СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОЙ СТАЛИ Российский патент 2003 года по МПК C21D8/12 C22C38/42 B22D11/00 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к производству стали, применяемой для изготовления магнитопроводов постоянных электромагнитов детекторов мюонов ускорителей пучков высокой энергии.

Развитие науки в настоящее время требует создания сверхмощных ускорителей пучков высокой энергии. Конструкция магнитопровода такого ускорителя очень металлоемка, в отдельных случаях вес магнитопровода будет достигать 30 тыс. т. До сих пор магнитопроводы ускорителей по весу не превышали 30 т и собирались из листов горячекатаной стали. Использование листов при сборке магнитопровода весом до 30 тыс. т - очень длительная и кропотливая операция. Целесообразнее для этой цели использовать литую сталь в виде крупногабаритных заготовок-слябов, получаемых процессом непрерывной разливки. При этом стоимость магнитопровода снижается на 30%. Для стабильности конструкции магнитопровода, предотвращения изменения его формы и размеров слябы литой стали должны обладать определенными механическими свойствами: предел прочности не ниже 300 МПа, предел текучести не менее 170 МПа, относительное удлинение не менее 27%. Для создания необходимого магнитного потока в магнитопроводе литая сталь должна также иметь величину относительной магнитной проницаемости 150-175 с точностью ±3,0% при индукции 1,8 Тл.

Известна горячекатаная толстолистовая сталь марки AISI 1010 (США) со следующим химическим составом (% по массе) [Material Specification Low Carbon Steel for SDS Muon Barrel Toroid (SDT-000072) SSCL, November 20, 1992.]:
Углерод - 0,08 - 0,13
Кремний - 0,12 - 0,35
Марганец - 0,30 - 0,60
Сера - Не более 0,050
Фосфор - Не более 0,040
Хром - Не более 0,30
Медь - Не более 0,40
Молибден - Не более 0,30
Никель - Не более 0,40
Железо - Остальное
Эта сталь имеет величину относительной магнитной проницаемости 164 при индукции 1,8 Тл, механические свойства: предел прочности 310-450 МПа, предел текучести не ниже 200 МПа и относительное удлинение не ниже 38%. Недостатком этой стали является невозможность получения точности ±3,0% заданной величины относительной магнитной проницаемости. Кроме того, в этой стали вышеуказанные свойства получаются только после горячей прокатки и ее можно использовать только в виде горячекатаного проката.

Существует способ производства стали со следующим соотношением компонентов, мас.%:
Углерод - 0,03 - 0,06
Кремний - 0,01 - 0,03
Марганец - 0,21 - 0,30
Сера - 0,006 - 0,018
Фосфор - 0,006 - 0,019
Хром - 0,01 - 0,02
Медь - 0,02 - 0,16
Алюминий - 0,034 - 0,067
Никель - 0,01 - 0,03
Железо - Остальное
включающий выплавку в конвертере, рафинирование, корректировку химического состава, разливку на машине непрерывного литья в слябы [И.В. Франценюк, Л. И. Франценюк. Современное металлургическое производство. М.: Металлургия, 1995, с. 31-34]. Литая сталь такого химического состава отвечает всем вышеуказанным требованиям по механическим свойствам, однако требуемой магнитной проницаемости в ней не достигается.

По мнению авторов предлагаемого способа наиболее близким по технической сущности и химическому составу стали является указанный способ производства стали.

