Способ раскисления и легирования низкоуглеродистой ванадийсодержащей электростали

Способ раскисления и легирования низкоуглеродистой ванадийсодержащей электростали

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к черной металлургии , конкретно к производству качественных ванадийсодержащих сталей. Цель изобретения - повышение степени десульфурации и раскисленности, хладостойкости и усталостной прочности стали. Способ включает расплавление шихты, удаление окислительного шлака, раскисление ванадиевым ферросилицием, содержащим титан в количестве 2,5-4,0%, и углеродом в количестве 8-12 и 1,0-1,7 кг/т металла соответственно . Окончательное раскисление и легирование осуществляют через 25-40 мин при 1610-1650°С ванадиевым ферросилицием в количестве 3-5 кг/т металла. 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 21 С 5/52

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4414645/02 (22) 25.04.88 (46) 30.06.91. Бюл. ¹ 24 (71) Уральский научно-исследовательский институт черных металлов, Кременчугский сталелитейный завод и Всесоюзный научноисследовательский институт вагоностроения (72) В.Л. Шагалов, Ф,С. Раковский. Ю.А. Коваленко, Н.В.Шерстнев, Н.В.Подоляко, В.Г.Силаев, В.Я. Козенко, M.Ñ. Михалев и Х.И, Пейрик (53) 621.18.27 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 42596, кл. С 22 С 35/00, 1974.

Авторское свидетельство СССР № 632736, кл. С 21 С 7/06, 1978.

Авторское свидетельство СССР № 1090727, кл. С 21 С 5/52, 1984.

Изобретение относится к черной металлургии и машиностроению, конкретно к производству в основных электропечах качественных ванадийсодержащих сталей для ответственных литых деталей, например деталей транспортных средств.

Цель изобретения — повышение степени десульфурации и раскисления, хладостойкости и усталостной прочности стали.

В основной дуговой электропечи выплавляют сталь марки 20ГФЛ методом окисления примесей, предусматривающим расплавление шихты, окисление примесей, удаление окислительного и образование восстановительного шлака, предварительное и окончательное раскисление металла кремнийванадиевым сплавом. При раскис„„5U 1659493 А1 (54) СПОСОБ РАСКИСЛЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ВАНАДИЙСОДЕ РЖАЩЕЙ 3R ЕКТРОСТАЛ И (57) Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству качественных ванадийсодержащих сталей, Цель изобретения — повышение степени десульфурации и раскисленности, хладостойкости и усталостной прочности стали. Способ включает расплавление шихты, удаление окислительного шлака, раскисление ванадиевым ферросилицием, содержащим титан в количестве 2,5-4,0.";ь, и углеродом в количестве 8-12 и 1,0-1,7 кг/т металла соответственно, Окончательное раскисление и легирование осуществляют через 25-40 мин при 1610-1650 С ванадиевым ферросилицием в количестве 3 — 5 кг/т металла. 3 табл.

° аа Ь лении и легировании стали по известному ОС способу за 17 мин до выпуска присаживают (Л в печь 4,75 кг/т стали (50 от общего рас- о четного количества лигатуры -9,5 кг/т), фер.росиликованадия, содержащего, мас. : кремний 35, ванадий 12, железо и примеси остальное, при отношении ванадия к кремнию 12:35=0,34, остальные 50% ферросиликованадия вводят в ковш. . Ферросиликованадий указанного состава получают силикотермическим восстановлением ванадиевого конвертерного шлака и пятиокиси ванадия в дуговой электропечи сталеплавильного типа.

При раскислении и легировании стали по предлагаемому способу после удаления окислительного шлака в печь вводят ванади1659493 евый ферросилиций и порошок кокса в заданных количествах и после регламентированной выдержки и нагрева до требуемой температуры осуществляют окончательное раскисление ванадиевым ферросилицием в 5 заданном количестве (3 — 5 кг/т металла), Для раскисления и легирования применяют ванадиевый ферросилиций марки ФС40Вд, производимый из ванадиевого конвертерного шлака карботермическим способом, 10 содержащий, мас.% кремний 41,3; ванадий

7,1; марганец 4,9; титан 3,05, остальное железо, при соотношении ванадия к кремнию

0,17. Состав ФС40Вд, мас.%: кремний 3042; ванадий 6,5 — 8,0; марганец 4-6; титан 15

2,5 — 4,0, железо остальное, Исследованы различные варианты способа раскисления и легирования стали с предлагаемыми и запредельными значениями параметров способа. 20

В табл.1 приведены параметры раскисления и легирования стали по известному и предлагаемому способам.

