Способ получения коррозионностойкого биметаллического слитка
Владельцы патента RU 2774689:
Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь") (RU)
Изобретение относится к специальной электрометаллургии, конкретнее к производству, с использованием электрошлаковой технологии, биметаллических слитков, состоящих из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного слоя из коррозионностойкой стали, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы и листы. Техническим результатом данного изобретения является повышение коррозионной стойкости наплавленного слоя биметаллических слитков и листов, а также снижение их себестоимости при сохранении высокой прочности и технологичности. Технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллического слитка, включающем размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в данном зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя толщиной 5-30% от общей толщины слитка на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм, шириной 1000-1600 мм, согласно изобретению в процессе переплава расходуемого электрода из стали, легированной 0,5-1% титана, производят равномерное добавление в металлическую ванну алюминия и титана с расходом не менее 3 г и 2 г на 1 кг наплавляемого металла соответственно, при этом переплав проводят под шлаком, содержание в котором SiO2 составляет не более 2%. 3 табл.
Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, конкретнее к производству, с использованием электрошлаковой технологии, биметаллических слитков, состоящих из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного слоя из коррозионностойкой стали, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы или листы.
Важными требованиями к таким слиткам и листам, полученным из них, являются высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слов, равномерность толщины наплавленного слоя и его высокая коррозионная стойкость при удовлетворительном качестве поверхности и низкой стоимости листов. Прочность соединения слоев оценивается при испытаниях на срез плакирующего слоя по ГОСТ-10885. Условием высокой прочности соединения слоев, гарантирующей отсутствие их расслоения в процессе различных технологических переделов двухслойных слитков и листов, является значение сопротивления срезу не менее 350 МПа. Сплошность соединения слоев оценивается методами ультразвукового контроля (УЗК) по ГОСТ-22727, по результатам которого листу присваивается один из классов сплошности: 0, 1, 2 или 3. Наиболее высокая сплошность соединения характерна для класса 0. С повышением класса сплошности возрастают размеры допустимых дефектов. Коррозионная стойкость наплавленного слоя в слитках и в полученных из них листах определяется химическим составом стали, в частности содержанием хрома, никеля и титана в соответствии с ГОСТ-5632, его чистотой по примесям - сере и кислороду, а также его толщиной. При этом в качестве элемента, стабилизирующего содержание углерода в стали плакирующего слоя, для обеспечения ее стойкости против межкристаллитной коррозии (МКК), предпочтительнее использование титана, а не ниобия, что приведет к дополнительному снижению стоимости листов.
Известен способ получения двух- и трехслойных заготовок электрошлаковой наплавкой коррозионностойкой стали на заготовку основного слоя под флюсом, содержащим CaO, CaF2, SiO2, Аl2О3 и MgO, в котором для снижения содержания кислорода в наплавленном слое рекомендуется поддерживать значение коэффициента относительной химической активности не более 0,07, а при наплавке использовать форсированные режимы с повышенными скоростями формирования наплавленного слоя (Родионова И.Г., Шарапов А.А., Липухин Ю.В. и др. Влияние свойств шлака на качество наплавленного слоя из коррозионностойкой стали. Сталь. − 1990. − № 12. − С.28-30). Этот способ обеспечивает высокую прочность сцепления слоев и удовлетворительное качество поверхности. Однако форсированные режимы наплавки приводят к увеличению как абсолютных значений глубины проплавления основного слоя, так и ее повышенной неравномерности. Глубокое проплавление основы приводит к существенному разбавлению коррозионностойкой стали сталью основы и к соответствующему снижению коррозионной стойкости. Неравномерная глубина проплавления ведет к получению неравномерной толщины наплавленного слоя. Кроме того, низкая химическая активность флюса приводит, главным образом, к снижению содержания кислорода и в меньшей степени серы, а для повышения коррозионной стойкости во многих средах более важно рафинирование наплавленного слоя по сере, чем по кислороду. Следует также отметить, что описанная в способе сталь плакирующего слоя не содержит элементов, позволяющих обеспечить стабилизацию углерода, а именно титана и ниобия, что не предупреждает ее склонности к МКК. То есть рассматриваемый способ не обеспечивает высокой коррозионной стойкости наплавленного слоя.
Для повышения коррозионной стойкости сталей аустенитного класса в виде монометалла, получаемого путем электрошлакового переплава (ЭШП), или в виде плакирующего слоя двухслойной стали, получаемой методом электрошлаковой наплавкой (ЭШН), при снижении затрат на производство, возможно использование технологических приемов, направленных на обеспечение требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя. Проведенный анализ показал, что для получения в процессе ЭШП коррозионностойкой стали аустенитного класса, легированной титаном, и/или при получении методом ЭШН биметалла с плакирующим слоем из такой стали, используют три основных подхода.
