СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ПОНИЖЕННОЙ И РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
METHOD FOR MAKING STRUCTURAL STEEL OF REDUCED AND SPECIFIED HARDNESS PENETRATION

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству сталей с пониженной (ПП) и регламентированной (РП) прокаливаемостью в электродуговых, индукционных печах и кислородных конвертерах.
Впервые разработаные в России и получившие промышленное применение конструкционные стали пониженной (ПП) и регламентированной (РП) прокаливаемости специально предназначены для деталей, упрочняемых методом объемно-поверхностной закали [метод ОПЗ (TSH)].
Принципиальной особенностью сталей ПП является то, что их прокаливаемость значительно ниже, чем прокаливаемость углеродистых конструкционных сталей. Так, если прокаливаемость характерной углеродистой стали 45 (SAE 1045), оцениваемая идеальным критическим диаметром (Dкp), находится в пределах 20-38 мм, то у типичной стали пониженной прокаливаемости 1-поколения - 58 (сталь 55пп) ГОСТ 1050-88 (С-0,55-0,63%; Mn<0.2%; Si=0.1-0.3%; Cr, Ni, Cu<0.15% каждого) Dкp=10-16 мм, то есть более узкий интервал.
Стали РП отличаются от сталей ПП более высокими значениями Dкр - свыше 16 мм с сохранением узкого интервала прокаливаемости.
При упрочнении деталей из сталей ПП и РП методом ОПЗ на поверхности образуется высокопрочный слой глубиной 0,1-0,2 от диаметра (толщины) рабочего сечения со структурой мартенсита с твердостью ~60 HRC (σв=2000-2800 МПа), а более пластичная сердцевина приобретает твердость 30-40 HRC (σв=1000-1500 МПа).
Важной особенностью сталей ПП и РП является ее пониженная склонность к росту самой прокаливаемости и величины действительного зерна аустенита при нагреве под ОПЗ. Для практической реализации этого качества большое значение имеет технология выплавки, особенно раскисление выплавляемой стали.
Предметом данного предложения является способ выплавки сталей ПП и РП в промышленных плавильных агрегатах: электродуговой, индукционной печах, конвертере.
Наиболее близким к предлагаемому способу является «Способ производства в мартеновской печи конструкционной стали с пониженной прокаливаемостью» (RU 2164536), включающий в себя загрузку шихты из стального лома, железоуглеродистого сплава, графита, прогрев и плавление шихты, наведение и скачивание шлака в процессе кипения и начала доводки ванны по составу и температуре, предварительного раскисления металла в печи и основного раскисления при выпуске расплава непосредственно в ковше алюминием и титаном.
Способ позволяет производить стали ПП более высокого класса - стали ПП 2-го поколения, которые имеют еще более узкий и стабильный интервал прокаливаемости (Dкр=10-14 и 11-15 мм в зависимости от содержания постоянных примесей), особо мелкое и устойчивое зерно аустенита ГОСТ 5639 (ASTM) №10-11 при печном и №11-12 при индукционном нагреве.
Недостатком этого способа является достаточно высокий уровень прокаливаемости стали, не позволяющий применять метод ОПЗ для деталей диаметром (толщиной) рабочего сечения менее 15 (12) мм, достаточно высокий разброс показателей глубины закаленного слоя в готовых изделиях с имеющими место случаями нарушения оптимума 0,1-0,2 от диаметра (толщины). Способ также не предусматривает выплавку сталей РП.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является:
- разработка способа выплавки стали ПП 3-го поколения, обладающей еще более мелким «сверхмелким» зерном №11-14 ГОСТ5639 (ASTM), более низким уровнем прокаливаемости Dкр<10 мм, значительно меньшим и стабильным разбросом прокаливаемости - не более 2,0 мм в интервале 6 мм<Dкр<15 мм (Dкp=6-8, 8-10, 11-13, 14-15 мм) и более высокими механическими свойствами;
- разработка способа выплавки стали РП 3-го поколения, обладающей еще более мелким «сверхмелким» зерном №11-14 ГОСТ5639 (ASTM), значительно меньшим и стабильным разбросом прокаливаемости - не более 5.0 мм в интервале 16 мм<Dкр<50 мм; не более 10,0 мм в интервале 51 мм<Dкр<100 мм и более высокими механическими свойствами.
