СПЛАВ "КАЗАХСТАНСКИЙ" ДЛЯ РАСКИСЛЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ
"KAZAKHSTAN" ALLOY FOR STEEL DEOXIDISING AND ALLOYING

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к процессам создания сплава для раскисления, легирования и модифицирования стали.
Известен сплав для раскисления и модифицирования стали (а.с. №990853, СССР, кл. С22С 35/00, опубл. Б.И. 1983, №3) состава, мас.%: 30,0-49,0 кремний; 6,0-20,0 кальций; 4,0-20,0 ванадий; 1,0-10,0 марганец; 1,5-4,0 титан; 1,5-5,0 магний; 0,3-0,8 алюминий; 0,5-1,5 фосфор; остальное - железо.
Недостатком сплава является присутствие фосфора, негативно влияющего на качество стали, в частности, это может привести к хладноломкости. Пониженное содержание кремния и алюминия в сплаве не обеспечивают достаточного раскисления стали. Для большего усвоения легирующих элементов данного сплава необходимо предварительно раскислять сталь алюминием. В противном случае необходим повышенный расход сплава.
Наиболее близким по составу к заявляемому сплаву является сплав для раскисления и легирования стали (патент РК №3231, кл. С22С 35/00, опубл. 15.03.96, бюл. №1), который содержит следующие компоненты, мас.%: 15,0-30,0 алюминий; 45,0-55,0 кремний; 1,0-3,0 кальций; 0,1-0,3 магний; 0,1-0,8 углерод; остальное железо. Сплав выплавляется восстановлением золы углей коксом. Технические и химические составы шихтовых материалов представлены в таблице 1.
Недостатком получения сплава (прототипа) является то, что качественные характеристики стали при обработке таким сплавом недостаточно высокие, такой состав сплава не достаточно раскисляет сталь и в результате выплавляемая сталь имеет низкие характеристики. Повышенные количества кислорода в стали, обработанной известным сплавом (прототипом), достигающее 0,0036%, способствует увеличению остаточных количеств оксидных включений (до 0,097%) в стали. Это является следствием пониженного количества кальция, являющегося элементом-модификатором, что не позволяет более полно удалять неметаллические включения и снизить их количество ниже 0,0082%. Кроме того, применение в составе шихтовой смеси кокса и золы сжигания углей негативно влияет на процесс плавки в виде увеличенной спекаемости шихтовых материалов на поверхности колошника электропечи и приводит к затруднениям при отводе технологических газов. Легкоплавкая зола начинает интенсивно оплавляться и приводит к преждевременному шлакообразованию, плохой газопроницаемости, выносу основных элементов в газовую фазу через высокотемпературные газовые прорывы. Удельный расход электроэнергии при выплавке сплава составляет 11,0-11,6 МВт·ч/т. При этом содержание кальция не превышает 3,0%.
2
Совокупность перечисленных недостатков способствует понижению качественных характеристик выплавляемой стали, в частности ударная вязкость (-40°С) не превышает значения 0,88 МДж/м.
Достигаемым техническим результатом является повышение качества обработанной стали заявляемым сплавом за счет глубокого раскисления и модифицирования неметаллических включений и одновременного микролегирования стали барием, титаном и ванадием.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем:
Сплав для раскисления, легирования и модифицирования стали, содержащий алюминий, кремний, кальций, углерод и железо, дополнительно содержит барий, ванадий и титан в следующем соотношении, в мас.%:
кремний
45,0-63,0
алюминий
10,0-25,0
кальций
1,0-10,0
барий
1,0-10,0
ванадий
0,3-5,0
титан
1,0-10,0
углерод
0,1-1,0
железо
остальное
Содержание элементов раскислителей в составе сплава в указанных пределах позволяет снизить количество кислорода в объеме стали в 1,4-1,8 раза по сравнению с известным сплавом (прототипом). Это позволило повысить полезное использование ванадия до 90%. Усвоение марганца из силикомарганца в сталь повысилась на 9-12%, достигнув значения 98,8%, вследствие глубокого раскисления и экранирования кислорода активными кальцием, барием, алюминием и кремнием. Барий и кальций в указанных пределах, кроме раскисляющей способности, играют роль активных десульфураторов, дефосфораторов, модификаторов неметаллических включений (НВ), придавая им легкоплавкость, за счет комплексности, заметно снижают общее количество НВ в стали. Остаточная сера и оксиды в присутствии кальция, бария и титана модифицируются в мелкие оксисульфиды и комплексные оксиды с равномерным распределением в объеме стали без образования строчечных включений и их скоплений. Количество остаточных оксидных НВ снизилось в 1,16-1,35 раза, чем при обработке стали сплавом (прототипом).
