[go: up one dir, main page]

RU2446215C2 - Способ выплавки стали, легированной азотом - Google Patents

Способ выплавки стали, легированной азотом Download PDF

Info

Publication number
RU2446215C2
RU2446215C2 RU2010113146/02A RU2010113146A RU2446215C2 RU 2446215 C2 RU2446215 C2 RU 2446215C2 RU 2010113146/02 A RU2010113146/02 A RU 2010113146/02A RU 2010113146 A RU2010113146 A RU 2010113146A RU 2446215 C2 RU2446215 C2 RU 2446215C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nitrogen
steel
charge
mixture
melting
Prior art date
Application number
RU2010113146/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010113146A (ru
Inventor
Евгений Васильевич Кузьминых (RU)
Евгений Васильевич Кузьминых
Владислав Александрович Карев (RU)
Владислав Александрович Карев
Геннадий Алексеевич Дорофеев (RU)
Геннадий Алексеевич Дорофеев
Валерий Викторович Величко (RU)
Валерий Викторович Величко
Владимир Иванович Ладьянов (RU)
Владимир Иванович Ладьянов
Александр Сергеевич Ваулин (RU)
Александр Сергеевич Ваулин
Олег Степанович Якушев (RU)
Олег Степанович Якушев
Анатолий Борисович Бабиков (RU)
Анатолий Борисович Бабиков
Алексей Николаевич Лубнин (RU)
Алексей Николаевич Лубнин
Сергей Михайлович Иванов (RU)
Сергей Михайлович Иванов
Марина Ивановна Мокрушина (RU)
Марина Ивановна Мокрушина
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт Уральского отделения РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт Уральского отделения РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт Уральского отделения РАН
Priority to RU2010113146/02A priority Critical patent/RU2446215C2/ru
Publication of RU2010113146A publication Critical patent/RU2010113146A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2446215C2 publication Critical patent/RU2446215C2/ru

