Лигатура для стали и чугуна (варианты)

Изобретения относятся к области металлургии, в частности к лигатурам для раскисления, рафинирования и модифицирования жидкого металла. Лигатура согласно первому варианту изобретения содержит, мас.%: кальций 0,1-6, редкоземельные металлы 0,2-10, алюминий 2-40, ванадий 0,1-14, титан 0,1-1, магний 0,5-12, железо остальное. Лигатура по второму варианту содержит, мас.%: кальций 0,1-6, редкоземельные металлы 0,2-10, алюминий 2-40, ванадий 0,1-14, титан 0,1-1, магний 0,5-12, один или несколько элементов из группы, содержащей ниобий, цирконий, барий, не превышает 3, железо остальное. Изобретения позволяют повысить степень усвоения активных компонентов расплавом, снизить стоимость лигатуры, повысить качество металла и улучшить экологическую обстановку на рабочей площадке. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии. В частности, к лигатурам, применяемым для раскисления, рафинирования и модифицирования жидкого металла.

По патенту RU 2214473 известен сплав для раскисления стали, содержащий алюминий, кремний, углерод, фосфор, серу и железо, дополнительно содержащий марганец и медь при следующем соотношении массовых долей элементов, %:

Алюминий - 20-40

Кремний - 0,5-20

Марганец - 0,5-5

Углерод - 0,1-0,9

Медь - 0,2-2,0

Фосфор - 0,02-0,1

Сера - 0,02-0,1

Железо - Остальное

Недостатками известного сплава являются:

- наличие в значительном количестве кремния, углерода и меди, что ограничивает область применения известного сплава. Известный сплав не применим при производстве низкокремнистых марок стали, а также сталей, не содержащих в своем составе медь;

- недостаточное усвоение сталью алюминия, поскольку в известном сплаве алюминий содержится в виде алюминидов FeAl и Fe₃Al, растворение которых проходит с поглощением тепла, что отрицательно сказывается на усвоении алюминия.

По патенту RU 2239669 известна лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, никель и железо, дополнительно содержащая марганец и один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей титан, ванадий и бор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 5-12

Редкоземельные металлы - 20-33

Алюминий - 10-25

Никель - 2-9

Марганец - 2-13

Суммарное содержание титана, ванадия и бора - не превышает 5

Железо - Остальное

Недостатками известной лигатуры являются:

- низкая степень усвоения высокоактивных элементов, обусловленная низкой плотностью известной лигатуры;

- высокая стоимость известной лигатуры;

- невысокое качество металла, получаемого в результате использования известной лигатуры, поскольку повышенное содержание в известной лигатуре кальция и редкоземельных металлов повышает загрязненность металла неметаллическими включениями, ухудшая его качество;

- известная лигатура не обеспечивает высоких механических свойств металла, поскольку повышенное содержание в ней титана влечет за собой образование в металле строчечных включений;

- плохая экологическая обстановка на рабочей площадке при использовании известной лигатуры, обусловленная высоким содержанием кальция, который при введении в металл усваивается лишь частично, а значительная его часть испаряется.

Техническим результатом заявленных вариантов изобретения является

устранение указанных недостатков, а именно:

- повышение степени усвоения активных компонентов заявленных вариантов лигатуры расплавом;

- снижение стоимости лигатуры;

- повышение качества металла, получаемого в результате использования заявленных вариантов лигатуры;

- улучшение экологической обстановки на рабочей площадке.

Технический результат достигается за счет того, что лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, согласно первому варианту изобретения дополнительно содержит магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 0,1-6

Редкоземельные металлы - 0,2-10

Алюминий - 2-40

Ванадий - 0,1-14

Титан - 0,1-1

Магний - 0,5-12

Железо - остальное

Технический результат достигается за счет того, что лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, согласно второму варианту изобретения дополнительно содержит магний и один или несколько элементов из группы, содержащей ниобий, цирконий, барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 0,1-6

Редкоземельные металлы - 0,2-10

Алюминий - 2-40

Ванадий - 0,1-14

Титан - 0,1-1

Магний - 0,5-12

Суммарное содержание ниобия циркония и бария - не превышает 3

Железо - остальное

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения магния менее 0,5 мас.% является недостаточным для связывания растворенного в жидкой стали кислорода, он оказывает только раскисляющее действие. Содержание магния более 12 мас.% не обеспечивает дальнейшее снижение содержания серы, не влияет на качество метала.

Повышение степени усвоения активных компонентов достигается содержанием в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения от 60 до 70 мас.% железа, позволяет получить лигатуру плотностью 5-6,5 г/см³, что способствует глубокому погружению лигатуры в жидкий металл, тем самым минимизирует контакт алюминия и активных компонентов лигатуры со шлаком, повышая, таким образом, степень их усвоения расплавом. При содержании железа менее 60 мас.% плотность лигатуры уменьшится, что приводит к снижению степени усвоения ее активных компонентов расплавом, содержание железа более 70 мас.% приведет к снижению качества лигатуры.

