ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ С НАПОЛНИТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ФЕРРОНИОБИЯ
POWDER WIRE FOR MICRO-ALLOYING STEEL WITH FILLER ON BASE OF FERRONIOBIUM

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошкообразными реагентами. Настоящее изобретение найдет применение при производстве высокотехнологичной порошковой проволоки с наполнителем на основе феррониобия, предназначенной для микролегирования стали.
Микролегирование стали с использованием феррониобия - известное и многократно апробированное техническое решение (см. авторское свидетельство СССР №1433988, патенты РФ №№1772171, 2095426, 2127322, 2247790). Недостатком известных ферросплавов на основе ниобия (ГОСТ 16773-2003) является существенное колебание основного элемента ферросплава (60-70%). Это в сочетании с нестабильным коэффициентом усвоения создает значительные трудности при легировании, поэтому расчет вводимого объема ферросплава осуществляется исходя из среднего содержания легирующего элемента в готовой стали. Проведенные заявителем научно-технические исследования эффективности микролегирования стали феррониобием и степени его усвоения в расплаве позволяют констатировать, что подобный подход приводит к непроизводительным потерям и повышенному расходу дорогостоящего ферросплава, а соответственно к существенному снижению экономических показателей металлургического производства.
Известна также порошковая проволока для микролегирования стали с наполнителем на основе феррониобия (патент РФ №2243268, С21С 7/00), наиболее близкая по технической сущности к патентуемому изобретению и выбранная в качестве прототипа. Проволока состоит из стальной оболочки и порошкообразного наполнителя на основе феррониобия, содержащего 65,4% ниобия. Проволока предназначена для получения низкоуглеродистых сталей с использованием установок вакуумно-окислительного рафинирования.
Недостатком наполнителя порошковой проволоки на основе феррониобия по патенту РФ №2243268 является то, что при расчете норм расхода феррониобия руководствуются уровнем средних значений содержания данного элемента в стали с учетом усвоения, что в итоге приводит к повышенному расходу дорогостоящего ферросплава.
Известно, что для микролегирования стали используется либо кусковой ферросплав, либо порошковая проволока.
Недостатком использования ферросплава - феррониобия в виде куска - является нестабильное усвоение основного элемента - ниобия, а следовательно, повышенный расход дорогостоящего компонента - ниобия.
Использование ферросплава в качестве наполнителя порошковой проволоки позволяет снизить колебания усвоения основного элемента наполнителя за счет отдачи его в стальной оболочке в глубь металла и избежать взаимодействия со шлаком.
Вместе с тем, ГОСТ 16773-03 на феррониобий предусматривает диапазон содержания ниобия до 10%. В силу данного положения, при расчете норм расхода основного элемента-ниобия, исходя из ГОСТ 16773-03, в качестве наполнителя порошковой проволоки необходимо учитывать данные значения в отклонении (в диапазоне) содержания основного элемента - ниобия.
На практике при расчете норм расхода феррониобия используют среднее содержание элемента в стали с учетом усвоения, что приводит к повышенному расходу дорогостоящего ферросплава.
Например, содержание ниобия в конструкционной низколегированной стали марки 10Г2Б составляет от 0,02 до 0,05%. Расчет норм расхода ферросплава при использовании феррониобия в виде наполнителя порошковой проволоки либо в кусковом виде производится на содержание ниобия в готовой стали, равное 0,035%, с учетом усвоения элемента в условиях предприятия.
Настоящее изобретение решает задачу:
- повышения точности дозировки необходимого объема феррониобия (наиболее дорогостоящего компонента наполнителя порошковой проволоки) для микролегирования сталей путем контролируемого содержания ниобия и железосодержащей составляющей в найденных опытным путем узких пределах и существенного снижения разброса этих доминирующих компонентов наполнителя;
- сокращения объема непроизводительных потерь феррониобия в процессе микролегирования сталей;
- сокращения брака (отсортировки) легированной стали по химическому составу;
- уменьшения разброса и устранения выпадов механических и специальных свойств готового металла;
- получения стабильных и прогнозируемых результатов от микролегирующего действия феррониобия на сталь,
- обеспечения воспроизводимости и стабильности химического состава легируемых сталей,
- точного попадания процентного содержания ниобия в заданные пределы в легируемой стали,
- снижение химической неоднородности состава легируемых сталей. Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.
