Способ получения ванадийсодержащей рельсовой стали

 

Использование: в металлургии при производстве стали для железнодорожных рельсов. В сталеплавильном агрегате выплавляют полупродукт, раскисляют его марганецсодержащими сплавами, затем науглероживают и микролегируют ванадием жидкого природнолегированного ванадиевого чугуна. Перед выпуском в сталеразливочный ковш полупродукт выдерживают не менее 5 мин и после выпуска в ковш осуществляют окончательное раскисление металла. Природнолегированный ванадиевый чугун заливают в сталеплавильный агрегат в количестве, обеспечивающем в полупродукте 40 - 60% требуемого содержания ванадия в стали, а остальное количество ванадия вводят с ванадиевым шлаком, присаживаемым в процессе слива расплава в ковш. Изобретение позволяет уменьшить переназначение плавок по химическому составу и повысить качество рельсов. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для использования при выплавке стали для железнодорожных рельсов.

Известен способ выплавки рельсовой стали [1] согласно которому сталь раскисляют в ковше природнолегированным чугуном, в котором предварительно растворяют 20-60% силикокальция и 10-90% ферромарганца, а остальное количество силикокальция и ферромарганца вводят в ковш под струю металла. Этот способ предлагает использование ванадиевого чугуна промежуточного продукта получения феррованадия для микролегирования стали. Применение способа исключает ряд ступеней переработки ванадиевого чугуна в феррованадий и потери ванадия на этих ступенях переработки.

Однако известный способ имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют внедрить его при производстве стали, а именно: организационные трудности по дозировке и заливке ванадиевого чугуна в ковш: все вредные примеси, содержащиеся в ванадиевом чугуне в повышенном количестве (сера, фосфор), переходят в сталь; при большом количестве доливаемого чугуна трудно попадать в требуемый химический состав стали, особенно по углероду; необходим значительный перегрев стали, так как чугун имеет температуру примерно на 300^оС ниже, чем сталь; ванадиевый чугун вносит значительное количество титана, который как активный нитридообразующий компонент связывает значительное количество азота, ослабляя упрочняющие действия ванадия. Кроме того, крупные карбонитриды титана вытягиваются в строчки при прокатке, ухудшая его эксплуатационную стойкость, особенно при знакопеременных нагрузках.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения рельсовой стали [2] согласно которому в сталеплавильном агрегате выплавляют полупродукт, раскисляют его марганецсодержащими сплавами, затем науглероживают и микролегируют ванадием жидкого природнолегированного ванадиевого чугуна в количестве не менее 40 т, в который предварительно добавляют алюминий в количестве 50-150 кг, вводимый на дно ковша, предназначенного для доставки природнолегированного ванадиевого чугуна к сталеплавильному агрегату, причем указанный чугун заливают в полупродукт при достижении содержания углерода в нем 0,25-0,40% Перед выпуском в сталеразливочный ковш расплав выдерживают в сталеплавильном агрегате не менее 5 мин (обычно около 10 мин). После выпуска металла в сталеразливочный ковш осуществляют его окончательное раскисление.

