Способ производства металлических отливок

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства металлических отливок при сталеплавильном переделе в форму, в качестве которой используют кристаллизатор МНЛЗ, уширенную книзу или уширенную кверху изложницу. Способ производства металлических отливок включает разливку расплава и ввод в расплав в процессе разливки активных добавок. Активные добавки в расплав вводят для образования в нем расчетной сверхравновесной концентрации растворенного кислорода и последующего его удаления, сопровождающегося объемным падением температуры расплава и созданием условий для кристаллизации металла в заданном объеме. Для этого могут быть использованы различные приемы и материалы. Использование изобретения при разливке спокойной стали в уширенные книзу изложницы позволяет существенно (на 10-12%) снизить головную обрезь, при этом упрощается подготовка состава, снижаются трудоемкость и затраты на его содержание, а при разливке стали на МНЛЗ позволяет до 1,5 раз увеличить скорость вытягивания, что резко повышает производительность и делает не нужным строительство дополнительных МНЛЗ при расширении производства стали. 10 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства металлических отливок, при сталеплавильном переделе в форму, в качестве которой используют кристаллизатор МНЛЗ, уширенную книзу или уширенную кверху изложницу.

В сталеплавильном производстве известен типовой способ получения металлических отливок из спокойной стали, осуществляемый разливкой расплава сифоном или сверху в изложницы, при этом сталь разливается в уширенные кверху изложницы с применением прибыльных надставок и теплоизолирующих смесей [Сборник технологических инструкций по сталеплавильному производству. ТИ 115. г. Чусовой, 1988 г. стр. 65-74].

Недостатком данного способа являются: повышенные потери выплавленной стали с головной обрезью (до 14%); значительные затраты на содержание, подготовку и обработку состава; велики трудозатраты и задолженность кранового оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения металлических отливок из спокойной стали, предусматривающий разливку металла в изложницу и ввод в расплав активных добавок, позволяющих уменьшить величину усадочной раковины и сократить потери выплавленной стали [SU Авт. cвид. N 1537371, МПК⁶ B 21 D 27/00, oпубл. 1990 г., бюл. N 3] Но данный способ, уменьшая потери выплавляемой стали с головной обрезью, сохраняет все недостатки, присущие использованию уширенных кверху изложниц.

Задача изобретения - разработка способа производства металлических отливок с высоким выходом годного без снижения уровня механических свойств при сокращении трудоемкости и затрат.

Техническим результатом является снижение потерь выплавленной стали с головной обрезью, снижение энерго- и трудозатрат, повышение производства готовой продукции.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства металлических отливок, включающем разливку расплава и ввод в расплав в процессе разливки активных добавок, по изобретению активные добавки в расплав вводят для образования в нем расчетной сверхравновесной концентрации растворенного кислорода и последующего его удаления, сопровождающегося объемным падением температуры расплава и созданием условий для кристаллизации металла в заданном объеме.

При этом в качестве активных добавок для образования сверхравновесной концентрации кислорода вводят материалы, содержащие кислород и/или материалы, переводящие связанный кислород в растворенное состояние. В качестве материалов, содержащих кислород, используют оксиды металлов, окислительные газы, кислородсодержащие органические или неорганические соединения, их сочетание, а в качестве материалов, переводящих связанный кислород в растворенное состояние, используют материалы, содержащие Al, Si, Ti, V, Zr, щелочноземельные, редкоземельные элементы или их сочетание.

Для удаления растворенного кислорода в расплав вводят материалы, связывающие его и/или изменяющие физико-химическое равновесие. Для чего используют металлы, сплавы, лигатуры, неорганические соединения, газы, жидкости или их сочетание. Ввод активных добавок осуществляют в заданную часть отливки, в частности в головную часть с образованием корки металла достаточной толщины, в определенной последовательности, заданного состава и в расчетном количестве. Разливку производят в форму, в качестве которой используют кристаллизатор МНЛЗ, уширенную книзу или уширенную кверху изложницы; литейную форму. При этом сверхравновесную концентрацию кислорода можно создавать в металлургической и/или промежуточной емкости, а ее удаление производить в промежуточной емкости и/или в форме.

Сущность изобретения состоит в следующем.