Порошковая проволока для микролегирования стали с наполнителем на основе феррониобия, аналогичная проволоке, описанной в патенте РФ №2243268, состоящая из стальной оболочки и наполнителя, содержащего порошкообразный феррониобий, согласно настоящему изобретению наполнитель порошковой проволоки содержит 63-67 мас.% порошкообразного ниобия и комбинацию дополнительных компонентов, таких как тантал, кремний, алюминий, титан, углерод, сера, фосфор и железо.
Изобретение предусматривает, что содержание дополнительных компонентов в наполнителе составляет, мас.%, соответственно:
Тантал
не более 1,0
Кремний
не более 1,5
Алюминий
не более 3,0
Титан
не более 1,0
Углерод
не более 0,1
Сера
не более 0, 03
Фосфор
не более 0,10
Железо
остальное
В соответствии с патентуемым изобретением содержание наполнителя и стальной оболочки составляет, мас.%, соответственно 70…90 и 10…30, а коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 0,7-0,9.
Изобретение предусматривает возможность введения в наполнитель добавок РЗМ, объем которых составляет, мас.%: 0,1-5,0 объема железосодержащей части наполнителя, при этом объем железосодержащей составляющей наполнителя снижен на величину объема введенного РЗМ. В патентуемой рецептуре наполнителя может быть реализована, например, следующая комбинация РЗМ: церий, лантан, празеодим, неодим. Соотношение компонентов составляет соответственно 50, 25, 12, 5 и 12, 5%. Возможно использование и другой комбинации РЗМ.
Проведенные заявителем исследования подтверждают, что сущность изобретения выражается патентуемой совокупностью существенных признаков, достаточной для достижения изобретением технического результата, который заключается:
- в достижении высокой точности дозировки необходимого объема основного и дорогостоящего компонента наполнителя - ниобия для микролегирования сталей, который определен опытным путем на основе многочисленных исследований различных вариантов содержания ниобия, железосодержащей составляющей и примесных компонентов в наполнителе;
- в гарантированном обеспечении стабильности химического состава легируемых сталей и устранения практически такого негативного результата от микролегирования, как отсортировка стали из-за несоответствия конечного химического состава легированной стали, требуемого по регламенту.
Реализация заявленного технического результата достигается благодаря наличию соответствующей причинно-следственной связи между существенными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом, которая раскрывается следующим образом.
Патентуемый состав порошковой проволоки представляет собой механическую смесь компонентов, мас.%:
Ниобий
63,0-67,0
Тантал
не более 1,0
Кремний
не более 1,5
Алюминий
не более 3,0
Титан
не более 1,0
Углерод
не более 0,1
Сера
не более 0,03
Фосфор
не более 0,1
Железо
остальное.
Заявитель впервые опытным путем установил, что при заявленном соотношении ингредиентов наполнителя порошковой проволоки, максимально суженном диапазоне основного компонента наполнителя - ниобия (63,0-67,0 мас.%) обеспечивается повышенная стабильность конечного химического состава легируемых сталей и значительная экономия дорогостоящего феррониобия.
При этом принципиально важно, что технический результат и повышенные механические свойства легируемой стали достигаются благодаря заявленным оптимальным интервалам содержания всех компонентов наполнителя порошковой проволоки. Так, в частности:
- сера в металле снижает пластичность и особенно ударную вязкость при нормальных и низких температурах и повышает чувствительность к хрупкому разрушению;
- фосфор способствует охрупчиваемости стали при низких температурах (т.н. «хладноломкость»);
- титан образует нитриды в стали и в небольших концентрациях способствует измельчению зерна. Однако значительное количество нитридов титана усиливает микроликвационные процессы. При раскислении стали танталом до 0,04% образуются жидкие продукты раскисления, что обеспечивает хорошие условия для их всплывания.
- тантал по сравнению с ниобием является менее эффективным карбидообразующим элементом для термоупрочняемых сталей, поэтому замена им ниобия нежелательна. Образование 1 грамма карбидов тантала требует по реакции карбидообразования
Та+С→ТаС
МТа=180×1/192=0,94 г тантала, тогда как образование 1 грамма карбида ниобия требует по реакции Nb+C→NbC, всего MNb=93×1/105=0,86 г ниобия, т.е. почти на 10% меньше по массе;
- кремний приводит к увеличению балла пластичных и хрупких силикатных включений. В значительных количествах приводит к снижению пластичности.
- углерод изменяет структуру стали. Изменение химического состава приводит к изменению структуры стали и ее свойств. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности, как и наоборот.
Касательно количественных ограничений содержания компонентов наполнителя патентуемой проволоки необходимо дополнительно пояснить следующее.
