Способ рафинирования и модифицирования железоуглеродистого расплава

006637 Изобретение относится к области металлургии, а именно к рафинированию расплавов чугуна и стали синтетическим шлаком и модифицированию их активными элементами. Предлагаемый способ может быть использован на металлургических и машиностроительных заводах для рафинирующей и модифицирующей обработки чугуна и стали. Предшествующий уровень техники Известен способ обработки стали барием (JP, заявка 57-13116, МКИ С 21 С 7/04, 1982), включающий введение шлаковой смеси с расходом 5-15 кг/т, содержащей, мас.%: 2-16% ВаО, 30-60% СаО, 1015% Аl2 О 3, 3-5% MgO и CaF2 и последующую обработку расплава барием или его сплавом с расходом 0,1 кг/т. В соответствии с указанным способом рафинирование и модифицирование расплава стали осуществляют последовательно шлаковой смесью и сплавом-модификатором. Недостатком способа является двухстадийность и большой расход шлаковой смеси. Кроме того,указанный способ включает использование плавикового шпата, легко переходящего в газовую фазу и образующего с алюминием и магнием экологически опасные летучие соединения. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ обработки расплава стали рафинирующей и модифицирующей смесью, содержащей, мас.%: 10-30% силикомишметалла, 10-29% силикокальция, 10-30% силикобария, 1-5% магния, 1530% извести, 5-10% корунда, 5-10% плавикового шпата ( SU 740837, С 21 С 1/00, 1980 г). Согласно указанному способу рафинирование и модифицирование стали осуществляют шлаком системы CaO-Al2O3CaF2 и сплавами с активными компонентами. Недостатком способа является малая эффективность использования рафинирующей и модифицирующей смеси, обусловленная низким поглощением сталью активных легкоплавких рафинирующих и модифицирующих компонентов в связи с их опережающим плавлением и испарением до формирования жидкоподвижного защитного шлака из тугоплавких шлаковых компонентов, для расплавления кусков которых крупностью до 30 мм требуется продолжительное время. Раскрытие изобретения Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание высокоэффективного способа рафинирования и модифицирования железоуглеродистого расплава одновременной обработкой его жидкоподвижным рафинирующим шлаком и модифицирующим сплавом с высоким содержанием в нем активных компонентов. Поставленная задача решена тем, что рафинирующая и модифицирующая смесь из материалов, содержащих барий, кальций, магний, редкоземельные металлы и кремний, также содержит алюминий и боратовую руду, а в качестве материалов, содержащих барий, кальций, магний и редкоземельные металлы, используют оксиды и/или карбонаты бария, кальция, магния и оксиды редкоземельных металлов, при этом рафинирующую и модифицирующую смесь вводят при температуре железоуглеродистого расплава не менее 1300 С в количестве 0,5-5 кг/т при следующем содержании компонентов, маc.%: оксиды и/или карбонаты бария, кальция, магния - 50-70; оксиды редкоземельных металлов - 1-10; боратовая руда - 2-5; алюминий - 5-20; кремний - 20-35. При этом, рафинирующую и модифицирующую смесь непрерывно вводят на дно емкости, заполненной железоуглеродистым расплавом. Технический результат при использовании изобретения заключается в создании благоприятных условий для быстрого осуществления окислительно-восстановительных реакций, обеспечивающих одновременное образование из вводимой в железоуглеродистый расплав рафинирующей и модицицирующей смеси легкоплавкого (температура плавления менее 1300 С ) шлака и комплексного модифицирующего сплава, содержащего особо высокоактивные в момент восстановления компоненты: барий, кальций, магний, редкоземельные металлы, алюминий и кремний, в эффективном использовании рафинирующей способности шлака и полном усвоении модифицирующих компонентов железоуглеродистым расплавом. В случае превышения в смеси верхнего предела (10 мас.%) количества оксидов редкоземельных металлов эффективность их воздействия на железоуглеродистый расплав не увеличится, так как значительная часть оксидов редкоземельных металлов не восстановится и перейдет в шлак. Ограничение верхнего предела содержания оксидов редкоземельных металлов связано также с их высокой стоимостью. Уменьшение количества оксидов редкоземельных металлов в смеси ниже нижнего предела (1 мас.