СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК
METHOD OF CONTINUOUSLY CASTING OF STEEL BILLETS

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке сталей, предназначенных для производства труб, изделий транспортного, химического и энергетического машиностроения, металлоизделий в «северном исполнении» и т.д.
Известен способ получения сталей с повышенным уровнем пластических и вязкостных свойств, с хорошей трещиноустойчивостью отливок из нее при применении редкоземельных металлов (РЗМ) в пределах 0,15-0,25 мас.%. (Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифцирование чугуна и стали. М: Металлургия, 1986, 271 с.).
Недостатком способа является нестабильность механических свойств металла, связанная с высоким содержанием РЗМ, приводящим к обогащению этими элементами границ зерен и выделению по границам РЗМ-содержащих фаз, появлению «цериевой неоднородности». Кроме того, столь высокое содержание РЗМ в стали не позволяет производить непрерывнолитой металл вследствие «затягивания» продуктами раскисления РЗМ огнеупорной металлопроводки.
Известен способ внепечной обработки металлургических расплавов с использованием порошковой проволоки, в котором наполнитель содержит кальций, кремний, железо и РЗМ при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
кальций
8-25
кремний
35-50
РЗМ
8-20
железо
остальное
при соотношении между кальцием и РЗМ 0,8-2,2:1. Кальций в наполнителе может находиться в виде сплава с кремнием, 10-50% кальция может находиться в виде металлического кальция. Наполнитель проволоки может дополнительно содержать алюминий и магний в количестве 0,1…5,0 мас.% каждого (Патент №2318026).
Недостатком данного изобретения является низкая эффективность, связанная с высокой окисленностью РЗМ еще до начала обработки расплава, а также с применением в наполнителе смеси кальция и РЗМ, не способной к образованию «живучих» соединений с кальцием в силу несмешиваемости их расплавов.
Известен способ, в котором для внепечной обработки углеродистых и низколегированных сталей используют модификатор, содержащий, мас.%: кальций 0,5-15, РЗМ 17-40, кремний 5-50, железо - остальное, при отношении содержания кальция к редкоземельным металлам менее 0,7. Модификатор может дополнительно содержать 0,5-5 мас.% магния (Патент №2387727).
Недостатком способа является его низкая эффективность, обусловленная недостаточным раскислением и рафинированием расплава от неметаллических включений и модифицированием последних, что приводит к снижению комплекса прочностных, пластических и ударных свойств металлопродукции. Недостаточная раскисленность металла перед вводом РЗМ-содержащих модификаторов приводит к образованию цериевой неоднородности, загрязненности металла оксидами РЗМ и ухудшению его разливаемости, что не позволяет получать непрерывнолитую заготовку (НЛЗ).
Известен способ производства заготовок на машинах непрерывного литья (МНЛЗ), включающий подачу в кристаллизатор металла и порошковой проволоки с лигатурами РЗМ из цериевой и иттриевой групп в процессе непрерывной разливки низколегированной трубной стали марок 09Г2С и 09Г2ФБ для снижения ликвации химических элементов и примесей в НЛЗ (Влияние добавок щелочно- и редкоземельных металлов в кристаллизатор на качество непрерывнолитых заготовок и проката. Я.А. Шнееров, B.C. Есаулов, Я.Н. Малиночка и др. Сталь, 1983, №12. с.22-26).
Недостатком способа является неоднородное распределение РЗМ в объеме заготовки, связанное с их подачей непосредственно в кристаллизатор, а также необходимость применения сложного дополнительного оборудования для подобного ввода порошковой проволоки.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является способ производства НЛЗ, в котором после выплавки и внепечной обработки расплава стали 09Г2С в процессе разливки металла для повышения его коррозионной стойкости в область стопора промежуточного ковша МНЛЗ порошковой проволокой вводят РЗМ материал состава, мас.%: 27,7 РЗМ, 30,2 Si, 8,1 Al, 6,4 Ca, 11,8 Nb, 15,8 Fe (Повышение коррозионной стойкости толстолистового проката путем внепечной обработки стали порошковой проволокой с РЗМ. Бродецкий И.Л., Троцан А.И., Белов Б.Ф. и др. Строительство, материаловедение, машиностроение: Сборник научных трудов. Днепропетровск. ПГАСА, 2009. с.3).
