ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ ВНЕПЕЧНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
FLUX CORED WIRE WITH MODIFIER FOR OUT-OF-FURNACE STEEL TREATMENT

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке высокоуглеродистой стали проволокой с порошковым наполнителем.
Известен модификатор для стали (патент РФ №2228384; С22С 35/00), содержащий кальций, алюминий, магний и барий в виде гранул при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 12-15, магний 10-15, барий 8-10, алюминий - остальное.
При плавлении гранул такого состава взаимодействие образующих его элементов с расплавом не обеспечивает сбалансированного возникновения и удаления (всплытия) алюминатов и тем более сульфидных включений. Вызвано это различной продолжительностью взаимодействия перечисленных ингредиентов с примесями (кислородом, серой и пр.), растворимость которых уменьшается при снижении температуры расплава вплоть до кристаллизации.
Полученные данные о температуре плавления и кипения Al, Са, Ва и Mg показывают, что температурный интервал взаимодействия Al с расплавом существенно превышает период воздействия щелочноземельных элементов - Са, Ва и Mg. Это приводит к тому, что щелочноземельные элементы, не успевая в полной мере провзаимодействовать с включениями, испаряясь, всплывают в виде газовых пузырей и частично ассимилируются шлаком. А когда при дальнейшем охлаждении расплава образуются новые порции включений (преимущественно хрупких алюминатов, сульфидов и др.), их возникновение и рост протекают уже при недостаточном участии активных щелочноземельных элементов. В результате, данная порошковая проволока не может быть эффективно использована для повышения структурно-чувствительных свойств стали и в первую очередь для повышения ее механических свойств.
Известна порошковая проволока с модификатором для внепечной обработки металлургических расплавов, наиболее близкая по своему составу и технической сущности и выбранная в качестве прототипа патентуемого изобретения (патент РФ №2375462, C21C 7/00).
Порошковая проволока с модификатором для внепечной обработки металлургических расплавов (патент РФ №2375462, C21C 7/00), состоящая из стальной оболочки и наполнителя, содержит кальций, кремний и дополнительно алюминий, барий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 5-18, барий 5-15, магний 3-9, кремний 25-45, алюминий - остальное, причем кальций, барий и магний в наполнителе содержатся в виде силицидов.
Наполнитель представляет собой крупку и/или гранулы размером 0,1-2,5 мм. Соотношение между составляющими порошковой проволоки установлено, мас.%: наполнитель 40-70, стальная оболочка 30-60.
Запатентованная порошковая проволока позволяет повысить прочность, пластичность и ударную вязкость металла.
Результаты промышленного использования настоящей проволоки свидетельствуют о том, что введение комплексных модификаторов заявленного состава в виде фаз и хим. соединений активных щелочноземельных элементов усиливает модифицирующий эффект за счет увеличения интервала воздействия на расплав, рафинирования его и получения более дисперсной структуры. В комплексе это приводит к значимому повышению качества металла и продуктивному использованию модификаторов.
Вместе с тем исследования, которые проводил заявитель в отношении повышения стойкости железнодорожных колес, позволили выявить существенные недостатки порошковой поволоки по патенту РФ №2375462.
Стойкость железнодорожных колес во многом определяется чистотой стали по неметаллическим включениям и раскатанным загрязнениям, ее механическими свойствами.
При производстве стали (в том числе рельсовой, колесной и др.) широкое распространение получила внепечная обработка металла силикокальцием.
Силикокальций позволяет снизить загрязненность металла неметаллическими включениями и за счет их глобуляризации - повысить механические и эксплуатационные характеристики продукции.
Однако постоянно растущие требования к качеству металла, в том числе транспортного, а также трудности, связанные с использованием силикокальция (низкое и нестабильное усвоение, затягивание сталеразливочных стаканов, нестабильность чистоты стали по неметаллическим включениям и, как следствие, повышенный уровень дефектов готовых изделий, выявляемых при ультразвуковом контроле), определяют необходимость поиска новых путей внепечной обработки стали с использованием модификаторов, содержащих помимо кальция другой щелочноземельный металл - барий.