Из разливочного ковша отбирают пробы для определения химического состава 25 стали и заливают трефовидные пробы по

ГОСТ 977 — 75, иэ которых после нормализации при 930 — 940 С изготавливают образцы для определения механических и эксплуатационных свойств. Ударную вязкость (КСИ) 30 определяют на образцах типа по ГОСТ

9454-78 в интервале температур от+20 С до

-60 С. Хладостойкость стали характеризуется значениями ударной вязкости при отрицательíblx температурах. Усталостную 35 прочность исследуют на цилиндрических образцах по ГОСТ 9860-65. Используют гладкие образцы типа диаметром в рабочей части 7,5 мм и образцы с надрезом IV типа. Радиусы для надрезки tp) приняты 40 равными 0,75, 0,5 и 0,25 мм. Испытания образцов проводят на машине МУИ-6000 при симметричном цикле нагружения с определением предела выносливости на базе 10 циклов. Изучение количества и состава ок- 45 сидных неметаллических включений проводят с помощью жимического анализа электролитически выделенного оксидного осадка. Содержание кислорода и азота в металле определяют на газоанализаторах при 1650 и 2400 С.

В табл.2 показан химический состав стали и концентрации примеси и газов, Приведенные в табл,2 результаты показывают, что при использовании для легирования и раскисления стали ванадиевого ферросилиция и кокса в соответствии с предлагаемым способом (варианты 3 — 5,7,8) концентрация серы и кислорода значительно ниже, чем в металле, раскисленном и легированном по известному способу (вариант 1), Это обусловлено благотворным воздействием повышенного кремния и титана на связывание кислорода в процессе выдержки горячего металла после предварительного раскисления в течение 25 — 40 мин. Об интенсивном характере процесса седиментации неметаллических включений свидетельствуют также результаты химического анализа оксидного осадка. В стали в вариантах 3-5, 7, 8 количество оксидных включений составляет 0,011 — 0,015%, тогда как в стали, обработанной по известному способу, — 0,0211%. В последнем случае это в основном неблагоприятные остроугольные частицы корунда а-А! Оэ, тогда как в вариантах 3-5,7,8 оксиды представлены комплексными сфероидизированными алюмосиликатами, где концентрация окислов кремния значительно выше и составляет

14 — 24%. B этих вариантах стали содержания окислов железа, кальция и магния очень малы, Высокой степени десульфурации металла, раскисленного и легированного по предлагаемому способу, в немалой степени способствует получение хорошо раскисленного присадками ванадиевого ферросилиция и кокса высокоосновного шлака с малой концентрацией окислов железа и марганца, обеспечивающего интенсивный массоперенос серы из металла в шлак.

Раскисление и легирование стали по предлагаемому способу с параметрами ниже нижнего предела (вариант 2) не обеспечивают получение металла с малым содержанием примесей иэ-эа недостаточных концентраций кремния и титана и. вялым протеканием процессов осадочного и диффузионного раскисления и десульфурации. Содержание оксидов, где преимущественной фазой являются частицы корунда, а также окисленность шлака из-за недостатка вводимых компонентов здесь велики.

Раскисление и легирование стали по предлагаемому способу с параметрами выше верхнего предела (вариант 6) в связи с перегревом металла и удлинением периода выдержки способствуют насыщению металла кислородом и окислению шлаковой фазы, В результате затрудняются процессы десульфурации и раскисления металла, возрастает угар титана и, в определенной степени, ванадия и кремния, В составе оксидов наблюдается повышенная концентрация окислов магния, свидетельствующая о разрушении футеровки, и окислов железа вследствие отмеченного окисления металла.

В табл.3 дана характеристика стали, выплавленной известным и предлагаемым способами, 5

1659493

15

25

35

55

Приведенные в табл.3 значения усталостной прочности показывают, что по мере повышения степени легированности (от ва. рианта 2 до варианта 6) возрастают значения о-1. В то же время предел выносливости на образцах с надрезом у стали, раскисленной и легированной по предлагаемому способу (варианты 3-5, 7, 8), снижается по мере увеличения остроты надреза значительно в меньшей степени, чем у стали, выплавленной по известному способу и в соответствии с вариантами 2 и 6 с запредельными соотношениями параметров по предлагаемому способу. 0 большей выносливости стали, полученной по предлагаемому способу, свидетельствуют значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Kj; У вариантов 3 — 5,7,8 он возрастает от 1,471,53 до 2,03 — 2,19, тогда как у стали с запредельными параметрами обработки — от 1,81 до 3,12 (вариант 2) и от 1,67 до 2,74 (вариант

6), У стали, раскисленной и легированной по известному способу, Кб возрастает от 1,77 до 2,99. Выявленное преимущество предлагаемого способа обусловлено высокой степенью чистоты металла от вредных примесей серы и кислорода в результате интенсивно протекающих процессов раскисления и десульфурации металла. Повышенное количество неблагоприятных, по форме or:".èäoâ алюминия, являющихся концентраторами напряжений в стали, раскисленной и легированной по известному способу (вариант 1) и предлагаемому способу с запредельными параметрами обработки (варианты 2 и 6), определяют преждевременное разрушение металла при циклических нагрузках, особенно на образцах в поврежденном состоянии (с надрезами).

