ЛИГАТУРА ДЛЯ СТАЛИ И ЧУГУНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК C22C35/00 C21C7/00 C21C1/00 

Изобретение относится к области металлургии. В частности, к лигатурам, применяемым для раскисления, рафинирования и модифицирования жидкого металла.

По патенту RU 2214473 известен сплав для раскисления стали, содержащий алюминий, кремний, углерод, фосфор, серу и железо, дополнительно содержащий марганец и медь при следующем соотношении массовых долей элементов, %:

Алюминий - 20-40

Кремний - 0,5-20

Марганец - 0,5-5

Углерод - 0,1-0,9

Медь - 0,2-2,0

Фосфор - 0,02-0,1

Сера - 0,02-0,1

Железо - Остальное

Недостатками известного сплава являются:

- наличие в значительном количестве кремния, углерода и меди, что ограничивает область применения известного сплава. Известный сплав не применим при производстве низкокремнистых марок стали, а также сталей, не содержащих в своем составе медь;

- недостаточное усвоение сталью алюминия, поскольку в известном сплаве алюминий содержится в виде алюминидов FeAl и Fe₃Al, растворение которых проходит с поглощением тепла, что отрицательно сказывается на усвоении алюминия.

По патенту RU 2239669 известна лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, никель и железо, дополнительно содержащая марганец и один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей титан, ванадий и бор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 5-12

Редкоземельные металлы - 20-33

Алюминий - 10-25

Никель - 2-9

Марганец - 2-13

Суммарное содержание титана, ванадия и бора - не превышает 5

Железо - Остальное

Недостатками известной лигатуры являются:

- низкая степень усвоения высокоактивных элементов, обусловленная низкой плотностью известной лигатуры;

- высокая стоимость известной лигатуры;

- невысокое качество металла, получаемого в результате использования известной лигатуры, поскольку повышенное содержание в известной лигатуре кальция и редкоземельных металлов повышает загрязненность металла неметаллическими включениями, ухудшая его качество;

- известная лигатура не обеспечивает высоких механических свойств металла, поскольку повышенное содержание в ней титана влечет за собой образование в металле строчечных включений;

- плохая экологическая обстановка на рабочей площадке при использовании известной лигатуры, обусловленная высоким содержанием кальция, который при введении в металл усваивается лишь частично, а значительная его часть испаряется.

Техническим результатом заявленных вариантов изобретения является

устранение указанных недостатков, а именно:

- повышение степени усвоения активных компонентов заявленных вариантов лигатуры расплавом;

- снижение стоимости лигатуры;

- повышение качества металла, получаемого в результате использования заявленных вариантов лигатуры;

- улучшение экологической обстановки на рабочей площадке.

Технический результат достигается за счет того, что лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, согласно первому варианту изобретения дополнительно содержит магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 0,1-6

Редкоземельные металлы - 0,2-10

Алюминий - 2-40

Ванадий - 0,1-14

Титан - 0,1-1

Магний - 0,5-12

Железо - остальное

Технический результат достигается за счет того, что лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, согласно второму варианту изобретения дополнительно содержит магний и один или несколько элементов из группы, содержащей ниобий, цирконий, барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 0,1-6

Редкоземельные металлы - 0,2-10

Алюминий - 2-40

Ванадий - 0,1-14

Титан - 0,1-1

Магний - 0,5-12

Суммарное содержание ниобия циркония и бария - не превышает 3

Железо - остальное

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения магния менее 0,5 мас.% является недостаточным для связывания растворенного в жидкой стали кислорода, он оказывает только раскисляющее действие. Содержание магния более 12 мас.% не обеспечивает дальнейшее снижение содержания серы, не влияет на качество метала.

Повышение степени усвоения активных компонентов достигается содержанием в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения от 60 до 70 мас.% железа, позволяет получить лигатуру плотностью 5-6,5 г/см³, что способствует глубокому погружению лигатуры в жидкий металл, тем самым минимизирует контакт алюминия и активных компонентов лигатуры со шлаком, повышая, таким образом, степень их усвоения расплавом. При содержании железа менее 60 мас.% плотность лигатуры уменьшится, что приводит к снижению степени усвоения ее активных компонентов расплавом, содержание железа более 70 мас.% приведет к снижению качества лигатуры.

Повышение качества металла и снижение стоимости достигается оптимальным сочетанием активных компонентов, входящих в состав заявляемой лигатуры для стали и чугуна.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения редкоземельных металлов менее 0,2% приводит к снижению стабильности качества металла, содержание редкоземельных металлов выше 10% существенно не влияет на качество металла, но ведет к удорожанию лигатуры. Заявляемое содержание редкоземельных металлов 0,2-10 мас.% является оптимальным для качества металла, а также существенно снижает ее стоимость.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения алюминия менее 2 мас.% приводит к увеличению склонности чугуна к отбелу, содержание алюминия более 40 мас.% практически не влияет на степень раскисления металла, так как при применении лигатуры, имеющей утяжелитель, степень усвоения алюминия повышается в 2-3 раза.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения ванадия 0,1 мас.% является минимально возможным для повышения прочности стали, а содержание ванадия в лигатуре более 11 мас.% ведет к удорожанию лигатуры без улучшения качества конечного продукта.