Links

Landscapes

  • Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки стали, легированной азотом. Выплавку стали, легированную азотом, осуществляют в атмосфере газообразного азота с давлением более 1 атм. В качестве шихты используют термитную смесь порошков оксидов железа, хрома и марганца, нитридов или азотированных ферросплавов легирующих элементов и алюминия, взятых в соотношении, необходимом для получения стали заданного состава. При этом термитную смесь локально воспламеняют с обеспечением самопроизвольного горения шихты без внешних источников теплоты. Порошок алюминия вводят массой, составляющей 0,94-1,04 от общей массы кислорода, содержащегося в оксидах, входящих в состав шихты. Техническим результатом является упрощение технологии плавки, уменьшение расхода электроэнергии и длительности плавки. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки стали, легированной азотом.
Известен способ выплавки азотосодержащей стали в открытых (в атмосферных условиях) сталеплавильных агрегатах (индукционных или электродуговых печах) [1]. Легирование азотом производится продувкой газа через расплав в сталеплавильном ковше или введением в жидкий металл (в печь или ковш) азотированных ферросплавов. Этот способ не дает возможности получения высоких концентраций азота в стали из-за быстрой десорбции (удаления) избыточного (сверхравновесного относительно давления 1 атм) азота из жидкого металла в атмосферу. Поэтому даже при высоком содержании нитридообразующих элементов (например, хрома, марганца, ванадия и других), повышающих растворимость азота, содержание его в расплаве не превышает нескольких десятых долей процента [1].
Наиболее близким к технической сущности изобретения является способ выплавки высокоазотистой стали в индукционной печи в специально создаваемой атмосфере азота, имеющей давление выше 1 атм (практически 10-160 атм) [1-3]. Легирование металла азотом производится главным образом из газовой фазы барботажем через пористое дно печи или ложный стопор. Высокое давление газа способствует растворению азота в расплаве и позволяет получить сверхравновесную концентрацию его в стали до 1% и выше. Продолжительность плавки в этом способе составляет 40-180 мин.
Недостатком этого способа является сложность технологии плавки, включающей последовательные этапы расплавления металлошихты, нагрева расплава до нужной температуры, легирования, раскисления, азотирования из газовой фазы, что сопровождается затратами времени, электроэнергии и физического труда.
Предлагаемое изобретение направлено на упрощение процесса совмещением во времени вышеперечисленных этапов плавки, уменьшение расхода электроэнергии, длительности плавки, расширение круга используемых для плавки материалов, упрощение конструкции плавильной установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве исходной шихты для плавки в атмосфере азота с давлением выше 1 атм используется термитная (алюмотермическая) смесь из порошков оксидов железа, оксидов легирующих элементов стали и алюминия, компоненты которой взяты в соотношении, необходимом для получения стали заданного состава и обеспечения самопроизвольного горения без внешних источников теплоты. После локального поджигания смесь сгорает, в результате чего получается металлический расплав нужного состава. Для регулирования окисленности металла поддерживается отношение массы алюминия к общей массе кислорода, содержащегося в оксидах шихты, в пределах 0,94-1,04. Для повышения содержания азота в стали в состав шихты дополнительно вводятся порошки азотсодержащих материалов, например нитриды или азотированные ферросплавы легирующих элементов.
Алюмотермический процесс, проводимый на воздухе при атмосферном давлении, используется для получения ферросплавов, лигатур, для сварки рельс, арматуры, наплавки изношенных деталей, а также получения стальных отливок сложной конфигурации [4-6]. Для успешного осуществления алюмотермического процесса без внешнего подогрева нужно, чтобы теплота, выделяющаяся при горении, составляла не менее 2300 Дж на 1 кг смеси [7].
Термитная смесь для осуществления способа состоит из двух основных групп компонентов, взятых в порошковом виде:
а) Окислителей - оксидов железа и оксидов легирующих компонентов, при восстановлении которых образуется основная масса стали. Эти компоненты являются источником кислорода, необходимого для протекания алюмотермической реакции.
