СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ПОНИЖЕННОЙ (ПП) И РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ (РП) ПРОКАЛИВАЕМОСТИ 4-го ПОКОЛЕНИЯ
METHOD FOR MELTING STRUCTURAL STEEL OF LOWERED (LH) AND REGULATED (RH) HARDENABILITY OF 4TH GENERATION

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству сталей с пониженной (ПП) и регламентированной прокаливаемостью (РП) в мартеновских, электродуговых, индукционных печах и кислородных конвертерах.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются:
- «Способ выплавки конструкционной стали пониженной и регламентированной прокаливаемости» (Российский патент 2451090 и он же, запатентованный в США № US 9187793 В2), позволяющий выплавить стали ПП и РП 3-го поколения;
Способ предусматривает загрузку в мартеновскую, электродуговую, индукционную печи или конвертер металлической шихты из железоуглеродистого сплава, лома с регламентированным содержанием в них марганца, хрома, никеля, меди, обеспечивающей конечное содержание каждого из них не более 0,1 масс. % для сталей ПП и не более 0,3 масс. % для сталей РП, графита, шлакообразующих компонентов, расплавление, доводку расплава по содержанию углерода с последующим науглероживанием в ковше или в печи-ковше, корректировку состава шлака в периоды полировки и чистого кипения, затем производят раскисление расплава в ковше или в печи-ковше алюминием в количестве 1,0-2,5 кг/т, 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 печи-ковша после чего производится модифицирование титаном, ванадием, азотом с обеспечением содержания в готовом металле углерода 0,25-1,5 масс. %, алюминия 0,03-0,10 масс. %, титана 0-0,4 масс. %, ванадия 0-0,4 масс. %, азота 0-0,15 масс. %.
В процессе ведения плавки после кипения и до выпуска печи, а также после 100%-го наполнения ковша или печи-ковшана шлак вводят алюминиевый порошок или боркальк.
Для обеспечения заданного уровня прокаливаемости, оцениваемой идеальным критическим диаметром (Dид.кр.), в ковш или печь-ковш вводят марганец, кремний, хром, никель - 0-1,8 масс. % каждого, молибден - 0-0,5 масс. %, вольфрам - 0-1,5 масс. %, бор - 0-0,007 масс. % в строго дозированных количествах в соответствие с заданным химическим составом выплавляемой стали ПП или РП.
Недостатком данного способа выплавки является то, что аналитический расчет диапазона величины идеального критического диаметра закалки (Dид.кр.):
Dкр. от 6 до 16 мм с разбросом не более 2 мм;
Dкр. от 16 до 50 мм с разбросом не более 5 мм;
Dкр. от 51 до 100 мм с разбросом не более 10 мм;
Dкр. свыше 100 мм с разбросом не более 50 мм,
производился только по заранее заданному в достаточно узких пределах химическому составу стали.
Чтобы получить необходимое значение Dид.кр. стали, химический состав стали разрабатывался путем снижения содержания постоянных примесей Mn, Si, Cr, Ni, Cu менее 0,1% каждого для сталей ПП и менее 0,3% для сталей РП. Однако, суммарное колебание каждого из этих элементов даже в этих минимальных пределах приводило к увеличению разброса идеального критического диаметра закалки сталей ПП - более 4 мм (>±2 мм) в интервале от 6 до 15 мм, а для сталей РП - превышение значительно большее, чем в предлагаемом способе.
Отличие способа выплавки по предлагаемому изобретению от существующих состоит в том, что новая технология предусматривает строгое соблюдение заданного химического состава стали 4-го поколения только по содержанию углерода и величине идеального критического диаметра закалки, при заранее заданном размере (номере) действительного зерна аустенита, который должен быть получен при окончательной термической обработке деталей, что определяет механические свойства стали ПП или РП, не отличающейся повышенной теплостойкостью, коррозионной стойкостью и другими специфическими свойствами по сравнению с аналогичными углеродистыми и легированными сталями перлитного класса.
В исключительных случаях в целях увеличения теплостойкости, износоустойчивости, снижения склонности сталей ПП и РП к росту аустенитного зерна заранее предусматривается гарантированное номинальное содержание элементов (выбирается в заданных пределах кремния <1,8%, хрома <2,5%, молибдена <0,5%, вольфрама <0,5%, титана <0,4%, ванадия <0,4% и других) с полем допуска не более ±0,05% каждого.
При разработке химического состава конкретной стали номинальное содержание углерода задается из широкого диапазона значений от 0,15 до 1,8% с полем допуска ±0,05% или ±0,025%.