Содержание в лигатуре согласно первому и второму вариантам изобретения титана 0,1 мас.% является минимально возможным для образования жидких продуктов раскисления, что обеспечивает хорошие условия для их удаления, при содержании титана более 1 мас.% образуются строчечные включения.

Содержащиеся в лигатуре согласно второму варианту изобретения один или несколько элементов из группы - ниобий, цирконий, барий способствуют измельчению микроструктуры метала, повышению его прочности и ударной вязкости. Содержание в лигатуре одного или несколько элементов из указанной группы 0,1 мас.% является минимальным для обеспечения мелкозернистой структуры метала, при содержании ниобия более 3 мас.% в металле образуются неметаллические включения.

Лигатуру вводили в жидкий металл, который заполнял третью часть разливного ковша. Количество вводимой лигатуры по отношению к массе обрабатываемой стали составляло 0,2 мас.%, по отношению к массе чугуна составляло 0,1 мас.%.

Примеры составов предлагаемых вариантов лигатуры для стали и чугуна, а также их влияние на прочность и пластические свойства литого метала представлены в таблице 1 и 2. Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что сталь и чугун, полученные с использованием предлагаемых вариантов лигатуры, обладают повышенными прочностью и пластическими свойствами.

В таблицах представлены следующие условные обозначения: σ_в - предел прочности (МПа), σ_т- предел текучести (МПа), δ - относительное удлинение %, KCU - ударная вязкость (Дж/см³), РМЗ - редкоземельные металлы.

ТАБЛИЦА 1. № состава лигатуры Содержание компонентов мас.% Ca РМЗ Al V Mg Ti Nb Zn Ba 1 6 3,4 30 0,1 0,4 0,1 - - - 2 5,7 8,6 25 0,1 0,5 0,1 - - - 3 6 4 20 0,1 0,5 0.1 - - - 4 3 4 30 1,0 0,5 0,1 - - - 5 3 4 30 1,2 1,5 0,1 0,1 - - 6 2 1 30 1,0 1,0 0,1 - 0,1 - 7 2 1 35 1,2 0,5 0,1 - 0,1 0,1 8 6 10 26,9 0,1 0,1 1,0 - - - 9 5 2,1 29,5 0,1 1,3 1,0 - - - 10 1,1 0,9 3 0,1 12 0,1 - - - 11 0,5 1,5 5 0,1 10 0,1 - - -

ТАБЛИЦА 2. № состава лигатуры Прочность и пластические свойства литого метала σ_B1(МПа) σ_T1(МПа) δ% ψ% KCU, Дж/см³ Сталь 35 л 1 580 340 18 31 68 2 601 350 19 30 67 3 610 359 20,5 32 71 Сталь 14Г2Ф 4 610 350 24 37 65 5 617 360 25 40 68 6 630 366 27,5 42 67 7 620 355 27 41 67 Сталь 10Х18Н9Т 8 540 291 35,1 64,1 179 9 547 290 36,3 63,9 203 Чугун С420 10 240 - - - - 11 255 - - - -

Изобретения относятся к области металлургии, в частности к лигатурам для раскисления, рафинирования и модифицирования жидкого металла. Лигатура согласно первому варианту изобретения содержит, мас.%: кальций 0,1-6, редкоземельные металлы 0,2-10, алюминий 2-40, ванадий 0,1-14, титан 0,1-1, магний 0,5-12, железо остальное. Лигатура по второму варианту содержит, мас.%: кальций 0,1-6, редкоземельные металлы 0,2-10, алюминий 2-40, ванадий 0,1-14, титан 0,1-1, магний 0,5-12, один или несколько элементов из группы, содержащей ниобий, цирконий, барий, не превышает 3, железо остальное. Изобретения позволяют повысить степень усвоения активных компонентов расплавом, снизить стоимость лигатуры, повысить качество металла и улучшить экологическую обстановку на рабочей площадке. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кальций 0,1-6 редкоземельные металлы 0,2-10 алюминий 2-40 ванадий 0,1-14 титан 0,1-1 магний 0,5-12 железо остальное

2. Лигатура для стали и чугуна, содержащая кальций, алюминий, редкоземельные металлы, титан, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магний и один или несколько элементов из группы, содержащей ниобий, цирконий, барий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кальций 0,1-6 редкоземельные металлы 0,2-10 алюминий 2-40 ванадий 0,1-14 титан 0,1-1 магний 0,5-12 суммарное содержание ниобия,   циркония и бария не превышает 3 железо остальное