б) Восстановителя - алюминия, отбирающего кислород от окислителей и восстанавливающего их до металла.
Состав получающейся стали определяется соотношением компонентов шихты. Для повышения содержания азота в стали в состав термитной шихты вводятся порошки азотсодержащих материалов, например нитридов или азотированных ферросплавов легирующих элементов.
Искомый технический эффект при использовании термитной смеси следует из механизма термитного процесса. При локальном поджигании термитной смеси возникает волна горения, последовательно распространяющаяся по объему шихты. В этой волне развиваются параллельные самопроизвольные экзотермические реакции восстановления оксидов, например:
Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3;
Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3;
3/2MnO2+2Al=3/2Mn+Al2O3 и т.д.
При протекании этих реакций выделяется большое количество тепла, вызывающее плавление веществ и нагрев продуктов реакции до температур выше 2000°С. Одновременно, в зоне горения протекает взаимное растворение выделяющихся металлов и формирование состава стали. Поступление в металлический расплав марганца, хрома, а также алюминия вызывает его легирование и раскисление. Легирование металла азотом протекает как за счет растворения твердых азотсодержащих материалов шихты в стали, например CrN=[Cr]+[N], так и за счет реакции растворения газообразного азота: ½ N2=[N], чему благоприятствует развитая поверхность дисперсных капелек металла, первоначально выделяющихся во фронте волны горения. Легирование газообразным азотом имеет место также и в дальнейшем при выпуске струи расплава из плавильного тигля в литейную форму. В хвосте волны горения происходит коалесценция капелек металла, отделяющихся от жидкого шлака, с образованием компактных объемов жидкой стали. В конце процесса на дне тигля образуется ванна жидкого металла, на поверхности которого плавает слой жидкого шлака. Атмосфера газообразного азота высокого давления способствует сохранению высокого содержания его в стали, а также повышает устойчивость горения, предотвращая выбросы металла из плавильного тигля.
Таким образом, при горении термитной смеси процессы расплавления металла, его нагрев, легирование и раскисление совмещены во времени.
Кроме упрощения технологии плавки, применение описанного способа приводит еще к нескольким положительным техническим результатам:
1. Появляется возможность использования в качестве шихтовых материалов взамен металлошихты дешевых отходов металлургического производства - прокатную и кузнечную окалину, а также богатых рудных концентратов.
2. Выплавка не требует затрат тепловой и электрической энергии, поскольку вся энергия, необходимая для плавки, заключена в химическом виде в самих шихтовых материалах.
3. Высокая линейная скорость горения шихты (порядка 1 см/с и более) обусловливает малое время плавки.
4. Значительно упрощается конструкция установки для осуществления способа, так как нет необходимости размещения в камере высокого давления индукционной печи, которая заменяется простым плавильным тиглем.
5. Простота осуществления предлагаемого способа позволяет использовать его для получения в условиях машиностроительных заводов фасонных отливок.
6. Простота конфигурации установки позволяет применять более высокие давления газа, чем в существующих устройствах, что приведет к увеличению содержания азота в стали.
Были проведены опытные плавки по получению стали, легированной хромом, марганцем и азотом алюмотермическим способом. Хром и марганец являются важнейшими легирующими элементами стали, относительно малое сродство к кислороду этих элементов обеспечивает успешное восстановление их из оксидов при алюмотермическом процессе.
В состав лабораторной установки для проведения опытных плавок входит плавильный тигель цилиндрической формы, изготовленный из огнеупорного материала. В днище тигля имеется отверстие. Под тиглем располагается изложница для приема жидкой стали. Тигель и изложница размещены в водоохлаждаемом реакторе цилиндрической формы, рассчитанном на максимальное рабочее давление 200 атм. Реактор снабжен манометром, вводом электрозапала и сообщается с газовой системой, позволяющей напускать газообразный азот до нужного давления или стравливать газ в атмосферу.
В качестве исходных материалов в опытах использовали следующие порошковые материалы:
- железная окалина с содержанием кислорода 29,05% (FeOx);