Величина Dид.кр. выплавленной стали должна соответствовать заранее заданному диапазону значений для обеспечения высокой точности толщины закаленного слоя, получаемого на конкретной детали после ее окончательной термической обработки - объемно-поверхностной закалки (ОПЗ) или сквозной закалки (СЗ) при минимальном легировании стали.
Величина Dид.кр. определяется по усовершенствованной формуле Гроссмана, приведенной в вышеупомянутых источниках - «Способ термической обработки деталей из конструкционной стали пониженной и регламентированной прокаливаемости» (Российский патент №2450060), «Конструкционная сталь пониженной и регламентированной прокаливаемости» (Российский патент 2450079), и определяется следующим математическим выражением:
где - Dкр. - идеальный критический диаметр, мм,
К - коэффициент, величина которого зависит от балла действительного зерна аустенита по шкале ASTM, ГОСТ 5639 №№6-13, применяемых для ОПЗ, и соответственно равна: 5,4 - для балла №13; 5,8 - для зерна №12; 6,25 - для зерна №11; 6,75 - для зерна №10; 7,3 - для зерна №9; 7.9 - для зерна №8; 8,5 - для зерна №7; 9,2 - для зерна №6;
С, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo, W, - масс. % компонента, содержащегося в твердом растворе аустенита при конечной температуре нагрева, предшествующей закалочному охлаждению,
[1+1,5(0,9-С)] - сомножитель учитывается только в случае наличия бора в стали в количестве 0,002-0,007%;
С', Ti, V, Al - масс. % компонента, не содержащегося в твердом растворе аустенита, а присутствующих в виде структурно-свободных вторичных карбонитридных фаз при конечной температуре нагрева, предшествующей закалочному охлаждению,
С' - масс. % углерода в избыточном цементите заэвтектоидной стали.
Достижение заданного диапазона значений Dид.кр. осуществляется введением дополнительного количества одного или нескольких легирующих элементов или их удалением из стали, если они присутствуют в качестве постоянных примесей; относительно легко окисляются и переходят в шлак Si, Mn, Cr, если они изначально присутствуют в шихте из лома углеродистых сталей, а понизить количество таких, как Cu, Ni, Mo, W при их содержании более 0,1% или 0,3% каждого затруднительно, что резко увеличивает продолжительность и себестоимость плавки; в связи с этим, наличие трудноудаляемых указанных элементов в качестве постоянных примесей в заданных начальных ограничительных интервалах, а в ряде случаев и выходящих за эти интервалы, но не более общих предельных значений патента, может быть по ходу плавки компенсировано расчетной корректировкой химического состава в процессе ведения плавки по одному, реже двум или трем элементам в пределах заданного химического состава стали.
По ходу плавки постоянно контролируется химический состав стали, начиная с выбора шихты, ее расплавления, и далее - после окислительного процесса, выпуска печи в ковш или печь-ковш, после чего следует раскисление, при необходимости - легирование и модифицирование стали в соответствие с прототипом; однако, в отличие от прототипа, где процесс рафинирования стали осуществляется только с целью обеспечения узкого заранее заданного химического состава стали, который и гарантирует заданную величину Dид.кр, рафинирование стали по новой технологии производится с применением усовершенствованной формулы Гроссмана.
Постоянный в процессе плавки стали компьютерный экспресс-расчет Dид.кр. позволяет произвести варьирование химического состава стали остальными, кроме углерода, элементами, заданными в широких пределах патента; это позволяет в ряде случаев удешевить себестоимость выплавки, за счет упрощения и значительного сокращения ее продолжительности, а также позволит значительно расширить исходные пределы химического состава стали, шихты из железоуглеродистого сплава, обеспечить высокую точность достижения требуемой величины Dид.кр.; последняя же обеспечивает стабильную повторяемость достижения глубины закаленного слоя при ОПЗ стали или сквозную закалку (СЗ) при минимальном легировании.
