Сплав “Алюмосиликомарганец”

(51) 22 35/00 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ для применения в качестве восстановителя при получении средне - и низкоуглеродистых марок ферромарганца, а также для раскисления и легирования стали. Поставленная задача решается тем, что комплексный сплав для получения средне - и низкоуглеродистых марок ферромарганца,раскисления и легирования стали, выплавляется электротермическим способом, а в качестве шихтовых материалов используются высокозольные угли, не использующиеся в энергетических целях и бедные высококремнеземистые марганцевые руды,непригодные для выплавки марганцевых сплавов,содержащий кремний, марганец, железо, углерод и примесные элементы дополнительно содержит алюминий и фосфор при следующем соотношений компонентов, масс. Алюминий 15-25 Кремний 25-55 Марганец 15-45 Углерод 0,2-0,6 Фосфор 0,009-0,05 Примесные элементы (кальций,магний, титан, сера) 3,0 Железо остальное.(72) Набиев Марат Аскенович Байсанов Сайлаубай Омарович Толымбеков Манат Жаксыбергенович Мухамбетгалиев Ербол Кенжегалиулы Байсанов Алибек Сайлаубаевич(73) Товарищество с ограниченной ответственностью ОН-Олжа 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 и торговли Республики Казахстан(57) Изобретение относится к производству ферросплавов, в частности к комплексным сплавам используемых в качестве восстановителя при выплавке средне - и низкоуглеродистых марок ферромарганца, а также для раскисления и легирования стали. Задачей настоящего изобретения является разработка нового состава сплава, предназначенного Изобретение относится к производству ферросплавов, в частности к комплексным сплавам используемых в качестве восстановителя при выплавке средне - и низкоуглеродистых марок ферромарганца, а также для раскисления и легирования стали. Известен сплав на основе железа (А.с. СССР 499341, кл. С 22 с, оп. 30.03.1976., 2). Сплав на основе железа содержит углерод, кремний и марганец следующего состава, вес. Углерод 1,4-1,6 Кремний 35,1-36,3 Марганец 3,5-4,6 Железо остальное. Применение вышеуказанного сплава в качестве восстановителя при выплавке рафинированных сортов ферромарганца не позволяет получить,стандартный мало - и среднеуглеродистый ферромарганец из-за отсутствия в составе алюминия и из-за низкого содержания марганца. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является сплав для раскисления и легирования стали содержащий, мас. Марганца 10,3-20,0 Кремния 5,0-10,0 Ванадия 1,5-5,0 Углерода 4,25-9,8 Железо остальное.(А.с. СССР 724591, кл. С 22 С 35/00, 1977 г.). Недостатком данного сплава является отсутствие в нем алюминия, что в значительной степени снижает переход марганца и кремния в сплав на стадии его выплавки, не обеспечивает высокой степени раскисления жидкой стали и приводит к угару этих элементов. Применение данного сплава в качестве восстановителя при выплавке рафинированных сортов ферромарганца не позволяет получить,стандартный мало - и среднеуглеродистый ферромарганец из-за низкого содержания кремния и высокого содержания углерода. Задачей настоящего изобретения является разработка нового состава сплава, предназначенного для применения в качестве восстановителя при получении средне - и низкоуглеродистых марок ферромарганца, а также для раскисления и легирования стали. Поставленная задача решается тем, что комплексный сплав для получения средне - и низкоуглеродистых марок ферромарганца,раскисления и легирования стали, выплавляется электротермическим способом, а в качестве шихтовых материалов используются высокозольные угли, не использующиеся в энергетических целях и бедные высококремнеземистые марганцевые руды,непригодные для выплавки марганцевых сплавов,содержащий кремний, марганец, железо, углерод и примесные элементы дополнительно содержит алюминий и фосфор при следующем соотношений компонентов, масс. Алюминий 15-25 Кремний 25-55 2 Марганец 15-45 Углерод 0,2-0,6 Фосфор 0,009-0,05 Примесные элементы (кальций,магний, титан, сера) 3,0 Железо остальное. Как известно, достижение высоких техникоэкономических показателей процесса получения комплексных сплавов для раскисления и легирования стали зависит от оптимально выбранного соотношения компонентов сплава. Кроме того, выбор конкретного оптимального соотношения компонентов сплава также определяется возможной способностью сплава улучшить качество обрабатываемой стали, а именно возможность снизить количество неметаллических включений