Способ получения биметаллического слитка

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к области специальной электрометаллургии, а именно к производству биметаллических слитков с использованием электрошлаковой технологии. В способе размещают в качестве основного слоя биметаллического слитка стальную заготовку с зазором от стенки кристаллизатора, устанавливают в этом зазоре расходуемые электроды из коррозионно-стойкой стали, наводят шлаковую ванну и переплавляют в ней расходуемые электроды с формированием плакирующего слоя, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины биметаллического слитка при значениях электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, последующее замедленное охлаждение слитка, при этом используют заготовку из низколегированной стали, содержащей, мас.%: углерод 0,05-0,25, кремний 0,01-0,80, марганец 0,20-1,60, фосфор не более 0,025, серу не более 0,020, мышьяк не более 0,015, железо и неизбежные примеси - остальное, а в качестве неизбежных примесей - один или несколько из элементов, выбранных из группы, цинк, олово, свинец, сурьма - в количестве 0,001-0,02% каждого. Изобретение позволяет повысить прочность и сплошность соединения слоев, коррозионную стойкость и качество поверхности плакирующего слоя при сохранении прочностных характеристик, ударной вязкости биметаллического проката при нормальных и пониженных температурах, равномерной толщины слоев. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к области специальной электрометаллургии, а именно к производству биметаллических слитков с использованием электрошлаковой технологии.

Биметаллические слитки, состоящие из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного (плакирующего) слоя из коррозионно-стойкой стали, предназначены для последующей прокатки на биметаллические полосы и листы. Основными требованиями, предъявляемыми к таким слиткам, являются высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слоев, равномерность толщины наплавленного слоя и его высокая коррозионная стойкость при удовлетворительном качестве поверхности. Требования, предъявляемые к геометрическим размерам - сравнительно низкие значения толщины слитка и высокие значения его ширины, что облегчает последующую прокатку слитков на листы определенного размера, то есть повышает технологичность и приводит к снижению стоимости.

Известен способ получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, включающий размещение в кристаллизаторе с зазором от одной из его стенок металлической заготовки, являющейся одним из слоев биметаллического слитка, установку расходуемого электрода в этом зазоре, наведение в зазоре шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя биметаллического слитка со скоростью, устанавливаемой в зависимости от величины зазора (H₁) и толщины заготовки (H₂) по математическому выражению V_ф=3,6(1-0,3H₁/H₂)±0,3, кг/мин, при электросопротивлении шлаковой ванны, определяемом из математической зависимости R=2,5B₁B₂±0,2, где R - электросопротивление шлаковой ванны, мОм; B₁ - ширина электрода, мм; B₂ - ширина заготовки, мм.

(Патент РФ №2087561, МПК С22В 9/18, опубл. 20.08.1997 г.)

Способ обеспечивает равномерность толщины и химического состава наплавленного слоя при удовлетворительном качестве поверхности при наплавке заготовок толщиной более 350 мм и шириной менее 1000 мм. Однако его использование для получения биметаллических заготовок толщиной менее 350 мм и шириной более 1000 мм, более технологичных при производстве биметаллических листов, не обеспечивает требуемого качества соединения слоев: имеют место расслои или зоны с низкой прочностью сцепления слоев. При последующей прокатке таких слитков на листы возможно образование значительных по площади отслоений плакирующего слоя.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, включающий размещение стальной заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемых электродов из коррозионно-стойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемых электродов с формированием плакирующего слоя, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины биметаллического слитка при значениях электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, последующее охлаждение слитка, при этом основной слой изготавливают из легированной стали, содержащей, мас.%: углерод - 0,05-0,25, кремний - 0,01-0,50, марганец - 0,20-0,60, фосфор - не более 0,025, сера - не более 0,020, хром - 0,7-2,5, молибден - 0,2-1,0, железо и неизбежные примеси, в том числе мышьяк - остальное, переплав расходуемых электродов при содержании мышьяка в стали основного слоя менее 0,005% ведут при величине тока 9,0-10,0 кА, а при содержании мышьяка не менее 0,005% - при величине тока, назначаемой в соответствии с выражением