На основании расчетных и экспериментальных данных, накопленного опыта для обеспечения заданного уровня прокаливаемости, исходная шихта из железоуглеродистого сплава, лома с регламентированным содержанием в них марганца, кремния, хрома никеля, меди, молибдена, вольфрама должна обеспечить приведенное ниже их конечное содержание в зависимости от величины и интервала Dид.кр.:
- [Mn, Si, Cr, Mo, W]<0,1 масс. % каждого, [Cu, Ni]<0,25 масс. % каждого в сталях ПП при 6 мм<Dид.кр.<10 мм;
- [Mn, Si, Cr, Mo, W, Cu, Ni]<0,25 масс. % каждого в сталях ПП при 11 мм<Dид.кр.<16 мм;
- [Mn, Si]<0,5 масс. % каждого, [Cr, Ni, Mo, WCu]<0,25 масс. % каждого в сталях РП при 17 мм<Dид.кр.<30 мм;
- [Mn, Si, Cr, Ni, W]<1,0 масс. % каждого, [Мо]<0,5 масс. %, [Cu]<0,25 масс. % в сталях РП при 31 мм<Dид.кр.<50 мм;
- [Mn, Cr]<2,5 масс. % каждого, [Si]<1,8 масс. % [Ni]<1,8%, [W]<1,0 масс. %, [Мо]<0,5 масс. %, [Cu]<0,25 масс. % в сталях РП при Dид.кр.>50 мм;
- указанные предельные величины, значительно более широкие по сравнению со способом-прототипом, носят рекомендательный характер; окончательное доведение величины идеального критического диаметра закалки стали до заданного уровня осуществляется введением в ковш или печь-ковш вышеуказанных компонентов в соответствие с формулой Гроссмана, уточненной в патентах РФ №№2450060, 2450079, которая по ходу плавки позволяет обеспечить соблюдение номинальной величины идеального критического диаметра закалки (Dид.кр.) при заданном номере зерна аустенита за счет свободного варьирования содержанием этих элементов в указанных широких пределах; в случае необходимости эти пределы могут выйти за рамки данного интервала вплоть до самого максимального значения, предусмотренного патентом.
В результате содержание в готовом металле соответствует заданному составу масс. %: углерод 0,15-1,8; марганец 0,005-2,5; кремний 0,005-1,8; хром 0,005-2,5; молибден 0,0001-0,5; вольфрам 0,0001-1,5; бор 0,00001-0,007; медь 0,001-0,3; алюминий 0,03-0,1; азот 0,00001-0,1; титан 0,001-0,4; ванадий 0,001-0,4; цирконий 0,001-0,4; ниобий 0,001-0,1; тантал 0,001-0,1; кальций 0,001-0,03; сера 0,0001-0,035; фосфор 0,0001-0,035; железо и неизбежные примеси - остальное,
Отличительной особенностью предлагаемого способа является также и то, что выплавка сталей ПП (РП) 4-го поколения предназначена не только для последующей разливки в изложницы, непрерывной разливки стали (НРС), но и в литейные формы; при этом литая сталь (ППЛ, РПЛ) в ряде случаев не уступает по прочностным и эксплуатационным характеристикам горячекатанным.
Предлагаемое изобретение является полезным дополнением к известным упомянутым выше патентам РФ №№2451090, 2450060, 2450079, US 9187793 В2 и позволяет значительно снизить трудоемкость при обеспечении поля допуска номинальной величины Dид.кр. в готовой стали ПП (РП).
Примеры осуществления способа.
Пример №1. Для выплавки в электродуговой печи емкостью 2,5 т задана сталь ПП со следующими конечными параметрами: [С] 0,57-0,62 масс. %, [Mn, Si, Cr, Mo, W]<0,3 масс. % каждого, [Cu, Ni<0,25 масс. % каждого, Ti 0,07-0,12 масс. %, Al 0,03-0,07 масс. %, [S, Р]<0,035 масс. % каждого, Dид.кр. 15-17 мм при зерне аустенита №10 ГОСТ 5639 (ASTM). Исходная шихта - 60% стального углеродистого металлолома и 35% передельного чугуна, 6% известняка, 1,2% боксита, 8% электродного боя.
После расплавления шихты состав ванны масс. % был следующим: С 1,1; Mn 0,2; Si 0,35; Cr 0,18; Ni 0,22;Cu 0,18; S 0,033; Р 0,03; Ti 0,004; Al 0,003. При этом предварительный расчет с использованием уточненной формулы Гроссмана при этом промежуточном химическом составе и условном максимально заданным содержании С=0,62%, коэффициенте К=6,75 при балле зерна аустенита №10 показал величину Dид.кр.=20 мм, которая при дальнейшем ведении плавки вполне может быть доведена до заданной, то есть 15-17 мм. После завершения процесса кипения стали состав ванны масс. % был следующим: С 0,62; Mn 0,19; Si 0,20; Cr 0,17;Ni 0,22; Cu 0,18; S 0,03; Р 0,03; Ti<0,001;Al<0,001; Dид.кр.=17 мм. Для достижения заданного интервала значений последнего было решено продлить процесс кипения на 20 минут, в результате чего снизилось содержание Si до масс. % 0,15 и Dид.кр.=16 мм. Последующий выпуск печи в ковш, раскисление в струю, желобе и на дне ковша алюминием, расчетное модифицирование в ковше титаном, масс. %: Al 0,05; Ti 0,1 с остаточным содержанием постоянных примесей без дополнительного легирования обеспечили Dид.кр.=16 мм и химический состав стали в соответствие с заданием. Из стали были изготовлены торсионы диаметром ∅25 мм. После ОПЗ при нагреве в печи был получен закаленный слой толщиной 3,5-4 мм со структурой мелкоигольчатого мартенсита, действительное зерно аустенита соответствовало №10 по стандартной шкале, что было заранее предрешено.