Первый подход заключается в выборе оптимального химического состава стали для расходуемых электродов, наличие в составе стали элементов, обладающих более высоким сродством к кислороду, чем титан. К таким химическим элементам относятся кальций, магний, алюминий и цирконий, что может быть учтено в качестве одного из возможных приемов при разработке технологии электрошлаковой наплавки сталей с титаном. Так, в работе (Патент RU2578879, МПК H05B 7/07, C22B 9/18, C22C 38/50 Опубл. 27.03.2016) предложено обеспечивать соотношение содержания титана к алюминию в электроде в пределах 6,0-9,0, при этом содержание титана в электроде должно быть выше требуемого содержания титана в готовой стали на величину его угара при переплаве, который определяют по зависимости: ΔTi = 37Ti + 35Ti × D / (63+35D), где ΔTi - средний угар титана, полученный при проведении плавок в кристаллизаторы различного профилеразмера с одинаковым коэффициентом заполнения, %; Ti - содержание титана в готовом металле, %; D - диаметр кристаллизатора. Это позволяет получить качественный металл с гарантированным содержанием титана и с равномерным его распределением по объёму выплавляемого слитка. Однако повышенное содержание указанных выше элементов, а также самого титана в стали расходуемых электродов неизбежно приводит к повышению стоимости двухслойных листов.
Второй подход заключается в обоснованном выборе состава флюса и, соответственно, шлака для проведения процессов ЭШП и ЭШН стали с титаном. В частности отмечалось, что добавление в шлак небольшого количества двуокиси титана также смещает равновесие реакций окисления титана и снижает потери легирующего элемента. Оптимизации состава шлака для ЭШП стали, легированной титаном, посвящено множество исследований, результаты которых в основном сводятся к рекомендациям по присутствию в нем двуокиси титана, а также в минимальном содержании в нем SiO2 и FeO. Так, авторами (А.с. СССР №534097, МПК С21С5/54. Опубл. 15.05.1994) предложен флюс для электрошлакового переплава, содержащий окись алюминия, окись кальция, двуокись титана, фтористый кальций, которые взяты в следующем соотношении, мас. %: окись алюминия 5-19, окись кальция 1-15, двуокись титана 0,5-5, фтористый кальций - остальное. При этом следует учитывать, что шлак в процессе ЭШП и ЭШН выполняет целый ряд функций, и оптимизация его состава с целью снижения угара титана не должна снижать его другие функциональные характеристики. Повышенное содержание в шлаке двуокиси титана при получении биметалла методом ЭШН может приводить к повышению жидкотекучести шлака, что может привести к его утечкам в процессе ЭШН и сделать невозможным получение качественного соединения и равномерной толщины наплавленного слоя по всей площади двухслойных заготовок и листов.
И третий подход к удержанию титана в процессе ЭШП и ЭШН заключается в разработке оптимальной системы раскисления и регулирования состава шлака по ходу процесса путем введения в него различных присадок, в частности, содержащих алюминий, титан, а возможно и некоторые другие элементы, позволяющие стабилизировать его функциональные характеристики. Этот подход представляется наиболее приемлемым при получении биметалла с плакирующим слоем из стали, легированной титаном, при использовании электрошлаковой технологии, однако требует определения оптимального расхода указанных элементов и способов их введения, особенно при получении двухслойных листов больших размеров и массы.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения биметаллического слитка, включающий размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя при регламентированных значениях скорости формирования и электросопротивления шлаковой ванны, на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм (Но) при ширине 1000-1600 мм формируют наплавленный слой, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины слитка, со скоростью, назначаемой в соответствии с соотношением
Vн=(1150-20D)±200, кг/ч, (1)
где Vн - скорость формирования наплавленного слоя, кг/ч,
D - толщина наплавленного слоя, % от общей толщины слитка,
при значении электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, под шлаком, содержащим, маc. %:
СаО - 20-30
SiO2 - 10-30
Аl2О3 - 2-15
MgO - 2-5
CaF2 и примеси - Остальное
причем основность шлака, вычисляемая по уравнению:
О = (0,018CaO + 0,015MgO + 0,006CaF2)/(0,017SiO2 + 0,005Al2O3),
соответствует условию: 1,5<O<3. (Патент RU2193071, МПК C22B 9/20. Опубл. 20.11.2002 – данная работа является прототипом)
Способ обеспечивает высокую прочность сцепления и гарантированную сплошность соединения слоев, равномерность толщины наплавленного слоя при удовлетворительном качестве поверхности при наплавке заготовок больших размеров и массы. В то же время, этот способ позволяет получить двухслойную сталь с плакирующим слоем из аустенитной хромо-никелевой стали, легированной ниобием, но не позволяет получить биметалл с плакирующим слоем из аустенитной хромо-никелевой стали, легированной титаном, что неизбежно приводит к повышению затрат на производство. Кроме того, это сужает области применения производимого биметалла из-за более низкой коррозионной стойкости в некоторых средах стали, легированной ниобием, по сравнению со сталью, легированной титаном.
Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении высокого качества биметаллических слитков определенного размерного сортамента, в том числе предназначенных для последующей прокатки на листы: высокой прочности и гарантированной сплошности соединения слоев, равномерной толщины, высокой коррозионной стойкости и удовлетворительного качества поверхности наплавленного слоя, при сравнительно низкой себестоимости биметаллических заготовок и листов.
Техническим результатом данного изобретения является повышение коррозионной стойкости наплавленного слоя биметаллических слитков и листов, а также снижение их себестоимости, при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности.
Технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллического слитка, включающем размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в данном зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода, с формированием наплавленного слоя толщиной 5-30% от общей толщины слитка, на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм, шириной 1000-1600 мм, согласно изобретению, в процессе переплава расходуемого электрода из стали легированной 0,5-1% титана производят равномерное добавление в металлическую ванну алюминия и титана с расходом не менее 3 г и 2 г на 1 кг наплавляемого металла соответственно, при этом переплав проводят под шлаком, содержание в котором SiO2 составляет не более 2%.
Суть предложения заключается в следующем.
Как и в прототипе, значение толщины заготовки основного слоя от 150 до 300 мм при ширине 1000-1600 мм и толщине наплавленного слоя 5-30% от общей толщины слитка обеспечивает сечение биметаллического слитка (160-430)х(1000-1600) мм, которое является подходящим сечением исходных заготовок, предназначенных для прокатки на листы на многих прокатных станах, производящих листовой прокат. При значениях толщины слитка более 430 мм и при ширине менее 1000 мм для получения листа требуемого размера может потребоваться промежуточная прокатка, которая является дополнительной операцией, что снижает технологичность и приводит к увеличению стоимости проката. При толщине слитка менее 160 мм и его ширине более 1600 мм из-за разницы термических коэффициентов линейного расширения слоев при охлаждении после наплавки происходит значительный изгиб слитка, что затрудняет его дальнейший передел, то есть также снижает технологичность.
Указанные в формуле значения толщины наплавленного слоя обеспечивают оптимальную долю слоя из коррозионностойкой стали в биметаллических листах: от 5 до 30% общей толщины. При меньшей доле наплавленного слоя в листе в некоторых агрессивных средах возможны его сквозные коррозионные повреждения. То есть коррозионная стойкость наплавленного слоя, определяемая не только его химическим составом и чистотой по примесям, но и его толщиной, может быть недостаточной. При толщине наплавленного слоя более 30% от общей толщины слитка наблюдается значительный изгиб слитков и листов, то есть снижается технологичность. Кроме того, повышенный расход коррозионностойкой стали в этом случае приводит к увеличению стоимости металлопродукции.
Содержание титана в стали расходуемого электрода в интервале 0,5-1,0% и содержание SiO2 в шлаке не более 2% являются обязательными условиями обеспечения требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя уже на начальной стадии переплава. При более низком содержании титана в стали расходуемого электрода содержание титана в стали наплавленного слоя будет ниже, чем требуемое по ГОСТ-5632. Повышение содержания титана в стали расходуемого электрода более 1% приведет к повышению затрат на производство. При содержании в шлаке SiO2 более 2% будет происходить большее окисление алюминия и титана, их переход в шлаковую фазу. Поэтому для лучшего усвоения титана целесообразно использовать флюс с пониженным содержанием оксида кремния.
Еще одним условием обеспечения равномерного содержания титана по всему объему наплавленного слоя является равномерное добавление в металлическую ванну алюминия с расходом не менее 3 г и титана с расходом не менее 2 г на 1 кг наплавляемого металла. При меньшем расходе указанных компонентов содержание титана в стали наплавленного слоя будет ниже предъявляемых требований.
Пример конкретного выполнения способа
Наплавку заготовок основного слоя из стали 09Г2С с химическим составом, представленным в таблице 1, толщиной 250 мм, шириной 1470 мм при заданной толщине наплавленного слоя 40 мм вели на специально созданных для электрошлаковой наплавки установках наклонного типа. В зазор между поверхностью заготовки основного слоя и кристаллизатором вводили расходуемые электроды из сталей типа 08Х18Н10Т (варианты 1-6) и типа 08Х18Н10Б (вариант 7) с химическим составом, также представленным в таблице 1, в виде отдельных пластин толщиной 35 мм, перекрывающих не менее 80% ширины заготовки. В полость между заготовкой и кристаллизатором заливали жидкий шлак марки AKF235 или АНФ-29, состав которых приведен в таблице 2, и в полученной шлаковой ванне вели электрошлаковый переплав расходуемых электродов с формированием наплавленного слоя.
Полученные биметаллические слитки прокатывали на листы толщиной 20 мм.
