СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛИ
NITRIDING METHOD OF STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства стали с применением вакуумирования.
Известны азотсодержащие стали, обладающие повышенной ударной вязкостью при отрицательных температурах за счет нитридного и карбонитридного упрочнений [1]. Необходимые свойства таких сталей достигаются при легировании стали азотированными ферросплавами. Однако производство сплавов азотированного феррованадия сопряжено с высокими затратами, они дорогостоящи и при введении их в сталь степень усвоения азота низка.
3
5
3
Известен также способ получения рельсовой стали, включающий выплавку стали в печи, ее выпуск в ковш, раскисление и последующую продувку стали в ковше газообразным азотом через фурму, при котором газообразный азот подают через щелевую донную огнеупорную фурму, имеющую толщину щели до 0,1 мм, в течение 15-30 мин с расходом 40-65 нм/ч при давлении (6-8)·10 Па и общим расходом азота 0,10-0,30 нм/т жидкой стали [2].
Техническими недостатками данного способа являются:
- нестабильное усвоение азота при продувке и получение различных значений ударной вязкости при прочем равном химическом составе;
- повышенный уровень загрязненности рельсовой стали оксидными неметаллическими включениями в связи с использованием азота недостаточной степени чистоты по концентрации кислорода;
- снижение механических свойств рельсов в связи с высокой концентрацией в рельсовой стали оксидных неметаллических включений;
- низкая производительность при азотировании.
3
Известен выбранный в качестве прототипа способ выплавки и вакуумирования стали, включающий выплавку металла, обработку рафинировочным шлаком, вакуумом, при котором металл в ковше вначале обрабатывают основным восстановительным шлаком посредством слива металла из печи в ковш на твердые шлакообразующие материалы с одновременной продувкой расплава аргоном с интенсивностью 0,01-0,07 м/т·мин и через 30-90 с с основным окислительным шлаком и аргоном с интенсивностью продувки 0,2-0,8 первоначальной продувки в течение 30-180 с, после чего удаляют 20-40% массы шлака, присаживают нейтрализатор и осуществляют вакуумирование металла [3].
Техническими недостатками данного способа выплавки и вакуумирования стали являются:
- невозможность проведения операции азотирования из-за применения аргона в качестве используемого газа;
- невозможность совмещения операции снижения содержания кислорода и оксидных неметаллических включений с операцией по насыщению стали азотом из-за использования аргона.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение затрат при азотировании стали, уменьшение концентрации кислорода в стали и уровня загрязненности неметаллическими включениями; повышение ударной вязкости при отрицательных температурах.
3
3
2
Для этого предложен способ азотирования стали, включающий вакуумирование стали в ковше с одновременной продувкой инертным газом через донные пористые фурмы под высокоосновным шлаком, отличающийся тем, что продувку в ковше при вакуумировании проводят через донные пористые фурмы азотом с интенсивностью 3-25 м/ч и расходом 0,02-0,35 м/т стали под шлаком с окисленностью не более 1,2% FeO и отношением СаО/SiO 2,1-2,8, причем высоту шлака в ковше обеспечивают равной 80-150 мм.
Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем.
3
3
3
3
3
3
Продувку стали азотом через пористые фурмы проводят с расходом 0,02-0,35 м/т и интенсивностью 3-25 м/ч, выбраными исходя из следующих предпосылок. При снижении расхода менее 0,02 нм/т выплавляемой стали и интенсивности менее 3 м/ч происходит снижение скорости насыщения стали азотом. При повышении расхода более 0,35 нм/т и интенсивности продувки стали азотом более 25 нм/ч на тонну выплавляемой стали происходит интенсивное вспенивание стали и шлака в ковше, что затрудняет обработку в связи с выплесками стали и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы.
При увеличении окисленности шлака более 1,2% FeO при обработке стали происходят аварийные ситуации, связанные с резким вскипанием стали в ковше и выбросами в танк вакууматора, вследствие чего процесс дальнейшего вакуумирования прекращается.
2
Отношение СаО/SiO, равное 2,1-2,8, выбрано исходя из того, что при снижении соотношения ниже 2,1 не обеспечивается требуемый уровень загрязненности стали оксидными экзогенными включениями из-за эрозии футеровки стальковша ковшевым шлаком, кроме того, жидкотекучесть шлаков не позволяет эффективно насыщать сталь азотом в связи с быстрым удалением пузырьков азота через шлак. При увеличении данного соотношения более 2,8 шлаки получаются «густыми» и тугоплавкими, что затрудняет процесс присадки азотообразующих ферросплавов (ванадия, титана, алюминия и др.) в сталь, так как прохождение ферросплавов через слой шлака затрудняется и в связи с отсутствием в стали необходимых нитридообразующих элементов, присаживаемых ферросплавами, процесс азотирования стали замедляется, а следовательно, продолжительность вакуумной обработки увеличивается.
При высоте шлака в ковше менее 80 мм низкая высота шлака не обеспечивает защиту металла от поглощения газов из атмосферы. При высоте шлака более 150 мм увеличивается продолжительность обработки на вакууматоре.
2
3
3
Заявляемый способ азотирования стали был реализован при производстве рельсовой стали марки НЭ76Ф с обработкой на вакууматоре камерного типа VD. Выплавленная сталь в сталеразливочном ковше после подогрева на агрегате «ковш-печь» подавалась для обработки на вакууматор. При этом обеспечивали содержание в ковшевом шлаке не более 1,2% FeO и отношение СаО/SiO, равное 2,1-2,8. Высота шлака в ковше составляла 80-150 мм. При высоте шлака более 150 мм производили скачивание шлака машиной для скачивания шлака через борт сталеразливочного ковша. Перед созданием разряжения ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку азотом через пористые донные фурмы с интенсивностью 3-25 м/ч и расходом 0,02-0,35 м/т стали. Далее надвигалась крышка вакууматора и в течение до 5 мин создавалось давление менее 0,3 торр. Длительность выдержки под вакуумом составляла 15-60 мин. После операции обработки вакуум снимался, открывалась крышка и ковш подавался на непрерывную разливку. Разливку стали проводили на 4-ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Далее проводили нагрев непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками и прокатку на рельсы типа P65.
При использовании заявляемого способа снижен расход азотированных ванадийсодержащих ферросплавов на 0,5-0,7 кг/т выплавляемой стали.
2
2
Содержание кислорода снижено до 12-20 ppm, содержание азота 100-250 ppm. Длина строчки оксидных включений сокращена с 1,5 мм до 0,5 мм. Ударная вязкость термоупрочненных рельсов увеличена с 25 Дж/см до 45 Дж/см.
Источники информации
1. Филиппенков А.А. Ванадийсодержащие стали для отливок. - Екатеринбург: УРО РАН. - 2001. -345 с.
2. Патент РФ №2161205, кл С21С 7/00, 7/072.
3. А.с №968078, кл С21С 7/10.