Получить эту сталь с таким широким химическим составом без применения непосредственно при выплавке формулы Гроссмана с такой высокой точностью Dид.кр.=16±1 мм невозможно. Исходный химический состав данной стали должен содержать армко-железо, рафинированный передельный чугун и дозированное легирование одним из 3-х компонентов - Mn, Si, Cr, что сильно удорожает процесс.
Пример №2. Для выплавки в индукционной печи емкостью 500 кг задана сталь РП со следующими конечными параметрами: С 0,33-0,38 масс. %, [Mn, Cr]<2,5 масс. % каждого, [Si]<1,8 масс. %, [Ni]<1,8 масс %, [W]<1,0 масс. %, [Мо]<0,5 масс. %, [Cu]<0,25 масс.%, Ti 0,11-0,15; Al 0,03-0,07; Dид.кр. 100-110 мм при зерне аустенита №11 ГОСТ 5639 (ASTM). Исходная шихта -аналогична рассмотренной в примере 1. Характер ведения плавки - раскисление алюминием, модификация титаном в ковше, как в примере 1. Состав стали масс. % в ковше при этом следующий: С 0,36; Mn 0,4; Si 0,1; Cr 0,1; Ni 0,05; Cu 0,07; S 0,025;P 0,027;Ti 0,13; Al 0,05. Компьютерный экспресс-подсчет показал величину Dид.кр.=29 мм. Доводка ее до 100…110 мм может быть осуществлена с помощью формулы Гроссмана одним из трех вариантов:
- легирование марганцем в ковше до максимально допустимого количества масс. % 2,4 (предельное количество предусмотрено - 2,5%) и кремнием - 1,5%, остальные компоненты неизменны;
- легирование марганцем в ковше до максимально допустимого количества масс. % 2,4 (предельное количество предусмотрено - 2,5%) и хромом - 0,5%, остальные компоненты неизменны;
- легирование марганцем в ковше до максимально допустимого количества масс. % 2,4 (предельное количество предусмотрено - 2,5%) и бором (0,5 кг/т ферробора обеспечивает гарантированное наличие бора - 0,002-0,007), остальные компоненты неизменны.
Все три варианта были опробованы в процессе разливки стали из ковша в три изложницы емкостью 150 кг каждая. При этом в ковше присутствуют все заданные компоненты кроме Si, Cr и В. Последние вводились в струю в соответствующую изложницу в расчетных количествах (Si 1,5%; Cr 0,55%; В 0,002-0,007%).
В результате были получены три марки стали РП, состав которых масс. % приводится ниже:
I С 0,36; Mn 2,4; Si 1,5; Cr 0,1;Ni 0,05; Cu 0,07; S 0,025; P 0,027; Ti 0,13; Al 0,05;B 0
II С 0,36; Mn 2,4; Si 0,1; Cr 0,55;Ni 0,05; Cu 0,07; S 0,025; P 0,027; Ti 0,13; Al 0,05;B 0
III С 0,36; Mn 2,4; Si 0,1; Cr 0,1; Ni 0,05; Cu 0,07; S 0,025; P 0,027; Ti 0,13; Al 0,05;B 0,002-0,007
2
Во всех трех случаях идеальный критический диаметр сталей практически одинаков и равен Dид.кр.=102-105 мм. Из полученных сталей были изготовлены цилиндрические детали - тяги ∅50 мм, испытывающие при эксплуатации циклические напряжения растяжения-сжатия. По этой причине детали должны быть упрочнены сквозной закалкой на 100%-й мартенсит отпуска. Поэтому Dид.кр. не менее, чем в 2 раза должен превышать диаметр детали. Термическая обработка осуществлялась при сквозном индукционном нагреве, интенсивном охлаждении с последующим печным отпуском при 130°С. Все три варианта стали имели одинаковые свойства: микроструктура - мартенсит безигольчатого строения по всему сечению, зерно аустенита 11 балла по стандартной шкале, твердость 54-56 HRC, σв=1800 Н/мм (мПа), ψ=30-40%,
Достаточно точный экономический расчет показал, что введение бора в виде 0,5 кг/т ферробора в 10,6 раза эффективнее феррохрома и в 12,85 раз ферросилиция для сталей с содержанием углерода <0,4% С для этой конкретной плавки; во всех случаях применение формулы Гроссмана позволяет с наибольшей эффективностью и наименьшей продолжительностью провести выплавку сталей ПП и РП.
