Способ получения комплексного борсодержащего сплава на основе кремния

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО БОРСОДЕРЖАЩЕГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ Жучков Владимир Иванович,Селиванов Евгений Николаевич,Заякин Олег Вадимович, Сычев Александр Владимирович (RU),Акбердин Александр Абдуллович,Ким Александр Сергеевич (KZ),Островский Яков Исаакович, Фадеев Виктор Геннадьевич, Веселовский Игорь Анатольевич, Афанасьев Владимир Игоревич (RU) Сандлер Л.А. (RU) Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано при получении комплексных борсодержащих сплавов на основе кремния для раскисления и микролегирования. Для получения комплексного сплава заданного оптимального состава, повышения степени перехода бора в получаемый сплав предлагаемый способ включает загрузку и проплавление шихты в электропечи, периодический выпуск расплава в ковш, введение борсодержащего материала на струю расплава при разливке из печи в ковш, введение борсодержащего материала на струю расплава при разливке из печи в ковш, при этом в качестве борсодержащего материала на струю расплава ферросилиция вводят плавленую боратовую руду в количестве 45-92 кг В 2 О 3 на 1 т ферросилиция, при этом соотношение компонентов борсодержащий материал:расплав ферросилиция поддерживают (0,15-0,3):1. Кроме того, борсодержащий материал подают на струю расплава ферросилиция при заполнении ковша на величину от 1/4 до 1/2 объема в течение 2-4 мин. И ТОРГОВЛИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН (ДГП "ХМИ ИМ. Ж. АБИШЕВА" РГП "НЦКПМС РК")(71)(73) Заявитель и патентовладелец: УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН (ИМЕТ УРО РАН) (RU); ДОЧЕРНЕЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ НА ПРАВЕ ХОЗЯЙСТВЕННОГО ВЕДЕНИЯ"ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. Ж. АБИШЕВА" РЕСПУБЛИКАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРАВЕ ХОЗЯЙСТВЕННОГО ВЕДЕНИЯ"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ПО КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН" МИНИСТЕРСТВА ИНДУСТРИИ Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано при разработке процессов получения комплексных кремнистых борсодержащих сплавов и их применении для раскисления и микролегирования стали. Бор является эффективным модифицирующим и микролегирующим элементом, применяемым при получении конструкционных сталей (повышение прокаливаемости, механических свойств); коррозионностойких сталей (повышение жаропрочных свойств, эластичности при горячей деформации); чугунов(регулирование графитизации, формирование литой структуры). Установлено, что влияние бора на свойства металлов связано в основном с состоянием границ и размерами зерен. Наилучшие результаты по микролегированию бором получают при вводе бора в виде комплексных ферросплавов, содержащих активные элементы - кремний, алюминий, титан. При этом из производственной практики известно, что более высокое и стабильное усвоение бора при вводе в расплав происходит при содержании бора в комплексном сплаве 1-2%. В России по сравнению с другими странами наблюдается весьма низкое удельное производство сталей, микролегированных бором. Это во многом связано с отсутствием рационального состава и эффективных технологий получения комплексных борсодержащих ферросплавов, а также с высокой их стоимостью. Известен ряд технологий получения борсодержащих сплавов. Ферробор, содержащий 10-20% бора, 2-15% кремния, 3-8% алюминия, получают алюминотермической плавкой с использованием борного ангидрида, алюминиевого порошка, извести и железной стружки (Лякишев Н.П., Плиннер Ю.Л., Лаппо СИ. "Борсодержащие стали и сплавы", М.: Металлургия, 1986,с. 39-41). При выплавке сплава по этому способу извлечение бора в сплав составляет 50-60%. Кроме того, этот способ не технологичен из-за использования дорогих шихтовых материалов и больших энергозатрат, приводящих к высокой стоимости сплавов. Известен способ получения борсодержащей лигатуры, включающий расплавление боратовой руды,восстановление из нее бора и выпуск расплава. В процессе проплавления боратовой руды присаживают смесь карбида кремния и кокса в соотношении 1:(1-10), затем в расплав вводят восстановитель, после чего подают магнезит, что позволяет предотвращать настылеобразование в печи и расслоение лигатуры(а.с. СССР 480769, МПК 5 С 21 С 5/52, опубл. Бюллетень 30, 1975). Недостатками способа являются низкое извлечение бора в получаемый сплав (50%), высокая длительность процесса, а также большие потери тепла при плавке. Известен способ получения борсодержащего сплава на основе кремния в дуговой электропечи. В печь мощностью 2500 кВА загружалась шихта, состоящая из 1750 кг извести, 2350 кг ферросилиция марки ФС 65, 300 кг плавикового шпата и 700 кг дибората кальция (43% B2O3). Шихта проплавлялась,происходило восстановление бора кремнием со связыванием кремнезема оксидом кальция. После окончания процесса из печи выпускались металл и шлак. Металл содержал, %: 1,05 бора; 12,85 кальция; 30,1 железа; 0,5 алюминия; 0,15 углерода; 0,32 магния; остальное - кремний (Лякишев Н.