Способ получения стали и сплавов

Способ получения стали и сплавов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1 Се («I 65572Ъ

Сеюз Советских

Социапистиикких

Республик

ОПИСАHMЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (63) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Завалено 2604.76 (2l) 2352910/22 — 02 с присоединением заявки М

С 21 С 5/52

Государственный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УД (621. 745 (088. 8) Опубликовано 050479.Бюллетень,% 13

Дата оп бликований описаний 0504.79 (П) Авторы и. уОфрЕтЕНК@ В ° П. Соломко, A A Рыжиков и Г. A. Дорофеев

Донецкий ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт (54 ) СПОСОБ ПОЛУ ЖНИЯ СТАЛИ И СП.ПИВОВ

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использова-, но для получения качественных сталей и сплавов.

При производстве сталей и сплавов из углеродсодержащей шихты современными способами обезуглероживания проводят путем обработки металлической ванны газообразным кислородом или металлическими окислами.

39

Известен мартеновский способ производства сталей, заключающийся в окислительном обезуглероживании жидкого чугуна, раскислении и дегазации стали. В окислительный период в расплаве протекают физико-химические реакции, основнычи из которых являются: (.o1 Сс) =>co>

2 о )+(с аког)

29

За счет окисления снижается содержание углерода (от 4-6 вес.Ъ) .до пределов, соответствующих определенным маркам сталей.

Известен кислородно-конверторный способ производства сталей, заключающийся в продувке кислородной струей ванны жидкого чугуна. В реакционной зоне протекают окислительные процессы, в результате которых содержание углерода снижается до необходимых пределов (1).

Недостатком описанных способов получения сталей, основанных на кислородном обезуглероживании чугуна, является низкое качество слитков, обусловленное повышенным содержанием кислорода в металле. При кристаллизации и охлаждении слитков вследствие ликвидации кислорода образуются окислы (СО, I4ng, %0, М О и т.д.), выделяющиеся в виде газообразной, жидкой или твердой фазы.

В ре.зультате в металле создаются пустоты и поры или он черезмерно загрязняется окисными включениями. Кроме этого, в полученных из углеродистой шихты слитках не удается снизить содержание водорода и азота. Все это может явиться причиной плохой деформируемости в горячем состоянии, пониженной пластичности (особенно низкой ударной вязкости), окрупчинивания в результате старения стали при еезксплуатацин.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения стали из углеродистой шнхты в дуговых электропечах, заключающийся в том, что для снижения

655724 содержания углерода на металлическую ванну подают газообразный кислород или окислы железа, причем по ходу плавки на расплав накладывают вращающееся или бегущее магнитное поле таким образом, что вектор напряженности поля изменяется по величине и направлению в пространстве(23.

Добавочное магнитное поле при работе электросталеплавильной,печи создает механические силы, действующие на электрический ток в дуге и в жид- 10 ком металле. Механические силы, обусловленные взаимодействием магнитного поля и электрического тока, проходящего через расплав, приводят в движение металлическую ванну. В Резуль- (6 тате перемешивания физико-химические процессы протекают более интенсивно и ка ество слитков несколько улучшается.

Недостатками известного способа являются развитие осевой пористости, грубой углеродной ликвации и образование зон повышенной травнмости, обогащенных серой, кислородом и ° углеродом. Кроме того, слитки имеют высокое содержание водорода и азота.

Причины образования и развития дефектов в слитках, полученных этим способом, следующие. Углеродистый расплав (например, жидкий чугун) имеет неоднородное строение, и в нем существуют углеродные ассоциации, средний размер которых по нашим данным составляет 20-150 A. Углеродные ассоциации соответствуют структуре графита и сохраняют физические и 35 химические свойства последнего. Электронно-микроскопические исследования показали, что углеродные ассоциации входят в состав расплава системы Саà — AG> 0> с содеРжанием Угле- 40 рода 0,1 вес.Ъ, Расплава особочистого карбонильного железа (содержание углерода 0,0027 вес.Ъ); а также в расплавы систем на основе железа с содержанием, углерода 0,07; 0,16;

0,20; 0,30! 0,60 и более вес.Ъ.

Хотя в результате окислительного обезуглероживания и удается уменьшить содержание углерода и количество углеродных ассоциаций,. полностью устранить существование ассоциаций и получить равномерное атомно-дисперсное .Распределение углерода в расплавах не представляется возможным. Наложение электромагнитных полей на зону плавления и кристаллиза- 56 ции, в результате чего перемешивается металлическая ванна и дробятся углеродные ассоциации, также не может полностью устранить существование ассоциаций. Это связано с тем; 9) что энергия связи между атомами углерода, входящими в ассоциации, очень велика, и поэтому углеродные ассоциации являются прочными соединениями.

