Способ получения стали и сплавов дуплекс процессом

 

Сущность изобретения: способ получения стали и сплаьов дуплекс процессом включает выплавку металла в электропечи, отливку электрода в изложнице и его последующий переплав в слиток, причем после заливки металла в изложницу его охлаждают в защитной среде аргона со скоростью 200 - 400°/час и производят механическое встряхивание металла в изложнице в интервале температур двухфазной области кристаллизации . 2 табл., 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4884498/02 (22) 22. 1 1. 90 (46) 15.01.93. Бюл. N 2 (71) Государственная Академия управления им. Серго Орджоникидзе и Электрометаллургический завод "Электросталь" им. И.Ф.Тевосяна (72) С.В.Богданов. Е,В.Буцкий, H,Ê.ÆèòêoB, А.А,Сисев и Г.Н.Кузнецов (56) Производство стали и сплавов в вакуумных индукционных печах, Окороков Г,И, и др. М., Металлургия, 1972, с.151, Изобретение относится к металлургии, а именно к производству сложнолегированных сталей и сплавов дуплекс процессом, включающим выплавку исходного металла, отливку расходуемого электрода, его последующую подготовку к переплаву и рафинирующий переплав в слиток.

Традиционные способы получения сталей и сплавов дуплекс процессом, состоящим из выплавки исходного материала в вакуумной индукционной печи и последующего вакуумного дугового переплава расходуемого электрода в слиток (ВИП + ВДП) включает в качестве одной из основных технологических операций отливку электрода в вакууме или атмосфере инертного газа, его охлаждение в камере вакуумной индукционной печи и последующую подготовку к переплаву (обдирку или зачистку, нарезку хвостовика и т.д.). Наиболее широко применяемый прием получения при ВИП литых расходуемых электродов заключается в том, что после окончания слива металла в изложницы, установленные в плавильной

„„5U„„1788028 А1 (s>)s С 21 С 5/52; В 22 D 27/04 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ И СПЛАВОВ ДУПЛЕКС ПРОЦЕССОМ (57) Сущность изобретения: способ получения стали и сплаьов дуплекс процессом включает выплавку металла в электропечи, отливку электрода в изложнице и его последующий переплав в слиток, причем после заливки металла в изложницу его охлаждают в защитной среде аргона со скоростью

200 — 400 /час и производят механическое встряхивание металла в изложнице в интервале температур двухфазной области кристаллизации. 2 табл„ 1 ил, .. (Л камере, его там выдерживают до полного затвердевания слитка, а затем передают в камеру изложниц и извлекают из печи ("Пооизводство стали и сплавов 8 вакуумных индукционных печах" Окороков Г.Н„Шалимов Ал,Г., Антипов В.М.О, Тулин Н.А„, M., Металлургия, 1972, с.151). Однако выдержка кристаллизующего слитка в плавильной ка- ОО мере требует значительного времени, кото- Q0 рое соизмеримо по продолжительности с С) самой плавкой. Это негативно отражается на производительности промышленных печей и является нетехнологичным при получении металлопродукции дуплекс процессом (ВИП + ВДП).

Цель изобретения — увеличение выхода годного при переделе слитка за счет формирования нитридной фазы в электроде, удаляемой при последующем переплаве в слиток, Цель достигается тем, что по известному способу получения расходуемого электрода в вакуумной индукционной печи после заливки металла в изложницу производят

1788028 его охлаждение в защитной среде аргона со скоростью 200 — 400 С и механически встряхивают металл в изложнице в интервале температур двухфазной области кристаллизации, На чертеже представлено распределение фаз в литом сплаве ЭК 151 различных вариантов отливки электродов: а) скорость охлаждения менее 200 /час (крупные нитриды приводят к дефекту "корона" при

ВДП) б) скорость охлаждения 200—

400 /час с механическим встряхиванием при охлаждении электрода в изложнице (легкоплавкие фазы с нитридами удаляются при ВПД, заявляемый вариант технологии);

s) скорость охлаждения более 400 /час (мелкие нитриды, практически неудаляемые при ВДП). Съемка произведена на микроанализаторе "СОМЕВАХ-SX50" во вторичных электронах.