Отмеченные негативные особенности использования известного и предлагаемого способов раскиления и легирования с запредельными параметрами определяют также низкий уровень хладостойкости стали, При использовании предлагаемого способа значения ударной вязкости при -60 С у стали, обработанной по вариантам 3—

5,7,8, в 2,7-3,1 раза выше, чем в случае обработки по варианту 1(известный способ); в

2,6 — 2,2 раза выше, чем при раскислении и легировании по варианту 2 и в 1,6-1,8 раза вЫше, чем при раскислении и легировании по варианту 6. Преимущество предлагаемого способа в этом случае возрастает по мере понижения температуры испытаний от 20 С до-60 С.

Отмеченное повышенное содержание вредных примесей и газов у стали, обработанной в соответствии с вариантами 1,2,6, в значительной степени определяют ее низкую хладостойкость в связи с тем, что образующиеся здесь остроугольные неблагоприятно расположенные частицы корунда и сульфида марганца являются очагами зарождения микротрещин и хрупкого разрушения металла при динамических нагрузках, а при использовании предлагаемого способа таких включений значительно меньше. Немаловажно, что предлагаемый способ раскисления и легирования обеспечивает получение мелкозернистой структуры основной электростали при аустенитизации благодаря положительному эффекту воздействия дисперсных карбонидов ванадия и титана, образующихся в присутствии имеющегося в металле азота.

Полученная после окончательной термообработки (нормализации) мелкозернистая ферритоперлитная структура с дисперсными карбонитридными фазами и небольшим количеством благоприятных неметаллических включений обеспечивает высокую хладостойкость стали, раскисленной и легированной по предлагаемому способу. В случае способа обработки по варианту 2 содержание ванадия и титана недостаточно для измельчения структуры металла, а в случае обработки по варианту 6 степень легированности излишне высока, что стимулирует образование повышенного количества крупных карбидных и нитридных частиц и перелегированности твердого раствора, в результате чего хладостойкость снижается. Отсутствие титана при обработке металла по известному способу (вариант

1) также не обеспечивает получение нитридов титана и необходимого измельчения структуры.

Ванадиевый ферросилиций, введенный в металл для предварительного раскисления в заданном количестве после удаления окислительного шлака, благодаря высокому содержанию в нем кремния, а также марганца и титана обеспечивает глубокое комплексное раскисление металла с образованием легкоудаляемых неметаллических включений. Хорошая раскисленность металла значительно повышает химическую активность серы, что в совокупности с действием активных элементов-десульфураторов — марганца и титана существенно повышает степень десульфурации стали, Одновременно с предварительным раскислением осуществляется также легирование стали ванадием, причем благодаря высокой раскисленности металла в него переходит практически весь ванадий, содержащийся в ферросилиции, Наличие в электростали повышенного содержания азота способствует образованию

1659493

20

55 дисперсных нитридных фаз и повышению хладостойкости и выносливости, стали.

Присадка углеродсодержащего материала, например кокса, на образующийся основной восстановительный шлак позволяет в условиях слабоокислительной печной атмосферы в электропечи и предварительного раскисления металла ванадиевым ферросилицием глубоко раскислить шлак за собой образования в шлаке карбида кальция СаС, чему способствует достаточная выдержка и нагрев металла в условиях загерметизированного печного пространства.

В процессе 25 — 40-минутной выдержки после предварительного раскисления при нагреве металла до 1610 — 1650 С происходит активное взаимодействие легированного хорошо раскисленного металла с высоковосстановительным шлаком., при этом осуществляются дополнительное диффузионное раскисление и десульфурация металла, а также коагуляция, всплывание и ассимиляция шлаком оксидных включений, образовавшихся при предварительном раскислении, и сульфидов марганца и титана, что обеспечивает получение гомогенного расплава, чистого по примесям, и в конечном итоге — высокий уровень характеристик затвердевшего металла.

