Способ производства стали

Изобретение относится к области металлургии и может найти применение при выплавке и внепечной обработке конструкционных сталей различных марок. Способ включает выплавку в дуговой печи полупродукта, выпуск расплава в ковш, присадку твердо-шлаковой смеси и легирующих, обработку расплава основным шлаком, усреднительную продувку аргоном, контроль окисленности расплава, раскисление алюминием, вакуум-шлаковую обработку и разливку в вакууме, причем выпуск расплава в ковш ведут без отсечения шлака, а обработку расплава в ковше ведут шлаком с основностью (СаО+Аl₂O₃)SiO₂ равной 4,5…16, при этом вакуум-шлаковую обработку проводят дважды при условии, что первую вакуум-шлаковую обработку начинают при активности кислорода в расплаве 0,01…0,05 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца в диапазоне 15…25 мас.%, а вторую вакуум-шлаковую обработку - при активности кислорода в расплаве не более 0,01 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца не более 5 мас.%, а перед второй вакуум-шлаковой обработкой проводят дополнительную присадку шлакообразующих и легирующих. Изобретение позволяет создать экономичную технологию производства стали, обеспечивающую содержание в стали водорода не более 0,00025 мас.% и серы не более 0,0050 мас.%, а также повысить вязкость и пластичность стали. 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Способ производства стали относится к области металлургии и может найти применение при выплавке и внепечной обработке конструкционных сталей различных марок.

Известен способ производства стали, включающий плавление и окисления металла в дуговой печи, выпуск металла в ковш с отсечением шлака, присадку шлаковой смеси и легирующих, раскисление алюминием, обработку основным шлаком, вакуум-шлаковую обработку с продувкой аргоном и разливку. Известный способ обеспечивает содержание серы на уровне 0,005…0,006 мас.%.

(RU 2095429, C21C 7/10, C21C 5/52, опубликовано 10.11.1997)

Недостатком известного способа, применяемого для производства подшипниковой стали с содержанием кремния на уровне 0,10…0,65 мас.%, является значительный расход аргона при вакуум-шлаковой обработке, а также проведение раскисления с использованием кремнийсодержащих материалов, что удорожает стоимость стали и ограничивает применение способа для производства конструкционных сталей с содержанием кремния менее 0,1 мас.%. Кроме того, известный способ неэффективен для получения сталей с низким содержанием водорода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства стали, включающий выплавку в дуговой печи полупродукта, выпуск расплава в ковш, присадку твердо-шлаковой смеси и легирующих, обработку расплава основным шлаком, усреднительную продувку аргоном, контроль окисленности расплава, раскисление алюминием, вакуум-шлаковую обработку и разливку в вакууме.

(RU 2376389, C21C 7/00, опубликовано 20.12.2009)

Недостатком известного способа является его малая эффективность при получении конструкционных сталей с низким содержанием серы и водорода. Поэтому при реализации известного способа для выплавки полупродукта используют окатыши с низким содержанием серы (0,005 мас.%). Кроме того, осуществление известного способа требует значительного расхода аргона на продувку при вакуум-шлаковой обработке и на вымешивание после окончание обработки, что снижает экономичность известного способа.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного способа производства стали, обеспечивающего содержание в стали водорода не более 0,00025 мас.% и серы не более 0,0050 мас.% и повышение вязкости и пластичности стали.

Технический результат достигается тем, что способ производства стали включает выплавку в дуговой печи полупродукта, выпуск расплава в ковш, присадку твердо-шлаковой смеси и легирующих, обработку расплава основным шлаком, усреднительную продувку аргоном, контроль окисленности расплава, раскисление алюминием, вакуум-шлаковую обработку и разливку в вакууме, причем выпуск расплава в ковш ведут без отсечения шлака, а обработку расплава в ковше ведут шлаком с основностью В=(СаО+Al₂O₃/SiO₂ равной 4,5…16, при этом вакуум-шлаковую обработку проводят дважды при условии, что первую вакуум-шлаковую обработку начинают при активности кислорода в расплаве 0,01…0,05 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца в диапазоне 15…25 мас.% и вторую вакуум-шлаковую обработку - при активности кислорода в расплаве не более 0,01 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца не более 5 мас.%, а перед второй вакуум-шлаковой обработкой проводят дополнительную присадку шлакообразующих и легирующих, при этом допустимое максимальное содержание водорода в металлическом расплаве перед разливкой определяют в зависимости от массы слитка по формуле:

[Н]≤0,0001×2,5^50/P, где:

P - масса слитка в тоннах в пределах 50…650 т.

Технически результат также достигается тем, что первую и вторую вакуум-шлаковую обработку ведут в течение 10…30 мин; полупродукт выплавляют из металлошихты с содержанием серы и фосфора 0,015 мас.% каждого; расплав выпускают в ковш при содержании серы не более 0,01 мас.%; остаточное давление при вакуум-шлаковой обработкой составляет 90…150 Па.

