СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
METHOD OF HEAVY-ALLOYED STAINLESS STEEL ELECTROSLAG REMELTING

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для производства высоколегированной нержавеющей стали.
Известен способ электрошлакового переплава, включающий создание в рабочем пространстве печи избыточного давления азота, плавление расходуемого электрода и введение по ходу переплава нитридов. Плавление периодически переводят из режима сопротивления в верхний дуговой режим и дополнительно непрерывно вводят азотированный металлический материал на основе легирующих элементов переплавляемого сплава, при этом нитриды вводят в шлак в период плавления в верхнем дуговом режиме.
Недостатком указанного способа является то, что нитриды вводят в шлак в период плавления в верхнем дуговом режиме, который характеризуется температурой 4000-10000°С, при которой происходит диссоциация нитридов в дуге и испарение азота и металлического компонента в атмосферу печи, что существенно снижает эффективность легирования азотом, нитридами и легирующими элементами переплавляемого металла.
Наиболее близким по технической сущности является способ электрошлакового переплава, включающий наведение шлаковой ванны, переплав расходуемого электрода и формирование слоя реагентов на границе шлак-металл (RU 2026386 C1, C22B 9/18, 09.01.1995).
Задачей изобретения является получение нержавеющей стали с повышенным содержанием азота и равномерно распределенных в ней нитридных фаз, обеспечивающих повышение физико-механических свойств металла.
Указанная задача достигается тем, что в способе электрошлакового переплава, включающем наведение шлаковой ванны, переплав расходуемого электрода и формирование слоя реагентов на границе шлак-металл из элементов, образующих зону термохимического синтеза, с расходом реагентов 5-30% от массы переплавляемого электрода, формируют металлонитридный слой реагентов, образующих зону термохимического синтеза, путем введения по крайней мере одного реагента из группы азотированный хром, азотированный марганец и из группы металлический цирконий, металлический гафний, и дополнительно вводят инокулятор нитрид циркония и (или) нитрид гафния в количестве 0,01-1% от массы вводимых реагентов, формирующих металлонитридный слой.
Кроме того, нитрид циркония и (или) нитрид гафния вводят в виде наноразмерного порошка.
Целесообразно слой реагентов, образующих зону термохимического синтеза, наводить путем переплава дополнительного электрода, содержащего порошки реагентов, формирующих металлонитридный слой и инокулятор.
Формирование металлонитридного слоя реагентов, образующих зону термохимического синтеза, позволяет непосредственно в процессе переплава расходуемого электрода образовать за счет прохождения экзотермической реакции между азотированным хромом и (или) азотированным марганцем и металлическими цирконием и (или) металлическим гафнием нитриды циркония и (или) нитриды гафния. Нитриды циркония и (или) нитриды гафния частично растворяются, что позволяет вводить азот в металл по ходу переплава без потерь. Подаваемые в зону термохимического синтеза наноразмерные частицы нитрида циркония и (или) нитрида гафния являются центрами зарождения термохимических реакций между азотом и металлическими цирконием и гафнием, которые могут быть затруднены в связи с ограниченным количеством времени формирования слоя реагентов. Таким образом, переплавляемый металл содержит оптимальное количество растворенного азота, который приведет к получению азотистого аустенита, а образовавшиеся тугоплавкие мелкодисперсные нитриды циркония и нитриды гафния способствуют модифицированию переплавляемого металла, что приводит к измельчению аустенитного зерна и значительному повышению физико-механических свойств. При введении в формируемый металлонитридный слой менее 0,01% инокуляторов от массы вводимых реагентов, формирующих слой, образовавшихся в процессе реакции тугоплавких мелкодисперсных нитридов циркония и (или) нитридов гафния может быть недостаточно, поэтому возможна крупнозернистая структура металла и снижение его прочностных свойств.
При введении в формируемый металлонитридный слой более 1% инокуляторов от массы вводимых реагентов, формирующих слой, возможно избыточное образование нитридов циркония и (или) нитридов гафния, которые, располагаясь по границам зерна, приведут к снижению ударной вязкости.
Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности легирования переплавляемого металла азотом с одновременным измельчением аустенитного зерна, что приводит к повышению физико-механических свойств металла.
Реагенты для образования металлонитридного слоя подают в процессе переплава непосредственно на шлаковую ванну путем введения в расходуемый электрод или посредством одновременного переплава дополнительного электрода, содержащего указанные реагенты. В процессе переплава наличие металлонитридного слоя на границе шлак-металл можно контролировать методом зондирования.
