СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
STEEL MAKING METHOD

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к способу производства сталей с низким содержанием углерода, преимущественно для нужд энергетики и создания оборудования, работающего в условиях суперсверхкритических параметров пара.
10
5
2
Одной из базовых проблем при создании тепловых энергоблоков с суперсверхкритическими параметрами пара (температура до 650°C и давление пара от 30 до 35 МПа) является необходимость разработки жаропрочных и относительно экономичных конструкционных материалов и, в том числе, для пароперегревателей и паропроводов. В связи с этим поставлена задача разработки способов производства новых жаропрочных сталей, обеспечивающих требуемый уровень длительной прочности σ  не менее 98 Н/мм при температуре 650°C.
Известен способ выплавки стали, включающий выплавку полупродукта в дуговой сталеплавильной печи, перелив металла в ковш УКП, рафинирование, легирование, доводку до заданного химического состава.
(Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь, - М., Металлургия, - 1973).
Недостатком известного способа является то, что во время выплавки не ведется контроль окисленности стали. Количество раскислителей и их тип определяется стихийно. В данном способе определение количества раскислителей определяется с учетом имеющихся данных об активности кислорода в жидком полупродукте после сталеплавильной печи.
Известен способ внепечной обработки стали, включающий раскисление ее в ковше алюминием, продувку аргоном и введение кальция, отличающийся тем, что в процессе вакуумирования металл продувают аргоном.
(Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Мальков Н.В. Электрометаллургия стали и ферросплавов. - М.: Металлургия, - 1995).
Недостатком данного известного способа является использование для раскисления алюминия и кальциям. Однако некоторые стали имеют ограничения по содержанию алюминия, кальция и кремния. Поэтому раскисление таких сталей алюминием приводит к увеличению содержания неметаллических включений типа корунд, а раскисление кальцием - к появлению крупных глобулярных включений. И одни и другие включения негативно влияют на пластические свойства стали.
Известен способ производства стали, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, выпуск расплава в ковш, контроль химического состава расплава, легирование, раскисление, вакуумирование и последующую разливку. Причем известный способ предусматривает контроль содержания азота в расплаве и его коррекцию добавлением в ковш твердых азотсодержащих легирующих компонентов и/или продувкой расплава газообразным азотом.
(RU 2266338, C21C 7/04, опубликовано 20.12.2005).
Недостатком способа является то, что при доводке химического состава стали и раскислении контроль содержания кислорода в стали и коррекция его количества не производится. Поэтому, при повышенном содержании в стали кислорода высока вероятность образования избыточного количества оксидных неметаллических включений и снижение эксплуатационных свойств стали. Кроме того, образование нитридов алюминия снижет ударную вязкость и длительную прочность стали.
Задачей и техническим результатом изобретения использования предлагаемого изобретения является повышение качества выплавляемой стали, уменьшение содержания неметаллических включений, повышение механических и эксплуатационных свойств стали.
Технический результат достигается тем, что способ получения стали включает выплавку стали в сталеплавильном агрегате, выпуск расплава в ковш, контроль химического состава расплава, легирование, раскисление, вакуумирование и разливку, причем легирование и раскисление расплава дополнительно ведут редкоземельными металлами и/или их лигатурами, при этом легирование азотом проводят перед завершением раскисления введением в ковш твердых азотсодержащих материалов и/или продувкой газообразным азотом, а суммарное количество раскислителей, вводимое в расплав для достижения заданного содержания кислорода в стали, определяют по формуле:
a
o
гот
ΣR=1,2÷3,0(-[%O], где
ΣR - суммарное содержание раскислителей, мас.%;
a
o
- активность кислорода, мас.%;
гот
[%O] - заданное содержание кислорода в стали, мас.%.