Кроме того, углеродные ассоциации, сохраняя свойства кристаллов графита, обладают диамагнитными магнитно-анизотропными свойствами. Магнитная восприимчивость кристаллов графита вдоль слоев в 44 раза больше (алгебраически) восприимчивости вдоль гексагональной оси. При наложении магнитного поля на расплав, содержащий магнитно-анизотропные ассоциации углерода, ассоциации будут ориентироваться плоскостью базиса (слоев) вдоль магнитных силовых линий. Кроме этого, если магнитное поле неоднородно (что наблюдается в электросталеплавильном производстве и при наложении электромагнитных полей на зону плавления), диамагнитные углеродные ассоциации, подчиняясь принципу Ле-Шателье, будут стремиться расположиться в тех участках расплава, где напряженность магнитного поля минимальна. В результате этого при выплавке стали известным способом осевая часть расплава, находящаяся в магнитном поле с минимальной напряженностью будет иметь, повышенное содержание углерода, находящегося в виде крупных углеродных ассоциаций Размером (1-5) ° 104 A. В этих же участках расплава будут концентрироваться Й вредные примеси, такие как сера, кислород, азот, водород и т.д., которые блокируют поверхностные слои кристаллов графита или входят в свободные межслоевые пространства кристаллов. Это подт ерждено электронно-микроскопическими иследованиями дефектов в слитках различных марок доэвтектоидных сталей с содержанием углерода от 0,08 до

0,35 вес.Ъ. Как правило, в тех участках дефектов, где имеются тонкопластинчатые выделения графита, обнаруживаются флокены, выделения нитридов, окислов или сульфидов.

Таким образом, ни один из известных способов получения сталей и сплавов из углеродсодержащих материалов, основанных на кислородном обезуглероживании, не обеспечивает равномерного атомно-дисперсного распределения углерода в расплавах и снижения количества химических неравномерностей, обусловленных существованием в расплавах углеродных ассоциаций.

Целью изобретения является .бескислородное обезуглероживание углеродсоцержащих материалов, снижение содержания вредных примесей и получение химически равномерного расплава.

Поставленная. цель достигается тем, что при получении сталей из углеродистой шихты способом, включающим обезуглероживание металлической ванны и наложение на расплав по ходу плавки магнитного поля, ориентированное магнитное поле напряженностью 10015000 э накладывают так, что градиент напряженности, равный 10655724

1000 э/см направлен вдоль оси ðàñплава °

При наложении ориентированного магнитного поля на расплав, содержащий диамагнитные магнитно-анизотропные ассоциации углерода, происходит ориентация ассоциаций плоскостью базиса (в силу анизотропности) вдоль магнитных силовый линий, объединение, укрупнение и удаление их (в силу диамагнитизма) в те уча тки расплава, где напряженность магнитного поля минимальна, т,е. в направлении, противоположном ингредиенту напряженности.

В этих же участках расплава, где скапливаются углеродные ассоциации, будут концентрироваться и вредные

15 примеси (водород, азот, кислород, сера и т.д.), способные блокировать поверхностные слои кристаллов графита или входить в межслоевые свободные пространства кристаллов. В 20 результате наложения на расплав магнитного поля достигается обеднение углеродом (бескислородное обезуглероживание) части расплава, находящейся в магнитном поле с мак- 25 симальной напряженностью, рафинирование от вредных примесей, а также получение расплава, характеризующегося равномерным распределением углерода. 30

На основании опытных данных установлено, что обезуглероживание расплава и рафинирование от вредных примесей тем интенсивнее, чем выше напряженность магнитного поля, причем верхним пределом напряженности можно принять технически достижимую величину, поддержание которой обеспечивается в течение всего времени обработки расплава магнитным полем. В настоящее время за такую

40 величину может быть принята напряженность 15000 э.

При подобной обработке углеродсодержащих расплавов, включающей обезуглероживание и рафинирование от 45 вредных примесей, возможно перемещение магнитного поля вдоль оси расплава со скоростью 2-30 см/мин в направлении, противоположном направлению действия вектора градиента напряжен- 50 ности. При этом углвродные ассоциации с блокированными вредными примесями выталкиваются магнитньпм полем в прибыльную часть расплава, а расплав, грошедший через неоднородную зону маг- нитного поля будет обедняться углеродом и приобретать химическую равномерность.