Повышение качества металла и снижение стоимости достигается оптимальным сочетанием активных компонентов, входящих в состав заявляемой лигатуры для стали и чугуна.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения редкоземельных металлов менее 0,2% приводит к снижению стабильности качества металла, содержание редкоземельных металлов выше 10% существенно не влияет на качество металла, но ведет к удорожанию лигатуры. Заявляемое содержание редкоземельных металлов 0,2-10 мас.% является оптимальным для качества металла, а также существенно снижает ее стоимость.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения алюминия менее 2 мас.% приводит к увеличению склонности чугуна к отбелу, содержание алюминия более 40 мас.% практически не влияет на степень раскисления металла, так как при применении лигатуры, имеющей утяжелитель, степень усвоения алюминия повышается в 2-3 раза.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения ванадия 0,1 мас.% является минимально возможным для повышения прочности стали, а содержание ванадия в лигатуре более 11 мас.% ведет к удорожанию лигатуры без улучшения качества конечного продукта.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения титана 0,1 мас.% является минимально возможным для образования жидких продуктов раскисления, что обеспечивает хорошие условия для их удаления, при содержании титана более 1 мас.% образуются строчечные включения.

Содержащиеся в лигатуре согласно второму варианту изобретения один или несколько элементов из группы - ниобий, цирконий, барий способствуют измельчению микроструктуры метала, повышению его прочности и ударной вязкости. Содержание в лигатуре одного или несколько элементов из указанной группы 0,1 мас.% является минимальным для обеспечения мелкозернистой структуры метала, при содержании ниобия более 3 мас.% в металле образуются неметаллические включения.

Лигатуру вводили в жидкий металл, который заполнял третью часть разливного ковша. Количество вводимой лигатуры по отношению к массе обрабатываемой стали составляло 0,2 мас.%, по отношению к массе чугуна составляло 0,1 мас.%.

Примеры составов предлагаемых вариантов лигатуры для стали и чугуна, а также их влияние на прочность и пластические свойства литого метала представлены в таблице 1 и 2. Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что сталь и чугун, полученные с использованием предлагаемых вариантов лигатуры, обладают повышенными прочностью и пластическими свойствами.

В таблицах представлены следующие условные обозначения: σ_в - предел прочности (МПа), σ_т- предел текучести (МПа), δ - относительное удлинение %, KCU - ударная вязкость (Дж/см³), РМЗ - редкоземельные металлы.

ТАБЛИЦА 1.
№ состава лигатуры	Содержание компонентов мас.%
Ca	РМЗ	Al	V	Mg	Ti	Nb	Zn	Ba
1	6	3,4	30	0,1	0,4	0,1	-	-	-
2	5,7	8,6	25	0,1	0,5	0,1	-	-	-
3	6	4	20	0,1	0,5	0.1	-	-	-
4	3	4	30	1,0	0,5	0,1	-	-	-
5	3	4	30	1,2	1,5	0,1	0,1	-	-
6	2	1	30	1,0	1,0	0,1	-	0,1	-
7	2	1	35	1,2	0,5	0,1	-	0,1	0,1
8	6	10	26,9	0,1	0,1	1,0	-	-	-
9	5	2,1	29,5	0,1	1,3	1,0	-	-	-
10	1,1	0,9	3	0,1	12	0,1	-	-	-
11	0,5	1,5	5	0,1	10	0,1	-	-	-

ТАБЛИЦА 2.
№ состава лигатуры	Прочность и пластические свойства литого метала
σB1(МПа)	σT1(МПа)	δ%	ψ%	KCU, Дж/см3
Сталь 35 л
1	580	340	18	31	68
2	601	350	19	30	67
3	610	359	20,5	32	71
Сталь 14Г2Ф
4	610	350	24	37	65
5	617	360	25	40	68
6	630	366	27,5	42	67
7	620	355	27	41	67
Сталь 10Х18Н9Т
8	540	291	35,1	64,1	179
9	547	290	36,3	63,9	203
Чугун С420
10	240	-	-	-	-
11	255	-	-	-	-

1. Лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кальций	0,1-6
редкоземельные металлы	0,2-10
алюминий	2-40
ванадий	0,1-14
титан	0,1-1
магний	0,5-12
железо	остальное

2. Лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магний и один или несколько элементов из группы, содержащей ниобий, цирконий, барий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кальций	0,1-6
редкоземельные металлы	0,2-10
алюминий	2-40
ванадий	0,1-14
титан	0,1-1
магний	0,5-12
суммарное содержание ниобия,
циркония и бария	не превышает 3
железо	остальное