СПОСОБ РАСКИСЛЕНИЯ И РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR MELTED STEEL DE-OXIDATION AND REFINING

Изобретение относится к металлургии и может быть применено в литейном производстве при внепечной обработке жидкой стали.
2
Известен способ раскисления расплавленной стали алюминием, который является сильным раскислителем, но дающий в расплаве практически неотделяемую взвесь твердых частиц (Литейное производство: Учебник для металлургических специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987, стр.22). Для раскисления в ковш вводят 0,8-1 кг алюминия на 1 тонну стали (Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. - М.: Машиностроение, 1974, стр.365). При производстве отливок из легированных сталей раскисление жидкого металла алюминием приводит к образованию в отливках большого количества неметаллических включений, снижающих механические свойства металла. Рафинировать раскисленную алюминием сталь известными способами (обработкой шлаками, вакууммированием) сложно и дорого. Так, известный способ обработки металла (авторское свидетельство СССР №621744, M.Kл C21С 7/10, заявка №1273058/22-02, заявлено 23.09.68, опубликовано 30.08.78, Бюл. №32), включает вакууммирование при многоступенчатом переливе металла из одной емкости в другую, ввод в струю продегазированного металла присадок, причем ввод присадок производят с вакууммированием металла. Такой способ обработки металла недостаточно эффективный. Снижаются температура и жидкотекучесть металла, в связи с чем в отливках образуются дефекты (недоливы, несплошность в стенках).
Наиболее близким по технической сущности является способ обработки жидкой стали присадочным материалом (патент Японии №51-40852, Кл.10 J154, 1976). В жидкую сталь вводят присадочный материал в форме проволоки, состоящей из стальной или алюминиевой оболочки и сердцевины из порошка силикокальция. Недостаток способа состоит в том, что при введении в расплавленную сталь оболочка быстро теряет жесткость, и присадочный материал, имеющий меньшую плотность, чем сталь, всплывает на поверхность стального расплава. Жидкий металл недостаточно раскисляется и рафинируется. В металле остаются неметаллические включения, качество получаемых металлических отливок невысокое.
Технический результат предлагаемого способа заключается в достижении эффективности в раскислении и рафинировании расплавленной стали применительно к производству ответственных отливок, упрощении и удешевлении процессов, уменьшении потерь температуры и жидкотекучести металла, снижении брака получаемых отливок.
Указанный технический результат достигается тем, что способ раскисления и рафинирования расплавленной стали в ковше для производства высококачественных отливок отличается от известного тем, что пустой ковш нагревают до температуры его футеровки 800-1600°С, загружают в него раздробленный алюминий и сухую соль, выбранную из группы, бариевая, калиевая, натриевая или их смесь, с добавками порошков криолита и силикат-глыбы, подвергают ковш вибрации с перемешиванием и плавлением алюминия и солей, после чего при сохранении вибрации в ковш вливают расплавленную сталь, подвергают заполненный жидкими материалами ковш вибрации в течение 10-300 секунд при увеличении частоты вибрации в 1,5-3 раза с интенсификацией по мере увеличения частоты вибрации раскисления стали жидким алюминием и удаления оксидов алюминия и неметаллических включений из стали, после этого прекращают вибрацию, удаляют шлак с поверхности металла и заливают раскисленный и очищенный от неметаллических включений металл в форму.
Осуществление способа производится следующим образом.
1
Плавят сталь, доводят ее состав до требуемого, готовят жидкую сталь к выпуску из печи. До выпуска стали разогревают футеровку ковша до Т 800-1600°С. В пустой ковш с разогретой футеровкой загружают раздробленный алюминий и сухую соль. Ковш подвергают вибрации. При вибрации ковша перемешивают алюминий с солью и путем теплопередачи от разогретых стенок ковша эти материалы плавятся. Вибрация ковша ускоряет процесс перемешивания, теплообмена и плавления загруженных материалов. Сохраняя вибрацию, в ковш с расплавленными алюминием и солью вливают расплавленную сталь. Продолжают подвергать вибрации заполненный жидкими материалами ковш в течение h 10-300 секунд, увеличивая частоту вибрации от начальной величины w до конечной w в 1,5-3 раза и при этом интенсифицируют по мере увеличения частоты вибрации раскисление стали жидким алюминием и удаление оксидов алюминия и неметаллических включений из стали расплавленной солью. После этого прекращают вибрацию ковша, удаляют шлак с поверхности металла и заливают расплавленный и очищенный от неметаллических включений металл в форму.
Температура футеровки ковша Т должна быть выше 800°С, но не выше 1600°С, что позволяет путем теплопередачи от горячих стенок ковша плавить алюминий и соль и получать расплав с температурой выше 750°С. При Т<800°С не достигается температура расплава алюминия и соли 750°С и выше, а при Т>1600°С происходят недопустимые потери алюминия в связи с окислением. Оптимум достигается при 800≤Т≤1600°С.