Реализация способом своего назначения и достижение поставленного технического результата может быть проиллюстрировано следующими примерами.

Способом по изобретению были выплавлены стали марки 15Х2НМФА, 10ГН2МФА и 06Х12НЗД.

В качестве металлошихты использовали горячебрикетированное железо с содержанием серы и фосфора 0,015% каждого и лом с содержанием серы и фосфора 0,015% каждого. Выплавку полупродукта проводили в 120-тонной дуговой печи при массе жидкого металла 121 т (плавка с перегрузом). Перед выпуском в ковш температура расплава составляла 1650…1655°С, а расплав содержал 0,020-0,032 мас.% серы.

Выпуск полупродукта в ковш проводили без отсечения шлака. После заполнения расплавом четверти ковша производили присадку твердошлаковой смеси (850 кг) и алюминия (0,1 кг/т). После этого передавали металл на внепечную обработку.

Сначала присаживали порцию шлакообразующих на основе СаО и CaF₂ для повышения основности шлака В=(СаО+Al₂O₃)/SiO₂ до уровня 2,0…3,5 и вводили легирующие - никель в виде Hl и феррохром в виде углеродистого феррохрома ФХ600. Затем проводили усреднительную продувку аргоном. После этого измеряли активность кислорода в металлическом расплаве и при необходимости корректировании ее добавлением алюминия.

Последующую первую вакуум-шлаковую обработку проводили при остаточном давлении 100…130 Па в течение 20…30 мин. При этом основность шлака поддерживали в пределах 4,5…16,0, активность кислорода - 0,01…0,05 мас.% и суммарное содержание в шлаке оксидов железа и марганца - 15…25 мас.% (см. таблицу 1). Содержание серы после первого вакуумирования в расплаве стали 15Х2НМФА - 0,009…0,013%, 10ГН2МФА - 0,008…0,011%, 06Х12НЗД - 0,007…0,010%.

В процессе вакуум-шлаковой обработки при высоком суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца, а также при высокой активности кислорода в металлическом расплаве, происходит обезуглероживание металла, сопровождающееся интенсивным перемешиванием расплава пузырьками СО. Это, в свою очередь, способствует удалению водорода, т.к. именно углеродное кипение позволяет удалить водород в наибольшей мере по сравнению с продувкой аргоном или просто вакуумированием.

После этого была проведена корректировка состава стали по основным легирующим компонентам, раскисление порошком алюминия и карбидом кремния, присажены шлакообразующие компоненты до их усвоения и введен феррокальций в виде проволоки. После нагрева расплава до 1600°С был присажен металлический хром, феррованадий, ферромолибден и проведен нагрев расплава до 1615°С.

Последующую вторую вакуум-шлаковую обработку проводили при остаточном давлении 90…120 Па в течение 20…30 мин. При этом основность шлака поддерживали в пределах 4,5…16,0, активность кислорода - не более 0,005 мас.% и суммарное содержание в шлаке оксидов железа и марганца - не более 5 мас.% (см. таблицу 2).

В процессе второй вакуум-шлаковой обработки при низкой концентрации оксидов железа и марганца в шлаке, а также более низкой активности кислорода а расплаве (восстанови тельные условия), доминирующим процессом в расплаве является процесс связывания серы в шлак.

После второй вакуум-шлаковой обработки определяют содержание водорода, которое в зависимости от массы слитка в пределах 50…650 тонн должно удовлетворять условию [Н]≤0,0001×2,5^50/Р, где Р - масса слитка в тоннах в пределах 50…650 т. При невыполнении указанного условия время второй вакуум-шлаковой обработки увеличивают. Выполнение указанного условия необходимо для обеспечения однородности распределения водорода в слитке, так как чем крупнее слиток, тем большей мере развита ликвация и тем больше вероятность накопления водорода до недопустимых значений.

После второй вакуум-шлаковой обработки провели нагрев расплава, присадку феррохрома, раскисление ферросилицием, ввели модификатор - феррокальций (40% Са) и окончательно раскислили- алюминием. Окончательная температура после внепечной обработки составила 1575-1588°С.

Содержание серы перед разливкой в расплаве стали составило 15Х2НМФА - 0,0025…0,003 мас.%, 10ГН2МФА - 0,003…0,0048 мас.%, 06Х12НЗД - 0,002…0,0044 мас.%, а содержание водорода было следующим: 15Х2НМФА - 0,00011…0,00015 мас.%, 10ГН2МФА - 0,0001…0,00014 мас.%, 06Х12НЗД - 0,00012…0,00014 мас.%.

Разливку проводили в 500-тонной вакуумной камере со скоростью 6,2-6,2 т/мин. Во время перелива из ковша в промежуточный ковш струю металла защищали специальной трубой. Место соединения защитной трубы и шибером ковша зачехляли и обдували аргоном. Зеркало металла и прибыли утепляли смесью «Nermat».

