ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ С НАПОЛНИТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ФЕРРОТИТАНА (ВАРИАНТЫ)
FLUX CORED WIRE FOR STEEL MICROALLOYING WITH FERROTITANIUM BASED FILLER (VERSIONS)

Патентуемое изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке металлургических расплавов порошкообразными реагентами. Настоящее изобретение найдет применение при производстве новой перспективной и технологичной порошковой проволоки с наполнителем на основе ферротитана, которая предназначена для микролегирования стали.
Известна порошковая проволока, наполнитель которой представляет собой молотый порошкообразный ферротитан (патент РФ №2243269, С21С 7/10). При выплавке титаносодержащих сталей для получения требуемого содержания титана перед вводом порошковой проволоки с наполнителем из ферротитана проводится подготовка металла (ввод раскислителей, вакуумирование), что позволяет снизить активность кислорода и азота и обеспечить при выплавке требуемый уровень содержания титана.
Известна также порошковая проволока с наполнителем из ферротитана (патент РФ №2227164, С21С 7/00), которая используется для микролегирования стали титаном, наиболее близкая по технической сущности к патентуемому изобретению и выбранная в качестве прототипа.
Изобретение по патенту РФ №2227164 направлено на достижение стабильно высокой степени усвоения титана и обеспечение его получения в узких заданных пределах. Обеспечение высокой степени усвоения титана достигается оптимальной скоростью ввода порошковой проволоки и регламентированной массовой скоростью поступления титана в единицу времени.
Ограничивающим фактором применения настоящего изобретения является необходимость точного соблюдения технологической скорости подачи проволоки в расплав и поддержание массовой скорости поступления титана в заданных пределах, что требует высокого уровня соблюдения технологической дисциплины и высокой квалификации специалистов, а также современного металлургического оборудования, которое имеется в наличии не на всех металлургических предприятиях.
Кроме того, существенным недостатком порошковой проволоки на основе ферротитана по патенту РФ №2227164 является то, что при расчете норм расхода ферротитана руководствуются уровнем средних значений содержания данного элемента в стали с учетом усвоения. Проведенные заявителем научно-технические исследования эффективности микролегирования стали ферротитаном 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.
Известно, что для микролегирования стали используется либо кусковой ферросплав, либо порошковая проволока.
Недостатком использования ферротитана в виде куска является нестабильное усвоение основного элемента - титана, а следовательно, повышенный расход этого дорогостоящего компонента наполнителя.
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 избежание взаимодействия со шлаком.
Вместе с тем, ГОСТ 4761-91 на ферротитан предусматривает колебание содержания титана до ±10%-12% от номинального. В силу данного положения при расчете норм расхода основного элемента - титана исходя из ГОСТ 4761-91 в качестве наполнителя порошковой проволоки необходимо учитывать данные значения в отклонении (в диапазоне) содержания основного элемента - титана.
На практике при расчете норм расхода ферротитана используют среднее содержание титана в стали с учетом усвоения, что (как показывают наши исследования) избыточно и не соответствует уровню оптимальной дозировки титана в составе наполнителя проволоки. Подобная методика расчета необходимого объема титана в наполнителе порошковой проволоки приводит к повышенному расходу дорогостоящего компонента.
Например, содержание титана в конструкционной низколегированной стали марки 10Г2ФБ составляет от 0,015 до 0,035%. Расчет норм расхода ферросплава при использовании ферротитана в виде наполнителя порошковой проволоки либо в кусковом виде производится на содержание титана в готовой стали, равное 0,025% с учетом усвоения элемента в условиях предприятия.
Настоящее изобретение решает задачи:
- повышения точности дозировки технологически необходимого объема ферротитана в качестве наполнителя порошковой проволоки для микролегирования стали с учетом временных параметров технологического процесса;
- существенного снижения разброса содержания титана и железосодержащей составляющей наполнителя порошковой проволоки;
- сокращения объема непроизводительных потерь ферротитана в процессе микролегирования сталей;
- сокращения брака (отсортировки) легированной стали по химическому составу;
- уменьшения разброса и устранения выпадов механических и специальных свойств готового металла за счет минимизации отклонения содержания микролегирующего элемента в стали;
- получения стабильных и прогнозируемых результатов от микролегирующего действия ферротитана на сталь;
- обеспечения воспроизводимости и стабильности химического состава легируемых сталей;
- точного попадания процентного содержания титана в заданные пределы в легируемой стали;
- снижения химической неоднородности состава легируемых сталей.
Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.
Заявителем исследованы различные рецептуры наполнителей порошковой проволоки на основе ферротитана и найдены соответствующие оптимальные индивидуальные составы для микролегирования стали, ориентированные на различный по технологическому времени процесс микролегирования (тип металлургического производства), которые отличаются точно найденным конечным объемом содержания титана и железосодержащей составляющей.
Вариант 1.
При наличии технологического регламента времени проведения микролегирования стали, например, в условиях непрерывной разливки стали решение поставленной технической задачи достигается следующим составом наполнителя.
В порошковой проволоке для микролегирования стали с наполнителем на основе ферротитана, аналогичной проволоке, описанной в патенте РФ №2227164, состоящей из стальной оболочки и наполнителя, содержащего порошкообразный ферротитан, согласно настоящему изобретению наполнитель дополнительно содержит алюминий, кремний, углерод, фосфор и серу.
Согласно изобретению содержание компонентов в наполнителе составляет, мас.%, соответственно:
Титан
69,0-72,0
Алюминий
не более 5,0
Кремний
не более 1,0
Углерод
не более 0,4
Фосфор
не более 0,05
Сера
не более 0,05
Железо
остальное
Вариант 2.
При отсутствии технологического регламента времени проведения микролегирования стали, например, в условиях отсутствия на металлургическом предприятии установки непрерывной разливки стали решение поставленной технической задачи достигается следующим составом наполнителя.
Согласно настоящему изобретению наполнитель дополнительно содержит алюминий, кремний, углерод, фосфор и серу.
Изобретение предусматривает, что содержание компонентов в наполнителе составляет, мас.%:
Титан
29,0-32,0
Алюминий
не более 14,0
Кремний
не более 8,0
Углерод
не более 0,2
Фосфор
не более 0,07
Сера
не более 0,07
Железо
остальное
При этом для обоих вариантов патентуемого изобретения содержание наполнителя и стальной оболочки составляет, мас.%, соответственно 55-85 и 15-45, а коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 0,7-0,8.
В процессе разработки вариантов составов патентуемой порошковой проволоки (расчетным путем) определена следующая зависимость для подсчета экономии основного элемента ферросплава:
ср
Э
У
Э=10(С-С)×К, где:
Э - экономия титана (основного элемента) ферросплава в кг/т стали;
ср
С - содержание титана в готовой стали, на которое ведется расчет норм расхода ферросплавов в настоящее время, %;
Э
С - содержание титана в готовой стали, на которое ведется расчет норм расхода ферросплавов согласно патентуемому изобретению, %;
У
К - коэффициент, учитывающий степень усвоения титана в стали;
10 - поправочный коэффициент для пересчета.
Патентуемые варианты состава наполнителя предусматривают возможность введения в наполнитель добавок редкоземельных металлов (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 патентуемых рецептурах 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.
Технический результат патентуемого изобретения заключается в следующем. Заявитель опытным путем установил оптимальные дозировки ферротитана для микролегирования сталей при различных технологических процессах выплавки стали и впервые определил, что при процентном содержании титана (69-72 мас.% или 29-32 мас.%) в наполнителе порошковой проволоки и максимально суженном диапазоне доминирующего компонента наполнителя - титана для различных по технологическому времени процессах производства стали:
- обеспечивается высокая технологичность процесса микролегирования стали для различных видов металлургического производства, в частности в условиях непрерывной разливки стали - вариант 1 или в условиях отсутствия на металлургическом предприятии установки непрерывной разливки стали, вариант 2;
- обеспечивается воспроизводимость химического состава легируемых сталей в рамках серии плавок;
- практически достигается устранение такого негативного результата от микролегирования, как отсортировка стали из-за несоответствия конечного химического состава легированной стали требуемому, т.е. исключается брак готового металла по химическому составу;
- обеспечивается существенное уменьшение разброса и выпадов механических и специальных свойств готового металла;
- достигается экономия дорогостоящего ферротитана.