Проведение охлаждения в среде аргона со скоростью 200 — 400 /час отлитого в изложницу электрода позволяет стабилизировать процессы формирования и роста кристаллов и нитридной фазы в литом металле из расплава. Наряду с получением плотной структуры литого электрода достигается укрупнение и локализация нитридов вместе с легкоплавкими фазами в ассоциированных группах, располагающих по границам первичных зерен. Это достигается за счет оптимального температурного режима охлаждения металла в защитной атмосфере с постоянной теплопроводностью. Охлаждение со скоростью менее 200 С/час приводит к ликвидационным дефектам в отливаемом электроде, которые не исправляются при последующем переплаве его в слиток и являются причиной низкой технологической пластичности при переделе слитка в заготовку, Увеличение скорости охлаждения свыше 400 /час ведет к образованию термических трещин и такие электроды бракуются. Регулирование скорости охлаждения электродов после отливки производится давлением аргона в камере вакуумной индукционной печи, которое находится в пределах 75 — 95 мм, рт. ст.

Экспериментально установлено, что минимальная ликвидация элементов и анизотропия свойств готового металла имеет место при проведении механического встряхивания литого электрода в двухфазной области температур кристаллизующегося металла. Если механическое встряхивание производить при температурах, выходящих из интервала двухфазной зоны, то в случае превышения температуры точки

"ликвидус" образуются горячие предельные трещины на электроде, а при температурах изведены опытным путем при получении электродов из сталей ЭП 844, ЭК 99, Св25 01Х20Н14М3Т, никелевых сплавов ЭП 99, 30

С

0,064

0,073

Al

3,71

3,87

40

5

20 ниже температуры точки "солидус" встряхивание неэффективно, так как неоднородная структура металла и нитриды в нем уже сформированы и их морфология в дальнейшем не может быть изменена, По заявляемому способу при относительно медленном охлаждении металла в защитной атмосфере и механическим встряхиванием металла в изложнице наряду с формированием достаточно плотной структуры электрода для

ВДП происходит укрупнение нитридов и их коагуляция с легкоплавкими фазами по диффузионному механизму, При последующем

ВДП такие включения практически полностью удаляются из металла, и остаточный азот находится в растворенном состоянии, а не в виде нитридов в готовом металле после ВДП, что улучшает качество сталей и сплавов и повышает выход годного металла.

Определение пределов по скорости охлаждения отлитого электрода в аргоне проЭП 742, ЭК 102, ЭК 151. Типоразмер электродов; диаметр 250 — 380 мм, масса 870—

2520 кг, Данные табл,1 иллюстрируют технологический выбор параметров охлаждения-при отливке электродов жаропрочного сплава ЭК 151, содержащего (мас,%):

Si iln S P W Cr V Mo Ti

0,15 0,01 0,006 0,005 2,92 11,33 0,52 4,462,67

0,17 0,02 0,008 0,006 2,93 11,50 0,53 4,51 2,70

Nb Co Fe Ni В I а Се Sc

3,22 14,64 0,38 Осно- по расчету

3,35 15,00 0,62 еа 0,010 0,055 0,010 0,05

Указанный сплав выбран в качестве объекта исследования в связи с тем, что в нем содержатся элементы, склонные к дендритной ликвации: хром-межосный, вольфрамвнутриосной лиКвации, незначительные изменения которой оказывают резкоотрицательное влияние на механические свойства и технологическую пластичность сплава при получении заготовки с ультрамелкозернистой структурой, Выплавку стали ЭК 151 проводили в промышленной вакуумной индукционнои печи емкостью 2,5 т. В качестве шихты использовали металлические материалы, отходы и марочную лигатуру, Подготовку шихтовых материалов, подготовку печи и все операции плавки производили согласно существующей технологической инструкции на выплавку сплавов аналогичного назначения. Разливку металла осуществляли в атмосфере аргона в изложницы для электро1788028

45

50 дов диаметров 250 мм через промежуточную воронку. Для предотвращения попадания в электрод экзогенных неметаллических включений применяли керамические фильтры при разливке сплава. В зависимости от варианта отливки электродов изменяли давление аргона в печном котле так, чтобы получать скорость охлаждения электрода в изложнице от значений, выходящих и соответствующих заявляемым пределам. Температуру электрода при его формировании измеряли термопарами, вставленными в изложницу и прибыльную надставку на различных уровнях. По показаниям термопар определяли среднюю температуру жидкого и твердого металла, то есть фактически определяли изменение температуры металла при его охлаждении и фиксировали температуру двухфазной области кристаллизации металла. Механическое встряхивание металла производили в интервале температур двухфазной области кристаллизации.

На каждой плавке отливали по три электрода для получения полной информации о вариантах технологии.

Так экспериментально были определены параметры способа получения заданной структуры литого расходуемого электрода при его охлаждении в вакуумной индукционной печи.