и повысить механические свойства стали. Таким образом, основным показателем качества стали является минимальное количество неметаллических включений-продуктов реакций раскисления стали, представленных как простыми оксидами элементов, так и сульфидных фаз. Необходимо отметить, что угар компонентов сплава и его восстановительная способность зависит от плотности сплава, то есть наименьший угар компонентов сплава достигается при реакциях,происходящих в объеме металла и на границе металл-шлак, когда плотность сплава сравнима плотностью металла (соответственно болыпе-шлака) или, когда плотность сплава больше плотности шлака и меньше плотности металла. Содержание в сплаве 15-25 алюминия позволяет осуществить раскисление шлака и металла, то есть восстановить оксиды легирующего элемента при прямом легировании стали марганцем,хромом, ванадием как раз на границе металл-шлак,что позволяет обеспечить степень извлечения легирующего элемента из шлакового расплава на уровне 90-98. При содержании алюминия менее 15 резко снижается восстановительная способность сплава,что приводит к снижению степени извлечения легирующего элемента из шлакового расплава, а при содержании алюминия свыше 25 снижается плотность сплава (менее 3,5 г/см 3), что приводит к всплыванию на поверхность шлакового расплава, а,следовательно, интенсивному его угару. В этих случаях снижается степень извлечения легирующего элемента из расплава, что приводит к снижению качества обрабатываемой стали. Кремний в сплаве при содержаниях его в пределах 25-55 в условиях наличия в сплаве еще алюминия позволяет достаточно полно раскислить металл, и снизить содержание неметаллических включений, поскольку при раскислений стали кремнием в присутствии алюминия происходит образование жидких алюмосиликатов, которые легко коагулируют в крупные частицы и быстро всплывают из металла. При содержании же кремния в сплаве менее 25 происходит не достаточное раскисление стали, а это приводит к ухудшению качества стали. Превышение содержания кремния в сплаве 55 обуславливает избыточное содержание его в стали и наряду с этим способствует увеличению количества неметаллических силикатных включений, а в итоге ухудшается качество стали. Содержание в сплаве 15-45 марганца в условиях наличия в сплаве алюминия и кремния позволяет достаточно полно раскислять металл, и снизить содержание неметаллических включений. При содержании марганца менее 15 в составе сплава не дает возможности получения стандартных марок рафинированного ферромарганца, а при содержании марганца свыше 45 приводит к увеличению количества неметаллических включений ухудшающее качество стали. Содержание кальция в сплаве менее 2,2 и магния менее 0,3 обеспечивает получение глобулярных равномерно распределенных мелкодисперсных остаточных включений, то есть происходит разжижение твердых частиц глинозема кальцием и равномерное распределение включений в объеме металла за счет магния, так как магний имеет более высокую упругость пара. При содержании кальция более 2,2 происходит рост содержания углерода в сплаве,а,следовательно, рост доли карбидов, что приводит к рассыпанию сплава и его окислению. В результате резко снижается раскисляющая и легирующая способность сплава, и что характерно,происходит ухудшение качества обрабатываемой стали из-за попадания в него большого количества оксидов с частично окислившимся сплавом. При содержании магния свыше 0,3 происходит интенсивный улт магния из шихты, а также происходит резкое увеличение удельного расхода электроэнергии, что приводит к снижению техникоэкономических показателей процесса получения сплава. Общее содержание в сплаве таких примесных соединений как кальций, магний, титан и сера не должно превышать 3,0. Содержания титана в составе сплава более 1,0 ограничивает сферу использования данного сплава при раскислений большинства марок стали. Содержание углерода в сплаве 0,2-0,6 позволяет провести процесс легирования стали углеродом совместно с процессом раскисления,способствующему повышению качества стали. Наряду с этим содержание углерода в сплаве в указанных пределах повышает техникоэкономические показатели процесса получения сплава, так как устанавливается стабильный ход электрической печи за счет исключения процесса карбидообразования. При содержании углерода менее 0,2 из-за недостатка углерода в шихте снижается степень перехода компонентов в сплав, что приводит в дальнейшем при обработке стали сплавом, к