Задачей предлагаемого изобретения является получение литой стали, обладающей определенными магнитными и механическими свойствами, что позволяет применять ее при изготовлении магнитопроводов постоянных электромагнитов детекторов мюонов ускорителей пучков высокой энергии.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения литой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, медь, алюминий, никель, железо, проводят выплавку в сталеплавильном агрегате, рафинирование и корректировку химического состава, разливку на машине непрерывного литья в слябы с последующим охлаждением. Сталь дополнительно содержит азот при следующем соотношении ингредиентов, % по массе:
Углерод - 0,04 - 0,12
Кремний - 0,04 -0,30
Марганец - 0,20 - 0,50
Сера - Не более 0,025
Фосфор - Не более 0,050
Хром - Не более 0,10
Медь - Не более 0,25
Алюминий - Не более 0,028
Никель - Не более 1,0
Азот - 0,005 - 0,012
Железо - Остальное
Корректировку химического состава проводят следующим образом: соотношение содержаний углерода, кремния, марганца, алюминия и азота определяют из выражения
k=(200-м)/810,
где м - заданная величина относительной магнитной проницаемости, k - параметр соотношения содержаний этих элементов, величину которого поддерживают в пределах 0,031-0,062 и определяют по формуле:
k = 0,23[С] + 0,10[Si] + 0,05[Mn] + 0,09[Аl] + 0,06[N],
где [С], [Si], [Mn], [Al], [N] - содержание в % по массе соответствующих элементов, а отношение содержаний алюминия к азоту численно не превышает 5,0 и марганца к сере численно равно не менее 20,0.

Непрерывную разливку производят с массовым расходом жидкой стали, который определяют по формуле:
М=К•a/в,
где М - массовый расход жидкой стали, кг/с; К - расходный коэффициент, равный 2,8-5,0 кг/с; а - ширина сляба, м; в - толщина сляба, м, причем температуру поверхности при выходе слябов из машины непрерывного литья выдерживают в пределах 700-850^oС, затем слябы охлаждают в течение 0,5-2,0 ч до температуры 550-650^oС и далее охлаждают в течение 30-50 ч до температуры 50-70^oС.

Магнитная проницаемость и механические свойства определяются химическим составом и структурой стали, внутренними напряжениями, возникающими при охлаждении слябов. С учетом влияния вышеперечисленных химических элементов на магнитную проницаемость были рассчитаны их предельные содержания в стали, исключающие выделение при охлаждении мелкодисперсных фаз при рекомендуемых режимах разливки и охлаждения слябов (нитриды, сульфиды, карбиды). Мелкодисперсные фазы снижают магнитную проницаемость и исключают возможность получения требуемой. При этом рассматривалось также влияние этих химических элементов на механические свойства стали. Влияние химических элементов на механические свойства стали проявляется через упрочнение твердого раствора. Именно поэтому необходимо поддерживать определенное соотношение между содержаниями марганца и серы, алюминия и азота и использовать предлагаемый способ получения стали. Структура литой стали зависит не только от ее химического состава, но и от режимов разливки и последующего охлаждения. В предлагаемом способе эти режимы подобраны таким образом, чтобы исключить выделение мелкодисперсных фаз и формирование высокого уровня внутренних напряжений, получить структуру в средней части сляба без ликваций и рыхлостей.

Попытка разливки стали предлагаемого состава по режимам известного способа позволила получить относительную магнитную проницаемость в диапазоне 150-175 с точностью ±3,0% при индукции 1,8 Тл. Однако требуемых механических свойств получено не было. Значения пределов прочности и текучести были ниже требуемых. Анализ структуры стали показал, что это связано с повышенной рыхлостью сердцевины сляба.

Для устранения этого регламентирован расход жидкой стали при разливке. Для устранения возможности выделения мелкодисперсных фаз и возникновения термических напряжений охлаждение стали после выхода из кристаллизатора от температур 700-850^oС проводится в течение 0,5-2,0 ч до температуры 550-650^oС и далее в течение 30-50 ч до температуры 50-70^oС. При разливке и охлаждении стали химического состава известного способа по этим режимам не было получено необходимой магнитной проницаемости из-за выделения нитридов алюминия.

Этот комплекс технических решений позволил получить литую сталь с относительной магнитной проницаемостью 150-175 с точностью ±3,0% при индукции 1,8 Тл и механическими свойствами.

Пример осуществления способа получения литой стали с заявляемым соотношением компонентов
Для магнитопровода массой 16000 т постоянного магнита детектора мюонов сверхмощного ускорителя протонов (с энергией протонов 40 ТэВ) требовалась сталь с величиной относительной магнитной проницаемости 163±3,0% при индукции 1,8 Тл и механическими свойствами - σ_в не ниже 300 МПа, σ_т не ниже 170 МПа и d не менее 27%.