Окончательное раскисление ванадиевым ферросилицием позволяет за счетдополнительного ввода кремния, предохранив металл от вторичного окисления при выпуске, осуществить модифицирование стали титаном, содержащимся в легирующем сплаве, и произвести необходимую корректировку химического состава металла. Кроме того, при окончательном раскислении происходит разрушение содержащегося в шлаке карбида кальция, снижается адгеэионное взаимодействие между металлом и шлаком и уменьшается возможность загрязнения металла шлаковыми включениями.

Параметры предлагаемого способа выплавки определены экспериментально из следующих условий, Присадка ванадиевого ферросилиция для предварительного раскисления менее

8 кг/т ведет к недостаточной раскисленности металла к большому остаточному содержанию кислорода в металле. Это ограничивает возможность образования . высоковосстановительного шлака, ухудшает условия диффузионного раскисления и десульфурации стали, повышает ее загрязненность Н.В. и ухудшает свойства. Введение ванадиевого ферросилиция более

12 кг/т приводит к содержанию в стали избыточной концентрации кремния, что отрицательно влияет на свойства стали, способствует охрупчиванию и исключает возможность получения должного эффекта при проведении окончательного раскисления и легирования стали, а также интенсифицирует процессы вторичного окисления компонентов стали с сопутствующим этому процессу увеличением количества Н,В.

Использование для предварительного раскисления углеродсодержащего материала в количестве менее 1,0 кг/т недостаточно для полного раскисления печного шлака, образования карбида кальция и поддержания за счет этого низкого содержания в шлаке окислов железа и марганца. Введение углеродсодержащего материала более 1,7 кг/т не создает дополнительного раскисляющего эффекта, но вызывает значительное науглероживание металла и последующее его охрупчивание, Выдержка предварительно раскисленного металла под восстановительным шлаком менее 25 мин не обеспечивает достаточно полного протекания диффузионных процессов раскисления и десульфурации стали, а также удаления Н.В.

Продолжител ьность выдержки более 40 мин ведет к ухудшению качества стали вследствие активного разрушения футеровки ванны, увеличения в шлаке окислов магния, снижения вязкости и химической активности шлака, а также возникновению обратимых процессов повторного окисления металла.

Температура окончательного раскисления менее 1610 С не обеспечивает достаточно быстрого расплавления легирующего сплава, применяемого для раскисления, и перехода в металл модифицирующего элемента — титана, а также активного рафинирующего взаимодействия восстановительного шлака с металлом в процессе выпуска его в ковш. При температуре металла более 1650 С вследствие перегрева существенно повышается склонность жидкого металла к насыщению газами, закристаллиэированного металла — к трещинообразованию, что отрицательно влияет на усталостную прочность и хладостойкость стали, Ввод для окончательного раскисления менее 3 кг/т ванадиевого ферросилиция не обеспечивает содержания в стали титана в количестве, создающем заметный модифицирующий эффект и защиту металла от вторичного окисления при выпуске. Присадка более 5 кг/т ванадиевого ферросилиция затрудняет проплавление накануне выпуска большой массы сплава, препятствует равномерному распределению компонентов в

1659493

Таблица 1

А . В

Условное обозначение и характеристика параметров

Вариант

Расход раскислителей на предварительное аскисление, кг/т

Продолжительность выдержки до окончательного раскисления, мин

Температура металла при окончательном раскислении, ОС

Расход сплава при окончательном раскислении, кг/т

Сплав

Углерод и способ

Известны

15 — 20 (до выпуска)

4,75

4,75

0,8

1590

1.0

1610

1,4

1630

12

1,7

1650

13

1,9

1670

1,7

1610

1.0

1650 расплаве, не создает необходимый модифицирующий и защитный эффект окончательного раскисления, способствует появлению ликвационных зон в затвердевшем металле, Таким образом, предлагаемый способ 5 раскисления и легирования основной электростали позволяет получить сталь стабильного химического состава, легированную ванадием и модифицированную титаном, хорошо рафинированную от вредных при- 10 месей и неметаллических включений с получением структуры, содержащей дисперсные карбонитриды, преимущественно ванадия и титана. Последние способствуют измельчению зерна аустенита после 15 нагрева при нормализации и получению дисперсной ферритоперлитной структуры с1али, Повышение чистоты металла от оксидных и сульфидных неметаллических фаз, являющихся очагами хрупкого разрушения 20 при отрицательных температурах и знакопеременных нагрузках, обеспечивает увеличение хладостойкости и усталостной прочности металла, и в конечном итоге,— повышение надежности и долговечности от- 25

Оптимальное соотношение параметров

А, В, С,Д, Š— ниже нижнего предела

А,В,С,Д,Š— нанижнем пределе

А,В,С,Д,Š— на среднем уровне

А,,В; С, Д, Š— на вер) хнем пределе

А, В, С,Д, Š— выше верхнего предела

А, ВС,Д вЂ” нанижнем пределе

В, Š— на верхнем пределе

А, С. Д вЂ” на верхнем пределе

В, Š— на нижнем п е еле ветственных литых деталей, особенно при эксплуатации в зонах с холодным климатом.