где I - величина тока на каждом расходуемом электроде, кА,

(As) - содержание мышьяка в стали, мас.%,

а охлаждение биметаллического слитка проводят замедленно для обеспечения скорости охлаждения на поверхности плакирующего слоя при температурах ниже 500°С не более 50°С в час;

как вариант, основной слой изготавливают из низколегированной стали, содержащей, мас.%: углерод - 0,05-0,25, кремний - 0,01-0,80, марганец - 0,20-1,60, фосфор - не более 0,025, сера - не более 0,020, железо и неизбежные примеси, в том числе мышьяк - остальное, переплав расходуемых электродов при содержании мышьяка в стали основного слоя менее 0,005% ведут при величине тока 8,0-10,0 кА, а при содержании мышьяка не менее 0,005% - при величине тока, назначаемой в соответствии с выражением

где I - величина тока на каждом расходуемом электроде, кА,

(As) - содержание мышьяка в стали, мас.%,

а охлаждение биметаллического слитка проводят замедленно для обеспечения скорости охлаждения на поверхности плакирующего слоя при температурах ниже 500°С не более 50°С в час.

(Патент РФ №2255994, МПК С22В 9/18, опубл. 10.07.2005 г., второй вариант-прототип.)

Способ направлен на обеспечение высокого качества биметаллических слитков, в стали основного слоя которых в качестве примесей содержится мышьяк. При этом в слитках и в листах, получаемых последующей прокаткой слитков, обеспечиваются высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слоев, равномерная толщина каждого слоя, высокая коррозионная стойкость, прочностные характеристики, в том числе при повышенных температурах, и удовлетворительное качество поверхности плакирующего слоя.

Однако при наличии в стали основного слоя не только мышьяка в количестве 0,005% и более, но также цинка, свинца, олова и сурьмы в количестве более 0,001% наблюдается снижение качества соединения слоев, появление расслоений, выявляемых ультразвуковым контролем (УЗК), качества поверхности и коррозионной стойкости плакирующего слоя из-за загрязнения плакирующего слоя шлаковыми включениями. Причем снижение указанных характеристик наблюдается тем в большей степени, чем выше содержание указанных элементов. В то же время современные технологии производства стали характеризуются увеличением объемов использования в качестве шихты металлолома, образующегося при утилизации современных машин и оборудования, с повышенным содержанием примесей цветных металлов. Это приводит к повышенному содержанию в стали указанных элементов, особенно цинка - до 0,01% и более. Использование шихты повышенной чистоты с целью снижения содержания рассматриваемых примесей приводит к существенному удорожанию металлопродукции.

Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении высокого качества биметаллических слитков, в том числе предназначенных для последующей прокатки на листы: высокой прочности и гарантированной сплошности соединения слоев, равномерной толщины, высокой коррозионной стойкости, прочностных характеристик, ударной вязкости при пониженных температурах, удовлетворительного качества поверхности плакирующего слоя, при низкой стоимости металлопродукции.

Техническим результатом данного изобретения является повышение прочности и сплошности соединения слоев, коррозионной стойкости и качества поверхности плакирующего слоя при сохранении прочностных характеристик и ударной вязкости биметаллического проката при пониженных температурах, равномерной толщины слоев, низкой стоимости металлопродукции.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, включающем размещение в качестве основного слоя биметаллического слитка стальной заготовки с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемых электродов из коррозионно-стойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемых электродов с формированием плакирующего слоя, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины биметаллического слитка при значениях электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, последующее замедленное охлаждение слитка, при этом используют заготовку из низколегированной стали, содержащей, мас.%: углерод 0,05-0,25, кремний 0,01-0,80, марганец 0,20-1,60, фосфор не более 0,025, серу не более 0,020, мышьяк не более 0,015, железо и неизбежные примеси - остальное, а в качестве неизбежных примесей - один или несколько из элементов, выбранных из группы, цинк, олово, свинец, сурьма - в количестве 0,001-0,02% каждого, а переплав расходуемых электродов ведут при напряжении, назначаемом в соответствии с уравнением

где U - напряжение, вольт,

|Zn|, |Sn|, |As|, |Pb|, |Sb| - абсолютная величина содержания цинка, олова, мышьяка, свинца и сурьмы соответственно.

Суть предложения заключается в следующем.