Кроме этого, возможно перемещение расплава со скоростью 2-30 см/мин через неподвижное магнитное поле.

Способ позволяет проводить бескислородное обезуглераживание углеродистой шихты и получать химически равномерные расплавы, что обеспечиваег высокое качество слитков. Кроме этого, способ обеспечивает рафинирование сталей и сплавов от углеродных ассоциаций и вредных примесей путем переплава в магнитном пале с указанными параметрами.

Пример 1. Чугун с содержанием углерода 4,05 вес,Ъ был расплавлен в нагревательной печи сопротивления в емкости из немагнитного материала. Конструкция печи была выбрана такой, что исключалось наложейие собственных, электрического и магнитного, полей нагревателя на расплав. После расплавления чугуна на расплав накладывали ориентированное магнитное поле напряженностью

800 э. Градиент магнитного поля был направлен вдоль оси расплава и составлял 70 э/см. В результате этого одна часть расплава находилась s магнитном поле напряженностью 800 э, а другая — в поле напряженностью 30 э.

Сориентированные углеродные диамагнитные ассоциации под действием неоднородного магнитного поля выталкивались в часть расплава с минимальной напряженностью.

После выдержки расплава в магнитном поле он был закристаллизован.

Химический анализ показал, что в. части слитка, расплав которого находился в магнитном поле с максимальной напряженностью, содержание углерода

2,5 вес.Ъ, а в части слитка, расплав которого находился в магнитном поле с минимальной напряженностью, содержание углерода 4,3 вес.В.

Распределение серы соответственно

0,03 и 0,05 вес.Ъ.

Пример 2. Была проведена опытная плавка с наложением на расплав чугуна (4,05 вес.Ъ С) ориентированного магнитного поля напряженностью 100 э и градиентом 10 э/см, направленным вдоль оси расплава. При этом магнитное поле перемещали вдоль оси расплава в направлении, противоположном действию вектора градиента напряженности, со скоростью 2 см/мин.

Расплав, прошедший через магнитное поле, имел содержание углерода

2,0 вес.Ъ.

Пример 3. Была проведена опытная плавка чугуна в магнитном поле напряженностью 3000 э при градиенте 1000 з/см с перемещением расплава через магнитное поле со скоростью 10 см/мин. Содержание углерода в расплаве, прошедшем через магнитное поле, составляло 1,8 вес.В.

Пример 4. Условия опытной плавки те же, что и в примере 3, но расплав перемещали со скоростью

30 см/мин. Содержание углерода в расплаве, прошедшем через магнитное поле, составляло 2,2 вес.В.

Использование изобретения позволит: а) получать качественные стали и сплавы из углеродистой шихты посред ь " ч Й ю3в . + 1

7 655724

Формула изобретения

Составитель A. Кондратьев

Техред Л.АлФерова Корректор О. Билак

Редактор Т. Орловская

Заказ 1459/21 Тираж 652 Подписное

ШЖИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ством бескислородного обезуглероживання расплавов и устранить таким образом вредное влияние кислорода на свойства металла; б) удалять углеродные ассоциации и вредные примеси в процессе передела углеродистой шихты в сталь или сплав и получать химически однородные расплавы н качественные слитки иэ иихф в) рафинировать в процессе раСплава углеродсодержащие стали и сплавы от углеродных ассоциаций и вредных

ПРИМЕСЕй1

r) значительно снизить себестоимость процесса получения сталей и сплавов из углеродистой шихты и рафинирования углеродсодержащих материалов.

1. Способ получения стали и сплавов из углеродсодержащей шихты, заключающийся в ее расплавлении, обезуглероживании и наложении на нее магнитного поля, о т л и ч а ю щ и йс я тем,, что,,с целью снижения со=" держания вредных примесей и повышения химической равномерности расплава, на расплав накладывают ориентирован-. ное магнитное поле напряженностью

100-15000 з, создают градиент напря5 женности, равный 10-1000 э/см, направленный вдоль оси расплава.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что магнитное поле перемещают вдоль оси расплава со ско10 ростью 2-30 см/мин в направлении, противоположном действию вектора градиента напряженности.

3. Способ по п.l, o т л и ч а юшийся тем, что через неподвижное магнитное поле перемещают расплав со скоростью 2-30 см/мин в направлении вектора градиента напряженности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Металлургия стали под ред.

В.И. Явойского и Г.Н. Ойкса. И., "Металлургия . 1973, с. 121-186.

2. Крамаров A.Ä. Производство стали в электропечах. И., Металлургия, 1969, с. 174-177.