Способ получения высоколегированной стали

Изобретение относится к области металлургии. Способ получения высоколегированной стали включает выплавку в условиях окислительной плавки в одном плавильном агрегате легированной неокисляемыми элементами жидкой заготовки, которую обезуглероживают до содержания углерода 0,03...0,08%. В другом плавильном агрегате выплавляют жидкий раскисляющий легирующий сплав и синтетический шлак, имеющий отношение СаО к SiO₂, равное 0,5-1,0. После чего их выпускают в разливочный ковш, в который затем сливают жидкую заготовку, перемешивают полученный расплав, последующую обработку которого до заданного химического состава проводят на агрегате комплексной обработки стали. Изобретение позволяет снизить затраты и трудоемкость получения сложных, высоколегированных, особенно низкоуглеродистых с содержанием углерода менее 0,10% сталей. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, точнее к выплавке высоколегированных сталей с обработкой на агрегате комплексной обработки стали (АКОС).

Известен способ выплавки стали по так называемой классической технологии (см. “Электрометаллургия стали и ферросплавов” Д.П. Поволоцкий и др., М., “Металлургия”, 1995 г., стр, 344), при этом высоколегированные стали выплавляются в дуговых электрических печах малой и средней вместимости.

Классическая технология выплавки стали имеет ряд вариантов, но все они включают трудоемкий период доводки плавки (рафинирование, раскисление, легирование, нагрев до заданной температуры), занимающий до 60% времени от общей продолжительности плавки при значительных потерях легирующих элементов (Cr, W, V, Nb, Si, Mn), имеют высокий удельный расход электроэнергии. Кроме того, классическая технология требует от исполнителей большого производственного опыта, высокой профессиональной подготовки.

В настоящее время широкое распространение получил способ выплавки высококачественных сталей (см. “Труды VI конгресса сталеплавильщиков”” г.Череповец, 17. 19.10.2000 г.), включающий выплавку жидкой заготовки одношлаковым процессом в сверхмощных дуговых электропечах, слив заготовки в разливочный ковш, отфутерованный высокостойкими к агрессивному воздействию шлакового расплава периклазоуглеродистыми материалами, имеющий устройства для продувки жидкого металла инертными газами. Разливочный ковш с жидкой заготовкой передается на АКОС. На АКОСе, оснащенном специальным трансформатором, производят нагрев жидкой заготовки электрическими дугами, через загрузочные устройства вводят в разливочный ковш необходимые флюсующие с целью формирования покровного шлака, а также раскислители, ферросплавы, содержащие легирующие элементы, и модификаторы. Полученный полупродукт обрабатывают на АКОСе.

Этот способ позволяет получать высококачественную сталь, обладающую высокими металлургическими параметрами (однородность по химическому составу, температуре, низкие концентрации вредных примесей, газов, низкая загрязненность неметаллическими включениями, хорошая “разливаемость”), обеспечивающими изготовление качественной металлопродукции при минимальных затратах на выплавку стали.

Однако указанный способ выплавки стали не может быть применим для выплавки сложных, высоколегированных, особенно низкоуглеродистых сталей по следующим основным причинам:

- большие массы вводимых на АКОС раскислителей и ферросплавов, что значительно увеличивает продолжительности обработки стали на АКОСе, так при выплавке стали 15Х5М с введением в полупродукт 5 т феррохрома (при общей массе плавки 62 т) продолжительность обработки плавки составила 1,60 часа, а стали 40ХН - 0,95 часа, и расход электроэнергии 103 и 60 кВт·ч/т соответственно;

- cпециальная подготовка ферросплавов перед введением в ковш на АКОС, включающая дробление, прокалку;

- увеличенная продолжительность обработки приводит к большему износу футеровки, а также нежелательному науглероживанию металла за счет углерода из огнеупорной футеровки;

- необходимость оснащения АКОС мощным печным трансформатором, сравнимым по мощности с печным трансформатором электропечи, выплавляющей жидкую заготовку, что при одновременном отборе максимальной мощности требует создания мощных электрических токоподводящих сетей и устройств, компенсирующих “пиковую” нагрузку;

- невозможность применения отходов высоколегированных сталей и сплавов (особенно хром-, ванадий-, ниобий-, вольфрамсодержащих) для частичной замены дорогостоящих ферросплавов.