ухудшению качества обрабатываемой стали. При содержании углерода более 0,6 снижаются технико-экономические показатели процесса получения сплава, то есть интенсифицируется процесс карбидообразования, что приводит к частому нарушению хода печи и рассыпанию сплава на воздухе, а также затрудняет процесс получения сплава. Содержание железа в сплаве в пределах 3,5-15 повышает технико-экономические показатели процесса и качество сплава. При таких содержаниях железа растворимость углерода в сплаве поддерживается на достаточном уровне,способствующему увеличению степени перехода компонентов сплава из шихты. При содержании железа в сплаве менее 3,5 происходит снижение степени перехода компонентов в сплав, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей процесса получения сплава, а когда содержание железа в сплаве более 15 происходит ухудшение качества обрабатываемой стали, так как повышение содержания железа приводит, соответственно, к снижению концентрации более активных компонентов сплава. Таким образом, заявляемый состав сплава для раскисления и легирования стали, содержащий в своем составе 15-25 алюминия, 25-55 кремния,15-45 марганца, 0,2-0,6 углерода, 0,009-0,05 фосфора, 3 примесных элементов (кальций,магний, титан и сера) и остальное железо обеспечивает повышение технико-экономических показателей процесса получения сплава и качества обрабатываемой стали, то есть обеспечивает достижение цели. Авторами не обнаружены источники информации, в которых была бы отражена совокупность заявляемых отличительных признаков. Следовательно, заявляемый объект соответствует критерию существенные отличия. По существующей технологии выплавки стали при раскислении спокойных марок металла используют,как правило,ферромарганец,ферросилиций и чушковый алюминий. Доказано, что более целесообразно проводить раскисление комплексными раскислителями. В большинстве случаев при производстве спокойных сталей необходим сплав, содержащий в своем составе кремний, алюминий и марганец. Новый комплексный сплав обладает тем преимуществом перед известными комплексными раскислителями, что он дает тот же эффект раскисления при значительном удешевлении и возможности вовлечения некондиционных бедных марганцевых руд,а также отвальных высокозольных углей, и имеет следующий состав (в) Алюминий 15-25 Кремний 25-55 Марганец 15-45 Углерод 0,2-0,6 Фосфор 0,009-0,05 Примесные элементы (кальций,магний, титан, сера) 3,0 Железо остальное Сплав Алюмосиликомарганец полностью исключает возможность рассыпания после выпуска и остывания сплава. При рассыпании сплава его 3 проводящим подом и мощностью трансформатора 200 кВА. В качестве шихтовых материалов использованы отвальные высокозольные угли Карагандинского угольного бассейна и высококремнезмистая марганцевая руда месторождения Западный Камыс. Особенностью также является исключение применения кокса. Анализ результатов испытаний показал, что переработка заявляемой шихты позволяет получить комплексный сплав Алюмосиликомарганец, в котором содержится,масс. кремния 25-55 алюминия 15-25 марганца 15-45 углерода 0,2-0,6 фосфора 0,009-0,05, железо остальное. В полученном сплаве содержится фосфора 0,0038-0,05), это особенно важно при выплавке особо качественных сталей, допустимое содержание фосфора в которых не должно превышать 0,0200,025. К тому же, это обстоятельство гарантирует для сплава Алюмосиликомарганец полное исключение явления его рассыпания, которое объясняется снижением концентраций фосфора по границам зерен сплава совместно с карбидами при кристаллизации, а также выявляет особенность, что при содержании алюминия более 10 сплав абсолютно не подвержен явлению рассыпания после охлаждения. Результаты опытных плавок сплава Алюмосиликомарганец представлены в таблице 1. Полученный комплексный сплав не рассыпается в атмосфере воздуха, даже после выдержки в атмосфере воздуха в течений 6-8 месяцев. При этом отпадает какая-либо необходимость в затратах на брикетирование или окомкование конечного продукта. Выплавка сплава Алюмосиликомарганец характеризуется комплексным использованием всех основных элементов руды, высоким коэффициентом перехода элементов в сплав, обуславливающий низкий расход шихтовых материалов при получении одной тонны продукта. Бесшлаковая плавка с полным восстановлением всех окислов шихты является методом дефосфоризации исходного сырья- возгонкой и уносом фосфора с газообразными продуктами плавки до 30-40. Предлагаемый комплексный сплав отличается оптимальными пределами содержания алюминия. Это связано с плотностью сплава, которая рекомендована в пределах 5,4-7,0 г/см 3, обеспечивая погружение и распределение сплава в жидкой стали с максимальным усвоением элементов. Сплав,содержащий менее 10 алюминия, будет погружаться вглубь расплава, а содержащий более 25 будет находиться на поверхности и более интенсивно угорать. Таблица 1 Химический состав предлагаемого и известного сплава. газонасыщенность уменьшается вследствие раскрытия системы микропор с замкнутым объемом, т.