СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
STEEL MAKING METHOD

Способ производства стали относится к области металлургии и может найти применение при выплавке и внепечной обработке конструкционных сталей различных марок.
Известен способ производства стали, включающий плавление и окисления металла в дуговой печи, выпуск металла в ковш с отсечением шлака, присадку шлаковой смеси и легирующих, раскисление алюминием, обработку основным шлаком, вакуум-шлаковую обработку с продувкой аргоном и разливку. Известный способ обеспечивает содержание серы на уровне 0,005…0,006 мас.%.
(RU 2095429, C21C 7/10, C21C 5/52, опубликовано 10.11.1997)
Недостатком известного способа, применяемого для производства подшипниковой стали с содержанием кремния на уровне 0,10…0,65 мас.%, является значительный расход аргона при вакуум-шлаковой обработке, а также проведение раскисления с использованием кремнийсодержащих материалов, что удорожает стоимость стали и ограничивает применение способа для производства конструкционных сталей с содержанием кремния менее 0,1 мас.%. Кроме того, известный способ неэффективен для получения сталей с низким содержанием водорода.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства стали, включающий выплавку в дуговой печи полупродукта, выпуск расплава в ковш, присадку твердо-шлаковой смеси и легирующих, обработку расплава основным шлаком, усреднительную продувку аргоном, контроль окисленности расплава, раскисление алюминием, вакуум-шлаковую обработку и разливку в вакууме.
(RU 2376389, C21C 7/00, опубликовано 20.12.2009)
Недостатком известного способа является его малая эффективность при получении конструкционных сталей с низким содержанием серы и водорода. Поэтому при реализации известного способа для выплавки полупродукта используют окатыши с низким содержанием серы (0,005 мас.%). Кроме того, осуществление известного способа требует значительного расхода аргона на продувку при вакуум-шлаковой обработке и на вымешивание после окончание обработки, что снижает экономичность известного способа.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного способа производства стали, обеспечивающего содержание в стали водорода не более 0,00025 мас.% и серы не более 0,0050 мас.% и повышение вязкости и пластичности стали.
2
3
2
Технический результат достигается тем, что способ производства стали включает выплавку в дуговой печи полупродукта, выпуск расплава в ковш, присадку твердо-шлаковой смеси и легирующих, обработку расплава основным шлаком, усреднительную продувку аргоном, контроль окисленности расплава, раскисление алюминием, вакуум-шлаковую обработку и разливку в вакууме, причем выпуск расплава в ковш ведут без отсечения шлака, а обработку расплава в ковше ведут шлаком с основностью В=(СаО+AlO/SiO равной 4,5…16, при этом вакуум-шлаковую обработку проводят дважды при условии, что первую вакуум-шлаковую обработку начинают при активности кислорода в расплаве 0,01…0,05 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца в диапазоне 15…25 мас.% и вторую вакуум-шлаковую обработку - при активности кислорода в расплаве не более 0,01 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца не более 5 мас.%, а перед второй вакуум-шлаковой обработкой проводят дополнительную присадку шлакообразующих и легирующих, при этом допустимое максимальное содержание водорода в металлическом расплаве перед разливкой определяют в зависимости от массы слитка по формуле:
50/P
[Н]≤0,0001×2,5, где:
P - масса слитка в тоннах в пределах 50…650 т.
Технически результат также достигается тем, что первую и вторую вакуум-шлаковую обработку ведут в течение 10…30 мин; полупродукт выплавляют из металлошихты с содержанием серы и фосфора 0,015 мас.% каждого; расплав выпускают в ковш при содержании серы не более 0,01 мас.%; остаточное давление при вакуум-шлаковой обработкой составляет 90…150 Па.
Реализация способом своего назначения и достижение поставленного технического результата может быть проиллюстрировано следующими примерами.
Способом по изобретению были выплавлены стали марки 15Х2НМФА, 10ГН2МФА и 06Х12НЗД.