В табл,2 приведены данные о влиянии режима охлаждения и механического встряхивания при отливке электрода на распределение легирующих, механические свойства и рафинирование от нитридов сплава Э К 151-ИД. Из табл.1 и 2 следует, что изотропные свойства и чистота от нитридов сплава значительно улучшаются при использовании предлагаемого способа получения металла дуплекс процессом, включающим регламентирован ное охлаждение в аргоне литого электрода с одновременным механическим встряхиванием при кристаллизации. Заявляемый режим позволяет сформировать наиболее благоприятную для последующего рафинирования структуру литого металла и морфологию нитридной фазы (чертеж). Нитриды, легкоплавкие фазы и прочие вредные примеси находятся в форме компактных ассоцииро5

35 ванных групп по границам первичных зерен (чертеж, б). При последующем вакуумном дуговом переплаве такого электрода вредные примеси в виде таких образований полностью удаляются из металла, В наплавляемом слитке максимальный размер нитридов не превышает 10 мкм, что в 2 — 4 раза меньше, чем при других вариантах технологий. Это гарантирует отсутствие в конечном металле дефекта "корона". В металле, полученном по разработанному способу отмечено снижение в 2 — 3 раза коэффициента дендритной ликвации хрома и вольфрама, а коэффициент анизотропии механических свойств сплава уменьшился на 14 отн.%.

Достигнуто также улучшение прочностных и вязкостных характеристик сплава. При кратковременных испытаниях пределы прочности увеличены на 2 — 8 отн. при одновременном повышении пластичности на 8 — 26 отн.о .

Для заготовки сплава ЭК 151-ИД, полученной по заявляемому способу характерна высокая стабильность и однородность свойств, о чем свидетельствует низкая степень дендритной ликвации, которая характеризуется отсутствием значительных локальных концентраций хрома, вольфрама и нитридообразующих элементов в матрице твердого раствора.

В конечном итоге, это способствовало улучшению технологической пластичности сплава и повысило выход годного почти на

5 абс. по сравнению с известными вариантами технологий, Формула изобретения

Способ получения стали и сплавов дуплекс процессом, включающий выплавку металла в электропечи. отливку электрода в изложнице и его последующий переплав в слиток, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годного при переделе слитка, за счет формирования нитридной фазы в электроде, удаляемом при последующем переплаве в слиток, металл после заливки в изложницу охлаждают в защитной среде аргона со скоростью 200 — 400 С/ч, и механически встряхивают в изложнице в интервале температур двухфазной области кристаллизации.

1788028

Таблица I

Типоразмер злект- Давление Ач

Наличие де- Насса

Г

Примечание Насса заго!

Выход годного, 4 о

Температура, Продолжительность

Скорость охлаждения электрода, о/час фектов на электроде

"черных" электродов при

ВНП, кг в печном котрода охлаыдеиия электропа, час заливки выгрузка иеталла зл-да е изломницы ле при отливке электрода, мн рт.ст. тоеки

В 150 и» дка- иасса метр кг

1460 660 3,5

250 670

14,9 Неудовлетворительно низкий

2610 390

170

Нет выход годного

25,1 Выход годного

250, 670

250 670, 250,, 670

250, 670

1460 860 3

1460 660 2

1460 660

1460 860 1,4 430

2610 655

261 0 656

26I 0 656

100

25,2 Удовлетворительны!

П родоп ьн.

Терническ, трещина и е . - оптимальные пределы по скорости охлакдення электродов. На поверхности литых электродов видимые дефекты отсутствуют.

Плановый выход годного составляет 20

Прииечан

Таблица 2

Механические свойства

Степень nèê вации элеПараметры отливки электрода

Скорость охлаждения электрода, о/час

Температура при встряхивании

6е, без, чз, Состояние поверхности ментов>

1 м໠— 1

Ъ а„, П кгм смз

С, С сравнение кг ммз кг ммз

1370 t t ликвилус

200

Отдельные продольные горячие трещины на поверхности электродов.

Электроды забракованы ОТК.

Норм О 260 0 151 2 115 3 18 9 19 О 4,0 1 24

НорМ 0,28 О 150,1 114,6 14,8 18,5 4,0 1,28

Норм 0,32 О 149,0 113,9 13,4 18,1 3,75 1,30

Нор О, 74 О, 5 1 40 3 103 8 1 0 0 1 2 8 2, 0 l, 60

Сетка продольных трещин на поверхности электродов в иподворотниковой части", Электроды забракованы OTI(.