Указанный технический результат достигается тем, что осуществляют загрузку в электродуговую, индукционную печь или конвертер металлической шихты из железоуглеродистого сплава, лома, с регламентированным содержанием в них марганца, кремния, хрома, никеля, меди, обеспечивающей конечное содержание каждого из них не более 0,1 мас.%, для сталей ПП и не более 0,3 мас % для сталей РП, графита, шлакообразующих компонентов, расплавление, нагрев ванны до температуры начала доводки, доводку расплава по содержанию углерода с последующим науглероживанием в ковше или печи-ковше, корректировку состава шлака в периоды полировки и чистого кипения путем скачивания части шлака и периодических присадок шлакообразующих материалов на оставшуюся часть шлака, затем производят раскисление расплава в ковше или печи-ковше алюминием в количестве 1,0-2,5 кг/т, титаном, ванадием и азотом, при этом 0,3-0,5 всего количества алюминия загружают на дно ковша или печи-ковша, а остальное его количество - на струю до заполнения не менее 0,3 объема ковша или печь-ковша, а ввод титана, ванадия, азота осуществляют после ввода всего алюминия с обеспечением содержания в готовом металле углерода 0,3-1,5 мас.%, алюминия 0,03-0,10 мас.%, титана 0-0,4 мас.%, ванадия 0-0,4 мас.%, азота 0-0,15 мас.%.
В процессе ведения плавки после кипения и до выпуска плавки на шлак вводят алюминиевый порошок или боркальк.
После 100% наполнения ковша или печи-ковша на шлак вводят алюминиевый порошок или боркальк.
По расплавлению шихты содержание углерода в сталях ПП и РП в электродуговой и индукционной печи составляет не менее 1,0% мас.% или 1,5 мас.% - в конвертере, а для обеспечения заданного уровня прокаливаемости в ковш или печь-ковш вводят марганец, кремний, хром, никель - 0-1,8 мас.% каждого, молибден 0-0,5 мас.%, вольфрам 0-1,5 мас.%, бор 0-0,007 мас.% индивидуально или группами в строго дозированных расчетных количествах, учитывающих остаточное содержание постоянных примесей перед выпуском печи и обеспечивающих заданный уровень прокаливаемости, характеризуемый идеальным критическим диаметром (Dкр) стали ПП в пределах от 6 до 15 мм с разбросом не более 2 мм, (Dкр) стали РП от 16 до 50 мм с разбросом не более 5 мм, (Dкр) стали РП в пределах от 51 до 100 мм с разбросом не более 10 мм, (Dкр) стали РП свыше 100 мм с разбросом не более 50 мм.
Расплав продувают в ковше или печи-ковше аргоном или азотом.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Заявитель предлагает выплавлять стали ПП и РП на шихте из железоуглеродистого сплава и лома с расчетным содержанием Мn, Si, Cr, Ni, Си при выпуске в ковш не более 0,1%. Как и в известном способе, компоненты, содержащие указанные выше постоянные примеси, в процессе ведения плавки в печь (конвертер) не вводятся.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является процесс раскисления, от которого главным образом зависит решение поставленной задачи. Предлагаемое частичное раскисление в печи алюминием не производится, так как перед выпуском алюминий вступает в реакцию с азотом, образуя крупную фракцию скоагулированного (укрупненного) нитрида (Al N), измельчить который при дальнейших технологических операциях затруднительно.
Процесс раскисления выполняют в 3 этапа:
- раскисление шлака алюминиевым порошком или боркальком в печи перед выпуском металла;
- раскисление стали производят при выпуске плавки из печи и конвертера непосредственно в ковше алюминием, титаном, ванадием и азотом;
- введение титана, ванадия производят только после 100% введения алюминия при заполнении не менее 0,3 объема ковша с обеспечением содержания в готовом металле в соответствии с заданным составом: углерода 0,3-1,2%, алюминия 0,03-0,1%, титана 0-0,4%, ванадия 0-0,4%, азота 0-0,15 мас.%, углерод (науглероживатель) - в виде чугуна или графита для обеспечения заданного химического состава. После 100% наполнения ковша металлом вводится алюминиевый шлак в виде алюминиевого порошка или боркалька.
Марганец и кремнийсодержащие как менее дорогостоящие компоненты, а также хром, никель в расчетных количествах 0-1,8%, вольфрам 0-1,5%, молибден 0-0,5%, бор 0-0,007%.% индивидуально или группами в строго дозированных расчетных количествах, учитывающих остаточное содержание постоянных примесей перед выпуском печи и обеспечивающих заданный уровень прокаливаемости, характеризуемый идеальным критическим диаметром (Dкр) стали ПП в пределах от 6 до 15 мм с разбросом не более 2 мм, (Dкp) стали РП от 16 до 50 мм с разбросом не более 5 мм, (Dкр) стали РП в пределах от 51 до 100 мм с разбросом не более 10 мм, (Dкp) стали РП свыше 100 мм с разбросом не более 50 мм, вводят в сталь для обеспечения заданной величины прокаливаемости, после чего сталеразливочный ковш подвергают выдержке, перемешиванию, продувке азотом (аргоном) и разливке.