- оксид хрома марки ОХМ-1 (Cr2O3);
- первичный алюминий марки ПА-1 (Al);
- нитрид хрома, содержащий 20,2% азота (CrN);
- двуокись марганца чистая (MnO2).
Применяемая в плавках окись железа FeOx преставляет собой прокатную окалину от низкоуглеродистых сталей, обожженную в окислительном пламени при температуре 880-900°С для приближения к составу Fe2O3, наиболее богатому кислородом. Нитрид хрома CrN получили обработкой технического хрома азотом высокого давления в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Исходные материалы сушили при температуре 200°С в течение 1-1,5 ч, взвешивали в соотношении, необходимом для получения стали заданного состава, и смешивали в смесителе. Готовую смесь загружали в плавильный тигель с небольшим уплотнением. После герметизации реактор наполняли газообразным азотом до давления 80 атм, перекрывали вентиль, соединяющий реактор с газовой системой, и поджигали шихту. Во время горения давление в реакторе монотонно увеличивается, достигая 95-100 атм. Стабилизация давления газа свидетельствует об окончании горения. Жидкий металл, образовавшийся в результате горения, после кратковременной выдержки выливается в изложницу. Время плавки в наших опытах составляло 8-10 с, что отвечает линейной скорости горения шихты 1,5-2 см/с. Вслед за металлом из плавильного тигля вытекал шлак, оставляя плавильный тигель свободным для следующей плавки. Выплавленные слитки имели массу около 1,5 кг, удовлетворительное качество поверхности, полуоткрытую компактную усадочную раковину, расположенную в верхней части слитка. Образцы выплавленной стали анализировали на содержание основных компонентов. Содержание азота определяли методом импульсного плавления в графитовом тигле в токе инертного газа. Результаты опытных плавок, для которых отношение массы алюминия к массе кислорода в шихте было взято Z=0,96, представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Состав шихты и выплавленной стали
Состав шихты, % Состав стали, %
FeOx Cr2O3 MnO2 CrN Al Fe Cr Mn N Al С N(1)
1 64,7 13,3 - - 22,0 83,1 15,6 - 0,69 0,050 0,063 0,32
2 64,7 10,0 - 4,2 21,1 82,5 16,1 - 1,06 0,065 0,071 0,35
3 58,1 10,4 6,6 4,1 20,8 74,0 17,6 6,3 1,31 0,055 0,060 0,51
Примечания к таблице 1:
1. Все стали содержат 0,06-0,07% углерода, что укладывается в заданный нами интервал 0,05-0,08% С. Специально этот элемент в состав шихты не вводили, поскольку для легирования достаточно естественных примесей углерода в шихтовых материалах (например, железная окалина содержит 0.07-0.08% С).
2. N(i) - предельная растворимость азота в полученной стали при 1600°С и давлении азота 1 атм.
Значения N(1) оценили по термодинамическим данным, приведенным в [8]. Из таблицы 1 следует, что фактическое содержание азота в стали значительно превосходит значения его предельной растворимости при атмосферном давлении. Добавки нитрида хрома способствуют увеличению содержания азота в стали.
В таблице 2 приведены опытные данные зависимости содержания алюминия и кислорода в металле от отношения Z между массами алюминия и кислорода в шихте.
Таблица 2.
Содержание алюминия и кислорода в стали при различных значениях отношения Z между массами алюминия и кислорода в исходной шихте.
Компонента, % Z
0,90 0,94 0,96 1,00 1,04 1,06
[Al] 0,001 0,01 0,05 0,07 0,18 0,30
[О] 0,01 0,006 0,002 <0,001 <0,001 <0,001
Из таблицы 2 следует, что оптимальное соотношение между массами алюминия и кислорода в шихте обеспечивает Z=0,94-1,04, поскольку при меньших значениях Z сталь недостаточно раскислена, а при Z>1,04 наблюдается нежелательно высокое содержание алюминия в металле.
Литература
1. Рашев Ц.В. Производство легированной стали. М.: Металлургия. - 1981, с.162-181.
2. Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали. София: Изд-во Болгарской АН. - 1995, с.23-32, 35-38.
3. А.с. SU 908915 А, 28.02.1982.
4. Энциклопедия неорганических материалов, т.2 / под ред. Федорченко И.М. Киев: Гл. ред. Украинской сов. энциклопедии, 1977, с.530-531.
5. Мурач Н.Н. и др. Внепечная металлотермия. М: Металлургия - 1956.
6. Малкин Б.В., Воробьев А.А. Термитная сварка. М.: Изд-во Минкомхоза РСФСР. - 1963, с.100-101.
7. Ростовцев С.Т. Теория металлургических процессов. М.: Металлургиздат. - 1956, с.375.
8. Balachandran G. et al. Some theoretical aspects on designing nickel free high nitrogen austenitic stainless steels. - ISIJ International, 2001, V.41, No.9, p.1018-1027.