При изучении поверхностно активных свойств компонентов в расплавленном железе было выявлено, что компоненты проявляют заметные поверхностно-активные свойства только в присутствии кислорода, которые очень сильно изменяются при изменении активности (парциального давления) кислорода. Из этого следует, что в расплавленном железе существуют гомогенно-растворенные продукты взаимодействия компонентов с кислородом (Известия АН СССР, Металлы, N 5, стр. 67, 1971 г.).

Что позволяет сделать вывод: в расплавах железа возможно существование гомогенных реакций типа: n[R]+[O] = [R_nO], (1) где [R] - компонент (примесь) расплава железа; n - стехиометрический коэффициент больший или равный единице; [R_nO] - продукты гомогенного окисления какого-либо компонента (примеси), гомогенно-растворенные в расплавленном железе.

При существовании реакций типа (1) имеет место реакции типа: [R_nO] + (n-1)[O]=n(RO) (2) Они являются реакциями гетерогенного окисления и протекают в объеме металла с выделением оксидных фаз или на его поверхности под действием газообразного кислорода или кислорода оксидов железа.

В сумме реакции (1) и (2) описываются реакцией [R]+[O]=(RO) (3) (Известия АН СССР, Металлы, N 2, стр. 24, 1975 г.).

Анализ этих реакций позволяет сделать вывод, что растворенный кислород в расплавах железа находится в двух видах:
1. [О] - активный кислород, в ближайшем окружении которого находятся только атомы железа. Величина его концентрации может совпадать с величиной его активности.

2. [R_nO] - неактивный кислород. В его ближайшем окружении, кроме атомов железа, находится n атомов компонента (примеси) R. При этом R обладает большим сродством к кислороду, чем железо.

Поэтому суммарный кислород, растворенный в простейшем расплаве Fe-, R-O, будет описываться равенством:
[O_Σ] = [O]+[R_nO] (4a)
Известно, что скорость гомогенных реакций очень сильно возрастает с увеличением температуры. Считается, что при температурах сталеварения реакции типа (1) всегда находятся вблизи равновесия. Это позволяет равенство (4a) преобразовать в
[O_Σ] = [O]•(1+K₁[R]ⁿ) (4б)
Здесь К₁ - константа равновесия реакции (1).

Концентрация активного кислорода - [O] определяется реакциями типа (3) и с увеличением концентрации [R] должна уменьшаться, а концентрация неактивного кислорода [R_nO] в соответствии с реакцией (1) - увеличиваться. Поэтому суммарная концентрация кислорода должна проходить через минимум. Такие минимумы экспериментально были найдены практически для всех раскислителей. Из табличных данных по растворимости кислорода в простейших расплавах железа могут быть определены константы и коэффициенты реакций типа (1).

Равенства (4a) и (4б) могут быть применены как в равновесных, так и неравновесных условиях; как к простейшим, так и к многокомпонентным расплавам железа. В последнем случае содержание суммарного кислорода будет описываться равенством
[O_Σ] = [O]•(1+Σ_nΣ_iKi[R_i]ⁿ) (5)
где i - число компонентов в расплавленном железе;
R_i - один из компонентов расплавленного железа;
n - стехиометрические коэффициенты всех возможных реакций гомогенного окисления одного из компонентов расплавленного железа;
K_i - константа равновесия одной из возможных реакций гомогенного окисления компонента i.

[O] - концентрация активного кислорода в расплавленном железе, которая может быть больше равновесных значений, определяемых реакциями типа (3).

Используя особенности термодинамики множества взаимодействий, были найдены условия, при которых в расплавах железа могут быть получены максимально возможные пересыщения по кислороду. На практике большие пересыщения по кислороду в металле, раскисленном алюминием, получаются при дополнительном раскислении сплавами, содержащими щелочноземельные и редкоземельные элементы. В этом случае суммарное содержание кислорода легко повышается в 2-3 раза. В общем случае возможно получение таких сплавов, введение которых в металл обеспечивает получение больших сверхравновесных концентраций кислорода.

Экспериментально установлен эффект объемного падения температуры расплава Fe-C при удалении из него сверхравновесного кислорода, которое осуществляется путем ввода в расплав соответствующих добавок. Последующее повышение температуры расплава (после удаления сверхравновесного кислорода) до первоначальной величины и ввод этих же добавок в расплав к падению температуры не приводит. При повторном создании в том же расплаве, имеющем первоначальную температуру, сверхравновесной концентрации кислорода и последующем его удалении эффект объемного падения температуры повторяется.