Известен способ выплавки стали (а.с. СССР №191599 МПК С 21 С 5/56, 1966 г.), включающий выплавку легированной неокисляемыми элементами жидкой заготовки в одном плавильном агрегате, выплавку в другом плавильном агрегате жидкого раскисляющего легирующего сплава и синтетического шлака, имеющего определенное соотношение СаО к SiO₂, последующий их выпуск в разливочный ковш, в который затем сливают жидкую заготовку, перемешивание и обработку полученного расплава до заданного химического состава. Для выплавки сплава используются ферросплавы - феррохром, ферросилиций, ферромарганец, феррованадий, ферровольфрам и др., а также отходы высоколегированных сталей и сплавов. Для выплавки рафинирующего шлака используют свежеобожженную известь и глиноземсодержащий материал (технический глинозем, отходы абразивного производства и др.).

Способ по а. с. №191599 не требует проведения в плавильных печах глубокого раскисления металла перед легированием и доводкой металла до заданного химического состава, позволяет получать высоколегированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, низкой загрязненностью неметаллическими включениями, использовать отходы высоколегированных сталей и сплавов для частичной замены дорогостоящих ферросплавов.

К основным недостаткам указанного способа относятся:

- нестабильное “попадание” в заданный (в т.ч. зауженный “экономный”) химический состав стали, особенно при выплавке сложных высоколегированных сталей вследствие колебаний массы жидкой заготовки из-за качества (загрязненности) шихты, состояния весового хозяйства, а также колебаний содержания легирующих элементов в ферросплавах, используемых для выплавки сплава;

- для успешного рафинирования стали от серы и неметаллических включений при смешении жидкой заготовки и сплава требуется предварительное раскисление заготовки перед выпуском из печи, что увеличивает продолжительность ее выплавки, приводит к восстановлению фосфора из печного шлака;

- необходимость проведения операций отделения шлака при выпуске жидкой заготовки из печи, что требует использования кранового хозяйства цеха и специальных устройств;

- необходимость применения в качестве синтетического шлака - известковоглиноземистого, обладающего десульфурирующей способностью. При этом невозможно получить низкоуглеродистый легирующий сплав из-за науглероживания его карбидом кальция, образующегося в зоне дуг, а также графитовыми электродами. Так, по имеющейся практике, при выплавке сплава с химическим составом Сr-48...55%, Si~3,5% V~0,70%, Nb - 0,60, Мn~1%, остальное - железо, сплав содержит 0,28...0,35% углерода вместо расчетного 0,08% (вносимого из ферросплавов и отходов) и не может быть использован при выплавке низкоуглеродистой стали, например стали 07Х12НМБФ с содержанием углерода 0,05...0,09%.

Задачей изобретения является снижение затрат и трудоемкости получения сложных, высоколегированных, особенно низкоуглеродистых (с содержанием углерода менее 0,10%) сталей.

Поставленная задача решается усовершенствованием способа получения высоколегированной стали, включающего выплавку легированной неокисляемыми элементами жидкой заготовки в одном плавильном агрегате, выплавку в другом плавильном агрегате жидкого раскисляющего легирующего сплава и синтетического шлака, имеющего определенное соотношение СаО к SiO₂, последующий их выпуск в разливочный ковш, в который затем сливают жидкую заготовку, перемешивание и обработку полученного расплава до заданного химического состава.

Это усовершенствование заключается в том, что выплавку жидкой заготовки осуществляют в условиях окислительной плавки, при этом ее обезуглероживают до содержания углерода 0,03-0,08%, синтетический шлак выплавляют с отношением СаО к SiO₂, равным 0,5-1,0, а обработку полученного расплава до заданного химического состава проводят на агрегате комплексной обработки стали.

Осуществление выплавки жидкой заготовки в условиях окислительной плавки позволяет получить жидкую заготовку с низким содержанием углерода, что необходимо для производства низкоуглеродистой высоколегированной стали.

Обезуглероживание жидкой заготовки до содержания углерода 0,03...0,08% выбрано из условий регламентированного содержания углерода в стали, а также из условий максимального использования углеродсодержащих (менее дорогих) ферросплавов при последующей обработке (долегировании) до заданного марочного химического состава стали на АКОС.

Использование синтетического шлака с отношением СаО к SiO₂, равным 0,5...1,0, позволяет снизить содержание кислорода в низкоуглеродистом (С - 0,03...0,08%) расплаве с 0,08...0,09% до 0,040...0,025%, что в дальнейшем облегчает условия раскисления, рафинирования высоколегированного расплава при последующей обработке на АКОСе, снижает продолжительность обработки на АКОСе, что в свою очередь снижает разрушение (эрозию) огнеупорной футеровки ковшей и науглероживание металла, что особенно важно при выплавке низкоуглеродистой высоколегированной стали. Кроме того, использование покровных шлаков с повышенным содержанием кремнезема в процессе выплавки сплава снижает вредное насыщение его водородом.