Claims (2)

1. Способ выплавки стали, легированной азотом, в атмосфере газообразного азота с давлением более 1 атм, отличающийся тем, что в качестве шихты используют термитную смесь порошков оксидов железа, хрома и марганца, нитридов или азотированных ферросплавов легирующих элементов и алюминия, взятых в соотношении, необходимом для получения стали заданного состава, при этом термитную смесь локально воспламеняют с обеспечением самопроизвольного горения шихты без внешних источников теплоты.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошок алюминия вводят массой, составляющей 0,94-1,04 общей массы кислорода, содержащегося в оксидах, входящих в состав шихты.
RU2010113146/02A 2010-04-05 2010-04-05 Способ выплавки стали, легированной азотом RU2446215C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010113146/02A RU2446215C2 (ru) 2010-04-05 2010-04-05 Способ выплавки стали, легированной азотом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010113146/02A RU2446215C2 (ru) 2010-04-05 2010-04-05 Способ выплавки стали, легированной азотом

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010113146A RU2010113146A (ru) 2011-10-10
RU2446215C2 true RU2446215C2 (ru) 2012-03-27

Family

ID=44804762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010113146/02A RU2446215C2 (ru) 2010-04-05 2010-04-05 Способ выплавки стали, легированной азотом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2446215C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU223237U1 (ru) * 2023-11-14 2024-02-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук Графитовый тигель для получения железосодержащего сплава

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2924415A1 (de) * 1979-06-16 1980-12-18 Krupp Gmbh Verfahren zur aufstickung von hochlegiertem stahl
CN1746320A (zh) * 2004-09-09 2006-03-15 中国科学院兰州化学物理研究所 块体纳米铁材料的制备方法
RU2364637C1 (ru) * 2007-12-07 2009-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт металлургической технологии" Способ электрошлакового переплава высоколегированной нержавеющей стали
RU2366723C2 (ru) * 2007-09-27 2009-09-10 Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН Способ получения стали и устройство для его реализации

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2924415A1 (de) * 1979-06-16 1980-12-18 Krupp Gmbh Verfahren zur aufstickung von hochlegiertem stahl
CN1746320A (zh) * 2004-09-09 2006-03-15 中国科学院兰州化学物理研究所 块体纳米铁材料的制备方法
RU2366723C2 (ru) * 2007-09-27 2009-09-10 Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН Способ получения стали и устройство для его реализации
RU2364637C1 (ru) * 2007-12-07 2009-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт металлургической технологии" Способ электрошлакового переплава высоколегированной нержавеющей стали

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РАШЕВ Ц.В. Высокоазотистые стали. - София: Изд-во Болгарской АН. - 1995. с.23-32, 35-38. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU223237U1 (ru) * 2023-11-14 2024-02-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук Графитовый тигель для получения железосодержащего сплава

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010113146A (ru) 2011-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2254380C1 (ru) Способ получения рельсовой стали
RU2456365C1 (ru) Аустенитная высокопрочная коррозионно-стойкая сталь и способ ее выплавки
RU2545856C2 (ru) Конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная свариваемая сталь и способ ее получения
RU2446215C2 (ru) Способ выплавки стали, легированной азотом
Shatokhin et al. Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) of composite ferroalloys
RU2469816C2 (ru) Способ получения сплава
Yukhvid et al. Centrifugal SHS-metallurgy of nitrogen steels
RU2064508C1 (ru) Экзотермический брикет для раскисления и легирования спокойной стали
RU2186856C1 (ru) Композиционная шихта для выплавки легированных сталей
RU2172349C2 (ru) Способ производства стали
RU2415180C1 (ru) Способ производства рельсовой стали
RU2285726C1 (ru) Способ выплавки стали в подовом сталеплавильном агрегате
RU2280699C2 (ru) Способ выплавки стали в кислородном конвертере с оставлением шлака
RU2350661C1 (ru) Способ выплавки рельсовой стали в дуговой электропечи
RU2241046C2 (ru) Способ и использование нитрата кальция для вспенивания шлаков в производстве стали
RU2784899C1 (ru) Способ выплавки стали в кислородном конвертере
RU2176416C1 (ru) Способ иммобилизации радиоактивных отходов
ZIATDINOV Thermally coupled combustion synthesis of composite ferroalloys
SU1713941A1 (ru) Способ выплавки низколегированной азотсодержащей стали
Svjażin et al. The problems of high-nitrogen steels production
SU836123A1 (ru) Способ выплавки азотсодержащей стали
SU535350A1 (ru) Способ производства азотсодержащей стали
RU2637735C2 (ru) Способ получения низкоуглеродистой кипящей стали
RU2585899C1 (ru) Конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная свариваемая сталь и способ ее получения
RU2644637C2 (ru) Способ и шихта для получения азотированного силикомарганца в дуговой руднотермической электропечи

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200406