Механические свойства сталей, полученных способом по изобретению представлены в таблице 3. В таблице также представлены сведения о аналогичным сталям, полученным известным способом.

Как следует из представленных данных результатом осуществления способа по изобретению были получены конструкционные стали различного состава с содержанием водорода не более 0,00025 мас.% и серы не более 0,0050 мас.% и повышенными значениями вязкости и пластичности. По сравнению с известным способом расход аргона был более низким.

Таблица 1
Марка выплавляемой стали	Регламентируемый оксид в шлаке, мас.%	Основность $$B=\frac{CaO+A{l}_2{O}_3}{Si{O}_2}$$	K=FeO+MnO, мас.%	O2, %
FeO	MnO	СаО	Al2O3	SiO2
15Х2НМФА	22,6-23,1	1,85-1,91	46,3-47,1	14,7-15,2	5,7-6,1	10,0-10,9	24,5-25,0	0,036-0,040
10ГН2МФА	21,7-22,8	1,33-1,53	41,2-45,4	13,8-14,7	5,3-6,2	8,9-11,3	23,0-24,3	0,029-0,031
06Х12НЗД	18,8-20,1	0,9-1,21	40,5-48,5	12,5-17,3	5,1-5,8	9,1-12,9	19,7-21,3	0,030-0,038

Таблица 2
Марка выплавляемой стали	Регламентируемый оксид в шлаке, мас.%	Основность $$B=\frac{CaO+A{l}_2{O}_3}{Si{O}_2}$$	K=FeO+MnO, мас.%	O2, %
FeO	MnO	СаО	Al2O3	SiO2
15Х2НМФА	2,2-2,4	0,85-1,91	46,3-47,1	14,7-15,2	5,7-6,1	10,0-10,9	3,2-4,3	0,0007-0,0029
10ГН2МФА	2,5-2,6	0,793-0,81	48,9-50,1	13,8-16,3	4,3-6,9	8,9-11,3	3,3-3,4	0,0012-0,0045
06Х12НЗД	1,7-1,8	0,82-1,5	43,5-51,6	10,5-13,3	5,1-8,9	9,1-12,9	2,5-3,3	0,0009-0,0037

Таблица 3
Марка стали	Способ	σв, МПа	σ0,2 МПа	δ, %	ψ, %	KCV, Дж/см2	Т50, °C
15Х2НМФА	по изобретению	601-612	511-513	19-23	67-71		-70
15Х2НМФА сера 0,0073 мас.% водород 0,00032 мас.%	известный	550-573	456-477	15-17	55-59	-	-25
10ГН2МФА	по изобретению	612-633	408-429	28-29	79-81	415-419	-75
10ГН2МФА сера 0,0089 мас.% водород 0,00019 мас.%	известный	590-603	387-396	17-19	59-61	397-407	-20
06Х12НЗД	по изобретению	631-652	610-623	25-27	51-57	77-81	-65
06Х12НЗД сера 0,0092 мас.% водород 0,00024 мас.%	известный	672-683	593-601	21-23	41-47	61-69	-20

1. Способ производства стали, включающий выплавку в дуговой печи полупродукта, выпуск расплава в ковш, присадку твердо-шлаковой смеси и легирующих, обработку расплава основным шлаком, усреднительную продувку аргоном, контроль окисленности расплава, раскисление алюминием, вакуум-шлаковую обработку и разливку в вакууме, отличающийся тем, что выпуск расплава в ковш ведут без отсечения шлака, а обработку расплава в ковше ведут шлаком с основностью (СаО+Аl₂О₃)/SiO₂, равной 4,5…16,0, при этом вакуум-шлаковую обработку проводят дважды, причем первую вакуум-шлаковую обработку начинают при активности кислорода в расплаве 0,01…0,05 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца в диапазоне 15…25 мас.%, а вторую вакуум-шлаковую обработку - при активности кислорода в расплаве не более 0,01 мас.% и суммарном содержании в шлаке оксидов железа и марганца не более 5 мас.%, причем перед второй вакуум-шлаковой обработкой проводят дополнительную присадку шлакообразующих и легирующих, при этом допустимое максимальное содержание водорода в металлическом расплаве перед разливкой определяют в зависимости от массы слитка по формуле:
[Н]≤0,0001·2,5^50/P,
где Р - масса слитка в тоннах в пределах 50…650 т.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую и вторую вакуум-шлаковую обработку ведут в течение 10…30 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полупродукт выплавляют из металлошихты с содержанием серы и фосфора по 0,015 мас.% каждого.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав выпускают в ковш при содержании серы не более 0,01 мас.%, а остаточное давление при вакуум-шлаковой обработке составляет 90…150 Па.