Рис. 1. Бескоксовый способ получения легированной
высокомарганцевой стали
Вопросы выплавки высоколегированной
марганцевой стали являются крайне актуальными для мировой и российской
металлургии.
Марганцевая металлургия является одной из
самых перспективных. Особое значение марганец приобрел как легирующий элемент,
способный существенно повышать ряд эксплуатационных характеристик сталей и
сплавов. Так, добавки 15-25% марганца в
высоколегированную сталь резко улучшают прочность, параллельно уменьшая вес и
расход сплава [1].
Высокое содержание марганца в стали стабилизирует аустенит и обусловливает
появление ТРИП (TRIP-Transformation-Induced Plasticity[1]) и ТВИП (TWIP-Twinning-Induced Plasticity[2]) эффектов. TWIP-стали обычно содержат большие
концентрации Mn, их обычный
состав: 3% Si, 3%Al и более 20% Mn. В табл.1.2. представлен типичный состав
некоторых TRIP/TWIP сталей на основе экспериментальных данных
[2, 3, 4]. Когда
концентрация марганца в стали составляет 15%, наблюдается только TRIP-эффект, тогда как при концентрации Mn свыше 20% наблюдается оба, и TRIP и TWIP, эффекта.
TRIP-стали - сравнительно новый тип автомобильных сталей, который был разработан в 1990-х годах, известны сочетанием высокой прочности и высокой пластичности. По сравнению с обычными конструкционными низколегированными сталями они обладают в 2-3 раза большей пластичностью при равной прочности, что обеспечивают им преимущества в процессе штамповки и формования. В наибольшей степени данные свойства востребованы в современной автомобильной промышленности, где они могут быть использованы для производства более сложных деталей, обеспечивая большую свободу инженерам при выборе дизайна, оптимизации (снижении) веса и общей технологии производства автомобиля. Широкому применению данных сталей препятствует высокая легированность (стоимость производства) и сложная технология изготовления. В будущем, ТРИП-стали, вполне вероятно, уступят место сталям типа ТВИП.
TWIP-стали имеют особенно удачную комбинацию прочности и
пластичности, удовлетворяющую требованиям автомобильной промышленности. Они
были открыты примерно 10 лет назад [5].
Таблица 1.1.
Типичный состав TRIP/TWIP сталей на
основе экспериментальных данных
|
Mn % |
Si % |
Al % |
C |
Fe % |
Категория стали |
|
15,8 |
3,3 |
2,9 |
200 |
bal. |
TRIP |
|
20,1 |
2,8 |
2,9 |
400 |
bal. |
TWIP/TRIP |
|
26,5 |
3,0 |
2,8 |
300 |
bal. |
TWIP |
|
29,2 |
3,0 |
2,8 |
200 |
bal. |
TWIP |
TWIP-стали обладают высоким содержанием марганца (17-24%), что делает
сталь более аустенитной при комнатной температуре. Основной механизм деформации
в таких сталях – двойникование, что обеспечивает сочетание чрезвычайно высокой
прочности с высокой пластичностью.
Основное
различие между TRIP и TWIP сталями заключается в том, что в TRIP-сталях аустенит стабилен при охлаждении, но не при механическом
воздействии, то есть превращение происходит, когда материал деформируется. И
наоборот, TWIP-стали не претерпевают
превращения при охлаждении или деформации, но ориентация части аустенита
меняется благодаря механическому двойникованию.
Согласно последним данным, вследствие
потребностей различных отраслей промышленности (автомобилестроение) ведутся
активные разработки наиболее экономичных способов выплавки высокомарганцевой стали,
с содержанием марганца выше 20%.
В настоящей работе разработан новый комбинированный
способ выплавки высокомарганцевой стали из дешевой низкомарганцевой руды.
Способ получил название – Бескоксовый способ получения легированной
высокомарганцевой стали.
Способ является комбинированным, поскольку сочетает [2, 6]:
o
Прямое восстановление;
o
Дефосфоризацию;
o
Сталелитейное
производство в электродуговой печи.
Новая
схема выплавки собрана на основе трех технологических цепочек:
·
Выплавка марганцевого
шлака;
·
Выплавка силикомарганца;
·
Выплавка марганцевой
стали.
