Способ производства стали с защитой металла от окисления

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству стали и сплавов в сталеплавильных, прежде всего электродуговых печах. Оно может быть использовано для защиты от окисления при выплавке как черных, так и цветных металлов, получаемых в виде обычных или непрерывных слитков, а также в виде литых изделий. Сущность изобретения: способ производства стали с защитой металла от окисления состоит в том, что на всех стадиях производства защиту металла от окисления осуществляют посредством сообщения покровному шлаку положительного электрического потенциала, а металлу - отрицательного, причем разность электрических потенциалов на границе шлак -металл поддерживают непрерывно в интервале от напряжения разложения наиболее прочных оксидов, входящих в состав шлака, до величин, не превышающих напряжение и силу тока начала интенсивного электролитического восстановления вредных примесей из шлака в металл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству стали и сплавов в сталеплавильных, прежде всего в электродуговых печах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ производства стали, предусматривающий защиту металла от окисления только на одной стадии производства на стадии непрерывной разливки. Защиту осуществляют подачей в кристаллизатор аргона и наведением защитного шлака с добавкой углеродсодержащих материалов [1] Данный способ имеет следующие основные недостатки: опасность науглероживания шлаком низкоуглеродистых марок сталей; ухудшение свойств шлака, в частности смачивающих, из-за наличия в его составе углерода; отсутствие надежной защити металла от окисления на некоторых стадиях производства стали, в частности в разливочном и промежуточном ковшах.

Заявленный способ лишен указанных недостатков.

Задачей изобретения является защита металла от окисления непрерывно на всех стадиях производства стали:при выплавке в печи, выдержке и обработке в ковшах, на разливке и при кристаллизации металла в слитках или отливках.

Решение задачи состоит в том, что защиту от окисления ведут на всех стадиях производства стали посредством сообщения покровному шлаку положительного электрического потенциала, а металлу отрицательного, причем разность электрических потенциалов на границе шлак металл поддерживают непрерывно в интервале от напряжения разложения наиболее прочных оксидов, входящих в состав шлака, до величин, не превышающих напряжение и силу тока начала интенсивного электролитического восстановления вредных примесей из шлака в металл.

Предлагаемое изобретение соответствует критериям патентоспособности: обладает новизной, имеет изобретательский уровень, так как явным образом не следует из существующего уровня техники и не вызывает технических затруднений при реализации в промышленности.

Суть способа поясняется следующим. На всех стадиях производства стали, включая выплавку, выдержку и обработку в ковшах, разливку и кристаллизацию, непрерывно защищают металл от окисления электрохимическим методом. С помощью специальных электродов металл заряжают отрицательным электрическим потенциалом, а покровный шлак положительным. В этих условиях катионы шлака - Fe⁺⁺, Mn⁺⁺, Ca⁺⁺ и др. притягиваются к отрицательно заряженной поверхности металла. Этот слой катионов экранирует металл от находящихся в шлаке анионов O^-, SiO⁴₄^-, AlO^-₂ S^- и др. что исключает окисление металла, а также растворение в нем кислорода и серы.

Однако указанные анионы-окислители могут иметь кратковременный контакт с металлом в условиях интенсивной циркуляции металла и шлака. Чтобы исключить возможность окисления металла в подобных условиях, необходимо постоянно поддерживать определенную разность электрических потенциалов на границе шлак - металл. Эта разность потенциалов должна быть, по крайней мере, выше напряжении разложения оксида FeO. Например, при температуре 1773 K, с учетом электродной поляризации его напряжение разложения составляет около 1 В.

Обычно же металл содержит те или иные элементы с высоким сродством к кислороду Si, Al, Ca и др. При этом становится возможным окисление этих элементов оксидом (FeO) даже при разности потенциалов в 1 В. Чтобы исключить такую возможность, следует иметь более высокую разность потенциалов на границе шлак металл, и она должна превышать величину напряжения разложения наиболее прочных оксидов. Например, для прочного оксида CaO напряжение разложения с учетом электродной поляризации близко к 3 В при 1773 K. Задача, следовательно, решается тем, что минимальную разность потенциалов на границе шлак металл устанавливают выше этой величины.

В определенных условиях, в особенности при небольшой толщине слоя шлака или интенсивном барботаже возможно замыкание анода на отрицательно заряженный металл, что ведет к короткому замыканию. Чтобы исключить такую опасность, целесообразно в подобных условиях повысить разность электрических потенциалов на границе шлак -металл до величины, обеспечивающей появление дугового электрического разряда. Наличие достаточно длинной дуги позволяет увеличить расстояние между анодом и металлом, что практически устраняет возможность их контакта и возникновение короткого замыкания.