Таблица 1
Химический состав сталей основного слоя марки 09Г2С и расходуемых электродов из сталей типа 08Х18Н10Т и 08Х18Н10Б, мас.%
| Марка стали | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Al | Ti | Nb | V |
| 09Г2С | 0,10 | 0,72 | 1,41 | 0,013 | 0,013 | 0,04 | 0,003 | 0,02 | 0,030 | 0,03 | 0,005 | 0,001 | 0,003 |
| 08Х18Н10Т | 0,05 | 0,73 | 1,50 | 0,027 | 0,010 | 22,5 | 0,002 | 12,0 | 0,024 | 0,04 | 0,530 | 0,002 | 0,002 |
| 08Х18Н10Б | 0,05 | 0,69 | 1,35 | 0,019 | 0,009 | 22,6 | 0,002 | 12,5 | 0,029 | 0,04 | 0,002 | 0,780 | 0,002 |
Таблица 2
Химический состав опробованных флюсов, мас. %
| Флюс | Содержание компонентов по расчету | |||||
| Al2O3 | CaO | MgO | CaF2 | SiO2 | S /Р | |
| АНФ-29 | 13 - 17 | 24 - 30 | 2 - 6 | 37 - 45 | 11 - 15 | ≤0,06/≤0,03 |
| AKF235 | 17 - 22 | 24 – 29 | 2 - 4 | 45 - 52 | ≤ 1,0 | ≤0,05/0,05 |
В таблице 3 приведены опробованные варианты параметров ЭШН, в том числе для вариантов 1-7 расход алюминия и титана в г на 1 кг наплавляемого металла и содержание оксида кремния в исходном флюсе, а также характеристики двухслойных заготовок и листов, в том числе содержание титана в стали плакирующего слоя, а также прочность соединения слоев при испытаниях на срез плакирующего слоя по ГОСТ-10885.
Таблица 3
Свойства биметаллических слитков и листов
| № | Расход Al, г на кг | Расход Ti, г на кг | Содержание SiO2 в исходном флюсе | Содержание Ti в стали расходуемого электрода, % | Содержание Ti в стали плакирующего слоя, % | Класс сплошности по результатам УЗК | Сопротивление срезу, МПа |
| 1 | 3 | 3 | 0,91 | 0,87 | 0,69 | 0 | 480 |
| 2 | 4 | 3 | 0,83 | 0,81 | 0,64 | 0 | 560 |
| 3 | 4 | 3 | 12,48 | 0,79 | 0,46 | 0 | 475 |
| 4 | 4 | 2 | 0,79 | 0,26 | 0,17 | 0 | 460 |
| 5 | 5 | 3 | 0,89 | 0,32 | 0,21 | 0 | 420 |
| 6 | 2 | 1 | 0,92 | 0,57 | 0,18 | 0 | 530 |
| 7 | прототип | 13,47 | 0,84 | 0,37 | 0 | 510 | |
| Требования ГОСТ 5632 | 5C-0,7 |
Как видно из таблицы 3, содержание Ti соответствует требованиям ГОСТ-5632 к стали 08Х18Н10Т только для первого и второго вариантов, так как расход Al и Ti, содержание оксида кремния в исходном флюсе и содержание титана в стали расходуемого электрода, соответствуют формуле изобретения. Для третьего варианта содержание SiO2 в исходном флюсе оказалось больше, чем в формуле изобретения, поэтому если сравнить третий и второй варианты, можно заметить, что при идентичном режиме раскисления и приблизительно одинаковом содержании Ti в исходном электроде, Ti лучше усваивается при низком содержании оксида кремния в исходном флюсе. Для варианта 4-5 расход алюминия и титана соответствовал формуле изобретения, но содержание Ti в стали расходуемого электрода оказалось ниже заявленного, поэтому содержание Ti в стали плакирующего слоя не соответствовало ГОСТ 5632. Для варианта 6 расход Al и Ti оказался ниже, чем указано в формуле изобретения, поэтому содержание Ti оказалось ниже, чем требуемое по ГОСТ 5632. Для получения наплавленного слоя варианта 7 использовали сталь, легированную ниобием, что привело к более высокой себестоимости, по сравнению с остальными вариантами.
Таким образом, только для вариантов, соответствующих формуле изобретения, по сравнению с прототипом, получено повышение коррозионной стойкости, при снижении себестоимости, при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности.
Способ получения биметаллического слитка, включающий размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в данном зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя толщиной 5-30% от общей толщины слитка на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм, шириной 1000-1600 мм, отличающийся тем, что в процессе переплава расходуемого электрода из стали, легированной 0,5-1% титана, производят равномерное добавление в металлическую ванну алюминия и титана с расходом не менее 3 г и 2 г на 1 кг наплавляемого металла соответственно, при этом переплав проводят под шлаком, содержание в котором SiO2 составляет не более 2%.