Восстановление
силикомарганца и марганцевого шлака рассчитано таким образом, чтобы весь фосфор
в системе перешел в сталь (чугун). После прохождения первой (марганцевый шлак)
и второй (силикомарганец) технологической цепочки весь металл из этих цепочек
проходит дефосфоризацию и поступает в конверторную печь. В ковш поступает также
и силикомарганец, и марганцевый шлак.
Таким образом, в
предлагаемом способе используется бескоксовая схема получения легированной
высокомарганцевой стали, включающая предвосстановление марганцевого шлака углем
в трубной вращающейся печи, получение силикомарганца, получение марганцевого
шлака в ковше, дефосфоризацию металла в электродуговой печи, в который уходит
весь фосфор системы, выплавку высокомарганцевой стали с содержанием марганца
выше 20%.
Бескоксовый способ получения легированной
высокомарганцевой стали осуществляли в лабораторных условиях в
индукционно-вакуумной печи и в муфельной печи в Институте металлургии
Технического Университета Клаусталь, Германия.
В муфельную печь
загрузили 38 г угля, 160 г марганцевой руды следующего химического состава,
масс.%: Mn – 42%; SiO2 – 4,72%; Fe – 12,69%; P – 0,036%; CaO – 7,25%; Al2O3 – 0,63%; S – 0,14%, и загрузили 138 г железной руды
следующего химического состава, масс.%: Mn – 0,048%; SiO2 – 2,38%; Fe – 58,9%; P – 0,144%; CaO – 0,29%; Al2O3 – 5,96%; S – 0,086%. Получен на выходе из
муфельной печи предвосстановленный марганцовистый шлак и фосфористый чугун
следующего химического состава. Этот продукт подавался в индукционно-вакуумную
печь вместе с известью (CaO/Al2O3/SiO2) с получением марганцовистого шлака следующего химического
состава: P – 0,0014%; CaO – 6,76%; MgO – 16,56% MnO – 36,34%; SiO2 – 31,14%; Fe – 0,14%; Al2O3 – 5,96%; S – 0,26%, и фосфористого чугуна
следующего химического состава: Fe – 96,8%; P – 0,27%; C – 2,9%.
Вторая цепочка опыта
полностью повторяла первую, но в муфельную печь в шихту добавлялся 64 г песка (SiO2), и полученный в
индукционно-вакуумной печи марганцовистый шлак с добавлением извести, угля и FeSi дополнительно восстановили в
индукционно-вакуумной печи до силикомарганца (Mn, Si, C).
Полученный в первой
опытной цепочке марганцовистый шлак и во второй цепочке силикомарганец подавались в ковш для декремнизации шлака.
Полученный в первой и во
второй цепочке фосфористый чугун подавался в конверторную печь для его
дефосфоризации.
Полученный
высокомарганцовистый шлак и дефосфоризированный металл подавались в ковш, с
добавлением алюминия.
На выходе опыта получили
высокомарганцовистую сталь следующего химического состава, мас.%: P – 0,0014%, C – 3%; Mn – 21%; Fe - остальное.
Осуществление трехступенчатости схемы
позволяет, таким образом, использовать низкомарганцевые руды (с содержанием Mn от 20 до 50%) с высоким содержанием фосфора для
выплавки высокомарганцевой стали. Таким образом, данный способ направлен конкретно
на использование низкомарганцевых руд для производства высокомарганцевой стали,
что существенно снижает стоимость конечного продукта.
Схема процесса уже в промышленном варианте
представлена на рис. 1.
