Сплав для раскисления, легирования и модифицирования стали и его вариант

 

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству сплавов для раскисления, легирования и модифицирования стали, в том числе и рельсовой. Сплав для раскисления, легирования и модифицирования содержит кремний, кальций, алюминий, титан и железо при следующих соотношениях, мас. %: кремний 40 - 65, кальций 8 - 30, алюминий 1 - 5, титан 0,1 - 1,0, железо остальное, при этом соотношение Al : Ti : Ca составляет 1 : 0,1 - 0,3 : 3 - 12 соответственно. Сплав может дополнительно содержать 3 - 14 мас. % ванадия взамен части железа. Использование предлагаемого сплава для раскисления и модифицирования, в частности рельсовой стали, позволяет улучшить механические свойства и снизить % строчечных включений более чем в два раза по сравнению с использованием известного сплава, кроме того, введение в состав сплава ванадия приводит к дополнительному улучшению всех характеристик и повышению выхода годного качественного металла. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству сплавов для раскисления, легирования и модифицирования стали, в том числе и рельсовой.

В связи с особыми условиями работы рельсов к стали, из которой они изготавливаются, предъявляются повышенные требования. Обеспечение высоких механических и эксплуатационных свойств металла достигается за счет использования специальных сплавов для раскисления, легирования и модифицирования.

В настоящее время для раскисления, легирования и модифицирования стали, изделия из которой работают в тяжело нагруженных условиях, применяют в основном силикокальций. Однако использование силикокальция в качестве сплава для раскисления, легирования и модифицирования при выплавке рельсовой стали не обеспечивает требуемого уровня прочности стали, что связано с образованием крупного зерна при прокате и термической обработке.

Известен сплав для раскисления, легирования и модифицирования стали, содержащей, мас.%: Кремний - 30 - 49 Кальций - 2 - 3,5 Алюминий - 1 - 3 Ванадий - 4 - 20 Марганец - 1 - 10 Железо - Остальное [SU, авт. свид. N 742480, C 22 C 35/00, опубл. 1980 .] Недостатком при применении указанного сплава является недостаточно высокие прочностные свойства получаемого металла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сплав, содержащий, мас.%: Кремний - 30 - 49
Кальций - 6 - 15
Алюминий - 0,3 - 0,8
Титан - 1,5 - 4
Железо - Остальное
[SU, авт.свид. N 990853, МПК⁶, C 22 C 35/00, опубл.1983.]
Использование этого сплава, несмотря на наличие в нем кальция и алюминия, обеспечивающих мелкое зерно, не обеспечивает высоких механических свойств из-за повышенного содержания титана, увеличивающего брак по ударной вязкости и наличию кальция, не связанного в устойчивые силициды, что приводит к насыщению сплава водородом.

Задача изобретения - разработка эффективного многоцелевого сплава для раскисления, легирования и модифицирования расплава при производстве углеродистых сталей.

Техническим результатом является получение сплава с высоким уровнем механических свойств, обладающего однородностью и плотностью с хорошим усвоением, что позволит использовать его для раскисления, легирования и модифицирования качественных сталей, обеспечивая низкое содержание с благоприятной морфологией неметаллических включений.

Технический результат достигается тем, что в известном сплаве для раскисления, легирования и модифицирования стали, содержащем кремний, кальций, алюминий, титан и железо, для получения углеродистой стали с высоким уровнем механических свойств, низким содержанием и благоприятной морфологией неметаллических включений по изобретению используют сплав, содержащий, мас.%:
Кремний - 40 - 65
Кальций - 8 - 30
Алюминий - 1 - 5
Титан - 0,1 - 1,0
Железо - Остальное
при этом соотношение Al:Ti:Ca составляет 1: (0,1 - 0,3):(3 -12) соответственно.

Другим вариантом сплава является сплав, содержащий ванадий, при следующем соотношении, мас.%:
Кремний - 40 - 65
Кальций - 8 - 30
Алюминий - 1 - 5
Титан - 0,1 - 1,0
Ванадий - 3 - 14
Железо - Остальное
при этом соотношение Al:Ti:Ca составляет 1:(0,1 - 0,3):(3 - 12) соответственно.