Норм 0,20 О 151,8 115,4 15,8 19,4 4,0 1,20

Норм О 24 О 151 3 115 I 18 7 19 3 4 О 1 24

Нори О 28 0 149 4 113 8 13 2 18 0 4 0 1,30

Нор« 0,62 0,3 141,0 104,1 11,2 12,9 2,4 1,55

Горлчие продольные трещины по всей поверхности электродов. Электроды забракованы ОТК.

Норм 0,11

Норм 0,15

Норм 0,20

Норм 0,60

1360 (t t ликвидус

1350 tл,ь»асс+ всоьиЭ

1340 t t солидус

1330 t С т СолидуС

1370 с y t ликвидус

1360 : t = t ликвидус, 1340 to»»o» t соли«ус . )

1330 t c t солйдус

1370 t ж t лнквндус

300

1 t t

4,0 1,18

4,0 \,21

4,0 1,26

2,8 1,51

1330

400 ликэидус

1 сокиЭ сопидус солидус скк»вс с (t-t сс t Электроды отлиты беэ встряхивания, подвергнуты отжигу при 1200 С в течение 10 ч (прототип) 0,42

1,46

14,2 15,1

ЪI 3 Ь14

0,05 147,3 105,8

)145»105

3,2 т»Э, О

Норм

ТУ 14-131"801-90

П олжение табл.

8о

МЕХаниПеские свойства

Соответствие

ТУ 14-131-801-90

Сортовая заготовка

6 150 мм

Длительная прочность при t » 650 С

Скорость бхлаждения электрода, о/час б -" 103, б 105

Мах размер нитридов, «км сбдержание азота, мас.ь

et кг мнз кг ммз кг. ммз

Отдельные продольные горячие трещины на поверх«о<.ти электродов, Электроды забракованы ОТК.

135,3 100,2 13,5 16,6 4,5 187 186

I35,8 98,6 13,2 15,9 3,7 187 186

1350 982 130 155 35 162 105

1153 901 102 130 30 64 32

Сетка продольных трещин на поверхности электродов в иподворотниковой

Электроды забракованы OTK.

136,6 101,0 13,7 17,0 4,5 187 186

135,4 100,1 13,6 16,5 4,0 187 186

135,1 38,0 13 1 15 3 3 5 165 110

I25,3 90,6 10,3 13,5 3,0 73 40

Горячие продольные трещины по осей поверхности электродов. Электроды забракованы ОТК, I37,8 101,3 14,0 4,5 187 186

135,6 100,5 13,8 4, 5 187 186

135,2 100,0 13,5 3,7 187 186

128,1 91,2 10,6 3,0 98 42

200

- 1 О х10

dО

Соотв.

Сорте.

Соотв.

Брак по свойствам

0,017

0,016

0,018

0,022 части".

- 1 О с10 10

0,018

0,017

0,018

0i020

Соотв.

Соотв.

Софта.

Брак по свойстван

300

0,016

0,016

0,016

0,019 го тв, CP I>d.

Соотв.

Брак по свойстеаи

-10 с10

400

17,5

16,8

16,0

13,8

1788028

10 доодолжение табл. 2 неханййеские свойства

Соответствие

ТУ 14-131-801-90

Сортовая заготовка

8 150 мм

Длительная прочность при t 650 С

Скорость охлажде" ния элекtBtä 700 С ержа- Нах

103, и 105 кг кг мна низ сод ние азота, раэнер мас.2 нитридов, Bi ot r кг кг ммэ ммэ т рода, о/час

130,4

96,3 12,8

14,3

0,018

20 Соотв.

3,7

120

«50 э100

Примечание

1) Ренин тернообработки образцов. Закалка: 1150 С, выдержка 4 ч, охлаждение воздух; I. Старение

850 С выдержка 6 ч, охлаждение воздух; II Старение 760 С выдержка 3 час., охлаждение воздух.

2) КоэФФициент аниэотропии П 1 Г ""и Р тьь 1

2 t4ïîïåð о ьояьр J

3) Рассчитан по данныи никрорентгеноспектрального анализа участков площадью 256х256 мкм на установке нСощеЬах-SX50";

II н

+ - повышение концентрации в межосном участке;

"-" - повышение концентрации в осях дендритов.

4) "Норм" - Ьез трещин на поверхности.

5) () - заявляемые пределы, Составитель Е, Зеленова

Техред М.Моргентал Корректор Л. Лукач

Редактор А. Бер

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 50 Гираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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