Несмотря на небольшое количество отдаваемой проволоки (около 0,2 кг/т стали), обусловленное требуемым содержанием ниобия в готовой стали, даже незначительное повышение концентрации вредных примесей, вносимых проволокой, приводит к резкому ухудшению служебных свойств изделий из стали. Проведены эксперименты, показывающие резкое ухудшение эксплуатационных свойств стали при превышении предельного содержания указанных элементов в наполнителе (кремний, алюминий, титан, углерод, сера, фосфор) - см. таблицу. В таблице указано насколько ухудшается обобщенный показатель качества (предел прочности, относительное удлинение и т.п.) при превышении содержания пределов указанных элементов хотя бы на 10%.
элемент
Та
Si
Al
Ti
С
S
Р
предельные значения элементов
1
1,5
3
1
0,1
0,03
0,1
обобщенный показатель физических свойств стали
предел обусловлен экономич. причинами
-3%
-5%
-2%
-1%
-8%
-10%
Расчет обобщенного показателя механических свойств стали (К) осуществляли по следующей формуле:
где
m - общее количество нормируемых показателей для данной группы сталей,
i - конкретный нормируемый показатель,
i
ρ - фактическое (экспериментальное) значение показателя i,
- нормируемое значение показателя свойств стали i (согласно ТУ или ГОСТ),
i
α - удельный вес нормируемого показателя i для конкретной стали (дол. ед.).
Например, коррозионная стойкость более важна для нержавеющих марок, а свариваемость более важна для конструкционных. В соответствии с этим выбираются значения коэффициентов.
Кроме того, легирование феррониобием происходит в конце обработки стали, перед разливкой, и дополнительно рафинировать сталь от вредных примесей в большинстве случаев возможности нет.
Сущность изобретения поясняется примером использования патентуемого состава порошковой проволоки для микролегирования стали марки 10Г2Б.
Как уже отмечалось, на металлургических заводах (исходя из ГОСТ 16773-03 на феррониобий и устоявшейся практики) при расчете норм расхода ферросплава для микролегирования используют среднее содержание легирующего элемента в стали с учетом усвоения. Данное обстоятельство обуславливает повышенный расход дорогостоящего ферросплава, что существенно удорожает готовую продукцию и снижает экономическую эффективность производства.
Содержание ниобия в конструкционной низколегированной стали марки 10Г2Б составляет от 0,02 до 0,05%. Традиционный расчет норм расхода ферросплава при использовании феррониобия в виде наполнителя порошковой проволоки либо в кусковом виде производится на содержание ниобия в готовой стали, равное 0,035%, с учетом усвоения элемента в условиях предприятия.
Методика эксперимента.
Заявитель провел 10 сравнительно-опытных плавок на примере выплавки марки стали 10Г2Б (табл.1), в промышленных условиях.
Таблица 1
Химический состав в % материала 10Г2Б.
С
Mn
Si
Nb
Cr
Cu
Ni
до 0,12
1,2-1,6
0,17-0,37
0,02-0,05
до 0,3
до 0,3
до 0,3
Легирование по 1 варианту проводилось на минимальное содержание ниобия (0,025%) в готовой стали, по 2 варианту на среднее содержание ниобия (0,035%), масса плавок в среднем для 1 варианта составила 151 т, для 2-го - 149,5 т.
Схема проведения испытаний.
1. Расчет массы порошковой проволоки феррониобия для обоих вариантов легирования производился по формуле:
пл
где М - масса плавки, т;
усв
К - коэффициент усвоения (принят 90% по заводской статистике);
[Nb] - планируемое содержание ниобия в металле, %;
пр
% - среднее содержание ниобия в наполнителе, %;
зап
К - коэффициент заполнения феррониобия в порошковой проволоке (принят 0,78).
2. Отдача порошковой проволоки с феррониобием 60 с последующим отбором пробы металла и определением содержания в ней ниобия.
3. Расчет фактического коэффициента усвоения ниобия:
,
нач
где [Nb] - содержание ниобия в металле до ввода порошковой проволоки, %;
кон
[Nb] - содержание ниобия в металле после ввода порошковой проволоки, %;
нап
М - масса наполнителя, т.
Справочные данные по проведенным плавкам и расчетные величины приведены в табл.2.
Таблица 2
№ опыта
вариант 1 (Nb - 0,025%)
вариант 2 (Nb - 0,035%)
содержание Nb в феррониобии, %
содержание Al в феррониобии, %
содержание Nb в феррониобии, %
содержание Al в феррониобии, %
1.