В качестве металлошихты использовали горячебрикетированное железо с содержанием серы и фосфора 0,015% каждого и лом с содержанием серы и фосфора 0,015% каждого. Выплавку полупродукта проводили в 120-тонной дуговой печи при массе жидкого металла 121 т (плавка с перегрузом). Перед выпуском в ковш температура расплава составляла 1650…1655°С, а расплав содержал 0,020-0,032 мас.% серы.
Выпуск полупродукта в ковш проводили без отсечения шлака. После заполнения расплавом четверти ковша производили присадку твердошлаковой смеси (850 кг) и алюминия (0,1 кг/т). После этого передавали металл на внепечную обработку.
2
2
3
2
Сначала присаживали порцию шлакообразующих на основе СаО и CaF для повышения основности шлака В=(СаО+AlO)/SiO до уровня 2,0…3,5 и вводили легирующие - никель в виде Hl и феррохром в виде углеродистого феррохрома ФХ600. Затем проводили усреднительную продувку аргоном. После этого измеряли активность кислорода в металлическом расплаве и при необходимости корректировании ее добавлением алюминия.
Последующую первую вакуум-шлаковую обработку проводили при остаточном давлении 100…130 Па в течение 20…30 мин. При этом основность шлака поддерживали в пределах 4,5…16,0, активность кислорода - 0,01…0,05 мас.% и суммарное содержание в шлаке оксидов железа и марганца - 15…25 мас.% (см. таблицу 1). Содержание серы после первого вакуумирования в расплаве стали 15Х2НМФА - 0,009…0,013%, 10ГН2МФА - 0,008…0,011%, 06Х12НЗД - 0,007…0,010%.
В процессе вакуум-шлаковой обработки при высоком суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца, а также при высокой активности кислорода в металлическом расплаве, происходит обезуглероживание металла, сопровождающееся интенсивным перемешиванием расплава пузырьками СО. Это, в свою очередь, способствует удалению водорода, т.к. именно углеродное кипение позволяет удалить водород в наибольшей мере по сравнению с продувкой аргоном или просто вакуумированием.
После этого была проведена корректировка состава стали по основным легирующим компонентам, раскисление порошком алюминия и карбидом кремния, присажены шлакообразующие компоненты до их усвоения и введен феррокальций в виде проволоки. После нагрева расплава до 1600°С был присажен металлический хром, феррованадий, ферромолибден и проведен нагрев расплава до 1615°С.
Последующую вторую вакуум-шлаковую обработку проводили при остаточном давлении 90…120 Па в течение 20…30 мин. При этом основность шлака поддерживали в пределах 4,5…16,0, активность кислорода - не более 0,005 мас.% и суммарное содержание в шлаке оксидов железа и марганца - не более 5 мас.% (см. таблицу 2).
В процессе второй вакуум-шлаковой обработки при низкой концентрации оксидов железа и марганца в шлаке, а также более низкой активности кислорода а расплаве (восстанови тельные условия), доминирующим процессом в расплаве является процесс связывания серы в шлак.
50/Р
После второй вакуум-шлаковой обработки определяют содержание водорода, которое в зависимости от массы слитка в пределах 50…650 тонн должно удовлетворять условию [Н]≤0,0001×2,5, где Р - масса слитка в тоннах в пределах 50…650 т. При невыполнении указанного условия время второй вакуум-шлаковой обработки увеличивают. Выполнение указанного условия необходимо для обеспечения однородности распределения водорода в слитке, так как чем крупнее слиток, тем большей мере развита ликвация и тем больше вероятность накопления водорода до недопустимых значений.
После второй вакуум-шлаковой обработки провели нагрев расплава, присадку феррохрома, раскисление ферросилицием, ввели модификатор - феррокальций (40% Са) и окончательно раскислили- алюминием. Окончательная температура после внепечной обработки составила 1575-1588°С.