2
2
3
6
2
2
2
2
z
2
1
1
1
1
В ковш надо загружать раздробленный алюминий (кусочки) и сухую соль в виде порошка или кусочков. Масса вводимой соли должна быть 0,5-12 массы вводимого в сталь алюминия. Выбор состава соли зависит от состава и температуры расплавленной стали. Можно использовать BaCl или смеси, содержащие BaCl, КСl, NaCl, а также криолит NаАlF, раздробленную силикат-глыбу (2NaO·SiO, NaO·SiO, NaO·2SiO). Соль надо засыпать после заброски в ковш кусочков алюминия или совместно с алюминием. После расплавления алюминия и соли, перемешивания этих расплавов в связи с вибрацией ковша, надо ковш заполнять жидкой сталью, продолжая подвергать ковш вибрации. Расплавленные алюминий и соль (смеси солей), имея удельный вес меньше удельного веса стали, всплывают, проходят через жидкую сталь, и при этом алюминий раскисляет сталь, образуя тугоплавкий оксид алюминия. Жидкая соль, движущаяся совместно с алюминием, захватывает образующиеся частицы оксида алюминия и неметаллические включения, содержащиеся в жидкой стали, и выносят их на поверхность металла в ковше, образуется лекгоотделяемый с поверхности металла в ковше шлак. Следовательно, предлагаемый способ позволяет комплексно и эффективно раскислять жидкую сталь и удалять неметаллические включения из стали (рафинировать сталь). Заполненный жидкими материалами ковш следует подвергать вибрации в течение 10≤h≤300 секунд, увеличивая частоту вибрации в 1,5-3 paза (1,5·w≤w≤3·w). При h<10 секунд неравномерно распределяются жидкие алюминий и соль в жидкой стали, а при h>300 секунд резко снижается температура стали, уменьшается жидкотекучесть металла. Если w<1,5 w, эффективность процесса (очистки металла) недостаточная, а если w>3 w, происходит выплескивание жидкого металла из ковша. Оптимальность достигается при 10≤h≤300 секунд, 1,5·w≤w≤3·w.
Комплексное применение раскисления стали в ковше жидким алюминием и рафинирование расплавленной стали солями (бариевыми, натриевыми, калиевыми), а также солями с добавками порошков криолита, силикат-глыбы при вибрации ковша с расплавами позволяет получать высококачественные отливки ответственного назначения (турбинные лопатки из легированных сталей, отливки для бурового оборудования, компрессоростроения, химического машиностроения).
Пример.
1
Плавили сталь в тигельной индукционной электропечи. Доводили состав стали до марки 10Х18Н9Т2. Получали 60 кг расплава стали с температурой выше 1650°С. До выпуска стали из печи разогревали футеровку 30-килограммового ковша до 800-1600°С. В ковш с разогретой футеровкой загружали кусочки алюминия (из расчета достижения полного раскисления стали) и сухой порошок соли. Масса вводимой соли была от 0,5 до 12 массы вводимого в сталь алюминия. Использовали бариевую, калиевую, натриевую соль и добавки к соли криолита, раздробленной силикат-глыбы. Ковш подвергали вибрации и после расплавления алюминия и соли от разогретой футеровки в ковш вливали 30 кг жидкой стали, продолжая вибрацию ковша и выдерживая 10≤h≤300 секунд, 1,5·w≤w≤3·w. После раскисления стали жидким алюминием и удаления оксидов алюминия и неметаллических включений из стали расплавленной солью прекращали вибрацию ковша, счищали шлак с поверхности металла и заливали раскисленный и очищенный от неметаллических включений металл в формы. Получали высококачественные отливки массой до 2 кг при литье по выплавляемым моделям. Изменяя факторы в указанных выше пределах процесс повторяли 20 раз. Для сравнения применяли также известные способы раскисления и рафинирования жидкой стали в ковше. Выявлено, что при применении предлагаемого способа процесс раскисления и рафинирования расплавленной стали в 5-7 раз дешевле по сравнению с известными способами, температура заливаемого металла сохраняется высокой, металл имеет большую жидкотекучесть, брак получаемых стальных отливок меньше на 10-15%, прочность металла в 1,2-1,4 раза выше, металл содержит на 70-95% меньше неметаллических включений. Следовательно, при применении предлагаемого способа достигается эффективность в раскислении и рафинировании расплавленной стали применительно к производству ответственных отливок, упрощении и удешевлении процессов, уменьшении потерь температуры и жидкотекучести металла, снижении брака получаемых отливок.
Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Варианты осуществления предлагаемого способа обеспечивают достижение разнообразных требований к изделиям, предназначенным для машиностроения, авиастроения, кораблестроения, автомобиле-, приборо-, станкостроения. Этот способ можно использовать как для получения чистых и прочных сплавов черных металлов, так и сплавов цветных металлов. Большая эффективность может быть достигнута при производстве отливок ответственного назначения из титановых сплавов и сплавов, содержащих большое количество хрома, вольфрама, молибдена, никеля, ванадия. Так как в сталях, содержащих большое количество Ti, Cr, V, Al, Nb, Та, образуются этими легирующими элементами плены, которые уменьшают жидкотекучесть металла, нарушают сплошность отливок, снижают механические свойства металла, то эффективность предложенного способа возрастает в 6-12 раз по сравнению с известными способами удаления неметаллических плен из жидкого металла. При применении предложенного способа плены всплывают и удаляются со шлаком, качество получаемых отливок улучшается, возрастает прочность металла.