Недостатком данного способа является неоднородность получаемого металла по содержанию РЗМ и трудности в исполнении данной технологии, связанные с введением порошковой проволоки непосредственно в область стопора промежуточного ковша, наличием дополнительного оборудования и отсутствием нормального перемешивания расплава после ввода РЗМ. Кроме того, при подобной технологии введения РЗМ отсутствует возможность удаления из расплава образующихся оксидов и сульфидов РЗМ, которые «затягивают» стаканы на МНЛЗ и резко ухудшают разливаемость металла.
Технической задачей настоящего изобретения является улучшение разливаемости РЗМ-содержащих сталей на МНЛЗ.
Технический результат достигается за счет того, что в способе производства непрерывнолитых заготовок из РЗМ-содержащей стали, включающем выплавку, внепечную обработку и разливку, выплавляют сталь, содержащую, мас.%: 0,05-0,5 углерода, 0,15-1,0 кремния, 0,35-1,5 марганца, 0,005-0,7 хрома, 0,005-0,5 никеля, 0,005-0,5 меди, не более 0,010 серы, не более 0,020 фосфора, железо и неизбежные примеси, при внепечной обработке вводят 0,003-0,050 мас.% алюминия и после вакуумирования вводят 0,001-0,01 мас.% РЗМ в виде комплексного модификатора, содержащего редкоземельные (РЗМ) и щелочноземельные (ЩЗМ) металлы, причем содержание бария в модификаторе составляет 2-30 мас.%, а отношение суммарного количества РЗМ к суммарному количеству ЩЗМ составляет 1,0:1,0-4,5.
Кроме того, перед присадкой комплексного модификатора в расплав может быть введен ЩЗМ-содержащий материал из расчета 0,01-0,9 кг ЩЗМ на тонну стали.
При этом комплексный модификатор и ЩЗМ-содержащий материал могут быть введены в расплав в виде наполнителя порошковой проволоки.
Испытания показали, что значительное улучшение разливаемости РЗМ-содержащих сталей при прочих равных условиях связано с оптимизацией технологии введения РЗМ в расплав и, в частности, с отработкой технологии модифицирования, а также количеством и составом применяемых для этого материалов.
Улучшение разливаемости РЗМ-содержащих сталей на МНЛЗ достигается в случае эффективного предварительного раскисления и десульфурации расплава, что обеспечивается при внепечной обработке введением в расплав 0,003-0,050 мас.% алюминия, последующим вакуумированием металла и введением РЗМ в виде комплексного модификатора, содержащего также ЩЗМ, в числе которых должен присутствовать барий. При этом роль бария заключается не только в связывании кислорода и серы в жидком металле, но и в эффективном модифицировании неметаллических включений, а также их удалении из расплава. Экспериментально показано, при введении в металл 0,001-0,01 мас.% РЗМ в виде комплексного модификатора, содержащего 2-30 мас.% бария, при отношении суммарного количества РЗМ к суммарному количеству ЩЗМ 1,0:1,0-4,5 металл на машине НЛЗ разливается без затруднений в автоматическом режиме.
При меньшей раскисленности металла, т.е. при снижении количества вводимого алюминия менее 0,003 мас.% и отсутствии вакуумирования, металл разливается неудовлетворительно.
При меньшем чем 1 соотношении в комплексном модификаторе содержания РЗМ и ЩЗМ, а также при содержании в нем бария менее 2 мас.% модифицирование включений недостаточно. В результате общее количество включений в металле возрастает, вследствие чего происходит их интенсивное отложение на сталепроводке промежуточного ковша, что приводит к прекращению процесса разливки стали.
При введении алюминия менее 0,003 мас.% металл не разливается. С увеличением содержания алюминия в металле более 0,050 мас.% возрастает количество образующихся крупных алюминийсодержащих включений, ухудшаются условия разливки и снижаются механические свойства металла.
Большее чем 1:4,5 соотношение в комплексном модификаторе содержания РЗМ к ЩЗМ экономически нецелесообразно.