Определенный химический состав стали основного слоя играет решающую роль в обеспечении механических свойств двухслойной стали и изделий из нее - прочности, ударной вязкости, в том числе при пониженных температурах, вязкости, а также свариваемости.

Низколегированная сталь предназначена для эксплуатации при более низких температурах, чем легированная. Требуемый комплекс механических характеристик двухслойных листов с основным слоем из низколегированной стали обеспечивается содержанием основных легирующих элементов - углерода, кремния и марганца в предлагаемых пределах.

При меньшем содержании основных легирующих элементов может быть не обеспечен необходимый уровень прочности, при более высоком их содержании возможно снижение вязкости и свариваемости.

Ограничение содержания фосфора и серы также связано с необходимостью обеспечить определенный уровень вязкости и свариваемости.

Равномерная толщина, химический состав и высокая прочность и сплошность соединения слоев в биметаллическом слитке достигаются путем обеспечения определенной и равномерной глубины проплавления, как правило, от 3 до 10 мм. Важным параметром электрошлакового переплава, определяющим глубину проплавления заготовки основного слоя и ее равномерность, является электросопротивление шлаковой ванны, которое должно находиться в пределах - 3,5-5,0 мОм. Кроме того, подводимую мощность и, следовательно, количество тепла, которое поступает для переплава коррозионо-стойкой стали и для частичного подплавления стали основного слоя, определяет значение напряжения на электродах.

При повышении содержания мышьяка, сурьмы, олова, свинца и особенно цинка в стали основного слоя при неизменном режиме переплава возможно снижение качества соединения слоев, так как указанные элементы, являясь поверхностно-активными примесями, могут скапливаться на поверхности раздела между слоями, ухудшая их сцепление. Поэтому при увеличении их содержания в стали основного слоя необходима корректировка режимов переплава, в частности повышение напряжения на электродах в соответствии с уравнением (1). Это позволяет обеспечить поступление необходимого количества тепла при переплаве, равномерное его распределение, а следовательно, качественное соединение слоев. При меньшем значении напряжения, чем в соответствии с уравнением (1), прочность сцепления слоев снижается, при этом возможны расслоения на границе раздела слоев, выявляемые методами ультразвукового контроля (УЗК).

Примеры конкретного выполнения способа

Для получения биметаллического слитка наплавку заготовок основного слоя из низколегированной стали толщиной 200 мм шириной 1280 мм при заданной толщине наплавленного слоя 10-15% от общей толщины заготовки вели на специально созданных для электрошлаковой наплавки установках наклонного типа.

В полость между поверхностью заготовки основного слоя и кристаллизатором заливали шлак марки АНФ-29 и в полученной шлаковой ванне вели электрошлаковый переплав расходуемых электродов из стали типа 08Х18Н10Б в виде отдельных пластин толщиной 30-50 мм, перекрывающих не менее 80% ширины заготовки, с формированием наплавленного (плакирующего) слоя с различными значениями напряжения (зависящих от содержания примесей в стали основного слоя) на электродах и при значениях электросопротивления шлаковой ванны 3,9-4,3 мОм. После наплавки и охлаждения до достижения на поверхности наплавленного слоя температуры 500°С биметаллические слитки помещали в термостат, где замедленно охлаждали до комнатной температуры.

После охлаждения биметаллических слитков проводили их горячую прокатку на стане 2800 на листы толщиной 18 мм. После нормализации биметаллические листы проходили аттестацию по ГОСТ 10885 с определением механических характеристик, стойкости против межкристаллитной коррозии МКК, сплошности и прочности соединения слоев и т.д.

Химический состав стали основного слоя, напряжения при электрошлаковом переплаве расходуемых электродов и формировании наплавленного слоя приведены в таблице 1. Качество соединения слоев в биметаллических листах по результатам ультразвукового контроля (доля площади листов, имеющая расслоения, %), сопротивление срезу σ_ср (прочность сцепления слоев при испытаниях на срез плакирующего слоя по ГОСТ 10885), а также прочностные характеристики стали основного слоя при комнатной температуре (предел текучести и предел прочности) и ударная вязкость при температуре -20°С, определенные в соответствии с ГОСТ 5520, приведены в таблице 2. Все остальные технические характеристики полученных листов, в том числе стойкость против МКК, равномерность толщины слоев, качество поверхности наплавленного слоя и другие, соответствовали требованиям ГОСТ 10885.

