10—15 м3/т. He более 1/6 части этого количества расходуется непосредственно на окисление углерода. Остальной кислород затрачивается на окисление железа, хрома, кремния, титана, марганца. В табл. 19 приведен состав металла в конце периода плавления и после продувки ванны кислородом.
Если необходимо получить нержавеющую сталь с пониженным содержанием углерода, приходится сокращать долю высокохромистых отходов в шихте; так, если предельное содержание углерода в готовой стали 0,06%, максимальное расчетное содержание хрома в шихте не должно быть выше 7%, а количество отходов нержавеющей стали — не более 30%. При таких соотношениях хрома и углерода удается окислять углерод до низких значений при температуре, не превышающей 1800—1850° С. При недостатке хромистых отходов содержание хрома в шихте может быть повышено за счет добавки в шихту относительно дешевого углеродистого феррохрома.
После окончания продувки металла кислородом в печь присаживают металлический марганец или силикомарганец и в 2—3 приема загружают мульдами или из лотков предварительно подогретый до 700—800° С феррохром. Первые порции феррохрома быстро растворяются благодаря высокой температуре металла после продувки. Иногда для охлаждения ванны после продувки загружают часть отходов нержавеющей стали. Одновременно с легированием начинают раскисление шлака с целью восстановления содержащихся в нем окислов хрома молотым ферросилицием или силикохромом. При использовании силикохрома наряду с раскислением шлака и металл вводится хром, благодаря чему сокращается количество более дорогого низкоуглеродистого феррохрома, которое нужно добавить в ванну.
Восстановление окислов хрома, железа и марганца кремнием протекает тем полнее, чем выше основность шлака. Если по ходу раскисления известь не добавляется, то основность шлака не превышает 0,6—0,8. Состав шлака после раскисления приведен в табл. 20.
Степень извлечения хрома из отходов не превышает 85%. Если повысить основность шлака до 1,5—2,0, содержание хрома в шлаке снижается до 3—4%, а степень извлечения его из отходов повышается до 95%. Применение порошкообразного алюминия и силикокальция для раскисления шлака также позволяет увеличить извлечение хрома из шлака, так как раскислительная способность алюминия и кальция очень велика.
Перед введением в сталь ферротитана шлак полностью удаляют из печи. Это делают для того, чтобы уменьшить угар титана и предотвратить чрезмерное восстановление кремния титаном. Затем в печь присаживают подогретый ферротитан и наводят новый шлак из извести и плавикового шпата. Иногда ферротитан вводят после того, как в печи сформируется новый известково-глиноземистый шлак из извести и алюминиевого порошка, присаженных после скачивания шлака. Количество добавляемого ферротитана определяют в зависимости от содержания углерода в металле после расплавления. Если, например, содержание углерода в стали оказалось равным 0,08%, можно ожидать, что к концу плавки оно повысится до 0,09%, так что содержание титана в готовой стали не должно быть меньше: % Ti = (0,09—0,02)5 = 0,35%. Верхний предел содержания титана в нержавеющей стали 0,7—0,8%, однако стараются, чтобы содержание титана было ближе к нижнему пределу, в данном случае к 0,35%. Переход титана из ферротитана в сталь составляет 50—55%, а если металл легируют брикетами порошкообразного металлического титана или титановой губкой, то еще меньше. После загрузки ферротитана плавку выдерживают в печи 6— 8 мин и выпускают в ковш.
При выплавке нержавеющей стали в ванну присаживают большое количество ферросплавов. Распределение этих добавок в объеме ванны зависит от интенсивности перемешивания. Особенно важную роль приобретает перемешивание металла при выплавке высоколегированной стали в большегрузных печах. В печах малой емкости перемешивание осуществляется механическим способом при помощи гребков. В печах емкостью 100 г и более однородного состава ванны добиваются с помощью электромагнитного перемешивания.
При выплавке нержавеющей стали в печах емкостью 100 г шихту, содержащую много мелкой обрези и стружки, заваливают в два приема. К продувке ванны кислородом приступают, когда расплавлено 80—90% шихты. Кислород подают в жидкий металл одновременно двумя футерованными дюймовыми трубками. Сталевар должен непрерывно перемещать конец трубки, чтобы избежать местного перегрева ванны и срыва подины. Через 10—15 мин после начала интенсивного горения углерода печь отключают и далее продувку ведут без подвода электрической энергии. Для эффективного окисления углерода необходимо, чтобы давление кислорода в магистрали не опускалось ниже 10 ат, а расход составлял не менее 50 м3/мин. При таком расходе кислорода продолжительность продувки в 100-т электропечи составляет 35—40 мин.
После окончания продувки сталь легируют хромом и приступают к раскислению шлака. Степень извлечения хрома здесь несколько ниже, чем при выплавке нержавеющей стали в печах меньшего размера. Это объясняется тем, что в большегрузной печи наиболее удаленные от рабочего окна участки ванны раскисляются слабо, так как загрузка большого количества раскислителей мульдами не позволяет распределить их равномерно по всей поверхности шлака.
Так как скачивание шлака в условиях большегрузной плавки — операция очень трудоемкая и продолжительная, в печи остается много шлака. Это приводит к повышенному угару титана и значительному восстановлению кремния из шлака. Содержание титана, кремния и хрома в большегрузных плавках сильно колеблется от плавки к плавке. Тем не менее по качеству нержавеющая сталь, выплавленная в печах емкостью 100 г, существенно не отличается от металла, полученного в печах малой и средней емкости. Однако выплавка столь высоколегированной стали в крупных печах требует от сталевара особых навыков и внимания.
Источник
