Комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа
Владельцы патента RU 2537677:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования и раскисления металлического железоуглеродистого расплава бором. Комплексный сплав содержит, мас.%: бор 0,5-2,0, хром 20-35, кремний 35-55, железо и примеси остальное. Изобретение позволяет получить комплексный борсодержащий сплав с высокой и стабильной степенью усвоения бора для обработки широкого сортамента марок сталей. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования и раскисления металлического железоуглеродистого расплава бором.
Бор применяется для микролегирования стали, предназначенной для труб, строительных конструкций, коррозионно- и жаростойких деталей. Уникальность бора состоит в том, что его добавки в сталь составляют всего 0,001-0,003%, что в сотни раз меньше, чем других микролегирующих элементов. Добавки бора повышают пластичность, прочность, прокаливаемость стали. Доказано, что под влиянием бора образуется тонконеоднородная дислокационная субструктура с меньшими размерами мартенситных кристаллов и более дисперсными и равномерно распределенными карбидными включениями. Низкая степень применения бора для микролегирования стали во многом связана с элементным составом вводимых ферросплавов, не обеспечивающим высокое и стабильное усвоение бора, повышенные механические характеристики обрабатываемой стали.
Известен ряд борсодержащих ферросплавов, содержащих кроме бора железо, кремний, алюминий, хром, марганец, кальций и другие элементы в разных пропорциях.
В настоящее время для микролегирования и модифицирования стали в основном применяется ферробор, содержащий мас.%: 6-20 бора; 2-10 кремния; 3-10 алюминия; железо и примеси - остальное (ГОСТ 14848-69). Недостатком этого сплава является высокое содержание в нем бора и связанное с этим малое количество присаживаемого ферробора в сталь (0,15-0,3 кг сплава на 1 т стали), что приводит к низкому и нестабильному усвоению бора в стали вследствие отсутствия активных элементов и значительному браку продукции.
Известен комплексный борсодержащий сплав, содержащий, мас.%: 17-19 бора; до 3,0 кремния; 35-43 хрома, 5,0-6,0 алюминия (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л. «Борсодержащие стали и сплавы». М.: Металлургия, 1986, с.52). Этот сплав имеет высокое содержание бора, а введение его в расплав в небольших количествах не обеспечивает равномерного распределения по всему объему и стабильности усвоения.
Наиболее приемлемым для микролегирования бором является принятый за прототип комплексный сплав, содержащий, мас.%: 3-6 бора; 3-8 кремния; 0,3-2,5 титана; 2,5 алюминия; 55-70 хрома; 1-6 марганца; 3-6 углерода; остальное - железо (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л. «Борсодержащие стали и сплавы». М.: Металлургия, 1986, с.52). Недостатками этого сплава являются высокое содержание бора, что препятствует равномерному распределению по всему объему, а низкое содержание кремния не обеспечивает высокую степень усвоения. Кроме того, для его получения необходимо использование дорогостоящего импортного сырья.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение комплексного борсодержащего сплава, обеспечивающего высокую и стабильную степень усвоения бора сталью, и пригодного для обработки широкого сортамента марок сталей.
Указанный технический результат достигается тем, что комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа, содержащий бор, хром и кремний, согласно изобретению содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%: бор 0,5-2,0; хром 20-35; кремний 35-55; железо и примеси - остальное.
Содержание бора в сплаве в количестве 0,5-2,0 мас.% связано с тем, что для высокого и стабильного усвоения элементов ферросплава его количество, вводимое в жидкую сталь, должно находиться, как установлено экспериментально, в пределах от 3 кг/т стали до 10 кг/т. При содержании в ферросплаве бора 0,5 мас.% для получения его в стали 0,003 мас.% с учетом усвоения необходимо ввести в расплав стали около 10,5 кг ферросплава на 1 т стали, а при содержании 2 мас.% бора в ферросплаве - 3,1 кг/т стали.
Кремний в борсодержащих ферросплавах служит, в основном, для того, чтобы при вводе ферросплава в жидкую сталь раскислять ее, связывая в ней кислород и азот в прочные соединения, предотвращая взаимодействие с ними бора, поскольку бор, связанный в оксиды и нитриды, неэффективен. Содержание кремния в борсодержащем сплаве должно обеспечивать связывание кислорода и азота. Поэтому можно считать, что увеличение содержания кремния в ферросплаве усиливает раскисляющий эффект, а высокая эффективность раскисления достигается при содержании в сплаве более 20-25 мас.% кремния. Содержание в ферросплаве 35-55% кремния связано с тем, что организация производства нового сплава возможна на существующих мощностях по производству ферросиликохрома с минимальным изменением технологии. Содержание кремния свыше 55% приводит к удорожанию сплава.
Хром, содержащийся в предлагаемом сплаве, необходим для того, чтобы улучшить служебные характеристики стали, такие как прочность, твердость и коррозионная стойкость. Содержание хрома в борсодержащем комплексном сплаве 20-35 мас.% позволяет использовать предлагаемый сплав при получении конструкционных и инструментальных сталей типа ХВС, ХС. Содержание хрома в данных сталях находится в пределах 0,8-1,5 мас.%. Пониженное содержание хрома в ферросплаве (<20 мас.%) приводит к нестабильному усвоению и снижению количества хрома в стали. Содержание более 35 мас.% Cr в ферросплаве приводит к увеличению его количества в стали выше пределов, разрешенных ГОСТ.
Концентрация железа обусловлена шихтовыми материалами и технологическими условиями выплавки ферросплава. Его концентрация в сплаве не лимитируется.