2
Микролегирование ванадием и титаном по сравнению с применением известного сплава (прототипа) заметно улучшают механические свойства обработанной стали. Так ударная вязкость при (-40°С) достигла значений 0,92-0,94 МДж/м.
2
Предлагаемый сплав повышает переход марганца в сталь при ее обработке как марганецсодержащими концентратами при прямом легировании, так и из ферросплавов. Извлечение марганца повысилось на 0,3-0,5%, количество оксидных включений снизилось на 20%, ударная вязкость повысилась на 0,04-0,06 МДж/м, чем при использовании известного сплава (прототипа).
Сплав выплавляется из высокозольных углеотходов угледобычи с добавками длиннопламенного угля низкой степени метаморфизма, извести, баритовой руды, ванадийсодержащего кварцита, ильменитового концентрата. Использование кокса исключается. Удельный расход электроэнергии составляет 10,0-10,9 МВт·ч. В процессе выплавки сплава, в отличие от известного сплава (прототипа), применяется высокозольная углистая порода и длиннопламенный уголь. Углистая порода содержит 50-65% золы, в которой сумма оксидов кремния и алюминия составляет не менее 90%, содержит в достаточных количествах природный углерод для восстановительных процессов, что технологично и экономически целесообразно. Добавки длиннопламенного угля, обладающего свойством разрыхлителя шихты, улучшают газопроницаемость верхних слоев колошника и отвод технологических газов. Расход электроэнергии при выплавке заявляемого сплава ниже на 8,7% по сравнению с прототипом.
Пример. Заявляемый состав сплава выплавляли в стационарной руднотермической электропечи мощностью трансформатора 0,2 МВА. Химические и технические составы использованных шихтовых материалов представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Технический анализ углистой породы и угля
Материал
Содержание, %
А<sup>с</sup>
V<sup>c</sup>
W
С<sub>тв</sub>
S
Углистая порода
57,6-59,8
16,0
4,0
20,0-22,4
0,05
Уголь
4,0
40,1
10,7
55,9
0,36
Таблица 3
Химический анализ шихтовых материалов
Материал
Содержание, %
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
СаО
MgO
TiO<sub>2</sub>
BaO
V
S
P
Углистая порода
57,6
34,2
5,72
0,7
0,4
1,2
-
-
0,05
0,015
Уголь
53,5
27,1
8,35
6,19
3,89
-
-
-
-
0,012
Ванадийсодержащий кварцит
94,3
1,1
1,2
0,4
0,3
-
-
0,8
-
0,15
Баритовая руда
35,7
1,0
1,0
2,0
-
-
44,0
8,57
0,02
Ильменитовый концентрат
7,4
3,4
16,8
2,2
1,7
59,7
3,0
0,01
0,015
Известь
0,2
0,3
1,5
92,0
5,95
-
-
-
0,02
0,03
В результате проведения испытаний было установлено, что наименьший удельный расход электроэнергии, стабильный ход работы печи и лучшая газопроницаемость колошника соответствует плавкам предлагаемого состава сплава. При этом исключается карбидообразование и улучшаются технологические свойства колошника печи и, соответственно, его эксплуатация.
Оценку раскисляющей и легирующей способности заявляемого и известного (прототип) сплавов осуществляли в открытой тигельной индукционной печи ИСТ-0,1 (садка 100 кг) при выплавке низколегированных марок сталей (17ГС, 15ГЮТ). В качестве металлической шихты использовали металлический лом с содержанием 0,03-0,05% углерода и до 0,05% марганца.