Увеличение отношения CaO/SiO₂ более 1,0 приводит к снижению рафинирующей способности синтетического шлака по кислороду, что объясняется снижением содержания свободного оксида кремния и увеличением содержания свободного оксида железа в шлаке.

Снижение отношения CaO/SiO₂ менее 0,5 не приводит к увеличению рафинирующей способности шлака по кислороду, а концентрация кислорода в расплаве находится близко к равновесной, соответствующей концентрации углерода. Кроме того, повышенное содержание кремнезема потребует повышенного расхода извести при формировании рафинировочного известкового шлака в процессе обработки расплава на АКОСе и увеличение продолжительности обработки расплава на АКОСе.

Обработка полученного расплава до заданного химического состава на АКОСе позволяет получать высококачественную сталь, обладающую высокими металлургическими параметрами (однородность по химическому составу, температуре, низкие концентрации вредных примесей, газов, низкая загрязненность неметаллическими включениями, хорошая “разливаемость”), обеспечивающими изготовление качественной металлопродукции при минимальных затратах на выплавку стали.

Способ осуществляли следующим образом.

В сверхмощной электродуговой печи моношлаковым процессом выплавляли жидкую заготовку, которую в условиях окислительной плавки легировали неокисляемыми элементами (никелем, молибденом) и обезуглероживали до содержания углерода 0,03...0,08%.

В обычной дуговой электропечи производили одновременно синтетический шлак с отношением СаО к SiO₂, равным 0,5...1,0, и жидкий раскисляющий, легирующий сплав с использованием в качестве легирующих компонентов ферросплавов и отходов высоколегированных сталей и сплавов. При этом состав синтетического шлака, под которым вели расплавление компонентов раскисляющего, легирующего сплава, обеспечивал снижение науглероживания и наводораживания сплава.

При готовности производили смешение полученной жидкой заготовки с раскисляюшим, легирующим сплавом и синтетическим шлаком в разливочном ковше при выпуске жидкой заготовки из сверхмощной электродуговой печи. В результате смешения получали расплав с низким содержанием кислорода, что позволило снизить продолжительность его обработки на АКОСе.

Пример выплавки низкоуглеродистой высоколегированной стали 07Х12НМФБ по ТУ 14-1-2918-80 предлагаемым способом. Жидкая заготовка, легированная молибденом, никелем выплавлялась в дуговой печи ДСП-60, укомплектованной трансформатором 40 МВА. Жидкий раскисляющий, легирующий сплав выплавляли совместно с синтетическим шлаком в дуговой электропечи ДСП-12. При этом масса жидкой заготовки, сливаемой в ковш, составляла ~ 47 т, жидкого раскисляющего. легирующего сплава ~ 15,5 т, а синтетического шлака ~ 1,5 т.

В качестве шихты для выплавки жидкой заготовки использовали лом углеродистых и легированных никелем, молибденом сталей, а также никель и ферромолибден. Общая масса металлозавалки составила 51 т.

В качестве шихты для выплавки жидкого легирующего сплава использовали низкоуглеродистый феррохром ФХ005 (С≤0,05, Сr~65%)-9850 кг, ферросилиций ФС 45-800 кг, феррованадий ФВо 40 (С≤0,40, V~41%)-230 кг, отходы стали 07Х12НМФБ-4500 кг, феррониобий ФНб60-120 кг. В качестве шлакообразующих для синтетического шлака использовали известь - 600 кг, шамотовый бой - 800кг.

Химический состав жидкой заготовки перед выпуском из печи, %:

С - 0,03; Мn - 0,08; Si - 0,01; P - 0,006; S - 0,020; Cr - 0,11; Ni - 1,98; Mo - 0,52; Сu - 0,17; температура металла -1660°С.

Содержание углерода в раскисляющем и легирующем сплаве - 0,18% вместо 0,08% по расчету.

Химический состав синтетического шлака, %:

СаО - 27; SiO₂ - 38; Al₂О₃ - 21; MgO - 10,2; V₂O₅ - 0,20; FeO - 0,80; MnO - 1,20; Сr₂О₃ - 1,6.

Отношение CaO/SiO₂ -0,71. Температура сплава перед выпуском из печи 1630°С.

