СПЛАВ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ ТИТАНОМ
ALLOY FOR ALLOYING OF STEEL WITH TITANIUM

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам для легирования, и предназначено для использования при выплавке титансодержащих сталей.
В настоящее время титан широко используется для легирования сталей различного марочного сортамента. При этом наибольший объем производства титансодержащих марок приходится на низколегированные стали, предназначенные для изготовления труб, строительных конструкций, крепежа и др. К положительным действиям титана на свойства стали относятся повышение ударной вязкости, прочности, коррозионной стойкости, износостойкости и хладостойкости. Повышение физико-механических свойств металла главным образом связано с образованием нитридов, карбидов и карбонитридов титана. В частности, в низколегированных сталях образующиеся нитриды титана увеличивают их прочность и износостойкость. В нержавеющих сталях титан используется для повышения их пластичности, что достигается связыванием в нитриды твердорастворенного азота. В этих же сталях титан образует карбиды титана, предотвращая тем самым образование карбидов хрома при нагревании и увеличивая стойкость металла к межкристаллитной коррозии. В борсодержащих сталях титан является незаменимой технологической добавкой, используемой для защиты бора от азотирования.
Трудности при использовании титана в качестве легирующего элемента стали связаны главным образом с его высоким химическим сродством к кислороду. Раскисляющая способность титана много выше, чем у других микролегирующих элементов: В, Nb, V и др. Проблема уменьшения угара титана актуальна по сей день и требует решения для обеспечения его требуемых концентраций в сталях в узких пределах, что особенно важно для достижения стабильно высоких свойств современных сталей.
Используемые в настоящее время легирующие титансодержащие материалы зачастую содержат значительное количество примесей цветных металлов и газов (Сu, Sn, Zn, N, О, Н и др.), а в отдельных сплавах повышенную концентрацию С, S, Р. Это нередко является причиной снижения качества металла и даже забраковки отдельных плавок.
Традиционно для легирования сталей титаном используется ферротитан, выпускаемый по ГОСТ 4761-91. В зависимости от способа получения производят его как с высоким (~70% Ti), так и с низким (~40% Ti) содержанием титана. Высокопроцентный ферротитан обычно получают методом переплава титансодержащих отходов в индукционных печах. Ферротитан с ~40% титана производят внепечным восстановлением из ильменитового концентрата в специальных плавильных агрегатах. В качестве шихтовых материалов используют ильменитовый концентрат, железную руду, алюминиевый порошок, ферросилиций и известь. В обоих вариантах ферротитан характеризуется высокой концентрацией водорода, азота и кислорода, а в отдельных случаях - цветных металлов. Кроме того, использование такого сплава возможно только при условии тщательного предварительного раскисления стального расплава.
Известен сплав на основе титана (пат. РФ №2335564, опубл. 10.10.2008, Б.И. №28), содержащий, мас.%:
Титан
68,02-78,7
Железо
19,32-30,0
Примеси
остальное
Такой сплав получают путем двухстадийного переплава исходных компонентов. На первой стадии из шихты, содержащей ильменит, чугунный и/или стальной лом, электродный бой и/или кокс, известь и/или известняк, удаляют содержащий оксид титана шлак и часть расплава железа. На второй стадии в электродуговой печи плавят дробленый шлак первой стадии с алюминием. Изобретение позволяет получать готовый продукт в виде компактного товарного слитка с заданным содержанием титана, который можно использовать при выплавке различных марок сталей. Однако такой сплав практически не содержит высокоактивных элементов, которые уменьшали бы угар титана. Поэтому при использовании сплава будет наблюдаться повышенное его окисление, что в конечном счете приведет к более высокому удельному расходу. Кроме того, титансодержащие лигатуры, получаемые приведенным методом, обычно включают немалое количество водорода, ухудшающего качество любого металла.
Более эффективны в применении комплексные титансодержащие сплавы, включающие сильные раскисляющие элементы, которые предотвращают окисление титана. Одним из таких сплавов, который выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения, является сплав, содержащий, мас.%:
Титан
38-42
Алюминий
не более 5
Кремний
7-15
Углерод
0,01-0,12
Железо
остальное (пат. США №2064150, опубл. 15.12.1936).
Данный сплав содержит в небольшом количестве алюминий и кремний, которые обладают высоким сродством к кислороду. Такое количество этих элементов в некоторой степени способствует защите титана от окисления, следовательно, позволяет повысить степень его усвоения. В то же время сплав-прототип характеризуется невысоким содержанием титана, и его использование требует большого удельного расхода лигатуры, вследствие чего происходит удорожание металла.
Таким образом, в предлагаемом изобретении ставится задача создания нового сплава, который при минимальном его расходе позволял бы выплавлять стали с заданными узкими концентрационными пределами по титану и обеспечивал бы минимальное загрязнение металла вредными примесями.
Поставленная задача решается тем, что предлагается сплав, включающий титан, кремний, алюминий, углерод и железо, в котором компоненты взяты в следующем соотношении:
Титан
45-75
Кремний
5-45
Алюминий
5-15
Углерод
не более 0,2
Железо
остальное
при этом отношение титана к алюминию находится в пределах от 3:1 до 15:1.
Опытным путем было установлено, что высокое усвоение титана достигается при его содержании 45-75%. Содержание менее 45% Ti является нецелесообразным, так как в этом случае будет иметь место повышенный расход сплава. Увеличение концентрации титана свыше 75% снижает степень его усвоения в связи с уменьшением доли раскисляющих элементов. Наилучшие результаты были получены при концентрации титана от 60 до 70%.