Содержание компонентов в сплаве обусловлено следующим.

Увеличение содержания кремния, по сравнению с прототипом, обеспечивает усвоение металлом алюминия и титана, что гарантирует повышенный уровень ударной вязкости. При содержании кремния менее 40 мас.% не обеспечивается ударная вязкость получаемой стали, а при более 65 мас.% снижается плотность сплава и, как следствие, к ухудшению усвоения сплава, что приводит к увеличению его расхода на 15 - 20%.

Кальций является одним из основных модифицирующих компонентов и способствует измельчению зерна и преобразованию неметаллических включений в глобулы, что приводит к существенному повышению эксплуатационных свойств. Содержание кальция менее 8 мас.% приводит к снижению стабильности качества получаемого металла (снижается выход годного). Содержание кальция более 30 мас. % практически не влияет на качество и выход годного, но приводит к удорожанию металла.

Содержание алюминия в сплаве в количестве 1 - 5 мас.% совместно с кальцием и титаном существенно сокращает образование строчечных включений. Содержание алюминия менее 1 мас.% приводит к снижению стабильного уровня ударной вязкости, а выше 5 мас.% не гарантирует получение стали с регламентируемым уровнем строчечных включений.

Небходимым условием получения металла со стабильно пониженным уровнем строчечных включений и повышенным уровнем ударной вязкости является соблюдение соотношения концентраций Al, Ti, Ca в сплаве, равного 1:(0,1 - 0,3):(3 - 12). Это соотношение необходимо соблюдать потому, что в процессе обработки стали сплавом с указанным соотношением компонентов в металле образуются легкоплавкие оксидные включения, близкие по составу к эвтектическим в системе CaO - Al₂O₃ - TiO₂. Благодаря низкой температуре плавления (около 1370^oC) они находятся в жидком металле в виде глобул.

Содержание титана в сплаве в интервале 0,1 - 1,0 мас.% совместно с Al и Ca обеспечивают высокие показатели ударной вязкости обрабатываемого металла. Содержание титана в сплаве менее 0,1 мас.% является минимально возможным для обеспечения требуемого размера зерна в обрабатываемом металле, а при содержании титана в сплаве более 1 мас.% образуются строчечные включения.

Данный сплав, при соблюдении вышеуказанных соотношений, обеспечивает эффективное раскисление, легирование и модифицирование широкого сортамента стали, в том числе рельсового металла.

Для некоторых марок стали требуется наличие в составе ванадия, повышающего качество стали и увеличивающего область применения, в частности, стали, идущей на производство труб, канатов, рельс и иных изделий, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях (низкие температуры, переменные нагрузки и т.п.).

Предложенный сплав допускает замену в его составе части железа на ванадий при достижении того же технического результата.

Содержание ванадия в сплаве в пределах 3 - 14 мас.% в сочетании с действием остальных компонентов сплава обеспечивает измельчение структуры стали, что приводит к улучшению ее механических свойств. При содержании ванадия менее 3 мас. % не обеспечивается необходимый уровень легирования металла ванадием, а содержание ванадия в сплаве более 14% ведет к удорожанию сплава без существенного улучшения свойств обрабатываемого металла.

Пример 1. Сплав получали в печи ДС-6Н. В качестве основной шихты ( на одну калошу) использовали: известь (CaO - 92%) - 300 кг, 90% ферросилиций - 400 кг, плавиковый шпат - 70 кг, в качестве вспомогательной шихты использовали: конвертерный шлак, имеющий следующий состав, мас.%:
FeO_общ. - 24
CaO - 43
SiO₂ - 15
V₂O₅ - 6
TiO₂ - 6
MnO - 3
MgO - 3
Al₂O₃ - 1 - 2
который вводили в количестве 50 кг, и вторичный алюминий в чушках - 7 кг.

Подготовленная основная шихта была загружена в печь. Время плавления составило 180 мин. При средней силе тока 7 - 8 КА. После проплавления основной шихты производили скачивание шлака в шлаковню и присаживали в печь конверторный шлак, после расплавления которого вводили алюминий. Расплав перед выпуском имел температуру 1470^oC. Получили сплав следующего состава, мас.%:
Si - 46
Ca - 25
Al - 2,5
Ti - 0,3
Fe - Остальное
при этом соотношении Al : Ti : Ca составляет 1 : 0,11 : 10 соответственно.