П., Плиннер Ю.Л.,Лаппо С.И. "Борсодержащие стали и сплавы", М.: Металлургия, 1986, с. 57). Недостатками данного способа получения сплава с бором являются низкое извлечение бора из исходной шихты в получаемый сплав (менее 50%), задолженность специального электропечного агрегата и высокие затраты на дорогие шихтовые материалы. Известен способ получения комплексного сплава на основе ферросилиция с повышенным содержанием марганца, включающий загрузку и непрерывное проплавление исходной шихты, периодический выпуск расплава в ковш и разливку металла. При этом во время выпуска ферросиликомарганца из печи в ковш на струю сплава вводят ферробор в количестве 20-40 кг/т сплава (а.с. СССР 1276681, кл. С 22 С 33/04, опубл. 15.12.1986 - прототип). Полученный комплексный сплав не рассыпается за счет содержащегося в нем 0,2% В. Однако этот способ не относится к восстановительным процессам получения борсодержащих сплавов из оксидного боратового сырья. Комплексный ферросплав получают смешиванием двух металлических расплавов: Fe-Si-Mn и Fe-B. Применение этого способа для получения борсодержащего ферросплава, предназначенного для легирования стали бором, нерационально, поскольку требует отдельного получения ферробора восстановительной плавкой из боратовой руды. Сквозное извлечение бора из руды в борсодержащий сплав на двух переделах составит не более 20-25%. Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение сплава заданного оптимального состава, повышение степени перехода бора в получаемый сплав, снижение энергозатрат и упрощение процесса получения комплексного борсодержащего сплава. Указанный результат достигается в способе получения комплексного борсодержащего сплава на основе кремния, включающем загрузку и проплавление шихты в электропечи, периодический выпуск расплава в ковш, введение борсодержащего материала на струю расплава при разливке из печи в ковш,согласно изобретению в качестве борсодержащего материала на струю расплава ферросилиция подают плавленую боратовую руду в количестве 45-92 кг B2O3 на 1 т ферросилиция, при этом соотношение компонентов борсодержащий материал:расплав ферросилиция поддерживают (0,15-0,3):1. Кроме того, для лучшего перехода бора в комплексный сплав борсодержащий материал подают на струю расплава фер-1 020687 росилиция при заполнении ковша на величину от 1/4 до 1/2 объема в течение 2-4 мин. Восстановление бора кремнием ферросилиция при взаимодействии с боратовой рудой протекает по реакции: эффективной лишь при условии производства сплавов бора с высоким содержанием кремния при низком содержании бора. Из практики микролегирования стали бором известно, что наилучшие результаты получаются при использовании комплексных борсодержащих ферросплавов с 1-2% бора при наличии в них активных элементов (кремния, алюминия, титана), которые связывают содержащиеся в стали кислород и азот, повышая эффективность воздействия на металл бора, и обеспечивают оптимальное содержание 0,001-0,003% В в обрабатываемой стали. При содержании в стали бора менее 0,001% воздействия на характеристики обрабатываемого металла не происходит, при содержании бора более 0,004% свойства стали ухудшаются. Малое содержание в сплаве бора (1-2%) обеспечивает большее количество вводимого в сталь сплава с бором, что, в свою очередь, повышает на 20-30% усвоение бора из ферросплава в сталь(Электрометаллургия,3, 2011, с. 25). Боратовая плавленая руда содержит 15-35% B2O3. Количество боратовой руды зависит от требуемого содержания в сплаве бора (от 1 до 2%), степени перехода бора в сплав (70%) и концентрации B2O3 в руде. Экспериментально установлено, что количество боратовой руды (30% B2O3), вводимой в ковш при выпуске из печи расплава ферросилиция марки ФС 65, потребуется для получения в сплаве 1 и 2% бора соответственно 154 и 310 кг (или 45-92 кг B2O3), при этом соотношение компонентов борсодержащий материал:расплав ферросилиция поддерживают (0,15-0,3):1. Переход бора в расплав составляет 70%. Определяющим граничные значения содержания вводимой руды и соотношения руда:ферросилиций является требуемое содержание в ферросплаве бора - от 1 до 2%, что обусловлено лучшим усвоением бора сталью. Технологический процесс получения борсодержащего кремнистого сплава следующий. В промышленной рудовосстановительной электропечи мощностью 25 МВА выплавляют по стандартной технологии ферросилиций марки ФС 65, производительность печи 32 т сплава в сутки, выпуск металла через 2 ч,масса ферросилиция одного выпуска около 5 т, температура металла на выпуске при попадании в ковш 1700-1800 С. Шихта для получения 1 т ФС 65 содержит (кг): кварцита 1550, коксика 700, железной стружки 340. При выпуске плавки после заполнения около 1/4 ковша расплавом ферросилиция на струю металла равномерно подают в течение 2-4 мин плавленую боратовую руду крупностью 10-30 мм в количестве 770-1550 кг на 5 т ферросилиция (45-92 кг B2O3 на 1 т сплава). Подача осуществляется по желобу,на который руда подается из бункера. Поскольку температура металла, выходящего из печи, составляет 