Известно, что в зависимости от состава шлака и некоторых других технологических параметров величина электрического напряжения, обеспечивающего стабильное горение дуги, составляет 9-30 В. Именно такую разность электрических потенциалов устанавливают в варианте дугового режима и осуществляют тем самым электрохимическую защиту металла от окисления в описанных выше условиях.

Значительное увеличение разности электрических потенциалов сверх минимально необходимого для стабильного горения электрической дуги (30 В) недопустимо, так как оно может вызвать электролитическое восстановление вредных примесей из шлака в металл. Такими примесями, прежде всего, являются цветные металлы Cu, Pb, Sn. Верхний рабочий предел разности потенциалов на границе шлак металл зависит от содержания вредных примесей в шлаке, марки стали, а также от силы тока и времени проведения электрохимической защиты. Например, опасное восстановление вредных примесей в металл может произойти при использовании дугового режима защиты от окисления с напряжением более 100 В и силой тока более 100 А в течение 50 70 мин. Следует учитывать, что неоправданное повышение напряжения и силы тока ведет к перерасходу электроэнергии и увеличению себестоимости производимой стали.

Таким образом, задача защиты металла от окисления решается путем установления разности электрических потенциалов на границе шлак металл величиной не менее 3 В и не более того значения, при котором начинается интенсивное электролитическое выделение вредных примесей из шлака в металл. Эта разность потенциалов поддерживается непрерывно на всех стадиях производства стали:при выплавке, разливке, включая выдержку в ковшах, и при кристаллизации металла. Система электрохимической защиты металла от окисления оборудуется механизмами и приборами, обеспечивающими автоматическое функционирование и дистанционное управление ею. Непрерывная и эффективная работа системы практически исключает возможность повторного окисления металла, соответствующих потерь элементов и появления брака. Существующие способы не обеспечивают непрерывной и полноценной защиты металла от окисления, так как она прерывается на то или иное время в сталеплавильных агрегатах, при выдержке металла в ковшах и на разливке, включая затвердевание металла.

Способ осуществляется следующим образом.

Подовая сталеплавильная печь, мартеновская или электродуговая, оборудуется подовым охлаждаемым электродом-катодом, который сообщает отрицательный электрический заряд расплавленному в печи металлу, конструкция такого подового катода идентична катодам, применяемым в электродуговых печах постоянного тока. Верхний электрод-анод сообщает шлаку положительный заряд. Анод изготавливают из графита, карбида или из металла с соответствующим охлаждением. Перемещение и установка анода относительно границы шлак металл осуществляется с помощью охлаждаемого электрододержателя, оборудованного приводом с дистанционным управлением. В простейшем варианте защиты металла от окисления в режиме электросопротивления анод может быть закреплен на огнеупорном поплавке, плавающем в шлаке.

Катод и анод получают электропитание по проводам от потенциалобразующего прибора. В качестве такового наиболее рационально использовать выпрямитель, подключаемый к сети переменного тока. Во избежание перерывов в действии системы защиты металла от окисления плавильная печь может иметь вторую дублирующую систему, включающую все выше перечисленные элементы.

Систему включают после предварительного раскисления металла и при наличии в печи достаточного количества жидкого шлака. В электродуговой печи, например, момент включения электрохимической защиты соответствует формированию и расплавлению восстановительного шлака. При использовании технологии переплава легированных отходов систему защиты включают после расплавления и скачивания части плавильного шлака. Во всех случаях система действует непрерывно, вплоть до выпуска плавки из печи.

При спокойной ванне и отсутствии барботажа, когда положение межфазной границы шлак металл достаточно определенно, систему включают для работы в режиме электросопротивления. При этом разность электропотенциалов на границе шлак металл должна быть около 3 В, а анод погружен в шлак.

В том случае, если толщина покровного шлака невелика, либо, например, ванна барботируется продувкой, электрохимическую защиту металла осуществляют в дуговом режиме. При этом анод располагают над поверхностью шлака и расчетную разность потенциалов на границе шлак металл устанавливают вблизи 30 В, что обеспечивает устойчивое горение дуги. В дальнейшем необходимая длина дуги и соответствующая разность потенциалов поддерживается в автоматическом режиме, исключающем короткое замыкание в рабочей цепи.

Как в дуговом, так и в режиме электросопротивления защита металла от окисления реализуется одинаковым образом. Катод заряжает металл отрицательно, и к его поверхности притягиваются катионы шлака Fe²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др. Этот слой катионов экранирует металл от анионов O^2-, SiO⁴₄^-, AlO^-₂ S^- и др. что исключает окисление металла и растворение в нем кислорода и серы. Даже в случае кратковременного контакта анионов шлака с металлом окисление последнего не происходит, так как разность потенциалов на границе шлак металл существенно превышает напряжения разложения оксидов и сульфидов, которые могли бы образоваться при таком контакте в обычных условиях.

