Способ микролегирования стали азотом

 

Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для использования при выплавке сталей, содержащих нитродообразующие элементы. Целью изобретения является улучшение качества стали за счет снижения загрязненности крупными единичными и строчечными включениями оксидов , повышение уровня механических свойств готовою проката. Металл, выплавленный в сталеплавильном агрегате, раскисленный и продутый в ковше азотом, подвергают дополнительной обработке газообразным азотом при разливке в изложницы . Для этого струю металла, обдувают азотом с интенсивностью 0,008-0,020 нм /т, подаваемым непрерывным, коаксиальным струе металла потоком с внутренним диаметром , составляющим 2- 3,5 диаметра струи металла. Кроме того, расход азота для продувки в ковше и расход азота на обдув струи задают в отношении 0,1 5-0,75. 1 з.п.ф-лы, 1 табл. СП с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 21 С 7/00

ГОСУДАPСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839130/02 (22) 15.06.90 (46) 07.05.92. Бюл. ¹ 17 (71) Уральский науч но-исследо вател ьский институт черных, металлов, Нижнетагильский металлургический комбинат и Украинский научно-исследовательский институт (72) Г.B.Áóðëàêà, А.И.Монастырская, В.П.Новолодский, А.В.Пан, М,А.Третьяков, В.А.Паляничка, В.А.Спирин, М.С.Гордиенко, B.È.Èëüèí и Б.И.Топычканов (53) 669.187.25 (088.8) (56) Заявка Великобритании ¹ 1296856, кл. С 7 D, 1967.

Титова Т,М., Малиночка Я,Н., Зигало И.Н. и др. Некоторые пути улучшения качества рельсов из конвертерной стали. — М.: Металлургия и коксохимия. — Киев: Техника, 1985, вып. 87, с,44 — 48.

Авторское свидетельство СССР

N 918315, кл. С 21 С 7/00, 1977, (54) СПОСОБ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ АЗОТОМ

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке сталей, содержащих нитродообразующие элементы, например, алюминий, ванадий, ниобий, бор, титан и др.

Целью изобретения является улучшение качества стали за счет снижения загрязненности крупными единичными и строчечными включениями оксидов и нитридов, повышения механических свойств готового проката.

Сущность способа микролегирования стали азотом состоит в том, что выплавлен!

Ж„„1731826 А1 (57) Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для использования при выплавке сталей, содержащих нитродообразующие элементы. Целью изобретения является улучшение качества стали за счет снижения загрязненности крупными единичными и строчечными включениями оксидов, повышение уровня механических свойств готово о проката. Металл, выплавленный в сталеплавильном агрегате, раскисленный и продутый в ковше азотом, подвергают дополнительной обработке газообразным азотом при разливке в изложницы. Для этого струю металла, обдувают азотом с интенсивностью 0,008 — 0,020 нм /т, 3 подаваемым непрерывным, коаксиальным струе металла потоком с внутренним диаметром, составляющим 2 — 3,5 диаметра струи металла. Кроме того, расход азота для продувки в ковше и расход азота на обдув струи задают в отношении 0,15 — 0,75.

1 з.п.ф-лы, 1 табл, ный в сталеплавильном агрегате металл раскисляют, продувают в ковше азотом и в процессе разливки в изложницы струю металла дополнительно обдувают газообразным азотом с интенсивностью 0,005-0,020 нм /т мин, подаваемым непрерывным коаксиальным струе металла потоком с внутренним диаметром, равным 2,0 — 3,5 диаметра струи металла. Кроме того, отношение расхода азота для продувки в ковше к расходу азота на обдув струи равно 0,15 — 0,75.

При продувке стали азатом в ковше часть газа растворяется в жидком металле, 1731826

55 взаимодействуя в первую очередь с активными нитридообразующими элементами (титаном, хромом и т.д,), которые присутствуют практически во всех марках стали. Образующиеся при этом крупные включения нитридов, способные снижать качество готового металла, частично удаляются из расплава в процессе его перемешивания и выдержки в ковше, Кроме того, эти нитридообразующие элементы, активно связывая азот при продувке в ковше, препятствуют образованию мелкодисперсных нитридов ванадия, алюминия, ниобия и других микролегирующих элементов, благоприятно влияющих на свойства готового проката.