Близкий к кальцию по физико-химическим свойствам, барий, в сравнении с ним, обладает рядом технологических преимуществ, а именно:
- более низкие температура и теплота плавления, а значит барий раньше вступает во взаимодействие с расплавом;
- более высокая плотность и температура кипения, следовательно при обычных температурах модифицирования сталей транспортного назначения барий не достигает данной температуры и не переходит в газообразное состояние, а значит барий дольше остается в расплаве и более эффективно с ним взаимодействует.
Результаты исследований, полученные заявителем, позволяют констатировать, что порошковая проволока по патенту РФ №2375462 не позволяет достигать высокой степени очистки металла от неметаллических включений.
Кроме того, повышенное содержание алюминия в данной проволоке приводит к образованию трудноудаляемых высокоглиноземистых неметаллических включений на заключительных этапах обработки расплава - перед разливкой. Образование и наличие в металле включений подобного типа, как указывается в различных литературных источниках, является основной причиной образования контактно-усталостных дефектов, что является основной причиной досрочного вывода из эксплуатации готовых изделий, например железнодорожных колес и рельсов.
Настоящее изобретение решает задачу повышения механических свойств высокоуглеродистых сталей, предназначенных, в частности, для производства железнодорожных колес, рельсовой продукции и т.п.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом.
В порошковой проволоке с модификатором для внепечной обработки стали, аналогичной приведенной в патенте РФ №2375462, состоящей из стальной оболочки и наполнителя, содержащего барий, кальций, кремний и алюминий, согласно патентуемому изобретению, наполнитель дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: барий 5-28, кальций 1-30, кремний 30-65, алюминий 0-5, железо - остальное.
Изобретение предусматривает, что наполнитель изготовлен из порошка ферросплава и/или механической смеси порошков ферросплавов, и/или чистых компонентов в соотношениях, обеспечивающих химический состав наполнителя.
Согласно настоящему изобретению, соотношение наполнителя и стальной оболочки составляют, мас.%, 40-80 и 20-60 соответственно, а коэффициент заполнения порошковой проволоки (Кз) составляет 0,4-0,8.
(Кз - отношение массы наполнителя, содержащегося в одном погонном метре проволоки, к массе проволоки длиной один метр).
Технический результат патентуемого изобретения заключается в следующем.
Использование патентуемой порошковой проволоки с предлагаемым наполнителем позволяет при производстве высокоуглеродистых сталей (рельсовых, колесных и др.):
- повысить чистоту стали по неметаллическим включениям и раскатанным загрязнениям;
- повысить механические свойства стали,
- оптимизировать технологический процесс производства стали,
- обеспечить более высокое усвоение кальция и бария из наполнителя,
- исключить случаи затягивания сталеразливочного стакана,
- снизить уровень брака готового металла по внутренним дефектам, выявляемым ультразвуковым контролем,
- применительно к производству транспортного металла (железнодорожные колеса, рельсы и др.) патентуемая рецептура порошковой проволоки позволяет повысить качество стальных изделий, улучшить их механические свойства, существенно увеличить срок эксплуатации произведенной продукции.
Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием примеров реализации разработанной рецептуры порошковой проволоки для внепечного модифицирования высокоуглеродистой стали.
Заявителем разработана высокоэффективная порошковая проволока для внепечного модифицирования высокоуглеродистой стали, состоящая из стальной оболочки и порошка-наполнителя. Наполнитель порошковой проволоки содержит барий, кальций, кремний и алюминий, мас.%:
барий 5-28, кальций 1-30, кремний 30-65, алюминий 0-5, железо - остальное.
Наполнитель изготовлен из порошка ферросплава и/или механической смеси порошков ферросплавов, и/или чистых компонентов в соотношениях, обеспечивающих патентуемый химический состав наполнителя.