В то же время анионы шлака притягиваются к аноду, где протекает молизация и удаление в газовую фазу кислорода и серы по реакциям: Аналогичным образом электрохимическая защита металла от окисления осуществляется на всех последующих стадиях производства стали: в разливочном и промежуточном ковшах, в ковше-печи (если он предусмотрен), в кристаллизаторе УНРС иди в изложнице.После выпуска плавки в ковш включают ковшевую систему защиты металла от окисления, устройство которой идентично печной. Охлаждаемый катод монтируют в днище ковша, а анод располагают над шлаком для работы в дуговом режиме в том случае, если слой шлака тонкий или если при ковшевой обработке имеет место интенсивный барботаж. При толстом слое шлака и в отсутствии барботажа анод погружают в шлак и система работает в режиме электросопротивления. В зависимости от устройства разливочного отделения и принятой технологии подвод электропитания и управление системой осуществляется с использованием ковшевого стенда, сталевоза либо разливочного крана.

На следующем этапе, при разливке в изложницы отрицательный потенциал подают на поддоны, а положительный к анодам, устанавливаемым сверху на каждой изложнице. В изложницы предварительно засыпают легкоплавкую шлакообразующую смесь. Анод располагают вблизи поверхности образующегося шлака и система работает в дуговом режиме. Управление ею осуществляется с разливочной площадки либо с разливочного крана. Включают систему при наполнении изложниц металлом примерно на 40% после формирования покровного шлака. При этом одновременно продолжает работать система защиты от окисления в ковше, из которого металл поступает в изложницы. После полного опорожнения ковша эта система выключается, но продолжает работать еще в течение 30 40 мин система защиты металла в изложницах. По истечении этого времени, когда основная масса слитков уже затвердевает, отключают и эту систему. Этим завершается последний этап защиты от окисления в общем цикле производства стали.

Если вместо разливки в изложницы используют современную непрерывную разливку, электрохимическая защита металла от окисления осуществляется как в разливочных и промежуточных ковшах при переливе металла, так и на последней стадии процесса в кристаллизаторе МНЛЗ.

Установка защиты металла от окисления в промежуточном ковше подобна той, которой оборудован разливочный ковш. В системе защиты металла от окисления в кристаллизаторе катод подсоединяют к непрерывному слитку в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ. Анод при этом размещают над поверхностью шлака в кристаллизаторе -дуговой режим, либо погружают в этот шлак режим электросопротивления. Выбор того или иного режима зависит от толщины слоя покровного шлака и от наличия свободного пространства, необходимого для размещения анода в верхней части кристаллизатора.

В промежуточном ковше систему защиты металла от окисления включают после наполнения последнего примерно на 30% и при формировании достаточной толщины слоя шлака. Выключают систему после полного опорожнения этого ковша.

В кристаллизаторе МНЛЗ систему включают с момента наполнения кристаллизатора и формирования шлакового слоя. Отключают в момент прекращения поступления металла из промковша, по окончании разливки.

Защита металла от окисления осуществляется также при получении стальных отливок в земляных набивных формах. В этом случае анод располагают над шлаковой чашей, а катод устанавливают в теле земляной формы так, чтобы при ее заполнении металлом он контактировал с катодом. Процесс электрохимической защиты металла от окисления ведут в дуговом режиме, при этом дуга горит между анодом и шлаком в шлаковой чаше. Наличие дуги надежно обеспечивает жидкое состояние шлака, вследствие чего он имеет достаточную электропроводность. Систему защиты включают сразу после заполнения формы, выключают по истечении времени затвердевания основной массы отливки. Подобная защита устраняет такой брак отливок как пригар.

Таким образом, задача защиты металла от окисления решается на всех без исключения стадиях процесса производства стали, начиная от выплавки и кончая кристаллизацией металла в изложнице, кристаллизаторе или литейной форме. При этом выбор дугового режима или режима электросопротивления осуществляют в зависимости от характера протекания той или иной стадии процесса производства стали. Предлагаемый электрохимический способ защиты металла от окисления на всех стадиях производства стали позволяет: снизить содержание неметаллических включений в стали; устранить окисление поверхности слитка или отливки, снизить брак по пригару; устранить науглероживание металла при выплавке низкоуглеродистой стали;
уменьшить расход легирующих и раскислителей;
снизить трудоемкость операций раскисления металла и шлака;
повысить степень механизации и автоматизации процесса производства стали.

Формула изобретения

Способ производства стали с защитой металла от окисления, отличающийся тем, что на всех стадиях производства стали защиту металла от окисления осуществляют посредством сообщения покровному шлаку положительного электрического потенциала, а металлу отрицательного, причем разность электрических потенциалов на границе шлак металл поддерживают непрерывно в интервале от напряжения разложения наиболее прочных оксидов, входящих в состав шлака, до величин, не превышающих напряжение и силу тока начала интенсивного электролитического восстановления вредных примесей из шлака в металл.