На схеме: в трубчатую вращающуюся печь
(ТВП1) подается марганцевая руда, железная руда и уголь. В ТВП1 происходит
получение предвосстановленного шлака и металла, с использованием угля в
качестве восстановителя. Предвосстановленный шлак и металл поступают в рудотермическую
печь (РТП1). В РТП1 происходит восстановительная плавка, на выходе которой получен марганцовистый
шлак и высокофосфористый чугун. В ТВП2 происходит получение
предвосстановленного шлака и металла. Предвосстановленный шлак и металл
поступают в РТП2. В РТП2 происходит восстановительная плавка, на выходе которой
марганцовистый шлак и высокофосфористый чугун. Марганцовистый шлак на выходе
РТП2 поступает в ЭДП1, куда также поступает известь, уголь и ферросилиций (FeSi). На выходе ЭДП1 получен силикомарганец (SiMn) с содержанием Mn 65%. Фосфористый чугун из печи РТП1 и РТП2 поступает
в цепочку КП1-ЭДП2, где происходит его дефосфоризация. В КОВШ1 поступает
марганцовистый шлак из РТП1 и силикомарганец из ЭДП1. Дополнительно в КОВШ1
подается известь. Марганец на выходе из КОВШа1 поступает в КОВШ2, куда также
поступает дефосфоризованный чугун. На выходе КОВШа2 получена
высокомарганцовистую сталь с содержанием марганца более 20%, с содержанием
углерода менее 3%, и с содержанием фосфора менее 0,01%.
Использование данного способа позволяет
уменьшить поступление фосфора из угля в легируемую сталь до 0,01%, уменьшить
поступление углерода из угля в легируемую сталь до 3%, и повысить содержание Mn в стали до 20% и более, что обеспечивает эффект
повышенной конструкционной прочности и пластичности стали. Кроме того, данный
способ направлен конкретно на использование низкомарганцевых руд для
производства высокомарганцевой стали, что существенно снижает стоимость
конечного продукта, так как исключение производства ферросплавов, приводит к
экономии энергетических ресурсов, и при этом отсутствуют вредные выбросы.
Рис. 1. Бескоксовый способ получения легированной
высокомарганцевой стали
Таблица 1.1.
Процентный состав марганцевой руды
|
Руда (Mn) |
MnO2, % |
SiO2, % |
Fe2O3,
% |
Al2O3,
% |
P2O5,
% |
MgO, % |
K2O, % |
CaO, % |
S, % |
Fe,% |
|
I (%) |
68 |
5 |
20 |
1 |
0,075 |
1 |
|
7 |
0,1 |
14 |
|
II (%) |
83 |
2,5 |
3,55 |
5,5 |
|
|
0,75 |
|
|
2,50 |
Таблица 1.2.
Массовый состав марганцевой руды
|
Руда (Mn) |
MnO2, kg |
SiO2, kg |
Fe2O3,
kg |
Al2O3,
kg |
P2O5,
kg |
MgO, kg |
K2O, kg |
CaO, kg |
S, kg |
Fe |
|
I (%) |
0,1088 |
0,008 |
0,032 |
0,0016 |
0,00012 |
0,0016 |
|
0,0112 |
0,00016 |
0,0224 |
|
II (%) |
0,1328 |
0,004 |
0,00568 |
0,0088 |
|
|
0,0012 |
|
|
0,00 |
Таблица 1.3.
Состав железной руды
|
Руда (Fe) |
Fe |
FeO |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
MnO2 |
SiO2 |
P2O5 |
Al2O3 |
|
% |
58,1 |
0 |
83 |
|
|
|
4,2 |
0,357453 |
5,2 |
|
kg |
0,086 |
0,000 |
0,120 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,006 |
0,000517 |
0,00752 |
Таблица 1.4.
Состав кокса
|
Зола |
Fl.Best. |
S |
P |
H |
C |
N |
|
9,67 |
0,41 |
0,81 |
0,04 |
0,4 |
87,8 |
1,3 |
Расчет оценки эффективности новой схемы
выплавки дешевой высокомарганцевой стали проведен для двух различных
марганцевых руд, и с различным распределением FeO в системе между сталью и шлаком.
Таблица 1.5.
|
|
Mn/Fe |
Mn/Si |
Распределение FeO FeOсталь/FeOшлак |
NaCl % в конечном шлаке |
Mn-руда II (GA), г |
Fe-руда, г |
Кокс, г |
SiO2,
г |
NaCl, г |
|
VP-1GA |
1 |
7/3 |
0 |
0 |
160 |
137,6 |
40,56 |
63,36 |
0 |
|
VP-2GA |
1 |
7/3 |
0 |
1 |
160 |
137,6 |
40,56 |
63,36 |
2 |
|
VP-3GA |
1 |
7/3 |
50%/50% |
0 |
160 |
137,6 |
28,88 |
64,03 |
0 |
Таблица 1.6.
|
Сталь(чугун) |
Wt.% P |
Wt.% C |
Вес, г |
|
VP-1GA |
0,28 |
3 |
86,70 / 87,38* |
|
VP-2GA |
0,28 |
3 |
86,70 |
|
VP-3GA |
0,54 |
0 |
43,46 |
Таблица 1.7.