Примеры осуществления способа
Пример №1.
В электродуговую печь емкостью 2,5 т завалили 1,5 т стального лома, 0,85 т передельного чугуна, 0,15 т известняка, 0,03 т боксита и 0,02 т электродного боя. Содержание углерода по расплавлению - 1,05%, температура металла - 1540°С. Продолжительность чистого кипения стали - 1 час 20 минут, температура ванны - 1640°С, скорость выгорания углерода 0,3%/час при непрерывном обновлении шлака, на который после кипения и до выпуска печи вводится алюминиевый порошок или боркальк.
При выпуске печи 0,5 кг/т алюминия ввели на дно ковша, остальное его количество - 1,0 кг/т - в струю до заполнения не более 0,3 объема ковша, после чего ввели на желоб (в струю) 5 кг 70%-ного ферротитана и, в результате, не вводя больше никаких легирующих добавок, после выдержки, перемешивания жердями, продувке азотом и разливки получили сталь ПП следующего состава, мас.%: С 0,58, Мn 0,08, Si 0,03, Cr 0,05, Ni 0,14, Сu 0,16, S 0,03, P 0,021, Ti 0,16, Al 0,05, остальное - железо.
Из стали были изготовлены плоские пружины толщиной 8 мм. После ОПЗ в закаленном слое глубиной 1,4 мм (0,175 от толщины, Dкp=7 мм) была получена структура скрытокристаллического мартенсита из действительного особо мелкого зерна аустенита №12-13 по стандартной шкале.
Пример №2.
Индукционная печь емкостью 500 кг была загружена 240 кг стального лома, 250 кг передельного чугуна, остальные компоненты аналогичны рассмотренным выше в электродуговой печи пропорционально емкости. Характер ведения плавки, раскисление алюминием в ковше, модификация титаном так же, как в примере №1, после чего в ковш были введены ферромарганец и ферросилиций из расчета содержания в готовом металле Мn 0,15-0,2%, Si 0,15-0,2%.
Была получена сталь ПП следующего состава, мас.%: С 0,81, Мn 0,20, Si 0,19, Cr 0,04, Ni 0,04, Сu 0,06, S 0.030, P 0,021, Ti 0,18, Al 0,05, остальное - железо. Из стали были изготовлены ролики подшипника диаметром 030 мм.
После ОПЗ в закаленном слое глубиной 3,0 мм (0,10 от диаметра, Dкр=15 мм) была получена структура скрытокристаллического мартенсита из действительного особо мелкого зерна аустенита №12 по стандартной шкале.
Пример №3.
3
В конвертер заваливают стальной лом 25% и заливают жидкий чугун 75% и осуществляют продувку кислородом в количестве 2-3 м/мин·т с наведением основного шлака из извести 50-70 кг/т, плавикового шпата 1-3 кг/т до достижения 1,5-2% углерода. После удаления высокомарганцовистого шлака продувка продолжается с наведением основного шлака - 10-15 кг/т извести и 1-3 кг/т плавикового шпата. Продувка кислородом заканчивается при достижении массовой доли постоянных примесей Мn, Si, Ni, Сu менее 0,1% каждого (кроме хрома, содержание которого перед выпуском печи оказалось 0,23%), содержания углерода, соответствующего верхнему пределу 0,67%, и температуры ванны 1630-1660°С.
Плавка выпускается в сталеразливочный ковш, раскисление алюминием - в ковше, модификация титаном также аналогична примеру №1, после чего в ковш был введен ферромарганец и ферросилиций из расчета содержания в готовом металле 0,25-0,30% Мn, 0,15-0,2% Si с учетом точного содержания всех примесей, включая повышенное содержание хрома, с целью обеспечения в готовой стали РП идеального критического диаметра 18-22 мм.
Была получена сталь РП следующего состава, мас.%: С 0,64, Мn 0,27, Si 0,2, Cr 0,23, Ni 0,04, Сu 0,03, S 0,030, P 0,022, Ti 0,11, Al 0,05, остальное - железо. Из стали были изготовлены цилиндрические детали - валы диаметром ⌀ 40 мм.
После ОПЗ в закаленном слое глубиной 4,0 мм (0,10 от толщины,
Dкp=20,0 мм) была получена структура мелкоигольчатого мартенсита из действительного зерна аустенита №11 по стандартной шкале.