Это указывает на протекание реакций диспропорцианирования типа:
[R_nO] = (n-1)[R]-+(RO) (6)
При протекании этих реакций с одной стороны происходит доокисление примесей, а с другой - их восстановление и осуществляется с поглощением тепла.

Создание в расплаве железа больших сверхравновесных концентраций кислорода с последующим ее удалением, сопровождающееся поглощением тепла, позволяет достигать снижения температуры в объеме металла на десятки градусов (до 70^oC и более).

Основные принципы кристаллизации металлургических многокомпонентных систем, состоящих из расплавленного металла и из жидкой оксидной фазы (шлака), сформированной из оксидов компонентов расплавленного металла, могут быть сформулированы как:
1. Процесс кристаллизации начинается, как правило, с монотектического превращения в одной из сосуществующих жидких фаз - в жидкой металлической или в жидкой оксидной и продолжается до полной выкристаллизации этой жидкой фазы.

Вторая жидкая фаза кристаллизуется по эвтектическому принципу. Эвтектическим превращением завершается ее кристаллизация.

2. Поскольку в трехкомпонентной системе возможно существование нонвариантного монотектического превращения, когда в системе сосуществуют четыре фазы - две жидкие и две твердые, поскольку для многокомпонентной системы на определенном этапе ее кристаллизации возможно существование монотектического превращения в обеих сосуществующих фазах, но одна жидкая фаза должна выкристаллизоваться по монотектическому принципу раньше другой. После этого вторая фаза будет кристаллизоваться по эвтектическому принципу.

3. При вполне "определенных" составах процесс кристаллизации может начаться с монотектического превращения сразу в обеих жидких фазах.

Поскольку при кристаллизации жидкие фазы многокомпонентной системы могут проходить через эти "определенные" составы, постольку на определенной стадии кристаллизации монотектические превращения имеют место в обеих существующих фазах.

4. Если система находится вблизи равновесного существования четырех фаз - двух твердых и двух жидких, то при неравновесной кристаллизации и при наличии заметных сверхравновесных содержаний кислорода в жидком металле система может переходить на кристаллизацию по квазиэвтектическому принципу до завершения монотектических превращений.

Использование этих принципов и эффекта объемного падения температуры при введении в расплав добавок (для получения сверхравновесной концентрации растворенного кислорода и последующего ее удаления) соответствующего состава и количества, осуществляемых в определенное время и в определенное место, позволяет получать объемную кристаллизацию расплава в нужной части отливки. Т. е. появляется возможность управлять процессом кристаллизации отливок.

В частности, можно получать в головной части отливки корочку металла достаточной толщины, защищающей усадочную раковину от окисления. Результат (создание корки в головной части слитка) аналогичен результату получаемому при химическом закупоривании слитка кипящей стали с той разницей, что в данном случае корка препятствует проникновению газов из атмосферы внутрь слитка, а в случае с кипящей сталью корка препятствует проникновению газов из слитка в атмосферу. Это позволяет отказаться от технологии разливки спокойных сталей с использованием прибыльных надставок и утеплителей, а при разливке металла на MHЛЗ использование эффекта объемного падения температуры расплава в кристаллизаторе позволяет существенно увеличить скорость разливки и возможность ее регулировать.

Для образования сверхравновесной концентрации кислорода вводят материалы, содержащие кислород, которые повышают концентрацию активного растворенного кислорода в расплаве. В качестве таких материалов используют оксиды металлов, окислительные газы, кислородсодержащие органические или неорганические соединения, их смеси. Другим приемом повышения сверхравновесной концентрации кислорода в расплаве является ввод материалов, переводящих связанный кислород в растворенное состояние. Т.е. кислород из окислов и неметаллических включений, находящихся в металле, в результате взаимодействия с присадками переходит в растворенный неактивный кислород, повышая при этом сверхравновесную концентрацию кислорода в расплаве.

В качестве материалов, переводящих связанный кислород в растворенное состояние, можно использовать материалы, содержащие Al, Si, Ti, V, Zr, щелочноземельные, редкоземельные элементы или их сочетание. Неотъемлемой частью изобретения является условие удаления растворенного кислорода путем ввода материалов, связывающих его и/или изменяющих имеющееся физико-химическое равновесие. Для чего используют металлы, сплавы, лигатуры, неорганические соединения, газы, жидкости или их сочетание. Совокупность этих приемов, их последовательность, количество и состав присадок рассчитывают из условий обеспечения объемного падения температуры в заданной части отливки (например, в головной части отливки или на выходе из кристаллизатора МНЛЗ) и условий кристаллизации расплава в ней с образованием корки металла достаточной толщины. Способ является универсальным и позволяет производить разливку в любую форму, в качестве которой можно использовать кристаллизатор МНЛЗ; уширенную книзу или уширенную кверху изложницу; литейную форму. Способ позволяет создавать сверхравновесную концентрацию кислорода в металлургической и/или промежуточной емкости, а ее удаление производить в промежуточной емкости и/или в форме.