При готовности жидкой заготовки и легирующего сплава производили выпуск сплава и шлака из электропечи ДСП-12 в ковш емкостью 20 т и сливали в разливочный ковш емкостью 70 т, в который затем выпускали плавку жидкой заготовки из печи ДСП-60, продолжительность выпуска жидкой заготовки - 4 мин с отсечкой окисленного шлака при выпуске жидкой заготовки. Для более эффективного перемешивания легирующего сплава и жидкой заготовки в процессе выпуска плавки из ДСП-60 металл продували аргоном.

Химический состав полученного расплава перед обработкой на АКОСе,%:

С - 0,06; Mn - 0,12; Si - 0,30; P - 0,012; S - 0,021; Cr - 10,8; Ni - 1,46; Mo - 0,44; Cu - 0,18 V - 0,16; Nb - 0,08.

Затем плавку передавали на АКОС, где производили перемешивание аргоном, раскисление, делегирование, модифицирование расплава до заданного химического состава.

Продолжительность обработки подупродукта на АКОСе составила 1,05 часа, расход электроэнергии - 65 кВт.ч/т.

Химический состав стали после доводки полупродукга составил, %:

С - 0,085; Mn - 0,50; Si - 0,40; P - 0,015; S - 0,010; Cr - 11,2; Ni - 1,41; Mo - 0,42; Cu - 0,18 V - 0,16; Nb - 0,07. Температура металла в ковше перед выдачей плавки на разливку - 1580°С. Разливку производили на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в заготовки сечением 280×370 мм.

В ниже приведенной таблице приведены: содержание углерода в товарной стали, продолжительность выплавки жидкой заготовки в электропечи ДСП-60, обработки расплава, расходы электроэнергии на выплавку жидкой заготовки и обработку полупродукта (в заявляемом способе - расплава) на АКОСе.

Варианты:

1 - прототип;

2, 3, 4 - заявляемый способ;

5 - отношение CaO/SiO; ниже заявляемых отношений;

6 - отношение CaO/SiO выше заявляемых отношений.

Указанный способ выплавки опробован также при выплавке стали 15Х12Н2МВФАБ (ЭП 517) по ТУ 14-1-2902-80. Указанная сталь имеет содержание углерода 0,13...0,18, поэтому выплавку жидкой заготовки производили с обезуглероживанием до 0,05...0,08%, что не представляет затруднений при выплавке в сверхмощных дуговых электропечах, но позволяет производить долегирование расплава на АКОСе менее дорогими углеродосодержащими ферросплавами, например вместо феррохрома ФХ005 (С≤0,05%) можно использовать феррохром ФХ100...200 (С=1...2%).

Таблица
№ варианта	Содержание “С” в сплаве,%	Содержани е “С” в жидкой заготовке, %	Вносится “С” сплавом %	Фактическое содержание “С” в стали,%	Отношение CaO/SiO2, в синт. шлаке	Содержание кислорода,%	Продолжительность выплавки жидкой заготовки в ДСП-60,час	Расход электроэнергии на ДСП-60, кВт.ч/т	Продолжительность обработки на АКОС, час	Расход электроэнергии при обработке на АКОС, кВт.ч/т
В заготовке	В полупродукте
1	0,28	0,02	0,06	0,11	3,1	0,08	0,05	1,30	598	1.5	91
2	0,18	0,03	0,03	0,08	0,51	0,075	0,035	1,20	550	1,15	68
3	0,21	0,04	0,04	0,09	0,71	0,065	0,031	1,10	502	1,05	63
4	0,21	0,04	0,04	0,09	1,0	0,065	0,034	1,10	502	1,05	63
5	0,18	0,03	0,03	0,08	0,45	0,075	0,035	1,25	574	L15	67
6,	0,18	0,03	0,03	0,09	1,05	0,065	0,036	1,30	598	1,15	67

Способ получения высоколегированной стали, включающий выплавку легированной неокисляемыми элементами жидкой заготовки в одном плавильном агрегате, выплавку в другом плавильном агрегате жидкого раскисляющего легирующего сплава и синтетического шлака, имеющего определенное отношение СаО к SiO₂, последующий их выпускв разливочный ковш, в который затем сливают жидкую заготовку, перемешивание и обработку полученного расплава до заданного химического состава, отличающийся тем, что выплавку жидкой заготовки осуществляют в условиях окислительной плавки, при этом ее обезуглероживают до содержания углерода 0,03 - 0,08%, синтетический шлак выплавляют с отношением СаО к SiO₂, равным 0,5 - 1,0, а обработку полученного расплава проводят на агрегате комплексной обработки стали.