Технический результат также достигается тем, что легирование и раскисление ведут редкоземельными металлами, выбранными из группы: лантан, церий, неодим и празеодим, или их лигатурами, не содержащими кремний; выплавляют сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, кальций, ниобий, алюминий, никель, азот, церий, лантан, бор, фосфор, серу, свинец, олово, мышьяк, кислород и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,01-0,02; кремний 0,05-0,10; марганец 0,2-0,4; хром 8,0-9,5; молибден 0,4-0,6; вольфрам 1,8-3,0; кобальт 2,5-4,0; ванадий 0,15-0,30; кальций 0,005-0,05; ниобий 0,04-0,09; алюминий не более 0,015; никель не более 0,2; азот 0,04-0,07; церий 0,02-0,05; лантан 0,005-0,05; бор 0,003-0,01; фосфор не более 0,015; сера не более 0,010; свинец не более 0,006; олово не более 0,006; мышьяк не более 0,006; кислород не более 0,0035; железо остальное, при условии, что для суммарного содержания углерода, бора и азота выполняется условие:
[C]+[N]+[B]=0,05-0,09,
а для содержания ванадия и ниобия справедливо отношение:
[V]:[Nb]~1:4, где
[C]; [N]; [B]; [V]; [Nb] - содержание углерода, азота, бора, ванадия и ниобия, соответственно, выраженная в массовых процентах; суммарное содержание редкоземельных металлов не превышает 0,1% массы расплава стали; твердые азотсодержащие легирующие материалы вводят в виде фракции размером 10÷30 мм; продувку газообразным азотом ведут с переменной интенсивностью при расходе азота 100 1000 л/мин.
-
Дополнительное легирование и раскисление расплава стали редкоземельными металлами и/или их лигатурами, в том числе не содержащими кремний, наиболее эффективно при использовании металлов, выбранных из группы: лантан, церий, неодим и празеодим, при их суммарном содержании не более 0,1% массы расплава стали. При этом улучшаются механические свойства стали, и увеличивается величина, особенно при введении лантана, предела текучести. По сравнению с образующимися при раскислении оксидами алюминия и кальция, присутствие которых снижает качество стали, оксиды редкоземельных металлов, в частности, лантаноидов, мелкодисперсные (30÷40·109 м) и имеют плотность, близкую плотности стали, что способствует повышению служебных свойств стали, особенно длительной прочности и ударной вязкости. Используемые редкоземельные металлы обеспечивают более эффективное снижение уровня содержания кислорода, так как являются более сильными раскислителями, чем алюминий, кремний и марганец. При этом для сталей, работающих в условиях суперсверхкритических параметров пара, кремний и марганец, способствующие росту зерна в стали, должно быть ограничено. Кроме того, использование редкоземельных металлов будет способствовать более эффективной десульфурации стали что, безусловно, повысит ее качество и снизит содержание включений типа сульфиды и оксисульфиды.
Легирование азотом проводят перед завершением раскисления введением в ковш твердых азотсодержащих материалов (азотированных ферросплавов хрома, ванадия и т.д.) и/или продувкой газообразным азотом. Наиболее эффективно введение твердых азотсодержащих легирующих материалов в виде фракции размером 10÷30 мм. При введении ферросплава с размером фракции менее 10 мм, пылевидная фракция и мелкие кусочки могут быть ассимилированы шлаком не успев расплавиться и обогатить расплав азотом, и его содержание в готовом металле будет меньше заданного. Если куски ферросплава велики, то при их растворении происходит бурное выделение газообразного азота в атмосферу печи из-за местного перенасыщения им металла, а содержание азота в металле опять будет меньше заданного.
При продувке газообразным азотом с переменной интенсивностью усвоение азота увеличивается в среднем на 15-18%. При продувке с интенсивностью менее 100 л/мин усвоение азота невелико из-за недостаточного эмульгирования и взаимодействия металла с азотом. При продувке с интенсивностью более 1000 л/мин барботаж ванны слишком велик, что может приводить к выбросам металла.
Сочетание продувка азотом и раскисления с использованием редкоземельных металлов из группы: лантан, церий, неодим и празеодим, позволяет более эффективно снизить содержание кислорода и водорода в стали. Уменьшение образования гидридов и снижение содержания водорода позволяет использовать способ по изобретению для выплавки флокеночувствительных сталей, большинство которых относится к материалам для новых энергоустановок, рассчитанных на суперсверхкритические параметры пара.
По предлагаемому способу осуществили выплавку конструкционной стали: выплавку стали в сталеплавильном агрегате - дуговой сталеплавильной печи садкой 20 т, внепечную обработку после выпуска расплава в ковш установки АКОС, контроль химического состава расплава стандартными методами экспресс-анализа, в том числе определение активности кислорода по показанию датчика окисленности, легирование азотом проводили введением азотсодержащих лигатур перед завершением раскисления и продувкой азотом. Ведение продувки с переменной интенсивностью позволило достичь лучших результатов, потому что наибольшая степень удаления примесей и перемешивания металла достигается в начале и после окончания продувки во время всплывания пузырьков, и снизить расход азота, при повышении качества готового металла.