Состав марганцевого шлака
|
Артикул пробы шлака |
SiO2 |
MnO |
FeO |
Al2O3 |
CaO |
+Остаток |
Вес, г |
|
VP-1GA |
76,74 |
108,37 |
0 |
15,15 |
0,05 |
|
202,89 / 184,35* |
|
VP-2GA |
76,74 |
108,37 |
0 |
15,15 |
0,05 |
|
204,89 |
|
VP-3GA |
76,74 |
108,37 |
53,97 |
15,15 |
0,05 |
|
255,52 |
Таблица 1.8.
Состав компонентов в выплавляемой марганцевой стали на 1 т
|
|
Вес компонентов
в 86,70 г стали, г |
Вес компонентов
в 1000 кг стали, кг |
|
MnO |
108,37 |
1204,38 |
|
Fe |
86,70 |
963,55 |
|
SiO2 |
78,99 |
877,86 |
|
C |
3 |
33,34 |
1.
Бескоксовый способ
получения легированной высокомарганцевой стали является перспективной
разработкой и отвечает насущным
потребностям промышленности, прежде всего, транспортных отраслей.
2.
По результатам
проведенных исследований подана заявка на изобретение Бескоксовый способ получения легированной высокомарганцевой стали.
Заявка №2011128649 от 11.07.2011.
3.
Для данного способа сделана
оценка эффективности на основе методики расчета материальных и тепловых
балансов. Результаты подтверждены опытными плавками в муфельной и
индукционно-вакуумной печи.
4.
Использование данного
способа позволяет уменьшить поступление фосфора из угля в легируемую сталь до
0,01%, уменьшить поступление углерода из угля в легируемую сталь до 3%, и повысить содержание Mn в стали до 20% и более, что обеспечивает эффект
повышенной конструкционной прочности и пластичности стали.
5.
Кроме того, данный
способ направлен конкретно на использование низкомарганцевых руд для
производства высокомарганцевой стали, что существенно снижает стоимость
конечного продукта, так как исключение производства ферросплавов, приводит к
экономии энергетических ресурсов, и при этом отсутствуют вредные выбросы.
1. Kroos J.; Redeker C.F.;
Schöttler J.; Spitzer K.-H.; Rohrberg D.; Newirkowez A.; Acharya S.;
Nyström R.; Hahlin P.; Renner, H.-J. (2006). COST EFFICIENT METALLURGY FOR THE PRODUCTION OF NOVEL
ULTRA HIGH STRENGTH DEEP DRAWABLE STEEL GRADES WITH HIGH MN CONTENTS FROM 10 TO
25 W.-%.
Clausthal-Zellerfeld: RESEARCH PROGRAMME OF THE RESEARCH FUND FOR COAL AND
STEEL. STEEL RTD.
2. Renáta
Viščorová, Joachim Kroos, Volker Flaxa, Jens Wendelstorf and
Karl-Heinz Spitzer. (2004). Deformation
and mechanical properties of high manganese TRIP alloys. Sindelfingen,
Germany: Stahl. German Group of International Deep Drawing Research Group.
3. Soliman Mohamed and Palkowwski Heinz. (2008). On
Factors Affecting the Phase Transformation and Mechanical Properties of
Cold-Rolled Transformation-Induced-Plasticity-Aided Steel. METALLURGICAL AND
MATERIALS TRANSACTIONS A (VOLUME 39A), 2513-2527.
4. Sverre E. Olsen, Merete Tangstad, Tor Lindstad. (2007). Production
of Manganese Ferroalloys. Trondheim: SINTEF and Tapir academic Press.
6. Carpenter Anne M.
(2004). Use of coal in direct iron-making processes. IEA Clean Coal
Center.