Хладностойкая модифицированная литая сталь и способ ее производства

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой, например, для арматурного литья, и к способу производства такой стали. Предложена хладностойкая модифицированная литая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,18-0,28, марганец 0,60-0,90, кремний 0,20-0,52, титан 0,03-0,05, алюминий 0,03-0,06, железо остальное. Способ производства хладностойкой литой стали включает введение в жидкую сталь модификатора, содержащего кальций, кремний и алюминий, который дополнительно содержит барий или РЗМ. Кроме того, в сталь вводят титан либо в составе модификатора, либо в виде лигатуры при следующем соотношении компонентов, вводимых в сталь, мас. %: кальций 4,1-12,0, барий 4,0-12,0 или РЗМ 8,1-30,0, алюминий 2,0-12,0, титан 6,0-9,5, кремний остальное, при расходе модификатора или модификатора и лигатуры 2,2-3,5 кг/т жидкой стали. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости стали до 392 кДж/м² при температуре -60^oС при сохранении высокого уровня свойств. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к сталям, используемым для изготовления отливок особо ответственного назначения, таких как арматурное литье, и их производство.

Известна сталь 25Л, углерод, марганец, кремний, примеси серы и фосфора при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,22-0,30 Марганец - 0,45-0,90 Кремний - 0,20-0,53 Сера - н.б. 0,05 Фосфор - н.б. 0,05. [ГОСТ 977-86, Сталь 25Л] Сталь предназначена для изготовления отливок особо ответственного назначения, в число контролируемых показателей качества которой входит ударная вязкость.

Недостаток этой стали в том, что ударная вязкость при температуре -60^oC ниже требуемой для деталей, работающих при указанной температуре, а именно 392 кДж/м².

Наиболее близким аналогом заявленной стали является хладностойкая модифицированная литая сталь, которая для повышения ударной вязкости при отрицательной температуре содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,14-0,21 Кремний - 0,10-0,60 Марганец - 0,40-1,60
Алюминий - 0,004 - 0,05
Кальций - 0,006-0,017
Титан - 0,01-0,10
Железо - Остальное
В качестве примесей сталь может содержать серу и фосфор до 0,025 мас.%. (См. авторское свидетельство СССР 639962, С 22 С 38/14, опубликованное 30.12.1978).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ударной вязкости стали до 392 кДж/м² при температуре - 60^oC при сохранении свойств на уровне стали, взятой за ближайший аналог.

Поставленная задача решается за счет того, что предложена хладностойкая модифицированная литая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, титан, алюминий и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,18-0,28
Марганец - 0,60-0,90
Кремний - 0,20-0,52
Титан - 0,03-0,05
Алюминий - 0,03-0,06
Железо - Остальное
Содержание примесей в стали ограничено:
Сера - н.б. 0,036
Фосфор - н.б. 0.035
Предложенная сталь отличается от известной тем, что она не содержит кальция, а нижние пределы содержания углерода, марганца, кремния, алюминия и титана повышены. Это обеспечивает повышение ударной вязкости при температуре -60^oC до 392 кДж/м² при сохранении механических свойств, присущих стали, взятой за ближайший аналог.

Экспериментально установлено:
- при содержании углерода и марганца за заявленными пределами ударная вязкость при температуре - 60^oC не соответствует требуемой;
- при содержании серы и фосфора более 0,035% получить ударную вязкость не менее 392 кДж/м² при температуре - 60^oC невозможно;
- содержание титана и алюминия по 0,03% при содержании серы и фосфора не более 0,035% обеспечивает ударную вязкость не менее 392 кДж/м² и сохранение механических свойств на уровне стали, взятой за ближайший аналог. Если титана или алюминия меньше указанного предела, ударная вязкость не достигает требуемого уровня;
- содержание титана более 0,05% или алюминия более 0,06% также снижает ударную вязкость из-за неметаллических включений.

Результаты испытаний полученной стали представлены в таблице 1.

Как следует из данных, представленных в табл. 1, предлагаемая сталь имеет ударную вязкость 392 кДж/м² при температуре - 60^oC, сохраняя механические свойства, присущие стали, взятой за ближайший аналог.

Пример 1. Сталь 25Л по ГОСТ 977-88, ее химический состав и механические свойства. Ударная вязкость при температуре - 60^oC в ГОСТе не указана. KCU_-60, указанная в примере, определена на Курганском заводе трубопроводной (КЗТА).

Пример 2. Углерода больше, а марганца меньше заявленного предела. Все остальные элементы в пределах. Ударная вязкость ниже требуемой (KCU_-60 < 392).

Пример 3. Предполагаемая сталь. Содержание серы и фосфора на уровне стали, взятой за аналог. Все остальные элементы в заданных пределах. Ударная вязкость ниже требуемой.

Пример 4. Титана меньше нижнего предела, остальные элементы в заданных пределах. Ударная вязкость ниже требуемой.

Пример 5. Титана больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой.

Пример 6. Алюминий меньше нижнего предела. Остальные элементы в заданных пределах. Ударная вязкость ниже требуемой.

Пример 7. Алюминий больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой.

Примеры 8-10. Сталь в заданных пределах. Механические свойства стали соответствуют техническим условиям.

Производство стали включает введение в жидкую сталь модификаторов и лигатуры.