Таблица интенсивности продувки:
Время, мин
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Интенсивность, л/мин.
300
500
600
800
600
400
200
800
400
200
После легирования и раскисления сталь вакуумировали и разливали сифоном на слитки, массой по 5 т.
a
a
o
гот
o
гот
В процессе легирования и раскисления периодически контролировали активность кислорода в расплаве и по формуле ΣR=1,2÷3,0(-[%O], где: ZR - суммарное содержание раскислителей, мас.%;  - активность кислорода, мас.%; [%O] - заданное содержание кислорода в стали, мас.%, определяли суммарное количество раскислителей, которое вводили в расплав до достижения заданного содержания кислорода в стали на уровне не более 0,0035 мас.%.
Способ реализовали для выплавки стали с нитридно-боридным упрочнением, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, кобальт, ванадий, кальций, ниобий, алюминий, никель, азот, церий, лантан, бор, фосфор, серу, свинец, олово, мышьяк, кислород и железо.
Химический состав стали приведен в таблице 1. При этом для суммарного содержания углерода, бора и азота было выполнено условие: [C]+[N]+[B]=0,05-0,09, а для содержания ванадия и ниобия [V]:[Nb]~1:4, где [C]; [N]; [B]; [V]; [Nb] - содержание углерода, азота, бора, ванадия и ниобия, соответственно, выраженная в массовых процентах.
Параметры плавки и результаты исследования металла приведены в таблице 2.
<mrow><msubsup><mtext>σ</mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>5</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>620</mtext></mrow></msubsup><mo>=</mo><msup><mrow><mtext>140 Н/мм</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>σ</mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>5</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>650</mtext></mrow></msubsup><mo>≥</mo><msup><mrow><mtext>120 Н/мм</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>σ</mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>5</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>650</mtext></mrow></msubsup><mo>≥</mo><mtext>2</mtext><mn>0,5</mn><mi>%</mi></mrow>
Качественный состав стали, содержание ее компонентов и соотношения отдельных компонентов в сочетании со способом по изобретению обеспечивают достижение длительной прочности стали
и длительной пластичности
. Такая сталь пригодна для работы в условиях сверхкритических параметров пара.
Таблица 1
Химический состав стали, выплавленной в дуговой печи
Содержание компонентов, мас.%
Номер плавки
Известный
1
2
3
C
0,015
0,016
0,014
0,019
Si
0,047
0,049
0,053
0,057
Mn
0,296
0,282
0,290
0,279
Cr
9,03
9,09
9,22
9,00
Mo
0,456
0,462
0,476
0,466
W
1,94
2,02
2,08
2,03
Co
3,10
3,10
3,22
3,13
V
0,227
0,227
0,229
0,219
Ca
0,009-0,01
Nb
0,06
0,067
0,063
0,066
Al
0,010
0,010
0,014
0,012
Ni
N<sub>2</sub>
0,06
0,05
0,065
0,07
Ce
на уровне 0,03
La
на уровне 0,03
B
-
0,008
0,003
0,007
P
0,003
0,003
0,003
0,003
S
0,006
0,006
0,006
0,006
Pb, Sn, As,
менее 0,001 каждый
O<sub>2</sub>
не более 0,0035
Fe
остальное
Таблица 2
Содержание углерода, азота, бора и кислорода и технологические параметры плавки.
Содержание компонентов, мас.%
Компоненты
Известное решение
1
2
3
азот
0,07
0,07
0,065
0,07
кислород
0,018
0,0015
0,0014
0,0011
углерод
0,015
0,016
0,014
0,019
бор
-
0,008
0,003
0,007
Параметры плавки
Температура при вакуумировании, °C
1620
1680
1650
1690
Температура при раскислении, °C
1610
1620
1600
1600
Давление при вакуумировании, мм рт.ст.
5·10<sup>-3</sup>
4·10<sup>-3</sup>
5·10<sup>-3</sup>
9·10<sup>-3</sup>
Скорость подачи азота, л/мин
500
600
100
800
Парциальное давление азота при легировании, мм рт.ст.
-
610
600
590
Парциальное давление азота при разливке, мм рт.ст.
-
610
600
590