Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления брикета для раскисления стали

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для её раскисления как в процессе выплавки стали в ДСП, так и при её ковшевой обработке.

Известен способ изготовления брикета для раскисления стали (пат. RU 2379357, С21С7/06, B22B1/248, опубл. 20.01.2010), заключающийся в том, что производят дробление, сортировку и очистку дробленых металлических отходов, загрузку их в брикетировочный пресс, прессование массы и получение изделия в виде брикета. В качестве металлических отходов используют отходы алюминия и железосодержащие отходы, которые дозируют и загружают в смеситель, смесь отходов тщательно перемешивают и одновременно очищают. Очистку в смесителе проводят при избыточном давлении в инертной среде с постепенным повышением температуры инертной среды с 0,22 до 0,70 от температуры плавления легкоплавкого компонента смеси - отхода алюминия. Получают массу с равномерным распределением компонентов в ней, которую дозированно загружают в замкнутое пространство брикетировочного пресса и прессуют при удельном давлении 500-1000 кгс/см² в режиме экзотермического нагрева в воздушной среде.

Известен способ изготовления брикета для раскисления стали (пат. RU 2336313, С21С7/06, опубл. 20.10.2008), заключающийся в том, что брикет получают прессованием алюминиевой стружки с частицами добавки, в качестве которой используют хлоридно- фторидный флюс, в количестве 2-5% по массе.

Известен способ изготовления брикета для раскисления стали (пат. RU 2259405, С21С7/06, опубл.27.08.2005), заключающийся в том, что брикет получают прессованием алюминиевого лома и частиц сплава на основе железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминиевый лом – 25…32, частицы сплава на основе железа – 68…75. Плотность брикета составляет не менее 0,9 от плотности жидкой стали. В качестве алюминиевого лома он может содержать алюминиевые банки, в качестве частиц сплава на основе железа – дробленый стальной и/или чугунный лом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ изготовления брикета для раскисления стали, в котором брикет получен методом прессования алюминиевого лома, железной и никелевой стружки при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминиевый лом 0,5-2, никелевая стружка 2-7,5, железная стружка - остальное. Брикет может иметь форму цилиндра или усеченного конуса, у которого высота, нижнее основание и верхнее основание имеют соотношение 10:8:3. Масса брикета составляет 12-18 кг. Коэффициент усвоения алюминия при использовании таких брикетов составил 69…75% (см. патент RU 2537415, C21C7/06, опубл. 10.01.2015, «Легирующий брикет для раскисления стали»).

Недостатками данного способа изготовления брикета для раскисления стали являются следующие:

-брикетированию подвергаются не очищенные от смазочно-охлаждающих жидкостей стружковые отходы, что приводит к неконтролируемому изменению содержания углерода в стали и образованию неметаллических включений, что снижает качество стали;

-низкое содержание алюминиевого лома в брикете (0,5…2,0%) позволяет, с одной стороны, получать брикеты с плотностью, превышающей плотность сталеплавильных шлаков, что обеспечивает их погружение в расплав и увеличивает усвоение алюминия, но, с другой стороны, это приводит к образованию объемных/рассредоточенных по объему неметаллических включений в процессе раскисления, поскольку требует большего количества по массе брикетов для снижения содержания кислорода в стали до заданного уровня;

-ограниченная область применения брикетов, поскольку содержание никеля в стали зависит от степени раскисления/массового количества раскислителя. Если содержание кислорода в жидкой стали заданной массы плавки небольшое, то требуется небольшое количество брикетов, а это автоматически снижает содержание никеля в стали. Баланс “содержание никеля – содержание кислорода” в стали неуправляем. Следовательно, регулирование химического состава стали, в частности по никелю, невозможно;

-склонность “железной” части брикета к окислению/ржавлению при хранении (невозможность длительного хранения), что снижает раскислительную способность брикета.

Задача предлагаемого изобретения направлена на изготовление брикета для раскисления стали, не склонного к окислению при хранении, т.е. увеличение длительности хранения, с высокой транспортабельной способностью, обеспечивающего эффективность раскисления жидкой стали алюминием.

Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления брикета для раскисления стали, включающий прессование вторичных алюминия и железа, при этом измельченные стружковые отходы механической обработки термически упрочненного сплава системы Al-Si-Mg, содержащего не менее 89,6% алюминия и измельченный продукт восстановления металлургической окалины, смешанные в соотношении 25…50 – 75…50 мас.% каждого, прессуют до плотности 0,45…0,65 от теоретически возможной, после чего прессовки (брикеты) подвергают очистке от СОЖ (мойке), повторно прессуют до плотности 0,75… 0,90 от теоретически возможной, после чего на поверхности брикетов формируют защитную оболочку окунанием в суспензию на основе жидкого стекла с добавками частиц продукта восстановления металлургической окалины.

- Продукт восстановления металлургической окалины содержит не менее 98% железа.

- Соотношение “плотность брикета – плотность металлургического шлака” находится в интервале 1,21…1,8.

- Соотношение жидкого стекла и частиц измельченного продукта восстановления металлургической окалины в суспензии поддерживается в интервале 10…50 : 90…50.