Согласно
k=(200-м)/810=(200-163)/810=0,045,
что укладывается в регламентацию этого параметра - 0,031-0,062.

Выплавили сталь следующего химического состава, % по массе:
Углерод - 0,078
Кремний - 0,093
Марганец - 0,30
Сера - 0,014
Фосфор - 0,016
Хром - 0,08
Медь - 0,15
Алюминий - 0,026
Никель - 0,05
Азот - 0,009
Железо - Остальное
чтобы согласно уравнению
k = 0,23[С] + 0,10[Si] + 0,05[Mn] + 0,09[Аl] + 0,06[N],
величина k равнялась 0,045.

k=0,23•0,078+0,10•0,093+0,05•0,30+0,09•0,026+0,06•0,009=0,04512.

Отношение содержаний алюминия к азоту равнялось 3,0 (по заявляемым параметрам не должно превышать 5), марганца к сере - 21,4 (по заявляемым параметрам должно быть не менее 20).

Сталь выплавляли в конвертере и после раскисления получили следующий химический состав, мас.%: 0,05 С; 0,09 Si; 0,15 Mn; 0,010 Al; 0,005 N. Затем для корректировки химического состава и усреднения его по объему ковша проводили обработку стали на агрегате внепечной обработки. Продували сталь аргоном и одновременно добавляли углеродистый ферромарганец и вводили алюминиевую проволоку до содержания алюминия 0,030%. Металл разливался на машине непрерывного литья с открытой струей на участке сталеразливочный ковш - промежуточный ковш. За счет контакта жидкой стали с атмосферой происходило насыщение ее азотом до 0,009% и снижение содержания алюминия до 0,026%. В результате химический состав стали соответствовал заданному.

Сталь разливали в слябы на машинах непрерывного литья с размерами поперечного сечения 250•1550 мм. При этом поддерживали расход жидкой стали в диапазоне:
М=(2,8-5,0)•1,55/0,25=17,36-31,0 кг/с.

Средний расход жидкой стали составлял 29,84 кг/с. Поддерживание такого расхода жидкой стали позволило осуществлять разливку стали со стабильной скоростью вытягивания слитка 0,6 м/мин. При существующей интенсивности охлаждения слитков в машине непрерывного литья такая скорость вытягивания слитка позволила получать температуру поверхности слитка при выходе из машины 750^oС. На транспортных рольгангах в условиях естественной конвекции слябы монотонно охлаждались до температуры 600^oС в течение 0,6-0,8 ч. После этого слябы складировали в стопы по десять штук. В условиях естественной конвекции это обеспечило охлаждение до температуры поверхности 60^oС за 40-48 ч.

Слябы подвергались механической обработке до требуемой конфигурации по периметру и снимался поверхностный слой до толщины сляба 219 мм. Затем их использовали для сборки магнитопровода в качестве основных его элементов.

Измерения относительной магнитной проницаемости в полученной стали показали, что ее величина при индукции 1,8 Тл находится в пределах 158,2-167,0, что соответствует заданной величине 163±3%. Механические испытания показали, что полученная литая сталь имеет предел прочности 310 МПа, предел текучести 189 МПа и относительное удлинение 32%.

Из приведенного примера следует, что разработано техническое решение, позволяющее выполнять поставленную задачу.

Литая сталь, полученная с отклонениями соотношений содержания химических элементов, не имела требуемого комплекса магнитных и механических свойств. Это исключало возможность ее использования в виде материала магнитопроводов.

Использование заявляемого технического решения позволяет повысить точность детектора мюонов как физического прибора и снизить капитальные затраты на его изготовление, по сравнению с использованием горячекатаной стали.