Патентуемое изобретение позволяет разработать и реализовать в металлургической практике ресурсосберегающую и управляемую технологию внепечной обработки и микролегирования сталей порошковой проволокой на основе ферротитана, существенно повысить экономическую эффективность микролегирования сталей за счет кардинального сокращения отсортировки полученной легированной стали из-за несоответствия конечного химического состава заданному, сократить (оптимизировать) расход порошковой проволоки и соответственно сократить расход электроэнергии и износ производственного оборудования при микролегировании сталей.
При этом заявляемые варианты изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, поскольку относятся к одному и тому же виду объектов (к рецептуре порошковой проволоки на основе ферротитана), имеют одинаковое назначение, но не могут быть охвачены в формуле изобретения одним общим пунктом. При реализации вариантов изобретения получают одинаковый технический результат - применение в порошковой проволоке оптимального количества дорогостоящего легирующего компонента для различных по технологическому времени процессов производства стали, обеспечение воспроизводимости химического состава легируемых сталей в рамках серии плавок и т.п.
Сущность изобретения поясняется описанием примера конкретной реализации патентуемой порошковой проволоки для микролегирования, например, стали марки 10Г2ФБ.
Как показывают проведенные заявителем исследования, обеспечение точного конечного химического состава при микролегировании, например, стали 10Г2ФБ и высокая эффективность усвоения титана достигаются исходной оптимальной дозировкой титана в наполнителе и адекватным ему объемом железа и максимально узким (т.е. в 2,5 раза суженным по сравнению с ГОСТ 4761-91) диапазоном разброса титана в рецептуре наполнителя.
Определяющим фактором патентуемого изобретения является точно определенный исходный объем титана и соотношение титана и железа в патентуемой рецептуре наполнителя. Точная исходная дозировка титанового компонента наполнителя позволяет использовать в патентуемой порошковой проволоке минимально необходимое количество данного дорогостоящего компонента, обеспечить «точное попадание» процентного содержания титана в заданный и значительно зауженный по сравнению с ГОСТ диапазон в легируемой стали, снизить химическую неоднородность состава легируемых сталей.
Патентуемые рецептуры наполнителя отличаются оптимально сбалансированным составом, который:
- обеспечивает комплексное и технологически эффективное микролегирование стали;
- позволяет устранить традиционные потери дорогостоящего элемента - титана (при его избыточном содержании в наполнителе, которое рассчитывается на основании ГОСТ 4761-91 из условия широкого диапазона разброса содержания титана до ±10%-12% от номинального) за счет угара данного дорогостоящего компонента при микролегировании стали.
Таким образом, при производстве, например, 300 тонн стали марки 10Г2ФБ с использованием патентуемой рецептуры наполнителя порошковой проволоки, например вариант 1 настоящего изобретения, экономия титана, рассчитанная на основе разработанного заявителем соотношения:
ср
Э
У
Э=10(С-С)×К, составит 0,09 кг/т готовой стали, а экономия дорогостоящего ферротитана составит 0,13 кг/т стали.
Проведенные заявителем исследования различных конечных составов наполнителя порошковой проволоки на основе ферротитана, а также совокупность подтвержденных опытным путем технологических данных о доказанной эффективности патентуемых рецептур наполнителя проволоки позволяет:
- констатировать ее высокую технологическую и экономическую перспективность;
- разработать и реализовать в металлургической практике ресурсосберегающую и управляемую технологию внепечной обработки и микролегирования сталей порошковой проволокой на основе ферротитана;
- существенно повысить экономическую эффективность металлургического производства и микролегирования сталей за счет кардинального сокращения отсортировки полученной легированной стали из-за несоответствия конечного химического состава заданному.