При наличии в комплексном модификаторе более 30 мас.% бария снижается доля стальных компонентов, а изготовление такого модификатора становится технологически сложным.
Дополнительное раскисление и модифицирование расплава ЩЗМ-содержащем материалом, вводимом в количестве 0,01-0,9 кг ЩЗМ на тонну стали, которое проводится перед введением комплексного модификатора, позволяет дополнительно раскислить и модифицировать расплав, снизить количество неметаллических включений в металле, исключить возможность образования цериевой неоднородности, улучшить разливаемость. Введение такого материала в расплав в количествах, больших, чем 0,9 кг/т стали экономически нецелесообразно.
Введение при внепечной обработке в сталь высокоактивных ЩЗМ и РЗМ в виде наполнителей порошковой проволоки снижает их угар, обеспечивает эффективное и стабильное воздействие на расплав, а также сокращает расход этих материалов.
Пример осуществления способа.
Способ опробовали при изготовлении непрерывнолитых трубных заготовок диаметром 400 мм из стали, имевшей на выпуске из 135 т электропечи состав, мас.%: 0,14-0,19 С, 0,55- 0,60 Mn, 0,21-0,25 Si, 0,025-0,028 S, 0,010-0,012 P, 0,11-0,13 Cr, 0,12-0,14 Ni, 0,02-0,23 Cu, 0,001-0,003Al, Fe - остальное.
Металл на выпуске в стальковше обрабатывали гранулированным Al, а на агрегате «ковш-печь» алюминиевой катанкой до содержания Al 0,005-0,070 мас.%. После десульфурации (S менее 0,010 мас.%) расплав вакуумировали, а затем порошковой проволокой диаметром 13 мм вводили комплексный модификатор составов А-Е из расчета 0,001-0,010 мас.% РЗМ. Далее металл разливали на МНЛЗ.
В некоторых плавках перед отдачей порошковой проволоки с комплексным наполнителем проводили обработку расплава порошковой проволокой с наполнителем состава Ж из расчета 0,01-0,9 кг суммарного содержания ЩЗМ на т стали.
Обработка по прототипу включала выплавку в 135 т электропечи металла состава, мас.%: 0,10 С, 1,35Mn, 0,51Si, 0,026S, 0,013Р, 0,005Ti, 0,005Nb, 0,008 N, 0,001Al, Fe - остальное, обработку расплава в агрегате «ковш-печь» - Al катанкой до содержания Al 0,030 мас.% и десульфурацию до 0,010 мас.%, разливку, в процессе которой в промежуточный ковш в область стопора вводили РЗМ-содержащую порошковую проволоку диаметром 13 мм из расчета 0,01 мас.% РЗМ, на заготовку диаметром 400 мм.
Составы примененных наполнителей порошковой проволоки (мас.%):
По прототипу - 27,7 РЗМ, 30,2 Si, 8,1 Al, 6,4 Ca, 11,8 Nb, 15,8 Fe.
A - 45 Si, 3 Ca, 1 Ва, 1 Mg, 1,5 Al, 10 РЗМ (Се+La+Pr+Nd), Fe - остальное. Отношение суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ (Ca+Ba+Mg)-1:0,5;
Б - 45 Si, 5 Ca, 7 Ba, 1 Mg, 1,5 Al, 13 РЗМ (Ce+La+Pr+Nd), Fe - остальное. Отношение суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ (Ca+Ba+Mg)-1:1;
В - 45 Si, 3 Ca, 16 Ba, 1 Mg, 5 Sr, 1,5 Al, 10 РЗМ (Ce+La+Pr+Nd), Fe - остальное. Отношение суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ (Ca+Ba+Mg)-1:2,5;
Г - 45 Si, 3 Ca, 14 Ba, 1 Mg, 1,5 Al, 4 РЗМ (Ce+La+Pr+Nd), Fe - остальное. Отношение суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ (Ca+Ba+Mg)-1:4,5;
Д - 45 Si, 1 Ca 30 Ba, 1 Mg, 1,5 Al, 16 РЗМ (Ce+La+Pr+Nd), Fe - остальное. Отношение суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ (Ca+Ba+Mg)-1:2;
Е - 45 Si, 2 Ca 2 Ba, 1 Mg, 1,5 Al, 5 РЗМ (Ce+La+Pr+Nd), Fe - остальное. Отношение суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ (Ca+Ba+Mg)-1:1;
Ж - 50 Si, 15 Ca, 15 Ba, 1 Mg, 1,5 Al, Fe - остальное. Суммарное содержания ЩЗМ - 30 мас.%.