Пример 2. Сплав также получали в печи ДС-6Н. В качестве основной шихты (на одну калошу) использовали: известь (CaO - 92%) - 120 кг, 90% ферросилиций - 280 кг., плавиковый шпат - 35 кг, в качестве вспомогательной шихты - феррованадий (содержание ванадия - 40% и кремния - 2%) - 52 кг и вторичный алюминий в чушках - 5 кг.

Подготовленная основная шихта была загружена в печь. Время плавления составило 190 мин. При средней силе тока 7 - 8 КА. После проплавления основной шихты производят скачивание шлака в шлаковню и присаживали в печь феррованадий, после расплавления которого присаживали алюминий. Расплав перед выпуском имел температуру 1500^oC. Получили сплав следующего состава, мас.%:
Si - 55
Ca - 14
Al - 2,7
Ti - 0,3
V - 5
Fe - Остальное
при этом соотношение Al : Ti : Ca составляет 1 : 0,11 : 5,1 соответственно.

В качестве основной части шихты могут использоваться: известь, известняк; ферросилиций с различным содержанием кремния (ФС - 65, ФС - 75, ФС - 90); в качестве разжижителей - плавиковый шпат, глинозем и шлаки алюминиевых производств. В качестве вспомогательной шихты: феррованадий, силикованадий, пятиокись ванадия, конверторный ванадиевый шлак, отсевы ванадийсодержащих сплавов; алюминийсодержащих материалов - отходы алюминиевых производств, чушковый алюминий, гранулированный алюминий.

Меняя используемые в шихте материалы, производя при этом необходимый перерасчет шихты, получали сплавы с содержанием элементов в заявляемых пределах, при этом соотношение Al : Ti : Ca составляло 1 : (0,1 - 0,3) : (3 - 12) соответственно. См. табл. 1.

Определение влияния заявляемого сплава на качество металла и его механические свойства производилось при выплавке в конвертере рельсового металла. Расплав раскисляли на выпуске и доводили на установке печь-ковш. Во время выпуска в ковш присаживали, помимо остальных ферросплавов, сплав заявляемого состава в соответствии с таблицей 1. Удельный расход сплава составлял 3,25 кг/т стали. Для сопоставительного анализа с прототипом был изготовлен известный сплав с оптимальным соотношением ингредиентов, который также испытывался при выплавки рельсовой стали. После раскисления и модифицирования металл разливали на УНРС, прокатывали и исследовали на качество и механические свойства. Результаты исследования приведены в табл. 2.

Результаты испытаний показали, что использование предлагаемого сплава для раскисления и модифицирования рельсовой стали позволяет улучшить механические свойства и снизить % строчечных включений более чем в два раза по сравнению с использованием известного сплава, кроме того, введение в состав сплава ванадия приводит к дополнительному улучшению всех характеристик и повышению выхода годного качественного металла.

Формула изобретения

1. Сплав для раскисления, легирования и модифицирования стали, содержащий кремний, кальций, алюминий, титан и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующих соотношениях, мас.%:
Кремний - 40,0 - 65,0
Кальций - 8,0 - 30,0
Алюминий - 1,0 - 5,0
Титан - 0,1 - 1,0
Железо - Остальное
при этом соотношение Al : Ti : Ca составляет 1 : 0,1 - 0,3 : 3 - 12 соответственно.

2. Сплав для раскисления, легирования и модифицирования стали, содержащий кремний, кальций, алюминий, титан и железо, отличающийся тем, что он содержит ванадий при следующих соотношениях, мас.%:
Кремний - 40,0 - 65,0
Кальций - 8,0 - 30,0
Алюминий - 1,0 - 5,0
Ванадий - 3,0 - 14,0
Титан - 0,1 - 1,0
Железо - Остальное
при этом соотношение Al : Ti : Ca составляет 1 : 0,1 - 0,3 : 3 - 12 соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1