- После окунания и выдержки в суспензии в течение до 10-30 с брикет подвергается сушке при температуре 60…120⁰С в течение 300…600 с.

Технический результат заключается в следующем:

Большая длительность хранения и транспортабельная способность брикета может быть обеспечена как путем формирования защитной оболочки на поверхности брикета для раскисления стали, так и достижением плотности, препятствующей разрушению.

Под эффективностью раскисления понимают усвояемость/усвоение (доля полезно используемого раскислителя, %), содержание неметаллических включений (об.%) в стали и длительность процесса раскисления.

Повышение степени усвоения алюминия при раскислении может быть достигнуто уменьшением времени/продолжительности контакта поверхности брикета с атмосферой печи, путем погружения в расплав стали под шлак (плотность брикета должна быть больше плотности шлака).

Снижение содержания неметаллических включений может быть достигнуто за счет использования “чистых” брикетов для раскисления стали.

Длительность процесса раскисления определяется содержанием элемента раскислителя в брикете. Чем оно/содержание выше, тем меньше продолжительность раскисления при заданном уровне усвоения элемента раскислителя.

Описание режимов

Использование термически упрочненного сплава системы Al-Si-Mg, содержащего не менее 89,6% алюминия, обусловлено тем, что в сплавах указанной системы содержится от 6 до 8% кремния, который, как и алюминий, является элементом раскислителем. Снижение содержания алюминия в сплаве ниже 89,6% обуславливает повышение содержания кремния, что приводит к интенсивному образованию неметаллических включений состава SiO₂ и ухудшению качества стали. Содержание кремния на уровне 6…8% с этой точки зрения является оптимальным. С другой стороны, указанный химический состав стружковых отходов механической обработки термически упрочненного алюминиевого сплава системы Al-Si-Mg обеспечивает их (отходов) легкое измельчение.

Выбор концентраций измельченных стружковых отходов механической обработки термически упрочненного сплава системы Al-Si-Mg, содержащего не менее 89,6% алюминия, в пределах 25…50% и измельченного продукта восстановления металлургической окалины в пределах 75…50% обусловлен получением плотности материала брикета, превышающей плотность жидкого металлургического шлака (3,0…3,2 г/см³). Так, для концентрации 25:75 плотность смеси составит (2,7∙0,25 + 7,7∙0,75 = 6,45 г/см³), для концентрации 50:50 плотность смеси составит (2,7∙0,5 + 7,7∙0,5 = 5,2 г/см³).

Выбор интервала плотностей первого прессования от 0,45 до 0,65 от теоретически возможной обусловлен тем, что брикет плотностью ниже 0,45 имеет низкую транспортабельную способность и разрушается в процессе мойки; повышение плотности сверх 0,65 затрудняет процесс очистки внутренних областей/объемов брикета. Методика определения величины транспортабельной способности (способности сопротивляться разрушению на транспортных операциях технологического процесса) прессовок заключалась в следующем. В шаровую мельницу без шаров загружались попеременно прессовки, изготовленные по известному и предлагаемому способам. Масса прессовок во всех случаях оставалась постоянной. Частота вращения шаровой мельницы поддерживалась на уровне 10 мин ^–1. Продолжительность вращения –0,5 ч. После выгрузки взвешивались только не разрушившиеся прессовки, после чего рассчитывали выход годных изделий в %.

Выбор интервала плотностей повторного прессования (доуплотнения) от 0,75 до 0,90 от теоретически возможной обусловлен тем, что при плотности смеси, равной 6,45 г/см³ , плотность брикета составит 4,84 и 5,8 г/см³ соответственно; при плотности смеси, равной 5,2 г/см³ , плотность брикета составит 3,9 и 4,68 г/см³. Полученные значения во всех случаях превышают плотность металлургического шлака, при этом отношение плотности брикета к плотности шлака для указанных случаев составляет 1,5, 1,8 и 1,21, 1,46 соответственно.

Содержание не менее 98% железа в продукте восстановления металлургической окалины обеспечивает его хорошую уплотняемость в процессе прессования и обеспечение заданного уровня плотности смеси и брикета.

Соотношение жидкого стекла и частиц измельченного продукта восстановления металлургической окалины в суспензии/шликере поддерживается в интервале 10…50 : 90…50 для формирования защитного слоя. Снижение содержания жидкого стекла сверх 10% и увеличение содержания частиц продукта восстановления металлургической окалины сверх 90% ухудшает адгезию слоя к поверхности брикета, приводит к его отслаиванию и снижает защитные свойства.

Выбор режимов формирования защитного слоя на брикете: после окунания и выдержки в суспензии/шликере в течение до 10-30 с брикет подвергается сушке при температуре 60…120°С в течение 300…600 с, обусловлен тем, что снижение температуры и времени сверх заявленных не обеспечивает формирование защитной оболочки, повышение – избыточно и снижает энергоэффективность процесса в целом.

Таблица 1

Зависимость транспортабельной способности брикетов от соотношения компонентов в смеси (плотность брикетов 3,9 г/см³)

Примечание: ^*1 – состав, обеспечивающий лучшую усвояемость Al (см. патент RU 2537415, C21C7/06). Теоретическая плотность этого состава равна: 2,7∙0,006 + 8,9∙0,023 + 7,8∙0,971=7,79 г/см³.