Общую загрязненность металла высокотемпературными РЗМ-содержащими неметаллическими включениями, влияющую на разливаемость металла на МНЛЗ, оценивали по положению стопора МНЛЗ по ходу разливки. Наблюдаемый подъем стопора при разливке по способу, приведенному в прототипе, составил 10-20 мм и свидетельствовал о затягивании разливочного стакана (уменьшении канала) и полном прекращении разливки. В случае заявляемого способа положение стопора во время разливки постоянно находится в обычных допустимых пределах, без затягивания каналов, что позволяет разливать в автоматическом режиме большое количество металла.
В таблице 1 представлены результаты, свидетельствующие о количестве серийно разлитого металла, который прошел внепечную обработку по различным технологическим вариантам, отличающимся составом и количеством вводимых модификаторов и раскислителей, а также по технологии, приведенной в прототипе.
Таблица 1
Влияние состава и количества вводимого порошковой проволокой модификатора и раскислителя на разливаемость стали на МНЛЗ
№ п/п
Кол-во введенного Al, мас.%
Кол-во введенного ПП модификатора состава «Ж»
Кол-во введенных ПП составов А-Е элементов, мас.%
Σ РЗМ/Σ ЩЗМ в ПП составов А-Е
Кол-во Ba в ПП составов А-Е, мас.%
Количество разлитого металла без остановки разливки, т
РЗМ
ЩЗМ
1 Прототип
0,015
130
2
0,005
0
0,001
1:1
7(Б)
1200
3
0,001
0,001
0,001
1:1
7(Б)
160
4
0,003
0,001
0,0045
1:4,5
14(Г)
1100
5
0,050
0,01
0,022
1:2,5
16(В)
1400
6
0,015
0,006
0,006
1:1
7(Б)
1500
7
0,050
0,006
0,003
1:0,5
1(А)
150
8
0,070
0,006
0,015
1:2,5
16(В)
130
9
0,015
0,005
0,010
1:2
30(Д)
1400
10
0,015
0,006
0,006
1:1
2(Е)
1200
11
0,030
0,010
0,005
1:0,5
1(А)
150
12
0,005
0,001
0,006
0,006
1:1
7(Б)
1200
13
0,015
0,05
0,010
0,025
1:2,5
16(В)
1400
14
0,010
0,09
0,006
0,012
1:2
30(Д)
1300
Из представленных данных видно, что:
1. Производство НЛЗ по технологии согласно прототипу сопровождается плохой разливаемостью - менее 150 т металла (вар.1).
2. Изготовление НЛЗ по технологии согласно п.1 формулы заявляемого изобретения обеспечивает по сравнению с прототипом существенно лучшую разливаемость стали на МНЛЗ - более 1000 т (варианты 2, 4-6, 9, 10).
3. Производство НЛЗ по технологии, отличающейся от заявляемой в п1. формулы изобретения, т.е. при введении Al менее 0,003 мас.% (вар.3) либо более 0,0050 мас.% (вар.8) при отношении суммарного содержания РЗМ к суммарному содержанию ЩЗМ менее 1:1 при содержании бария в сплаве менее 3 мас.% (вар-ты 7 и 11) приводит к значительным затруднениям в разливке - менее 200 т металла в серии.
4. Изготовление НЛЗ по технологии согласно п.2 формулы, т.е. с дополнительным введением в расплав ЩЗМ-содержащего материала (из расчета 0,01-0,9 кг ЩЗМ на тонну стали) перед присадкой комплексного модификатора, обеспечивает по сравнению с прототипом лучшую разливаемость металла на МНЛЗ - более 1000 т (вар-ты 12-14).
Использование предлагаемого способа позволит улучшить разливаемость РЗМ-содержащих сталей на МНЛЗ.