Примеры конкретного осуществления изобретения
Эксперименты по усвоению элементов сплава сталью проводили в лабораторных условиях. Опытные образцы ферросплава получали путем сплавления компонентов (ферросиликохрома, ферробора, и стали). Для этих целей оптимально подходит сплав марки FeSiCr 45 (ГОСТ 11861-91) и ферробор (ГОСТ 14848-69). Легирование стали проводили в печи сопротивления с графитовым тиглем. Химический состав обрабатываемой стали, мас.%: углерод 0,17; кремний 0,1; марганец 0,5; сера 0,01; фосфор 0,02. Обработку вели при температуре 1580°С. Количество вводимых ферросплавов рассчитывалось на получение содержания хрома в металлическом расплаве 1%, что характерно для большего объема конструкционных марок стали (табл.1). Данный сплав можно получать в промышленных условиях на базе существующего оборудования и технологий выплавки силикохрома. В качестве шихтовых материалов можно использовать FeSiCr 45 (ГОСТ 11861-91) и природный борсодержащий материал.
Рассчитали количество ферросплава, необходимого для легирования марки стали 15Х. Содержание хрома приняли по верхней границе 1%, а бора в интервале 0,001-0,003%, степень усвоения хрома 0,8 и бора 0,4-0,6.
| Таблица 1 | ||||||||
| Химический состав стали X15 | ||||||||
| Элемент | C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu |
| Содержание | 0,12-0,18 | 0,17-0,37 | 0,4-0,7 | До 0,3 | До 0,035 | До 0,035 | 0,7-1,0 | До 0,3 |
| * Остальное - железо |
В таблице 2 приведен известный состав (прототип) - 1 и варианты 2-10 нового сплава.
Установлено, что предлагаемый комплексный сплав для более стабильного и полного усвоения должен обладать рациональной плотностью 5000-7000 кг/м3, при таких значениях сплав вовлекается в гидродинамические потоки и быстрее растворяется в расплаве. Из всех представленных образцов только сплав 3 не обладает рациональной плотностью.
Сплав 2 из-за низкого (30%) по сравнению с другими содержания кремния привел к содержанию бора меньше 0,001% из-за низкого коэффициента его усвоения. Сплав 3 имеет более высокое содержание кремния (60%), чем другие образцы, и содержание бора в стали оказалось выше допустимого значения. Сплав 4 содержит хрома несколько ниже, чем другие образцы (19%), поэтому для легирования стали до 1% хрома требуется больше ферросплава, что приводит к увеличению содержанию бора больше допустимого. Сплав 5 имеет повышенное содержание хрома (40%), поэтому при легировании стали до 1% хрома сплава 5 требуется гораздо меньше чем сплава 4, поэтому содержание бора в стали оказалось меньше необходимого значения (0,001%). Сплав 6 содержит недостаточное количество бора (0,4%), о чем свидетельствует недостаточное содержание бора в стали (менее 0,001%) при вводе в сталь 1% хрома. Сплав 10 содержит бора (2,2%) больше, чем необходимо для микролегирования, его содержание в стали выше допустимого значения (0,003%). При легировании стали образцами 7-9 ее химический состав соответствует ГОСТ, а содержание бора находится в пределах от 0,001 до 0,003%.
Таким образом, удовлетворительные результаты по химическому составу показали образцы 7-9, соответствующие требованиям ГОСТ.
Расчет себестоимости сплавов показал, что сравнительные затраты на получение предлагаемого борсодержащего сплава как минимум на 35-40% ниже чем у прототипа.
Из приведенных в таблице 2 результатов следует, что предлагаемый сплав отличается от прототипа по воздействию на качество обрабатываемого металла и степени усвоения бора сталью, а также обладает рациональной плотностью. Кроме того, он дешевле других известных борсодержащих ферросплавов.
| Таблица 2 | |||||||||
| Показатели эффективности усвоения и микролегирования стали бором при использовании борсодержащего ферросплава | |||||||||
| № п.п. | Химический состав ферросплавов*, мас.% | Плотность, кг/м3 | Соответствие составу стали Cr | Соответствие содержанию бора в стали | |||||
| B | Cr | Si | Al | Ti | C | ||||
| 1 прототип | 6 | 70 | 6 | 2,5 | 1,5 | 6 | 6237 | нет | нет (выше 0,003%) |
| 2 | 1 | 25 | 30 | - | - | 0,5 | 5954 | да | нет (ниже 0,001%) |
| 3 | 1 | 25 | 60 | - | - | 0,5 | 4291 | да | нет (выше 0,003%) |
| 4 | 1 | 19 | 45 | - | - | 0,5 | 5191 | да | нет (выше 0,003%) |
| 5 | 1 | 40 | 45 | - | - | 0,5 | 5020 | да | нет (ниже 0,001%) |
| 6 | 0,4 | 25 | 45 | - | - | 0,5 | 5156 | да | нет (ниже 0,001%) |
| 7 | 0,5 | 25 | 45 | - | - | 0,5 | 5150 | да | да |
| 8 | 1,5 | 25 | 45 | - | - | 0,5 | 5095 | да | да |
| 9 | 2 | 25 | 45 | - | - | 0,5 | 5067 | да | да |
| 10 | 2,2 | 25 | 45 | - | - | 0,5 | 5056 | да | нет (выше 0,003%) |
| * Остальное - железо и примеси. |
Комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа, содержащий бор, кремний, хром, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| бор | 0,5-2,0 |
| хром | 20-35 |
| кремний | 35-55 |
| железо и примеси | остальное |