Содержание серы перед разливкой в расплаве стали составило 15Х2НМФА - 0,0025…0,003 мас.%, 10ГН2МФА - 0,003…0,0048 мас.%, 06Х12НЗД - 0,002…0,0044 мас.%, а содержание водорода было следующим: 15Х2НМФА - 0,00011…0,00015 мас.%, 10ГН2МФА - 0,0001…0,00014 мас.%, 06Х12НЗД - 0,00012…0,00014 мас.%.
Разливку проводили в 500-тонной вакуумной камере со скоростью 6,2-6,2 т/мин. Во время перелива из ковша в промежуточный ковш струю металла защищали специальной трубой. Место соединения защитной трубы и шибером ковша зачехляли и обдували аргоном. Зеркало металла и прибыли утепляли смесью «Nermat».
Механические свойства сталей, полученных способом по изобретению представлены в таблице 3. В таблице также представлены сведения о аналогичным сталям, полученным известным способом.
Как следует из представленных данных результатом осуществления способа по изобретению были получены конструкционные стали различного состава с содержанием водорода не более 0,00025 мас.% и серы не более 0,0050 мас.% и повышенными значениями вязкости и пластичности. По сравнению с известным способом расход аргона был более низким.
Таблица 1
Марка выплавляемой стали
Регламентируемый оксид в шлаке, мас.%
Основность <maths num="1"><math display="block"><mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>O</mi><mo>+</mo><mi>A</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000001.tif" he="9" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
K=FeO+MnO, мас.%
O<sub>2</sub>, %
FeO
MnO
СаО
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
15Х2НМФА
22,6-23,1
1,85-1,91
46,3-47,1
14,7-15,2
5,7-6,1
10,0-10,9
24,5-25,0
0,036-0,040
10ГН2МФА
21,7-22,8
1,33-1,53
41,2-45,4
13,8-14,7
5,3-6,2
8,9-11,3
23,0-24,3
0,029-0,031
06Х12НЗД
18,8-20,1
0,9-1,21
40,5-48,5
12,5-17,3
5,1-5,8
9,1-12,9
19,7-21,3
0,030-0,038
Таблица 2
Марка выплавляемой стали
Регламентируемый оксид в шлаке, мас.%
Основность <maths num="2"><math display="block"><mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>O</mi><mo>+</mo><mi>A</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000002.tif" he="10" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
K=FeO+MnO, мас.%
O<sub>2</sub>, %
FeO
MnO
СаО
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
15Х2НМФА
2,2-2,4
0,85-1,91
46,3-47,1
14,7-15,2
5,7-6,1
10,0-10,9
3,2-4,3
0,0007-0,0029
10ГН2МФА
2,5-2,6
0,793-0,81
48,9-50,1
13,8-16,3
4,3-6,9
8,9-11,3
3,3-3,4
0,0012-0,0045
06Х12НЗД
1,7-1,8
0,82-1,5
43,5-51,6
10,5-13,3
5,1-8,9
9,1-12,9
2,5-3,3
0,0009-0,0037
Таблица 3
Марка стали
Способ
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub> МПа
δ, %
ψ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
Т<sub>50</sub>, °C
15Х2НМФА
по изобретению
601-612
511-513
19-23
67-71
-70
15Х2НМФА сера 0,0073 мас.% водород 0,00032 мас.%
известный
550-573
456-477
15-17
55-59
-
-25
10ГН2МФА
по изобретению
612-633
408-429
28-29
79-81
415-419
-75
10ГН2МФА сера 0,0089 мас.% водород 0,00019 мас.%
известный
590-603
387-396
17-19
59-61
397-407
-20
06Х12НЗД
по изобретению
631-652
610-623
25-27
51-57
77-81
-65
06Х12НЗД сера 0,0092 мас.% водород 0,00024 мас.%
известный
672-683
593-601
21-23
41-47
61-69
-20