В процессе разливки струю металла дополнительно обдувают газообразным азотом, подаваемым непрерывным коаксиальным струе металла потоком определенной интенсивности и внутренним диаметром, связанным с диаметром струи на уровне среза разливочного стакана, В результате этого внутренняя часть газового потока притягивается к струе металла и обволакивает неровности, возникающие вследствие турбулентного характера истечения равплава, часть азота затягивается струей металла в изложницу.

Создаются благоприятные условия для поглощения азота металлом, обеспечивающиеся высокой удельной поверхностью контакта его с газом как в струе, так и при всплывании пузырей азота из объема изложницы. На этой стадии в значительной мере исчезают кинетические затруднения протекания этого взаимодействия, связанные на предшествующей стадии обработки с блокированием поверхности атомами активного кислорода, Это способствует образованию мелкодисперсных нитридов элементов, повышающих уровень свойств готового проката. Внешняя непрерывная поверхность газового потока блокирует поступление к струе металла атмосферного воздуха и препятствует вторичному окислению элементов, имеющих значительное сродство к кислороду. Кроме того, внешняя часть потока азота, ударяясь о поверхность металла в изложнице, растекается по ней и исключает контакт поверхности металла с кислородом воздуха, Одновременно с этим и роисходит допол нител ьнсе рафинирование расплава в изложнице от крупных оксидных и нитридных включений, выносимых всплывающими из объема металла пузырями азота. Таким образом, воздействие азотом на металл при продувке в ковше и в процессе разливки позволяет удалить из расплава крупные неметаллические включе-. ния оксидов и нитридов, сформировать на конечной стадии обработки мелкодисперсные нитридные включения, которые, оставаясь в металле, благоприятно влияют на уровень его механических свойств.

Предлагаемые параметры способа отрабатывались экспериментально. Для этого в условиях мартеновского цеха в 430-тонных мартеновских печах выплавляли по известному и предлагаемому способам сталь марки М76В. Химический состав рельсовой стали, мас. g,: С 0,72 — 0,76; Мп 0,8-0,9; Si

0,2 — 0,3; P(0,035; S (0,025; V 0,03 — 0,07.

При выпуске плавки в ковш под струю металла вводили ферросплавы, кг/т, стали:

СМн17 5,14; ФС45 1,40; СКВд 3,27; ФВд (V 457) 0,86. Состав V-лигатуры СКВд, мас. /: V 1 — 3; Са 15 — 20; Si 45 — 55; Ti 0,5.

После выпуска плавки металл продували в ковше азотом, подаваемым через погружную футерованную фурму с расходом газа

20 — 125 м /ч в течение 6 — 8 мин. По известному способу одновременно с продувкой стали азотом в зону всплывающих пузырей вводили алюминий в количестве 0,5 кг/т стали, Затем металл разливали через стакан диаметром 70 мм в слитки массой 8,23 т. По предлагаемому способу производили обдув струи металла азотом с помощью специальных насадок с кольцевым соплом различного диаметра. Соотношение диаметров кольцевого сопла и диаметра струи металла составляло 1,8-3,7. Расход азота, подаваемого для обдува струи, меняли в пределах от

0,003 до 0,025 нм /т мин.

Результаты испытаний сведены в таблицу

Результаты опытов показали, что расход азота на обдув струи менее 0,005 нм /т мин (вариант 9) недостаточен для азотирования металла и не обеспечивает достижения необходимого уровня механических свойств готового проката. Кроме того, при недостаточном расходе азота не подавляется процесс вторичного окисления струи металла, что приводит к повышению окисленности стали и появлению строчек оксидных неметаллических включении

Увеличение расхода азота более 0,020 нм /т мин (вариант 10) приводит к повышению затрат на обработку и возрастанию отбраковки металла по поверхностным дефектам, что связано с увеличением заплесков металла на стенки изложницы.