е. наряду с увеличением удельной поверхности (способствующей его лучшему усвоению при раскислений стали) при рассыпании сплава достигается его дегазация. Рассыпание сплава объясняется тем, что фосфор, наиболее сконцентрированный по границам зерен сплава выделяется, взаимодействуя с водородом воздуха,образуя при этом фосфин (РН 3) по химической реакции 2 Р 3 Н 2 О(воздух)2 РН 33/2 О 2 Шихта для выплавки сплава Алюмосиликомарганец в руднотермической печи,согласно изобретению состояла из высокозольного угля Карагандинского угольного бассейна, который малоприменим в энергетических целях и относится к техногенным отходам и высокремнеземистой марганцевой руды месторождения Западный Камыс. Марганцевая руда является некондиционной по содержанию марганца 25-30 и непригодна для производства стандартных марок силикомарганца и тем более ферромарганца. Проведенный анализ высокозольного угля, показал е, соответствие по техническому составу и содержанию основных компонентов (О 2, А 12 О 3,) в золе, требованиям для выплавки сплава Алюмосиликомарганец. Отвальные высокозольные угли Карагандинского угольного бассейна зольностью 50-60 представляют собой в основном природную смесь оксидов кремния, алюминия и углерода. Минеральная составляющая пород состоит из оксидов кремния, алюминия, железа, оксидов кальция, магния и титана, причем сумма оксидов кремния и алюминия не менее 95-96. Содержание О 2 и А 12 О 3 в зольной части находится в пределах 55-60 и 33-35 соответственно. Угольная масса в породах, в зависимости от зольности, составляет 20- 34 при содержании до 16 летучих соединений. Данный состав высокозольных углей гарантирует получение кремнеалюминиевого сплава с марганцем Алюмосиликомарганец с содержанием кремния 25- 55, алюминия 15-25, марганца 15-45. Высокозольные угли представляют большой интерес с точки зрения получения высокомарочных сортов сплава Алюмосиликомарганец с содержанием кремния 25-55 о и алюминия в интервале 15-25, пользующихся спросом для процессов металлотермического производства средне - и низкоуглеродистого ферромарганца. Пример. Проверка возможности выплавки предлагаемого состава сплава опробована в крупнолабораторных условиях в электропечи с Извлечение основных элементов сплава Сплав Алюмосиликомарганец, выплавленный электротермическим способом содержит незначительное количество балластного железа (3,515) и имеет невысокую температуру плавления. Поэтому применение сплава Алюмосиликомарганец предпочтительнее при раскислении стали в ковше. Ввод в состав сплава марганца связан с улучшением качества стали по неметаллическим включениям(НВ) вследствие образования легкоплавких оксидных НВ, содержащих, кроме алюмосиликатов, оксиды марганца. При раскислении стали сплавом Алюмосиликомарганец расход алюминия присаживаемого в ковш, уменьшается на 50-95. Иначе говоря, при организации промышленного производства указанного комплексного раскислителя в сталеплавильной промышленности может быть высвобождено значительное количество алюминия,необходимого другим отраслям промышленности. Последнее особенно важно,учитывая наметившиеся сейчас тенденцию некоторого увеличения содержания алюминия в стали с целью повышения ее механических свойств. Использование сплава Алюмосиликомарганец для раскисления стали позволяет заменить на 100 ферросилиций, на 60-100 силикомарганец и на 5060 алюминий, применяемые по традиционной технологии в качестве раскислителей стали в настоящее время. На основании имеющихся данных крупнолабораторных испытаний предлагаем применять новый комплексный сплав Алюмосиликомарганец,выплавляемый электротермическим способом из неиспользуемых высококремнезмистых марганцевых руд на высокозольных углях, относящихся к техногенным отходам для получения средне и низкоуглеродистых марок ферромарганца, а также для раскисления и легирования спокойных марок стали. Основными преимуществами