Наиболее близким аналогом заявленного способа производства стали является способ, включающий введение в жидкую сталь добавки в виде сплава, являющегося раскислителем, модификатором и лигатурой, при следующем соотношении компонентов в вводимой добавке, мас.%:
Кремний - 40 - 65
Кальций - 8,0 - 30,0
Алюминий - 1,0-5,0
Ванадий - 3,0-14
Титан - 0,1-1,0
Железо - Остальное.

См. RU 2125113 С1, С 22 С 35/00, опубликованный 20.01.1999.

В заявленном способе в отличие от известного модифицирование стали проводят одновременно тремя видами элементов: инокуляторами (Ti), ингибиторами-раскислителями (Al, Ti), инверсорами (Ca, Ba или РЗМ), одновременно воздействующими на макро-, микро- и субмикроуровни структуры литой стали, что снижает содержание серы и фосфора до уровня 0,035%, уменьшает величину зерна, устраняет видманштеттову структуру литой стали, переводит неблагоприятные неметаллические включения в более благоприятные и микролегирует сталь титаном и алюминием.

Сущность заявленного способа заключается в том, что способ производства хладостойкой литой стали включает введение в жидкую сталь модификатора, содержащего кальций, кремний и алюминий. В отличие от известного в сталь вводят модификатор, дополнительно содержащий барий или РЗМ. Дополнительно в сталь вводят титан либо в составе модификатора, либо в виде лигатуры при следующем соотношении компонентов вводимых в сталь, мас.%:
Кальций - 4,1-12,0
Барий или - 4,0-12,0
РЗМ - 8,1-30,0
Алюминий - 2,0-12,0
Титан - 6,0-9,5
Кремний - Остальное
при расходе модификатора или модификатора и лигатуры 2,2-3,5 кг/т жидкой стали.

Предложенный способ отличается от известного тем, что сплав-модификатор дополнительно содержит барий или РЗМ, при заявленном соотношении компонентов и при их расходе 2,2-3,5 кг/т жидкой стали, а титан вводят либо в составе модификатора, либо дополнительно в виде лигатуры.

Как установлено экспериментально, если расход модификатора и лигатуры находится в пределах 2,2 - 3,5 кг/т, то остаточных элементов, в том числе и кальция, в готовой стали нет. По результатам некоторых плавок в стали обнаружен кальций в пределах не более 0,002 мас.% или в следах, что меньше, чем в прототипе и не оказывает влияния на свойства стали. Кальций и РЗМ отсутствуют в готовой стали, т. к. , выполнив свое назначение по очистке стали от примесей и инверсии включений, они уходят в шлак.

Экспериментально установлено:
- при введении модифицирующих элементов ниже нижнего предела химический состав стали не соответствует техническим условиям. Ударная вязкость ниже требуемой (S и P >0,035%, Ti и Al < 0,03%);
- при введении модифицирующих элементов или некоторых из них выше верхнего предела в тугоплавкие неблагоприятные по форме и расположению неметаллические включения происходит снижение ударной вязкости стали при температурах - 60^oC;
- при расходе модифицирующих и легирующих элементов меньше нижнего предела химический состав стали не соответствует техническим условиям;
- при расходе больше верхнего предела модифицирующих и легирующих элементов титана и алюминия может оказаться выше верхнего предела, что ведет к снижению ударной вязкости за счет упрочнения твердого раствора.

Результаты применения модифицирующих и легирующих элементов при производстве стали приведены в таблице 2.

Пример 1. Модифицирующих элементов меньше нижнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой. Сталь не соответствует техническим условиям.

Пример 2. Алюминия меньше нижнего предела. Сталь не соответствует техническим условиям.

Пример 3. Титана меньше нижнего предела. Сталь не соответствует техническим условиям.

Пример 4. Титана больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой.

Пример 5. Кальция выше верхнего предела. Снижается ударная вязкость.

Пример 6. Расход модификатора и лигатуры ниже нижнего предела. Сталь не соответствует техническим условиям.

Пример 7. Расход модификатора и лигатуры больше верхнего предела. Ударная вязкость снижается из-за упрочнения твердого раствора за счет увеличения содержания титана и алюминия.

Примеры 8-10. Все параметры в заданных пределах. Сталь соответствует техническим условиям.

Сталь прошла опытно-промышленные испытания на Курганском заводе трубопроводной арматуры на действующем оборудовании с положительным результатом, что с учетом технологичности производства стали позволяет рекомендовать ее для промышленного производства.

Формула изобретения

1. Хладностойкая модифицированная литая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, титан, алюминий и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,18-0,28
Марганец - 0,60-0,90
Кремний - 0,20-0,52
Титан - 0,03-0,05
Алюминий - 0,03-0,06
Железо - Остальное
2. Способ производства хладностойкой литой стали, включающий введение в жидкую сталь модификатора, содержащего кальций, кремний и алюминий, отличающийся тем, что в сталь вводят модификатор, дополнительно содержащий барий или РЗМ, при этом дополнительно в сталь вводят титан либо в составе модификатора, либо в виде лигатуры при следующем соотношении компонентов, вводимых в сталь, мас.%:
Кальций - 4,1-12,0
Барий или - 4,0-12,0
РЗМ - 8,1-30,0
Алюминий - 2,0-12,0
Титан - 6,0-9,5
Кремний - Остальное
при расходе модификатора или модификатора и лигатуры 2,2-3,5 кг/т жидкой стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2