Уменьшение диаметра потока азота, используемого для обдува струи, ниже 2,0 диаметра струи металла (вариан 11) не обеспечивает эффективной защиты жидкого металла от вторичного окисления по причине разрыва сплошности газового потока, что приводит к повышению окисленности, появ1731826

15

40

55 лению строчек оксидных неметаллических включений, повышению угара микролегирующих элементов и, как следствие, снижению уровня механических свойств готовой стали, Увеличение отношения диаметра газового потока к диаметру струи металла сверх

3,5 приводит к тому, что поток азота недостаточно обволакивает поверхность металла, в результате чего не достигается требуемая степень его азотирования. Это не. позволяет сформировать достаточного количества нитридов, упрочняющих металл, и получить требуемый высокий уровень механических свойств стали.

Соотношение удельной интенсивности обработки металла азотом в сталеразливочном ковше и при разливке стали также оказывает значительное влияние на качество и свойства готового металла. Так, уменьшение соотношения этих расходов ниже 0,15 не позволяет полностью связать вредные нитридообразующие элементы в нитриды при продувке азотом в ковше (вариант 13).

Это приводит к тому, что такие элементы, как титан, хром и другие образуют крупные нитриды при взаимодействии с азотом, образующим струю при разливке, которые не удаляются из металла и образуют в готовом прокате строчки нитридов, приводя к ухудшению механических свойств стали.

Превышение этого соотношения выше

0,75 (вариант 14) приводит к оголению поверхности металла в ковше во время обработки, дополнительному его окислению, возрастанию угаров элементов-раскислителей и микролегирующих и, соответственно, ухудшению механических свойств готовой стали. Кроме того, при повышении расхода газа на обработке расплава в ковше азот будет расходоваться также на взаимодействие с ванадием, алюминием, ниобием и другими микролегирующими элементами, снижая эффективность их благоприятного воздействия на свойства готового проката.

По результатам опытных плавок, приведенным в таблице, видно, что лучшими характеристиками обладает металл, обработанный по вариантам 2 — 8 — повышаются временное сопротивление разрыву металла на 325 — 455 МПа или в 1,25 — 1,45 раза, ударная вязкость на 8,0 — 14,0 Дж/см г (в 1,30 — 1,52 раза), в металле отсутствуют крупные единичные и строче ные включения нитридов, снижается по сравнению с известным способом стоимость обработки.

Пример 1. В условиях кислороднокон ве рте рно го цеха в 160-тон ном кон вертере выплавляют сталь 09Г2 с химическим составом, мас. /: С 0,12; Si 0,57; Мп 1,51; фосфор, сера, хром менее 0,030, 0,035, 0,16 соответственно. Металл раскисляют алюминием в количестве 0,9 кг/т. В процессе выпуска металл обрабатывают азотом, подаваемым через пористую пробку с расходом 60 нм /ч. Продувку заканчивают через 5 мин после наполнения ковша. В дальнейшем сталь разливают сверху в изложницы емкостью 8,2 т через стакан диаметром 60 мм. Во время разливки струю металла обдувают азотом, подаваемым через насадку с кольцевым щелевым соплом.

Внутренний диаметр получаемого таким образом кольцевого газового потока равен 196 мм. Слитки прокатывают на балку N 55.

Отобран ы п робы металла от и роката для определения механических свойств, ударной вязкости при -40 С, а также образцы для определения содержания газов и металлографического анализа неметаллических включений.

После такой обработки металл, хорошо усреднен по химическому составу и температуре. Недопустимые дефекты макроструктуры в слитках отсутствуют. Остаточный хром в значительной мере связан в нитриды, причем крупных включений. В металле наблюдаются повышенное количество мелкодисперсных нитридов алюминия, способствующих повышению уровня механических свойств. Временное сопротивление разрыву составляет 570 МПа, т.е. повысилось на 30 отн., ударная вязкость при -40 С возросла на 10 Дж/см и составила 39 Дж/см2. Стоимость обработки стали снизилась в основном за счет экономии раскислителей.