После получения металлического расплава и доведения его температуры до 1630-1650°С металл сливали в ковш. Раскисление заявляемым сплавом и сплавом (прототипом) проводили в ковше совместно с силикомарганцем СМн 17 из расчета получения в стали до 1,4% марганца. Степень извлечения марганца в сплав определяли по химическому составу проб металла. Металл разливали в слитки, которые затем прокатывали на листы толщиной 10-12 мм. Результаты раскисления и легирования приведены в таблице 4.
Заявляемый сплав использовался при обработке стали в опытных плавках №3-11. Лучшие результаты по раскислению, легированию и модифицированию стали достигнуты в опытных плавках при обработке стали сплавами №5-9 (таблица 4). В этих плавках достигнуто наиболее максимальное усвоение марганца из силикомарганца в сталь, составляющее 96,0-98,0%, что на 9-12% выше по сравнению при использовании сплава прототипа. Увеличение извлечения марганца объясняется более полным раскислением стали за счет повышенного содержания в заявляемом сплаве кремния и алюминия, а также присутствия кальция, бария и титана. Содержание кислорода в опытной стали, обработанной сплавами №5-9, снизилось в 1,4-1,8 раза до значений 0,002-0,0026%, чем в стали, обработанной сплавом (прототипом) 0,003-0,0036%) соответственно.
2
2
т
5
в
Для оценки качества и механических свойств полученного металла определяли количество неметаллических включений по ГОСТ 1778-70. Неметаллические включения при раскислении заявляемым сплавом были более мелкими и глобулярной формы с отсутствием строчечных включений глинозема и скоплений оксидов, чем при использовании сплава (прототипа). Это обеспечивается благодаря кальцию и барию в составе сплава, которые проявляют кроме десульфурирующей и дефосфорирующей способности также и модифицирующие свойства, аналогичные поверхностно-активным веществам, что проявляется в коагуляции оксидов в легкоплавкие комплексы, легко удаляемые из объема стали. Содержание остаточных оксидных НВ снизилось до 0,007-0,0075% по сравнению с раскислением известным сплавом (прототипом), при раскислении которым количество оксидных включений составило 0,0084-0,0097%. Микролегирование ванадием и титаном в заявляемом сплаве позволили одновременно увеличить ударную вязкость, пластичность и твердость опытной стали. Ударная вязкость при (-40°С) повысилась до 0,92-0,94 МДж/м против 0,82-0,88 МДж/м, предел текучести (σ) - 490-510 МПа, относительное удлинение (σ) 35-37%, временное сопротивление (σ) - 610-629 МПа. Полученное соотношение компонентов в заявляемом сплаве соответствует оптимуму и позволяет применять его для раскисления и легирования полуспокойных и низколегированных марок сталей, обеспечивая равномерное образование легкоплавких комплексных НВ, легко удаляемых из объема стали, а остаточные НВ преобразуя в тонкодисперсные и оптимальной глобулярной формы.
Принятые пределы соотношения компонентов в сплаве являются рациональными. В частности, уменьшение концентрации кальция, бария, ванадия и титана ниже определенного предела в сплаве не обеспечивает при обработке стали желаемого эффекта раскисления, легирования и модифицирования остаточных НВ. Так обработка стали сплавом, полученной при плавке №3 с пониженным содержанием кремния, кальция и бария, несмотря на повышенное содержания алюминия и титана недостаточно раскисляет сталь, содержит повышенное количество строчечных включений глинозема и оксидных НВ, а механические свойства - на уровне стали, обработанной сплавом (прототипом).
В то же время превышение допустимых пределов концентрации этих элементов нецелесообразно вследствие того, что увеличивается удельный расход электроэнергии при получении заявляемого сплава, а положительные свойства от применения не намного отличаются от заявляемых пределов по составу.
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом за счет дополнительного содержания в сплаве бария, ванадия и титана позволяет:
- проводить более глубокое раскисление стали;
- значительно снизить содержание неметаллических включений;
- модифицировать остаточные неметаллические включения в благоприятные комплексы с их равномерным распределением в объеме стали;
- повысить степень извлечения марганца в сталь;
- повысить ударную вязкость стали.
Кроме того, экономическая целесообразность выплавки сплава заключается в применении дешевых высокозольных углистых пород, исключении применения дорогостоящего кокса.
Результаты проведенных опытных плавок стали марки 17ГС, 15ГЮТ показали на высокую эффективность заявляемого сплава.