К существенным недостаткам прототипа можно отнести следующее природнолегированный ванадиевый чугун имеет следующий химический состав, мас. C 4,3-4,7; Mn 0,2-0,4; Sl 0,2-0,3; Tl 0,2-0,3; V 0,4-0,5; P 0,05-0,08; S 0,020-0,028; железо остальное. Для получения в рельсовой стали требуемого содержания ванадия (0,03- 0,07 мас.) доливают около 10% от массы плавки ванадиевого чугуна. Учитывая значительное количество вносимого чугуном углерода (0,43- 0,47 мас.), плавку ведут до содержания его в стали 0,25-0,40 мас. (в готовой рельсовой стали содержание углерода должно быть 0,71- 0,82 мас.). Однако при таком содержании углерода резко повышается окисленность металла, требуется глубокое раскисление его с образованием значительного количества продуктов раскисления, загрязняющих металл: доливаемый в полупродукт природнолегированный ванадиевый чугун вносит в расплав дополнительное количество фосфора (0,005-0,008 мас.), который частично удаляется при взаимодействии с малоуглеродистым расплавом и шлаком, а частично остается в металле. По данным Нижнетагильского металлургического комбината, использующего этот способ, содержание фосфора повышается в среднем на 0,002 мас. с природнолегированным ванадиевым чугуном вносится 0,02-0,03 мас. титана, который несколько угорает. Однако в расплаве остается еще около 0,01 мас. титана, который, являясь активным нитридообразующим компонентом, связывает азот и ослабляет упрочняющее действие ванадия. При этом металл загрязняется нитридами титана и ухудшается ударная вязкость проката. Перевод рельсов во 2-й класс на НТМК по этому показателю составляет 13% плавка при доливке большого количества природнолегированного чугуна ведется со значительным недогрузом, что затрудняет проведение полировки, так как трудно удалять из печи шлак: малоуглеродистый полупродукт необходимо перегревать на 10-20^оС (так как природнолегированный ванадиевый чугун имеет температуру 1250-1300^оС), что приводит к повышению окисленности, газонасыщенности металла; при большом количестве доливаемого чугуна сложно попадать в требуемый химический состав стали, особенно по углероду. Поэтому переназначение плавок из-за несоответствия химическому составу стали превышает 6 мас.

Цель изобретения уменьшение переназначения плавок по химическому составу и повышение качества рельсов.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения ванадийсодержащей рельсовой стали, включающий выплавку полупродукта в сталеплавильном агрегате, предварительное раскисление его марганецсодержащими сплавами, науглероживание и микролегирование ванадием жидкого природнолегированного ванадиевого чугуна, выдержку перед выпуском расплава в ковш в течение не менее 5 мин и окончательное раскисление металла в разливочном ковше. Отличие предложенного способа заключается в том, что природнолегированный ванадиевый чугун заливают в сталеплавильный агрегат в количестве, обеспечивающем в полупродукте 40-60% требуемого содержания ванадия в стали, а остальное количество ванадия вводят с ванадиевым шлаком, присаживаемым в процессе слива расплава в ковш.

Экспериментально установлено, что при производстве ванадийсодержащей стали наиболее оптимальным для достижения требуемого технического результата, заключающегося в уменьшении переназначения плавок по химическому составу и повышении качества рельсов, является введение в сталеплавильный агрегат 40-60% требуемого в стали содержания ванадия с природнолегированным ванадиевым чугуном и введение остального количества ванадия с ванадиевым шлаком в сталеразливочный ковш.

Количество вводимого в сталеплавильный агрегат природнолегированного ванадиевого чугуна, обеспечивающего указанное содержание ванадия, вносит в полупродукт 0,2-0,3% углерода, что позволяет останавливать плавку при содержании углерода в полупродукт (в пределах 0,5-0,6%), при котором наблюдается низкая окисленность металла. Сравнительно небольшое количество доливаемого ванадиевого чугуна позволяет точнее попадать в заданный химический состав стали, вносит сравнительно небольшое количество вредных примесей и титана. При этом не требуется большого перегрева расплава, упрощается дозировка доливаемого чугуна. Использование промежуточных продуктов производства ванадийсодержащих сплавов ванадиевого чугуна и ванадиевого шлака для прямого микролегирования стали ванадием позволяет иметь высокую степень использования ванадия, так как устраняются его потери при переработке этих материалов в ванадийсодержащие сплавы.

Предварительное раскисление полупродукта в сталеплавильном агрегате, как в прототипе, так и в заявляемом способе, служит для снижения окисленности расплава, а соответственно, для снижения его загрязненности включениями и уменьшения угара ванадия. Выдержка металла в сталеплавильном агрегате после доливки ванадиевого чугуна необходима для усреднения расплава, так как в противном случае, при выпуске стали в два ковша, можно в одном из ковшей, а то и в обоих, не получить требуемого химического состава стали.

Для предупреждения угара ванадия в сталеплавильном агрегате в природнолегированный ванадиевый чугун вводится активный раскислитель алюминий.

Ванадиевый шлак вводится в процессе слива расплава в сталеразливочный ковш, так как в сталеплавильном производстве все присадки на дно сталеразливочного ковша категорически запрещены. Естественно, что после выпуска плавки ванадиевый шлак вводить бесполезно, так как попадающий в ковши печной шлак приостановит восстановление ванадия из ванадиевого шлака.