Пример №3. Для выплавки в электродуговой печи емкостью 2,5 т задана сталь 45РПЛ со следующими конечными параметрами: С 0,42-0,47 масс. %, [Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W]<0,5 масс. % каждого, [Cu]<0,25 масс. %, Al 0,03-0,07 масс. %, [S, Р]<0,035 масс. % каждого, Dид.кр. 23-26 мм при зерне аустенита №10 ГОСТ 5639 (ASTM). Исходная шихта - аналогична рассмотренной в примере 1. Характер ведения плавки - раскисление алюминием, модификация титаном в ковше, как в примере 1. После расплавления шихты состав ванны масс. % был следующим: С 1,2; Mn 0,51; Si 0,38; Cr 0,26; Ni 0,21; Cu 0,14; S 0,038; Р 0,031; Ti 0,0015; Al 0,001.
Предварительный расчет с использованием уточненной формулы Гроссмана показал, что при этом промежуточном химическом составе и условном максимально заданным содержании С=0,47%, коэффициенте К=6,75 при балле зерна аустенита №10 показал величину Dид.кр.=32 мм, которая при дальнейшем ведении плавки вполне может быть доведена до заданной, то есть 23-26 мм.
После завершения процесса кипения стали состав ванны, масс. %: С 0,45; Mn 0,48; Si 0,30; Cr 0,25; Ni 0,21; Cu 0,14; S 0,031; Р 0,0028; Al<0,001; Dид.кр.=32 мм. Для достижения заданного интервала значений последнего было решено продлить процесс кипения на 20 минут, в результате чего снизилось содержание Si до масс. % 0,17 и Dид.кр.=25 мм. Последующий выпуск печи в ковш, раскисление в струю, желобе и на дне ковша алюминием с остаточным заданным его содержанием в целях модифицирования - 0,05 масс. % Al с остаточным содержанием постоянных примесей без дополнительного легирования обеспечили Dид.кр.=25 мм и химический состав стали в соответствие с заданием.
Разливка стали из ковша осуществлялась в четыре земляные формы для последующего изготовления 4-х ходовых колес тележки мостового крана грузоподъемностью 5 т и несколько образцов-свидетелей прямоугольной формы, отлитые в земляные формы, из которых были изготовлены образцы-темплеты, подобные ободу, дорожки качения и ребордам ходовых колес с частичным выходом на диск. Извлечение заготовок и образцов-свидетелей из форм осуществлялось при температуре помещения. Микроструктура, исследованная на образцах-свидетелях - феррито+перлит, величина зерна - №4-5 по стандартной шкале, твердость 150-180НВ.
Колеса и образцы-свидетели были подвергнуты механической обработке и объемно-поверхностной закалке (ОПЗ) при сквозном печном нагреве при 830-850°С с последующим интенсивным охлаждением водяным душем дорожки качения и внутренних поверхностей реборд. Ходовые колеса и образцы-свидетели были отпущены в одной печи при 200°С. В результате металлографических исследований, проведенных на образцах-свидетелях на дорожке качения и ребордах имел место непрерывный закаленный слой глубиной 5-6 мм, заканчивающийся на цилиндрической поверхности реборд без выхода на наружную торцевую поверхность. Твердость поверхности закаленного на среднеигольчатый мартенсит слоя 52-55HRC. Зерно аустенита соответствовало №9-10. Под закаленным слоем расположена упрочненная зона толщиной 15-20 мм с микроструктурой от поверхности вглубь- троостит (5-7 мм, 45-38HRC), троосто-сорбит (2-3 мм, 38-35HRC), сорбит (30-35HRC). В более глубоких слоях - феррит+перлит, НВ 170-200. Полученный идеальный критический диаметр соответствовал заданному и оказался равным Dид.кр.=25 мм, так как заданная расчетная глубина закаленного слоя соответствовала реальной.
Три приведенных примера убедительно показали, что применение формулы Гроссмана при выплавке сталей ПП и РП позволяет получить не только заданные металлургические, металлографические параметры, но и механические свойства сталей, реализуемые на конкретных деталях приокончательной упрочняющей термической обработке; стали ПП и РП по химическому составу близки к серийным, например, сталь 45РПЛ в сравнении с серийной 45Л, но они отличаются от серийных значительно меньшим разбросом величины Dид.кр. (±2,5 мм, сталь 45РПЛ и ±7÷10 мм, сталь 45Л), которая определяет окончательные стабильные свойства стали, формируемые при выплавке.