1700-1800 С, то для проведения разливки при 1500-1550 С расплав обычно выдерживают в ковше около 30 мин. Подача в ковш плавленой боратовой руды охлаждает металл на 200-250 С, и выдержки расплава не требуется, что положительно сказывается на организации разливки и стойкости футеровки ковша. При этом реакция восстановления бора проходит при высокой температуре, что благоприятно отражается на переходе бора в получаемый сплав. Высокая температура металлического расплава и большое количество восстановителя (соотношение руда:ферросилиций составляет (0,15-0,3):1) позволяют получать высокую степень восстановления и перехода бора из руды в металл (около 70%). Степень усвоения бора при взаимодействии предлагаемых в изобретении материалов была изучена экспериментально. Применялись плавленая боратовая руда, содержащая (%): 29,7 B2O3; 32 CaO; 21 MnO; 7 SiO2 и ферросилиций марки ФС 65 (68,7% кремния; 1,2% алюминия; 0,1% углерода; 31,8% железа). Руда крупностью 10 мм вводилась в тигель с расплавленным ферросилицием при температуре 1650 С, тигель устанавливался и нагревался в электропечи сопротивления. При проплавлении происходит восстановление бора из руды кремнием ферросилиция. После выдержки от 1 до 6 мин тигель с металлом охлаждался, брались пробы сплава на химический анализ. Результаты исследования приведены в табл. 1. Результаты опытов (табл. 1) показывают, что усвоение бора на всех плавках было высоким и стабильным 70,0-71,2%. Содержание бора в ферросплаве зависит от количества руды на единицу восстановителя. При количестве B2O3 43-44 кг на 1 т ферросилиция - содержание бора в сплаве менее 1% (табл. 1,плавка 1, 2), при количестве 93,5 кг B2O3 - содержание бора более 2% (табл. 1, плавка 7). Границами количества вводимого B2O3 боратовой руды, обеспечивающими содержание в сплаве 1-2% В, являются,таким образом, 45-92 кг/т ферросилиция марки ФС 65. Содержание кремния в сплаве составляло от 63,5 до 67%, что не отражалось на усвоении бора. Марочный состав сплава соответствовал ФС 65. На степень усвоения бора влияют также степень заполнения ковша расплавом перед подачей руды и время подачи руды. Для изучения влияния степень заполнения ковша расплавом на степень усвоения бора в лабораторных условиях был смоделирован процесс слива расплава ферросилиция в ковш. Результаты экспериментов представлены в табл. 2. По результатам экспериментов и имеющейся практики вво-2 020687 да рудных материалов в ковш ферросилиция можно заключить, что подача борсодержащего материала при заполнении ковша менее чем на 1/4 и более чем на 1/4 приводит к снижению степени восстановления бора на 10-25%. Время заполнения влияет на степень восстановления бора следующим образом. Практика работы ОАО "Серовский завод ферросплавов" показывает, что подача руды на дно ковша не позволяет активно реагировать руде, а при длительном вводе материала (более 4 мин) реакции восстановления протекают не полно. Оптимальное время ввода руды в ковш составляет от 2 до 4 мин. Отличие предлагаемого способа получения комплексного борсодержащего сплава состоит в том,что он превосходит прототип по низким затратам на шихтовые материалы и электроэнергию, более высокой степени извлечения бора из руды в ферросплав. При этом существенно, что новый способ не требует организации специального процесса, плавильного агрегата, вписываясь в существующую стандартную технологию получения ферросилиция в рудовосстановительной электропечи непрерывным карботермическим способом. Расчет себестоимости получаемого сплава предлагаемым процессом показал, что она не менее чем в 3-4 раза ниже, чем у подобных борсодержащих ферросплавов, выплавляемых другими методами. Таким образом, предлагаемый способ получения комплексного борсодержащего сплава на основе кремния позитивно отличается от прототипа и других известных способов производства ферросплавов с бором организацией восстановительного процесса при получении ферросилиция, что не приводит к использованию восстановителя, дополнительным затратам электроэнергии и позволяет получать дешевый комплексный сплав рационального состава для раскисления и микролегирования. Таблица 1 Результаты восстановления бора кремнием ферросилиция в зависимости от количества B2O3 в шихте Таблица 2 Влияние степени заполнения ковша расплавом ферросилиция перед подачей боратовой руды ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения комплексного борсодержащего сплава на основе кремния, включающий загрузку и проплавление шихты в электропечи, периодический выпуск расплава в ковш, введение борсодержащего материала на струю расплава при разливке из печи в ковш, отличающийся тем, что в качестве борсодержащего материала на струю расплава ферросилиция подают плавленую боратовую руду из расчета 45-92 кг B2O3 на 1 т ферросилиция, для чего соотношение компонентов боратовая руда:расплав ферросилиция поддерживают (0,15-0,3):1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что борсодержащий материал подают на струю расплава ферросилиция при заполнении ковша на величину от 1/4 до 1/2 объема в течение 2-4 мин.