^*2 - учитывая, что масса брикета составляет 16,5 кг, а диаметр 170 мм, при высоте 100…150 мм (см. патент RU 2537415, C21C7/06), определим величину плотности брикетов после прессования. Для высоты 100 мм: объем = (3,14∙. Плотность брикета = 16500:2268,65=7,27 г/см³. Для высоты 150 мм: объем = (3,14∙. Плотность брикета = 16500:3402,975=4,85 г/см³.

Учитывая, что усилие на штоке главного цилиндра пресса равно 630 т (см. патент RU 2537415, C21C7/06), получаем что удельное усилие прессования в обоих случаях составляет 630:226,8= 2,7 т/см². При таком удельном усилии прессования получить плотность брикета в интервале 4,85 -7,27 г/см³ технически невозможно.

Реализация известного способа в условиях заявителя показала, что при удельном давлении прессования = 5т/см², плотность брикета, содержащего алюминиевый лом - 0,6 мас.%, никелевая стружка – 2,3 мас.% и железная стружка – остальное, составила 2,8 г/см³.

Таблица 2

Зависимость эффективности раскисления от соотношения плотностей брикета и шлака

Примечание: ^*1 – брикеты для раскисления стали на основе алюминия присаживаются в ковш в количестве, обеспечивающем получение содержания алюминия в готовой стали на уровне 0,03…0,05%. Расход брикетов в кг на 100 кг жидкой стали можно рассчитать по уравнению:

где – изменение содержания алюминия, примем 0,04%; - содержание алюминия в брикете, %.

Для известного способа масса брикетов, содержащих 0,6 мас.% алюминиевого лома, составит: ∙100/0,6=6,66 кг.

Для предлагаемого способа масса брикетов, содержащих, например, 25 мас.% алюминиевого лома, составит: ∙100/25=0,16 кг.

Очевидно, масса брикетов в предлагаемом техническом решении значительно меньше (6,66/0,16=41,6 раз), энергетические затраты на расплавление брикетов и количество вносимых/образующихся неметаллических включений также меньше.

Таблица 3

Влияние режимов на длительность хранения брикетов

^1*-ускоренные испытания в условиях соляного тумана до появления следов окисления на поверхности брикета;

^2*-дефектная поверхность брикета вследствие плохой уплотняемости смеси данного состава;

^3*-недостаточная смачиваемость поверхности брикета вследствие повышенного содержания алюминия в смеси.

Пример осуществления способа

Для реализации предлагаемого изобретения использовали вторичные материалы на основе алюминия и железа. В качестве вторичных материалов на основе алюминия использовали стружковые отходы механической обработки термически упрочненного сплава системы Al-Si-Mg марки АК7пч в состоянии поставки, содержащие следы смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), использовавшейся при механической обработке. Химический состав сплава АК7пч показан в таблице 4.

Таблица 4

Химический состав сплава АК7пч (%)

В качестве вторичных материалов на основе железа использовали измельченный продукт восстановления металлургической окалины, химический состав которого приведен в таблице 5.

Таблица 5

Химический состав продукта восстановления металлургической окалины (%)

Вторичные материалы подвергали измельчению в шаровой мельнице с объемом внутреннего пространства 10 л поочередно. Коэффициент заполнения барабана стальными шарами в обоих случаях составлял 0,55. Основная масса измельченных вторичных материалов на основе алюминия представляла собой плоские частицы длиной до 5 мм, при этом соотношение длины к ширине составляло 1,5…2,0. Основная масса измельченных вторичных материалов на основе железа представляла собой губчатые частицы (зерна примерно правильной округлой формы) крупностью 0,15…0,45 мм.

Затем указанные измельченные продукты смешивали в соотношении 50:50 (мас.%) и помещали в дозатор пресса. Прессование проводили в пресс-форме, состоящей из матрицы с диаметром полости прессования 25 мм, верхнего и нижнего пуансонов. Прессование вели при удельном давлении 3т/см². Плотность прессовок после прессования составляла 0,55 от теоретически возможной и составляла 2,86 г/см³.

Полученные прессовки подвергали мойке в четыреххлористом углероде/Деталан А10 путем многократного окунания (в погружных ваннах) для удаления следов СОЖ, после чего подвергали повторному прессованию (доуплотнению).

Повторное прессование брикетов вели в пресс-форме, диаметр матрицы которой был равен 25,5 мм при удельном давлении 5т/см². Плотность прессовок после прессования составляла 0,75 от теоретически возможной и составляла 3,9 г/см³. Соотношение плотности брикета и металлургического шлака в этом случае составляло 3,9/3,1=1,26.

Затем готовили суспензию путем смешения жидкого стекла и частиц измельченных вторичных материалов на основе железа в соотношении 90:10 (об. %). Поверхностный слой, сформировавшийся в процессе взаимодействия брикета в течение до 10-30 секунд с суспензией, сушили при температуре 100°С в течение 480 с.

Полученные таким образом брикеты могут быть использованы для раскисления стали в ковше.