Содержание наполнителя и стальной оболочки составляет, мас.% , соответственно 40-80 и 20-60, а коэффициент заполнения порошковой проволоки (Кз) составляет 0,4-0,8.
Изготовление наполнителя из порошка ферросплава и/или механической смеси порошков ферросплавов, и/или чистых компонентов в соотношениях, обеспечивающих патентуемый химический состав наполнителя, усиливает модифицирующий эффект за счет увеличения температурного интервала воздействия бария на расплав, позволяет: повысить чистоту стали и получить более мелкодисперсную структуру, практически полностью глобуляризовать неметаллические включения и, в итоге, существенно повысить механические свойства высокоуглеродистой стали и более эффективно использовать порошковую проволоку.
Состав патентуемого наполнителя содержит, мас.%:
- барий 5-28; наличие в смесевой композиции бария в количестве 5-28 мас.% способствует (при совместном воздействии с кальцием): усилению модифицирования расплава, эффективности раскисления, глобуляризации неметаллических включений, снижению загрязненности стали по всем видам включений, измельчению величины зерна при кристаллизации. Уменьшение содержания бария ниже 5 мас.% ведет к снижению эффективности всех этих процессов. При увеличении содержания бария свыше 28% прирост эффективности прекращается и при нарушении баланса в соотношении ингредиентов качество стали даже несколько снижается;
- кальций 1-30; патентуемый объем кальция оказывается достаточным (при совместном воздействии с барием) для повышения эффективности раскисления металла, модифицирования неметаллических включений, глобуляризации окислов, измельчения литой структуры металла.
Экспериментально установлено, что снижение содержания кальция в наполнителе менее 1 мас.% оказывается недостаточным для проявления его модифицирующего влияния. Содержание кальция более 30 мас.% ведет к его нерациональному расходованию.
Эффект от совместного применения бария и кальция в определенных соотношениях приводит к комплексному их взаимодействию с расплавом, к снижению загрязненности высокоуглеродистой стали неметаллическими включениями, более полной глобуляризации неметаллических включений, измельчению литой структуры металла.
- кремний 30-65; введение кремния обусловлено необходимостью присутствия в наполнителе проволоки активных щелочноземельных элементов,
в том числе и в виде силицидов. Количество кремния определяется составом кремневых фаз, их содержанием в модификаторе. С учетом количества технологически обусловленных кремнистых фаз суммарное содержание кремния составляет 30-65 мас.%.
- алюминий 0-5; алюминий присутствует в наполнителе в виде соединений, количество алюминия в наполнителе обусловлено его наличием в исходных компонентах. В зависимости от требований потребителя, содержание алюминия в наполнителе может варьироваться от 0 до 5 мас.%.
- железо-остальное. Наличие железа обусловлено технологическими особенностями производства предлагаемого наполнителя (модификатора) и исходными материалами.
Экспериментально установлено, что размер частиц компонентов шихты наполнителя должен составлять от 0 мм до 5 мм.
Заявитель в процессе собственных исследований на металлургических предприятиях получил положительные результаты использования порошковой проволоки с наполнителем предлагаемого химического состава. В частности, установлено, что использование проволоки с предлагаемым наполнителем при выплавке колесной стали позволяет повысить чистоту стали, измельчить величину зерна металла, снизить брак железнодорожных колес по раскатанным загрязнениям и по ультразвуковому контролю (УЗК), заметно улучшить механические свойства железнодорожных колес. Также получены положительные результаты при использовании предлагаемой порошковой проволоки с барийсодержащим наполнителем в производстве рельсовой стали.
Для исследования эффективности применения порошковой проволоки с предлагаемым барийсодержащим наполнителем была произведена опытно-промышленная серия плавок колесного металла с применением патентуемой порошковой проволоки с целью снижения загрязненности колесной стали неметаллическими включениями, измельчения зерна структуры литого металла, снижения брака готовых изделий - ж.д. колес.