Для увеличения усвоения титана сплав одновременно содержит сильные раскисляющие элементы - алюминий и кремний. Обладая высоким химическим сродством к кислороду, алюминий и кремний активно взаимодействуют в металле с растворенным кислородом, предотвращая окисление титана. Кроме того, их наличие совместимо с составом большинства титансодержащих сталей.
Кремний широко используется при выплавке стали для ее раскисления и легирования, его содержание регламентируется во многих титансодержащих сталях. Нижний концентрационный предел кремния в сплаве 5% соответствует минимальному количеству, при котором начинает проявляться его раскисляющая способность. Верхний концентрационный предел кремния ограничен 45%, при более высоком его содержании в сталь будет вводиться избыточное количество кремния, которое будет способствовать повышенному образованию силикатных соединений. Оптимальные концентрационные пределы по кремнию составляют 13-18%.
Алюминий является одним из самых сильных раскисляющих элементов стали. В настоящем техническом решении количество алюминия выбрано в пределах 5-15%. При содержании алюминия ниже 5% раскисляющая способность сплава резко падает, что ведет к значительному угару титана. При содержании выше 15% в металле образуется повышенная концентрация оксидов алюминия, которые ухудшают качество металла, снижая его физические и механические свойства и качество поверхности отливки в результате формирования большого количества неметаллических включений. Оптимальное количество алюминия составляет 8-12%.
В наилучших вариантах реализации предлагается сплав, содержащий кальций в количестве от 0,1 до 15%. Кальций эффективно снижает концентрацию активного кислорода в сталеплавильной ванне даже при небольшом его добавлении. Кроме того, кальций обладает способностью улучшать качество металла модифицированием неметаллических включений и удалением из него серы путем образования сульфида CaS. Нижний концентрационный предел кальция в сплаве 0,1% соответствует минимальному количеству, при котором начинает проявляться его раскисляющая способность. При концентрации кальция в сплаве более 15% возможно образование в металле повышенного количества окиси, которая может вызывать горячеломкость стали.
Экспериментальными исследованиями было найдено, что для достижения заданного технического эффекта в предлагаемом изобретении между концентрациями титана и алюминия должно соблюдаться строгое соотношение. Для высокого и стабильного усвоения титана расплавом путем его защиты от окисления и для предотвращения введения избыточных количеств алюминия отношение титана к алюминию должно находиться в пределах от 3:1 до 15:1. При отношении титана к алюминию более 15:1 содержания алюминия будет недостаточно для того, чтобы «защитить» титан от окисления. При их соотношении менее 3:1 в стали появляется избыточное количество алюминия, которое является нежелательным вследствие избыточного образования неметаллических включений. Наилучшие результаты получены при отношении титана к алюминию от 6:1 до 8:1.
Предлагаемый сплав может быть получен разными способами: методом сплавления материалов, содержащих титан, алюминий, кремний и кальций, методом переплава титановых отходов с дополнительным введением алюминий-, кремний- и кальцийсодержащих компонентов, металлотермическим восстановлением, технологическим горением смеси исходных компонентов в среде инертного газа.
Для проведения промышленных испытаний изготовили опытную партию порошковой проволоки с тремя наполнителями: сплавы I, II и III (таблица). В качестве шихтовых материалов были использованы порошки губчатого титана марки ТГ-130, технического кремния марки Кр1 и алюминия марки АМД, из которых методом технологического горения были получены и испытаны сплавы трех различных составов. Опытные плавки проводили на серийно выпускаемой низколегированной стали класса прочности К56, предназначенной для изготовления газопроводных труб. Состав стали регламентирует концентрационный предел по титану 0,025±0.005%. Обычная технология производства данной стали предусматривает выплавку в 380 т кислородном конвертере, циркуляционное вакуумирование, обработку на агрегате печь-ковш (АПК) и разливку металла на слябовой МНЛЗ. Легирование титаном производят после предварительного раскисления стали алюминием на АПК путем введения порошковой проволоки с наполнителем ферротитан марки ФТи 70. Среднее усвоение титана в этом случае составляет 31,1%, удельный расход 0,92 кг/т. Во время проведения опытных плавок порошковую проволоку с экспериментальными наполнителями вводили при тех же технологических режимах (момент ввода, скорость подачи, время усреднительного перемешивания и пр.). На каждый состав нового сплава было проведено по две плавки. В таблице представлены составы использованных наполнителей, значения концентраций титана в готовом прокате, усвоение сталью титана. Таким образом, применение нового сплава обеспечивает минимальное загрязнение стали вредными примесями за счет высокой «чистоты» легирующего материала и позволяет выплавлять стали с узкими концентрационными пределами по титану при снижении удельного расхода лигатуры за счет более высокого содержания титана и повышенного усвоения. Расход титансодержащего легирующего материала снижается в 1,2-2 раза.
Сплав
Массовое содержание элементов, %
Усвоение титана, %
Содержание титана в готовом прокате, %
Расход, кг/т
Ti
Si
Al
Ca
С
N
O
Н
Fe
I
70,3
15,7
10,5
-
0,05
0,05
0,04
0,01
ост.
58,4
0,0247
0,58
II
48,9
13,4
8,8
-
0,15
0,41
0,30
0,011
ост.
61,2
0,0248
0,83
III
65,2
16,8
5,3
9,4
0,09
0,15
0,11
0,01
ост.
63,6
0,0240
0,58
Прототип
38-42
7-15
<5
-
0,01-0,12
н.д.
н.д.
н.д.
ост.
н.д.
-
0,97*
* Расчетный расход сплава-прототипа при условии, что степень усвоения максимальна 63,6%, а содержание титана в готовом прокате 0,0248%.