65,1
1,5
61,4
1,5
2.
63,6
1,8
62,1
1,2
3.
65,2
1,6
68,0
1,2
4.
66,5
1,7
68,7
1,3
5.
64,0
1,6
69,4
1,0
диапазон измере-ний
63,6-66,5
61,4-69,4
масса проволоки, т
масса феррониобия, т
масса проволоки, т
масса феррониобия, т
1.
0,0821
0,0640
0,1217
0,0949
2.
0,0839
0,0655
0,1204
0,0939
3.
0,0819
0,0639
0,1099
0,0857
4.
0,0803
0,0626
0,1089
0,0849
5.
0,0835
0,0651
0,1078
0,0841
-
содержание Nb в металле, %
степень усвоения Nb в металле, %
содержание Nb в металле, %
степень усвоения Nb в металле, %
1.
0,0250
91,5
0,0355
90,4
2.
0,0260
93,6
0,0340
87,4
3.
0,0248
90,8
0,0330
84,0
4.
0,0255
92,7
0,0340
88,3
5.
0,0250
89,1
0,0295
75,1
диапазон
0,0248-0,0260
89,1-93,6
0,0295-0,0355
75,1-90,4
стандартное отклоне-ние
0,00049
1,75
0,00600
6,01
Заявитель впервые опытным путем установил, что при заявленном соотношении ингредиентов наполнителя порошковой проволоки, максимально суженном диапазоне основного компонента наполнителя - ниобия - обеспечивается:
- повышенная стабильность конечного химического состава легируемых сталей, и, как следствие, воспроизводимость механических свойств готового металлопроката;
- значительная экономия дорогостоящего феррониобия.
При этом использование патентуемого состава порошковой проволоки для микролегирования сталей позволяет, за счет точного попадания в заданные пределы содержания элемента - ниобия в стали с первой отдачи (исключается необходимость делегирования), оптимизировать объем расхода проволоки, сократить время внепечной обработки стали, снизить затраты электроэнергии и износ основного технологического оборудования и футеровки, а также повысить производительность.
Заявителем установлено, что расчет норм расхода ниобия следует производить из условия содержания ниобия в стали 0,025% с учетом усвоения в условиях предприятия, поскольку стабильность химического состава наполнителя проволоки позволяет гарантированно получать в готовой стали не менее 0,02% ниобия.
Таким образом, при производстве, например, стали марки 10Г2Б с использованием патентуемой рецептуры наполнителя порошковой проволоки, экономия ниобия составит 0,11 кг/т готовой стали, а экономия дорогостоящего феррониобия 60 составит 0,20 кг/т стали.
Проведенные заявителем исследования подтверждают, что достижение (обеспечение) точного конечного химического состава при микролегировании, например, стали марки 10Г2Б и высокая эффективность усвоения ниобия достигается найденным опытным путем (т.е. в 2,5 раза суженным по сравнению с ГОСТ 16773-03) диапазоном разброса ниобия в рецептуре наполнителя, а также точной дозировкой исходного количества ниобия в наполнителе и адекватным ему содержанием железа. Также наличие в феррониобии алюминия и его содержание до 3% положительным образом влияет на усвоение легирующего элемента - ниобия, за счет лучшего раскисления стали.
Определяющим фактором патентуемого изобретения является точно определенный исходный объем ниобия, а также соотношение ниобия и железа в патентуемой рецептуре наполнителя, что позволяет использовать в патентуемой порошковой проволоке минимально необходимое количество такого дорогостоящего компонента, как ниобий, обеспечить «точное попадание» процентного содержания ниобия в заданные пределы в легируемой стали, снизить химическую неоднородность состава легируемых сталей.
Совокупность рассчитанных и подтвержденных опытным путем данных эффективности патентуемого состава порошковой проволоки позволяет заявителю констатировать ее высокую технологическую и экономическую перспективность. Установлено, что патентуемое изобретение позволяет:
- разработать и реализовать в металлургической практике ресурсосберегающую и управляемую технологию внепечной обработки и микролегирования сталей порошковой проволокой на основе феррониобия;
- существенно повысить экономическую эффективность металлургического производства и микролегирования сталей за счет кардинального сокращения отсортировки полученной легированной стали из-за несоответствия конечного химического состава заданному;
- оптимизировать объем расхода проволоки, затраты электроэнергии и износ основного технологического оборудования.