Пример 2. Сталь марки М76В выплавляют в 430-тонной мартеновской печи. Во время выпуска плавки в ковш вводят ферросплавыы, кг/т, стали: СМ п 5,14; Ф С45 1,40;

СКВд 3,27; ФВд (V 45 ) 0,86; состав V-лигатуры СКВд, мас. : V 1-3; Са 15 — 20; Si 45 — 55;

Ti 0,5, После выпуска плавки металл продувают через погоужную фурму азотом с расходом 60 нм /ч. Продувку превращают через 8 мин после выпуска плавки. Во время разливки через стакан диаметром 70 мм в слитки развесом 8,23 т струю металла обдувают азотом с расходом 150 нм /ч через насадку с кольцевым соплом, имеющим внутренний диаметр 196 мм. Время разливки 45 мин. Химический состав готовой стали, мас. : С 0,72; Мп 0,80; Si 0,27; Р 0,028; S

0,022; V 0,06; N 0,008. Слитки прокатывают на рельсы типа Р65, Металл, обработанный таким образом, хорошо усреднен по химическому составу и температуре, поэтому дефекты макроструктуры в слитках отсутствуют. Остаточные хром и титан в зна1731826

При применении предлагаемого способа по сравнению с известным повышается временное сопротивление разрыву металла в 1,20 — 1,35 раза; повышается ударная вязкость металла на 8 — 14 Дж/см, в металле отсутствуют крупные единичные и строчечные включения нитридов; снижается стоимость обработки стали.

Характеристика включений

Содержание ra- Иеханические зов в готовой свойства рельстали, >10,2

-+ сов

Отношение расхода азота в ковш и на обдув струи

Отношение диаметров кольцевой струи и струи металла

Диаметр кольцевой газовой струи, мн

Расход азота мз/т.мин

Способ обработки

При" мер на обдув струи на продувку в ковше

И И

ИПа Дж/смз

47 97

27,0 Строчки оксидов и нитридов

1305

0,007

1 Известный

Предлагаемый

1630

0>45

196 2,8

196 :,8

196 2,8

140 2,0

245 3,5

196 2,8

196 2,8

196 2,8

196 2,8

126 1,8

259 3,7

196 2,8

196 2,8

35 О Силикаты едкнич

39,0 ные нитрнды

56

87

93

88

0,005

О, 002

0,009

0,005

0,005

0,005

0,002

0,009

0,0013

0,0110

0,0054

0,0054

0,0012

0,0096

l745 !

l665

1450

112

0,020

О, 012

0 012

41,0

92

88

76

82

92

40,0

39,0

37,0

38,0

26,0

31,0

32,0

29,0

30,0

29>0

То же

0 15

0,75

0,45

>!

0,45

>!

0,10

0,80

О, 012

О, 012

Силикаты, оксиды

Строчки нитридов и оксидов

Стро ки оксидов

Силикаты

С-рачки ннтридов

Строчки нитрнров и оксидов

0,003

0,025

0,0!2

11

12

13

>!

0,012

50

Составитель А. Монастырская

Редактор Н. Тупица Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Т. Палий

Заказ 1558 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 чительной мере связаны с азотом, причем крупные включения удалены из металла при интенсивном перемешивачии его азотом, захваченным струей в объем стали в изложнице. В металле повышается количество мелкодисперсных нитридов ванадия. Временное сопротивление разрыву стали составляет 1670 МПа {повысилось в 1,28 раза), ударная вязкость (20 С) возоосла на 12

Дж/см и составила 39 Дж/см ). Стоимость обработки стали снизилась за счет экономии раскислителей и ванадия.

Формула изобретения

1. Способ микролегирования стали азотом, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, раскисление, 5 продувку металла в ковше азотом и последующую разливку его в йзложницы, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения качества стали за счет снижения загрязненности крупными единичными и строчечны10 ми включениями оксидов и нитридов, повышения механических свойств готового проката, струю металла в процессе разливки дополнительно обдувают азотом с интенсивностью 0,005 — 0,020 нм /т мин, подаваемым з

15 непрерывным коаксиальным струе металла потоком с внутренним диаметром, равным, 2,0 — 3,5 диаметра струи металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение расхода азота для про20 дувки в ковше к расходу азота на обдув струи равно 1:(0,15 — 0,75).