Выбор граничных значений параметров обусловлен тем, что при доливке природнолегированного ванадиевого чугуна в количестве, не обеспечивающем 40% требуемого в стали содержания ванадия, будет повышаться окисленность металла в ковше, так как для ввода остального ванадия необходимо будет вводить повышенное количество ванадиевого шлака в разливочный ковш. Со шлаком вводится значительное количество окислов марганца, железа, которые частично растворяются в металле, загрязняя его, что ухудшает макроструктуру и ударную вязкость рельсов.

При доливке природнолегированного ванадиевого чугуна в количестве, обеспечивающем более 60% требуемого в стали ванадия, с ним вносится в расплав повышенное количество фосфора, серы, титана, что также будет отрицательно влиять на качество рельсов. Кроме того, в этом случае полупродукт должен иметь пониженное содержание углерода (то есть, более окислен). В этом случае затрудняется также попадание в заданный химический состав стали, особенно по углероду.

По заявляемому способу в процессе получения ванадийсодержащей рельсовой стали в сталеплавильном агрегате выплавляют полупродукт. После предварительного раскисления полупродукта марганецсодержащими сплавами в полупродукт заливают природнолегированный ванадиевый чугун с предварительно введенным в него алюминием. Алюминий вводится на дно ковша, предназначенного для доставки чугуна к сталеплавильному агрегату. Природнолегированный ванадиевый чугун заливают в полупродукт в количестве, обеспечивающем 40-60% требуемого содержания ванадия в стали. Указанное количество определяет содержание углерода в полупродукте (примерно 0,5-0,6 мас.), при котором его нужно заливать. Перед выпуском в разливочный ковш расплав выдерживают не менее 5 мин (обычно около 10 мин), а в процессе выпуска в ковш в расплав вводят ванадиевый шлак из расчета получения среднемарочного содержания ванадия в стали. Затем производят окончательное раскисление металла.

Примеры конкретного осуществления способа при производстве стали М76В в 430-Т мартеновской печи приведены в табл. 1. Используемый в примерах природнолегированный ванадиевый чугун имел следующий состав, мас. C 4,5, Mn 0,3, Si 0,25, Tl 0,28, V 0,44, P 0,06 S 0,025, железо остальное; ванадиевый шлак V₂O₅ 20, SiO₂ 17, MbO 8, MnO 9, Fe_общ 33, металловключения 13.

Некоторые показатели качества стали и рельсов при использовании различных вариантов заявляемого способа и способа-прототипа приведены в табл. 2.

Лучшие результаты обеспечивают варианты 2-4. При использовании этих вариантов снижается загрязненность стали серой с 0,023 до 0,020 мас. фосфором с 0,022 до 0,019 мас. уменьшается в ней содержание титана с 0,012 до следов 0,005 мас. устраняется переназначение плавок по химическому составу, уменьшается в рельсах длина строчек нитридов титана с 1,8 до 0,3-0,8 мм, силикатов с 7,6 до 1,1-1,9 мм, снижается пораженность рельсов из головной части слитков дефектами макроструктуры с 5,7 до 3,0-3,2% из донной части с 16,7 до 6,7-9,4% повышается предел контактной выносливости рельсов с 3150 до 3260-3350 Н/мм².

Предложенный способ получения ванадийсодержащей рельсовой стали представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит улучшить работу железнодорожного транспорта.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ, включающий выплавку полупродукта в сталеплавильном агрегате, предварительное его раскисление марганецсодержащими сплавами, науглероживание и микролегирование ванадием при заливке жидкого природно-легированного ванадием чугуна, выдержку расплава перед выпуском в ковш не менее 5 мин и окончательное раскисление металла в ковше, отличающийся тем, что природно-легированный ванадиевый чугун заливают в сталеплавильный агрегат в количестве, обеспечивающем в полупродукте 40 - 60% от требуемого содержания ванадия в стали, а остальное количество ваналия вводят с ванадиевым шлаком, присаживаемым в процессе слива расплава в ковш.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2