Способ осуществляли в условиях мартеновского производства при разливке металла в изложницы сифоном. Сталь марки 35ГС выплавляли в 250-тонной печи, окончательное раскисление производили в ковше.

Пример.

Разливали сталь следующего состава, мас.%: 0,35 C; 0,69 Si; 1,08 Mn; 0,032 S; 0,032 P; 0,21 Gr; 0,007-[O_Σ]. Температура начала разливки -1565^oC.

Разливку осуществляли в уширенную книзу изложницу через стакан диаметром 45 мм со скоростью 0,3-0,4 м/мин. без использования утеплителей. При наполнении до 0,3 высоты изложницы от верха в центровую вводили прокатную окалину, в количестве 240 г/т стали из расчета получения [O_Σ] = 0,015 в головной части слитка. При наполнении последней 0,2 массы отливки в центровой литник вводили гранулированный алюминий в количестве 230 г/т стали. После наполнения тела изложницы до заданного уровня засыпка теплоизолирующей смесью зеркала металла не производилась.

Остальные операции осуществляли согласно принятой инструкции.

Получили сталь марки 35ГС содержанием [O_Σ] = 0,004, которую прокатали на арматуру. Головная обрезь составила 0,5-1,5%.

Приведенный пример не охватывает всех возможных вариантов технологии и областей применения изобретения. В частности изобретение может быть применено при разливке на МНЛЗ или в изложницы сталей иного сортамента и/или при использовании других приемов и материалов.

Применение способа при разливке спокойной стали в уширенные книзу изложницы позволяет существенно (на 10 - 12%) снизить головную обрезь, при этом упрощается подготовка состава, снижаются трудоемкость и затраты на его содержание.

Использование изобретения при разливке стали на МНЛЗ позволяет до 1,5 раз увеличить скорость вытягивания, что резко повышает производительность и делает не нужным строительство дополнительных МНЛЗ при расширении производства стали.

Формула изобретения

1. Способ производства металлических отливок, включающий разливку расплава и ввод в расплав, в процессе разливки, активных добавок, отличающийся тем, что в расплав вводят активные добавки для образования в нем расчетной сверхравновесной концентрации растворенного кислорода и последующего его удаления, сопровождающегося объемным падением температуры расплава и созданием условий для кристаллизации металла в заданном объеме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активных добавок для образования сверхравновесной концентрации кислорода вводят материалы, содержащие кислород.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активных добавок для образования сверхравновесной концентрации кислорода вводят материалы, переводящие связанный кислород в растворенное состояние.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активных добавок для образования сверхравновесной концентрации кислорода вводят материалы, связывающие в нем растворенный кислород и/или изменяющие физико-химическое равновесие.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что активные добавки, заданного состава и в расчетном количестве, вводят в определенной последовательности и в заданную часть отливки.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку производят в форму, в качестве которой используют кристаллизатор МНЛЗ, уширенную книзу или уширенную кверху изложницу, литейную форму.

7. Способ по пп.1 и 6, отличающийся тем, что сверхравновесную концентрацию кислорода создают в металлургической и/или в промежуточной емкости, а ее удаление производят в промежуточной емкости и/или в форме.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материалов, содержащих кислород, используют оксиды металлов, окислительные газы, кислородсодержащие органические и/или неорганические соединения, или их сочетание в расчетном количестве.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве материалов, переводящих связанный кислород в растворенное состояние, используют материалы, содержащие Al, Si, Ti, V, Zr, щелочноземельные, редкоземельные элементы или их сочетание в расчетном количестве.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве материалов, связывающих растворенный кислород и/или изменяющих физико-химическое равновесие в расплаве, применяют металлы, сплавы, лигатуры, неорганические и/или органические соединения, газы, жидкости или их сочетание в расчетном количестве.

11. Способ по п.5, отличающийся тем, что ввод активных добавок осуществляют в головную часть отливки с образованием корки металла достаточной толщины.