%) приведет к снижению ее рафинирующей и модифицирующей способности, поскольку оксиды редкоземельных металлов и сами редкоземельные металлы являются наиболее эффективными компонентами рафинирующей и модифицирующей смеси. При концентрации оксидов и/или карбонатов щелочно-земельных металлов в рафинирующей и модифицирующей смеси более 70 мас.% приведет к повышению температуры плавления образующегося шлака свыше 1300 С, снижению его рафинирующей способности и сделает невозможным применение способа для рафинирования, в частности, чугуна ваграночной плавки. При концентрации оксидов и/или карбонатов щелочно-земельных металлов в рафинирующей и модифицирующей смеси менее 50 мас.% приведет к уменьшению модифицирующей способности образующегося из рафинирующей и модифицирующей смеси сплава-модификатора вследствие снижения в нем содержания высокоактивных щелочноземельных металлов.-1 006637 В случае превышения в рафинирующей и модифицирующей смеси верхнего предела (5 мас.%) количества боратовой руды возможно нежелательное чрезмерное микролегирование железоуглеродистого расплава бором, так как максимальный эффект от микролегирования бором имеет ярко выраженный концентрационный пик, приходящийся на содержание (1-2) х 10-3 мас.%. Уменьшение количества боратовой руды в смеси менее 2 мас.% не обеспечит необходимого содержания оксида бора в шлаке, приведет к повышению температуры плавления образующегося шлака более 1300 С, снижению его рафинирующей способности, невозможности использования для обработки ваграночного чугуна и рассыпанию отработанного шлака в дисперсный порошок, что усложнит его переработку и утилизацию. Увеличение количества алюминия в смеси более 20 мас.% приведет к чрезмерно высокому содержанию в образующемся из рафинирующей и модифицирующей смеси шлаке оксида алюминия, повышению температуры плавления шлака и снижению его рафинирующей способности. Уменьшение количества алюминия в смеси менее 5 мас.% приведет к недостаточному восстановлению из смеси бора, щелочно-земельных и редкоземельных металлов и снижению модифицирующего эффекта. В случае превышения в рафинирующей и модифицирующей смеси верхнего предела (более 35 мас.%) количества кремния снижается рафинирующая способность образующегося из рафинирующей и модифицирующей смеси шлака вследствие снижения его основности, а уменьшение количества кремния в смеси ниже 20 мас.% повысит температуру плавления и снизит рафинирующую способность шлака. Кроме того, при этом снизится модифицирующий эффект вследствие недостаточного восстановления активных компонентов: бария, кальция, магния и редкоземельных металлов. Расход рафинирующей и модифицирующей смеси 0,5-5,0 кг/т является оптимальным, так как уменьшение расхода менее 0,5 кг/т не обеспечивает необходимый рафинирующий и модифицирующий эффект, а увеличение расхода более 5,0 кг/т может привести к нежелательно высокому содержанию в обрабатываемом железоуглеродистом расплаве активных компонентов и неоправданным экономическим издержкам. Уменьшение температуры железоуглеродистого расплава ниже 1300 С приводит к резкому снижению эффективности его рафинирования и модифицирования и не позволяет получить высокопрочный чугун. Предлагаемый способ рафинирования и модифицирования железоуглеродистого расплава включает приготовление смеси и введение ее в обрабатываемый железоуглеродистый расплав. Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом. Компоненты рафинирующей и модифицирующей смеси в указанном соотношении (крупность частиц порядка 2 мм) тщательно перемешивают и вводят в железоуглеродистый расплав при температуре не менее 1300 С на возможно большую глубину. Указанная температура обеспечивает начало экзотермической реакции восстановления активных компонентов из их оксидов и/или карбонатов алюминием и кремнием, формирование жидкоподвижного высокоактивного шлака и образование комплексного модифицирующего сплава. Восстанавливаемые активные компоненты поглощаются железоуглеродистым расплавом, а шлак в виде капель всплывает в объеме железоуглеродистого расплава и поглощается печным шлаком на поверхности железоуглеродистого расплава. Большая поверхность реагирования и поглощение восстановленных активных компонентов железоуглеродистым расплавом обеспечивают протекание реакций восстановления активных компонентов практически до состояния равновесия, а малая скорость всплывания шлаковых капель с большой глубины при большой поверхности реагирования с железоуглеродистым расплавом обеспечивает