Исследование патентной и научно-технической литературы показало, что технические решения с совокупностью существенных признаков предлагаемого способа отсутствуют. Предлагаемый способ отвечает критерию "новизна". Только совокупность существенных признаков предлагаемого способа позволяет решить поставленную задачу, поэтому признаки следует рассматривать в совокупности.

Предлагается способ получения литой стали, применяемой для изготовления магнитопроводов постоянных электромагнитов детекторов мюонов ускорителей пучков высокой энергии, включающий выплавку в сталеплавильном агрегате, рафинирование и корректировку химического состава, разливку на машине непрерывного литья в слябы. При этом сталь содержит компоненты в следующем соотношении, % по массе: углерод 0,04-0,12, кремний 0,04-0,30, марганец 0,20-0,50, сера не более 0,025, фосфор не более 0,050, хром не более 0,10, медь не более 0,25, алюминий не более 0,028, никель не более 1,0, азот 0,005-0,012, железо остальное, а корректировку химического состава проводят следующим образом: соотношение содержаний углерода, кремния, марганца, алюминия и азота определяют из выражения: k=(200-м)/810, где м - заданная величина относительной магнитной проницаемости, определяют параметр k, величину которого поддерживают в пределах 0,031-0,062, а соотношение содержаний углерода, кремния, марганца, алюминия и азота определяют по формуле k=0,23[С] +0,10[Si] +0,05[Mn] +0,09[A1]+0,06[N]. Отношение содержаний алюминия к азоту численно не превышает 5,0, а марганца к сере численно равно не менее 20,0. Непрерывную разливку производят с массовым расходом жидкой стали, который определяют по формуле: М = К•а/в, где М - массовый расход жидкой стали, кг/с; К - расходный коэффициент, равный 2,8-5,0 кг/с; а - ширина сляба, м; в - толщина сляба, м, причем температуру поверхности при выходе слябов из машины непрерывного литья выдерживают в пределах 700-850^oС, затем слябы охлаждают в течение 0,5-2,0 ч до температуры 550-650^oС и далее охлаждают в течение 30-50 ч до температуры 50-70^oС. Техническим результатом является получение литой стали, которая при индукции 1,8 Тл имеет магнитную проницаемость 158,2-167,0. Сталь имеет предел прочности 310 МПа и предел текучести 189 МПа.

Способ получения литой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, медь, алюминий, никель, железо, и включающий выплавку в сталеплавильном агрегате, рафинирование и корректировку химического состава, разливку на машине непрерывного литья в слябы и охлаждение, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит азот при следующем соотношении ингредиентов, % по массе:
Углерод - 0,04 - 0,12
Кремний - 0,04 - 0,30
Марганец - 0,20 - 0,50
Сера - Не более 0,025
Фосфор - Не более 0,050
Хром - Не более 0,10
Медь - Не более 0,25
Алюминий - Не более 0,028
Никель - Не более 1,0
Азот - 0,005 - 0,012
Железо - Остальное
а корректировку химического состава проводят следующим образом: из выражения
k=(200-м)/810,
где м - заданная величина относительной магнитной проницаемости,
определяют параметр k, величину которого поддерживают в пределах 0,031-0,062, а соотношение содержаний углерода, кремния, марганца, алюминия и азота определяют по формуле
k=0,23[С]+0,10[Si]+0,05[Mn]+0,09[Al]+0,06[N],
где [С], [Si], [Mn], [Al], [N] - содержание соответствующих элементов, % по массе,
а отношение содержаний алюминия к азоту численно не превышает 5 и марганца к сере численно равно не менее 20, непрерывную разливку производят с массовым расходом жидкой стали, который определяют по формуле
М=К•а/в,
где М - массовый расход жидкой стали, кг/с;
К - расходный коэффициент, равный 2,8-5,0 кг/с;
а - ширина сляба, м;
в - толщина сляба, м,
причем температуру поверхности при выходе слябов из машины непрерывного литья выдерживают в пределах 700-850^oС, затем слябы охлаждают в течение 0,5-2,0 ч до температуры 550-650^oС и далее охлаждают в течение 30-50 ч до температуры 50-70^oС.