представляемого комплексного сплава являются 1. Низкая стоимость комплексного сплава за счет вовлечения бедных высококремнезмистых марганцевых руд непригодных для производства стандартных марок марганцевых ферросплавов,таких, как ферромарганец, силикомарганец, по существующим технологическим схемам, могут быть использованы для выплавки сплава Алюмосиликомарганец в необогащенном виде. 2. В качестве восстановителя используется отвальные высокозольные угли. Себестоимость сплава снижается за счет исключения из технологической цепочки использования дорогостоящего кокса и увеличения производительности печи посредством повышения активного сопротивления шихты в ванне печи. Это Извлечение основных элементов сплава является следствием повышенного электросопротивления отвальных высокозольных углей в отличие от кокса и каменного угля практически на 40-50. В качестве основного сырья используются дешевые, легкодоступные отходы производства, использование которых позволяет получить комплексный сплав Алюмосиликомарганец с широким диапазоном содержания основных раскисляющих и легирующих элементов. 3. Снижается стоимость раскисления за счет низкой стоимости комплексного сплава, которое в свою очередь предопределяет снижение себестоимости раскисляемой стали. 4. При раскислении стали предлагаемым сплавом отпадает необходимость в использовании в сталеплавильном производстве значительных количеств дефицитного и дорогостоящего чушкового электролитического алюминия. 5. Комплексность использования марганцевой руды и углистой породы. Пустая порода руды и золы высокозольного угля служат источником кремния и алюминия. 6. При выплавке комплексного сплава Алюмосиликомарганец основная масса фосфора(более 40-50) удаляется из шихты в газовую фазу. 7. Использование труднообогатимых, бедных по содержанию марганца руд и высокозольных углей, а также простота технологии обеспечивают низкую себестоимость сплава и практически неограниченные источники сырья для производства комплексного раскислителя. 8. При производстве сплава Алюмосиликомарганец в целевой продукт извлекается до 85-92 марганца против 70-75 при современном производстве марганцевых ферросплавов. 9. Полностью исключена возможность рассыпания сплава. Необходимость в брикетировании или окомковании сплава отпадает,исключая дополнительные экономические затраты. 10. Возможность получить бесшлаковым способом сравнительно низкофосфористый сплав Алюмосиликомарганец из марганцевых руд месторождения Западный Камыс и других месторождений важнейшее преимущество предлагаемой схемы. 11. Снижение требований к качеству исходного сырья при выплавке из марганцевых руд сплава Алюмосиликомарганец бесшлаковым способом. В связи с тем, что в марганцевой руде кроме марганца оцениваются кремний и алюминий,для производства комплексного сплава, содержащего марганец, кремний, алюминий, практически могут быть пригодны марганецсодержащие руды, с содержанием марганца, начиная с 20-30. Вместе с тем предлагаемая шихта не требует специального оборудования для его подготовки и переработки. 5 12. Сплав Алюмосиликомарганец отличается высоким качеством при сравнительно низкой себестоимости. 13. Переработка марганцевых руд по разработанной технологии значительно уменьшит загрязнение окружающей среды вследствие исключения из технологической схемы таких процессов, как агломерация, обогащение, (тонкое измельчение), и других, связанных с загрязнением экосистемы (вода, воздух, земля). Таким образом,предлагаемый состав комплексного сплава позволяет проводить технологический процесс переработки марганцевых руд, совместно с отвальными высокозольными углями обеспечивает комплексное использование сырья с получением высокоэффективного комплексного сплава. Использование для выплавки в качестве шихтовых материалов некондиционных отвальных высокозольных углей и высококремнезмистых марганцевых руд позволяет получать комплексный сплав Алюмосиликомарганец являющийся альтернативной заменой традиционным видам ферросплавов,таким как силикомарганец,ферросилиций и алюминий. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Сплав Алюмосиликомарганец содержащий кремний, марганец, железо, углерод и примесные элементы отличающийся тем,что он дополнительно содержит алюминий и фосфор при следующем соотношений компонентов, масс.Алюминий 15-25 Кремний 25-55 Марганец 15-45 Углерод 0,2-0,6 Фосфор 0,009-0,05 Примесные элементы (кальций,магний, титан, сера) 3,0 Железо остальное.