глубокое рафинирование от растворенных и взвешенных примесей. В отличие от известного способа, в котором малая эффективность использования рафинирующей и модифицирующей смеси обусловлена опережающим плавлением и испарением легкоплавких модифицирующих компонентов по отношению к формированию защитного шлака, в предлагаемом способе жидкоподвижный легкоплавкий шлак и модифицирующий сплав с высоким содержанием в нем активных компонентов образуются одновременно, а образующиеся оксиды алюминия и кремния вместе с частью исходных оксидов формируют в глубине расплава капли высокоактивного шлака, длительное время взаимодействующих с железоуглеродистым расплавом при развитой поверхности реагирования. Это обеспечивает высокую степень использования активных компонентов, эффективную обработку железоуглеродистого расплава шлаком и позволяет легко регулировать содержание вводимых компонентов в обрабатываемом железоуглеродистом расплаве. Пример осуществления изобретения Пример. Для проведения сравнительных испытаний известного и предложенного способов оценивали загрязненность стали неметаллическими включениями (НВ), содержание в ней серы и размер зерна. В чугуне оценивали форму включений графита. Результаты испытаний представлены в табл. 1. Сталь (опыты 1-15) и чугун (опыты 16, 17) плавили в индукционной печи марки ИСТ-0.06 с магнезиальной футеровкой. Исходное содержание серы в стали и чугуне составляло 0,026 мас.% и 0,11 мас.% соответственно. Обработку стали рафинирующей и модифицирующей смесью проводили при температуре 1600 С, чугуна - при температуре 1300 и 1250 С. Рафинирующую и модифицирующую смесь вводили на дно тигля с металлом, и после выдержки в течение 5 мин расплав сливали в чугунную изложницу. Из полученных слитков вырезали образцы для испытаний. Структуру (величину зерна) стали оцени-2 006637 вали по ГОСТ (Государственный стандарт России) 5639-82, чугуна - по ГОСТ 3443-87, а содержание неметаллических включений - по ГОСТ 1778-70. Опыт 18 представляет результаты обработки стали рафинирующей и модифицирующей смесью согласно прототипу. Состав рафинирующей и модифицирующей смеси по прототипу: 20% силикомишметалла, 20% силикокальция, 20% силикобария, 3% магния, 23% извести, 7% корунда, 7% плавикового шпата. Из приведенных в табл. 1 данных следует, что при обработке расплава стали предлагаемым способом загрязненность неметаллическими включениями и серой ниже, а размер зерна меньше, чем в случае обработки стали по способу-прототипу. При обработке чугуна по предлагаемому способу при температуре 1300 С произошло более глубокое рафинирование чугуна от серы, а выделения графита приобрели наиболее желательную вермикулярную форму и размеры (вермикулярный графит ВГф 2), соответствующие высокопрочному чугуну, по сравнению с чугуном, обработанным при более низкой (1250 С) температуре, в котором получены выделения пластинчатого графита типа ПГф 4, соответствующие чугуну с пластинчатыми формами (серому чугуну). Промышленная применимость Таким образом, приведенный пример конкретного выполнения подтверждает, что предлагаемый способ является осуществимым и обеспечивает получение стали и чугуна с более низкой загрязненностью неметаллическими включениями и серой, вермикулярную форму графита у чугуна и меньшим размером зерна, соответствующими высокопрочному чугуну. Таблица ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ рафинирования и модифицирования железоуглеродистого расплава, включающий введение в него рафинирующей и модифицирующей смеси, состоящей из материалов, содержащих барий,кальций, магний, редкоземельные металлы и кремний, отличающийся тем, что рафинирующая и модифицирующая смесь дополнительно содержит боратовую руду и алюминий, а в качестве материалов, содержащих барий, кальций, магний и редкоземельные металлы, используются соответственно оксиды и/или карбонаты бария, кальция, магния и оксиды редкоземельных металлов, при этом упомянутую-3 006637 смесь вводят при температуре железоуглеродистого расплава не менее 1300 С в количестве 0,5-5 кг/т при следующем содержании компонентов, мас.%: Оксиды и/или карбонаты бария, кальция, магния 50-70 Оксиды редкоземельных металлов 1-10 Боратовая руда 2-5 Алюминий 5-20 Кремний 20-35 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рафинирующую и модифицирующую смесь непрерывно вводят на дно емкости, заполненной железоуглеродистым расплавом.