Из таблиц 1 и 2 следует, что для вариантов 1-5, соответствующих формуле изобретения, получено высокое качество соединения слоев, а также высокие значения прочностных характеристик.

Варианты 6 и 7 не соответствуют формуле изобретения, так как напряжение на электродах при переплаве составило 48В и 42В соответственно, тогда как в соответствии с уравнением (1), должно было составлять не менее 51,4В и 44,55В. Это привело к появлению расслоев и к некоторому снижению сопротивления срезу - до 320 Н/мм². Кроме того, из-за высокого содержания цинка наблюдается некоторое снижение значений ударной вязкости при температуре -20°С.

Варианты 1, 4, соответствуя формуле изобретения, демонстрируют пониженные значения ударной вязкости при температуре -20°С из-за высокого содержания цинка.

Таким образом, использование настоящего изобретения существенно повышает качество соединения слоев, прочностные характеристики, в том числе ударную вязкость при пониженных температурах, при сохранении технологичности, равномерной толщины, коррозионной стойкости и удовлетворительного качества поверхности наплавленного слоя.

Таблица 1
Химический состав основного слоя, технологические параметры получения биметаллического слитка.
№ варианта	Химический состав, % вес.	Напряжение U, вольт
С	Mn	Si	P	S	As	Zn	Pb	Sn	Sb
1	0,10	1,45	0,68	0,015	0,006	0,004	0,02	0,001	0,001	0,0015	44 (43,90)
2	0,08	1,40	0,65	0,015	0,008	0,010	0,001	0,02	0,001	0,001	42,5 (42,09)
3	0,09	1,45	0,64	0,011	0,006	0,010	-	0,01	-	0,02	43 (42,80)
4	0,15	1,40	0,71	0,020	0,015	0,010	0,02	0,0015	0,0014	-	45 (44,548)
5	0,10	1,50	0,65	0,014	0,006	0,004	0,0015	-	0,02	0,0015	42 (41,435)
6	0,22	1,55	0,75	0,013	0,012	0,010	0,02	0,02	0,02	0,02	48 (51,4)
7	0,15	1,40	0,71	0,018	0,010	0,010	0,02	0,0015	0,0014	-	42 (44,548)
Примечание:
В графе «напряжение» в скобках указаны рассчитанные в соответствии с уравнением (1) значения напряжений, выше - напряжения, при которых проводилась наплавка плакирующего слоя.

Таблица 2
Свойства биметаллических листов
№ варианта	Площадь расслоя, %	σcр, Н/мм2	σT, Н/мм2	σB, Н/мм2	KCV-20°C, Дж/см2
1	-	430	345	500	70
2	-	420	340	495	150
3	-	410	340	500	200
4	-	440	335	490	75
5	-	415	340	495	100
6	15	320	350	530	50
7	10	325	355	540	65

Способ получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, включающий размещение в качестве основного слоя биметаллического слитка стальной заготовки с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемых электродов из коррозионно-стойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемых электродов с формированием плакирующего слоя, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины биметаллического слитка при значениях электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, последующее замедленное охлаждение слитка, при этом используют заготовку из низколегированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, мышьяк, железо и неизбежные примеси, отличающийся тем, что используют заготовку из низколегированной стали, содержащей, мас.%: углерод 0,05-0,25, кремний 0,01-0,80, марганец 0,20-1,60, фосфор не более 0,025, серу не более 0,020, мышьяк не более 0,015, железо и неизбежные примеси - остальное, а в качестве неизбежных примесей - один или несколько из элементов, выбранных из группы цинк, олово, свинец, сурьма - в количестве 0,001-0,02% каждого, а переплав расходуемых электродов ведут при напряжении, которое задают в соответствии с зависимостью
U≥38+250|Zn|+120(|Sn|+|As|+|Pb|+|Sb|)),
где U - напряжение, В,
|Zn|, |Sn|, |As|, |Pb|, |Sb| - абсолютная величина содержания цинка, олова, мышьяка, свинца и сурьмы соответственно.