Пример 1
В открытой индукционной печи получали электроды диаметром 40 мм и весом 12 кг нержавеющей стали типа ЭП878 с содержанием хрома 18%, марганца 10% и азота 0,33%. Электрошлаковый переплав электродов проводили на печи ЭШП-025 в кристаллизаторе диаметром 90 мм на флюсе АНФ6 при напряжении 46 В и токе 3000 А. Одновременно с основным электродом переплавляли дополнительный электрод-картридж, содержащий равномерно по высоте расположенные порошки азотированного хрома, азотированного марганца, металлического циркония, металлического гафния, нитрида циркония, нитрида гафния в различных соотношениях. Порошки азотированных хрома и азотированного марганца были получены методом СВС и содержали соответственно 20% и 10% азота. Порошки инокуляторов нитрида циркония и нитрида гафния были дополнительно диспергированы до наноразмерного состояния в планетарной мельнице. Расчет азотированного хрома и азотированного марганца проводился по разнице между содержанием хрома и марганца в переплавляемом электроде и получаемой марке стали типа ВНС-53. Содержание металлического циркония и металлического гафния определяли относительно количества вводимых в металлонитридный слой ингредиентов азотированного хрома и азотированного марганца по стехиометрии. Содержание инокуляторов рассчитывалось в количестве 0,01-1% от массы вводимых азотированного хрома и азотированного марганца, и металлического циркония, металлического гафния. По ходу переплава вводили от 5-30% ингредиентов, формирующих металлонитридный слой от массы переплавляемого слитка. Наличие металлонитридного слоя контролировали в процессе переплава методом зондирования. В результате был получен слиток стали типа ВНС-53 с повышением содержания хрома до 20%, марганца до 11%, азота до 0,53-0,45%.
Для сравнения проводили ЭШП электрода вышеуказанного состава в соответствии со способом-прототипом.
Результаты приведены в таблице.
Предлагаемый способ электрошлакового переплава высоколегированной нержавеющей стали позволяет повысить содержание азота в переплавляемом металле и измельчить зерно аустенита.
Таблица
Параметры ЭШП и свойства полученной стали
№ п/п
Вводимые реагенты
Расход реагентов, формирующих металлонитридный слой, в % от массы переплавляемого слитка
Расход инокулятора в % от массы реагентов, формирующих металлонитридный слой
Повышение содержания азота в переплавляемом металле
Предел прочности σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>т</sub>, МПа
Ударная вязкость KCV, <img file="00000001.tif" he="10" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
1.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония
5
0,01
0,15
1800
1350
78
2.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония
5
1,00
0,16
1850
1370
77
3.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония
30
0,01
0,20
1900
1500
72
6.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония
30
1,00
0,21
1910
1520
70
Продолжение таблицы
7.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния
5
0,01
0,14
1790
1340
80
8.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния
5
1,00
0,15
1800
1360
79
9.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния
30
0,01
0,21
1890
1480
75
10.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния
30
1,00
0,22
1900
1490
74
11.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония
5
0,01
0,16
1850
1370
77
12.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония
5
1,00
0,17
1860
1380
76
Продолжение таблицы
13.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония
30
0,01
0,19
1900
1500
73
14.
Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония
30
1,00
0.20
1910
1520
72
15.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид циркония, нитрид гафния
5
0,001
0,05
1500
1100
60
16.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид циркония, нитрид гафния
30
0,001
0,06
1510
1150
60
17.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния
5
1,10
0,20
1900
1450
20
Продолжение таблицы
18.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния
30
0,01
0,16
1930
1500
71
19.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния
30
1,00
0,17
1950
1510
79
20.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния
30
1,10
0,20
1890
1440
21
21.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния, нитрид циркония
5
0,01
0,17
2000
1550
70
22.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния, нитрид циркония
5
1,00
0,18
2005
1550
71
Продолжение таблицы
23.
Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния, нитрид циркония
30
0,01
0,22
2100
1570
72
24.
Азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония
30
1,00
0,23
2100
1570
70
25.
Азотированный хром, цирконий, нитрид циркония
30
0,01
0,21
2080
1570
72
26. Прототип
Азот
-
-
0,03
1300
900
20