В ходе испытаний обработано около 40 плавок - ковшей колесного металла по ГОСТ 10791-2011.
Металлографические исследования высокоуглеродистой стали, предназначенной для железнодорожных колес и выплавленной с использованием патентуемой порошковой проволоки, позволяют сделать вывод, что полученная сталь характеризуется снижением уровня загрязненности металла по всем типам неметаллических включений и повышенным уровнем механических свойств готовых изделий.
Изготовление новой порошковой проволоки с предлагаемым наполнителем осуществляют традиционным способом на стандартном металлургическом оборудовании.
Металлическую ленту профилируют в желобообразную оболочку. Хорошо перемешанный наполнитель загружают в бункер.
Из бункера готовый наполнитель равномерно подают в желобообразную металлическую оболочку, которую далее с помощью роликовых клетей обжимают и формируют замок. Готовая проволока наматывается на катушку и в виде бунта доставляется потребителю в отделение обработки стали.
Заявителем была проведена экспериментальная апробация патентуемой порошковой проволоки с наполнителем, состоящим из смеси ферросиликобария, силикокальция, кальция и ферросилиция с различными весовыми вариантами содержания в наполнителе патентуемых компонентов.
Исследования состава наполнителя проволоки при патентуемых значениях компонентов показывают, что наибольший эффект при выплавке колесной стали получается при использовании порошковой проволоки, которую назвали ПП-T-15-Ba16Ca25Si40, с наполнителем следующего химического состава (см. таблицу):
Таблица
Марка проволоки
Содержание основных элементов, мас.%
Si
Ca
Ba
Al
Fe
Порошковая проволока диаметром 15 мм была изготовлена из ленты стальной холоднокатаной толщиной 0,4 мм по ГОСТ 503 из стали 08 пс, и наполнителя - механической смеси порошков ферросплавов и чистых металлов в пропорции, обеспечивающей химический состав, приведенный в таблице. Коэффициент заполнения в партии порошковой проволоки составил 59-63%, вес наполнителя в 1 погонном метре проволоки находился в пределах 300±10 г/м.
Модифицирование порошковой проволокой проводили после вакуумирования высокоуглеродистой стали, количество вводимой проволоки изменяли в пределах от 200 до 250 метров.
Порошковую проволоку вводили в ковш с расплавленным металлом с помощью стандартного трайб-аппарата, скорость ввода проволоки варьировали от 200 м/мин до 250 м/мин.
В результате исследования полученного опытного металла было установлено, что в нем наблюдается практически полная глобуляризация неметаллических включений. Повысилась чистота высокоуглеродистой стали по всем видам включений. Макроструктура металла опытных готовых изделий плотнее. Анализ микроструктуры опытного металла показал, что в металле зерно несколько мельче и более равномерное (7 номер), чем в металле текущего производства (5-6 номер). Из опытной стали были изготовлены железнодорожные колеса, было установлено, что брак опытных изделий по раскатанным загрязнениям снизился на 30% и по УЗК в 4,5 раза в сравнении с результатами колес текущего производства.
Полученные результаты подтверждают, что патентуемые соотношения компонентов наполнителя порошковой проволоки (из порошков ферросплавов и/или механической смеси порошков ферросплавов и/или чистых компонентов) позволяют повысить чистоту высокоуглеродистой стали по всем видам неметаллических включений, практически полностью глобуляризовать неметаллические включения, сильнее измельчить величину зерна металла, существенно уменьшить количество брака в готовых изделиях за счет снижения загрязненности сталей неметаллическими включениями.
Анализ научно-технической, патентной и реферативной информации подтверждает оригинальность состава и новизну патентуемой проволоки.
Высокая технико-экономическая эффективность опытного использования разработанной порошковой проволоки для внепечного модифицирования высокоуглеродистой стали, ее несомненные технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с известными порошковыми проволоками аналогичного назначения подтверждают перспективность и коммерческую значимость настоящей разработки.