Формула изобретения

Способ раскисления и легирования низкоуглеродистой ванадийсодержащей электростали, включающий расплавление шихты, удаление окислительного и наведение восстановительного шлака, предварительное и окончательное раскисление и легирование металла кремнийванадиевым сплавом, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения степени десульфурации и раскисленности, хладостой кости и усталостной прочности стали, предварительное раскисление и легирование проводят после удаления окислительного шлака ванадиевым ферросилицией, содержащим титан в количестве 2,5-4,0 мас., и углеродсодержащим материалом в количестве 8 — 12 кг/т жидкого металла и 1,0-1,7 кг/т жидкого металла соответственно, а окончательное раскисление и легирование осуществляют через

25 — 40 мин при температуре металла 1610—

1650 С ванадиевым ферросилицием B количестве 3-5 кг/т жидкого металла.

1659493

12 Таблица 2

Вариант

Кон ент а ия элементов в металле, мас. (O) SI

0,097

0,052

0,072

0,095

0,115

0,105

0,10

0,105

0,0015

0,003

0,004

0,0055

0.003

0,0045

0,005

Продолжение табл. 2

Содержание оксидных включений, Окисленность печного шлака.

Вариант

Всего AI203 S 102

МпО

FeO

СаО+

+MgO

FeO

0,0004

0.0003

0,0002

0,0003

0,0004

0,0007

0,0003

0,0002

0,0007

0,0004

0,0003

0,0003

0,0002

0,0006

0,0003

0,0002

0,0017

0,0019

0,0021

0,0025

0,0026

0,0032

0,0023

0,0025

0,0211

0,0198

0,0152

0,0137

0,0110

0,0176

0,0122

0,0140

0,0183

0,0172

0,0126

0,0105

0,0078

0,0126

0,0093

0,0111

0,20

0,21

0,20

0,19

0,20

0,23

0,21

0,19

1.22

1,20

1,22

1,20

1,23

1,25

1,23

1,24

0,21

0,22

0,31

0,40

0,51, 0,53

0,46

0,49

0,020

0,020

0,018

0.017

0,018

0,018

0,017

0,017

0,026

0,019

0,015

0,0.1 2

0,012

0,016

0,013

0,014

Степень десульФура цииб. ОА

29,6

49,3

59,1

65,6

64,8

55,2

63,4

62,1

0,009

0,012

0,014

0,016

0,018

0,017

0,015

0,016

9,2

1,7

1,3

1,0

0,9

1,55

1,0

1,1

0,0095

0,008

0,006

0,0045

0,004

0,007

0,004

0,005

6,8

2,9

1,9

1,6

1,5

2,2

1,5

1,7

1659493

1»

CL

S с

LD о

I с

E и

K.

«4:

-о о

° Ф

I о

СЧ

1 о

СЧ

LA

СЧ о н

p Q. о

CO

CQ

Ю о ? о и

IA л о * " с ь . Е

)Я у

К у

CO

С0 Й

c LD о

С:

Б ь

S

Cg ,) Щ о

hC

K с

Щ

I» и л

1» и о

6)

К

Щ х

S с

I» и

1и о

X о

О.

Ф

X и о с и л

t t» С) С"2 t МЪ LA СЧ СЭ Л Са Л Е t» 00

В Î П LA О СО Л rr

С") О 00 В ОЪ О CO В

CD t eV CD O rr O о а оа

00 ГСЧ ОВ

СОСЧ - 0(-) <О СЧ В СО If) CO Л фЬЛС Г С я

% % % % % Ч

ОЪ СЧ t» CD С"Э Ct В CO в ооîrСЧ С Э СЧ СЧ СЧ СЧ СЧ СЧ 2 д ОСЧWCD«t)

С Ю счс")rf осчсч

6> сГ 4 ллсОл

LA LA ОЪ СО 00 С > В В

СЧ СЧ - - CV - СЯ СОЧ ОВСЪ

% С Э O LA СЧ С Э ct

ЛВаСЧС0 OLA

С")СЧСО СОВt СОСО

СЧ Cl O CO 00 LA CD СЧ Ct С ) IA CD 00 00 t» CO

СЧ СЧ СЧ СЧ С4 СЧ СЧ hl

eV CO W IA CD t» 00