Способ производства огнестойкой стали Российский патент 2023 года по МПК C22C38/50 C21C7/00 C21C5/52 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве сталей, предназначенных для изготовления различных металлоконструкций, к которым предъявляются повышенные требования по огнестойкости.

Известен способ выплавки безуглеродистой жаропрочной стали, согласно которому осуществляют загрузку в вакуумную индукционную печь шихтовых материалов, расплавление, выдержку металла под вакуумом в течение 20-30 мин при температуре, превышающей температуру ликвидус металла на 150-170°С при давлении 5⋅10^-3 - 1⋅10^-2 мм рт.ст., напуск инертного газа, причем раскислители и высокореакционные легирующие добавки вводят после снижения температуры до значений, превышающих температуру ликвидус на 100-110°С в атмосфере инертного газа при давлении 70-250 мм рт.ст., а раскисление металла осуществляют в три стадии [Патент RU № 2469117, C22C1/02, C22C38/18, 2012].

Недостатком данного способа является высокая себестоимость химических составов рассматриваемого класса сталей для применения в массовом строительстве зданий и сооружений из металлоконструкций.

Известен способ выплавки высокохромистых сталей и сплавов в открытых индукционных печах, согласно которому осуществляют завалку шихты, ее расплавление, введение в печь шлакообразующих материалов, предварительное раскисление, легирование расплава, усвоение легирующих компонентов, окончательное раскисление, скачивание шлака и разливку в ковш, при этом в конце легирования после усвоения легирующих компонентов при температуре расплава не выше 1600°С одновременно порциями вводят хром и легирующие компоненты, повышающие растворимость азота в железе, и после их усвоения за время 5-7 минут проводят окончательное раскисление, скачивание шлака и разливку в ковш, причем после введения каждой порции на расплав дополнительно подают шлакообразующую смесь в количестве 1-3% от массы порции [Патент RU № 2630101, C22C38/18, F27B14/00, 2017].

Недостатком данного способа является также высокая себестоимость высокохромистых марок сталей для применения в массовом строительстве зданий и сооружений из металлоконструкций, а также ограничения по свариваемости данных сталей. Недостатком является и выплавка в открытых печах, которая не позволяет получить требуемую чистоту стали по неметаллическим включениям.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства низколегированного рулонного полосового проката с повышенной огнестойкостью, который включает выплавку в сталеплавильном агрегате низколегированной малоуглеродистой стали заданного химического состава, микролегирование металла титаном и алюминием, внепечную обработку в ковше, получение непрерывнолитой заготовки, аустенизацию полученной заготовки, черновую прокатку до толщины промежуточного подката, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки и ламинарное охлаждение водой до температуры смотки в рулон. Для производства рулонных полос используют сталь следующего химического состава, мас. %: C = 0,06-0,20; Mn = 0,5-1,6; Si = 0,15-0,6; V = 0,03-0,20; Nb = 0,01-0,04; Al = 0,01-0,10; Ti = 0,005-0,05; Мо = 0,02-0,50; Cr = 0,10-0,30; Ni = 0,10-0,30; N = 0,005-0,012; S = 0,001-0,020; P = 0,005-0,025 остальное железо [Патент RU № 2183222, B21DВ1/46, C21D8/02, 2002].

Недостатком данного способа является отсутствие стабильности получения проката с высокой степенью чистоты по неметаллическим включениям, что может не гарантировать получение ударной вязкости огнестойкого проката при критических температурах испытаний -60°С.

Технический результат изобретения - разработка способа производства огнестойкой стали с обеспечением в ней низкого содержания неметаллических включений и улучшенного качества макроструктуры.

Огнестойкая сталь должна характеризоваться следующими показателями:

- пределом текучести при комнатной температуре не мене 390 МПа для 390 класса;

- пределом прочности при комнатной температуре не мене 520 МПа для 390 класса;

- относительным удлинением не менее 20,0% для 390 класса;

- пределом текучести при температуре испытания 600°С не мене 230 МПа для 390 класса;

- пределом прочности при температуре испытания 600°С не мене 280 МПа для 390 класса;

- ударной вязкостью KCV при температуре испытания -20°С не менее 40 Дж/см² для 390 класса;

- ударной вязкостью KCV при температуре испытания -40°С не менее 50 Дж/см² для 390 класса;

- ударной вязкостью KCV при температуре испытания -60°С не менее 34 Дж/см² для 390 класса;

- ударной вязкостью KCU при температуре испытания -40°С не менее 45 Дж/см² для 390 класса;

- ударной вязкостью KCU при температуре испытания -70°С не менее 55 Дж/см² для 390 класса;

- коэффициентом огнестойкости, определяемого как отношение фактического предела текучести при температуре 600°С к номинальному значению предела текучести при комнатной температуре для соответствующего класса прочности, не менее 0,60 отн. ед.;

- пределом текучести при комнатной температуре не мене 355 МПа для 355 класса;

- пределом прочности при комнатной температуре не мене 470 МПа для 355 класса;

- относительным удлинением не менее 21,0% для 355 класса;

- пределом текучести при температуре испытания 600°С не мене 200 МПа для 390 класса;

- пределом прочности при температуре испытания 600°С не мене 240 МПа для 390 класса;

- ударной вязкостью KCV при температуре испытания -40°С не менее 34 Дж/см² для 390 класса;

- ударной вязкостью KCV при температуре испытания -60°С не менее 34 Дж/см² для 390 класса.

Низкое содержание неметаллических включений (не более 2,5 балла по средним значениям) и улучшенное качество макроструктуры (осевая химическая неоднородность (ОХН) не более 2-го балла; точечная неоднородность (ТН) не более 2-го балла) позволяют добиться в огнестойкой стали требуемого комплекса прочностных и пластических свойств при комнатной температуре, требуемого комплекса прочностных свойств при повышенной температуре испытания (600°С), а также высоких значений ударной вязкости проката с V-образным надрезом во всем интервале температур испытаний от +25°С до -60°С.

Указанный технический результат достигается тем, что способ производства огнестойкой стали, включающий выплавку стали в сталеплавильном агрегате, ее выпуск, внепечную обработку и разливку, характеризуется тем, что выпуск стали из сталеплавильного агрегата в сталь-ковш осуществляют при температуре не менее 1620 °С в течение не менее 3 мин, во время выпуска присаживают кальцийсодержащие шлакообразующие материалы в количестве не менее 7,0 кг/т стали, во время внепечной обработки осуществляют продувку стали нейтральным газом в течение не менее 20 мин, с обеспечением длительности промывочного периода не менее 5 мин, осуществляют непрерывную разливку стали на заготовки с поддержанием температуры в промежуточном ковше выше температуры ликвидуса на 10 - 45 °С, при этом заготовку получают из стали, содержащей, в мас.%:

углерод 0,04-0,23 марганец 0,4-2,0 кремний 0,1-1,2

хром 0,1-1,0

никель не более 0,85

медь не более 0,85

алюминий не более 0,10 ванадий 0,003-0,2

титан 0,001-0,05

ниобий 0,003-0,15

бор не более 0,005

молибден не более 0,55

сера не более 0,011

фосфор не более 0,015

азот не более 0,012 железо и неизбежные примеси Остальное

Во время внепечной обработки осуществляют вакуумирование стали, при котором обеспечивают время выдержки на остаточном давлении не более 0,25 кПа в течение не менее 10 мин.

Во время внепечной обработки легирование стали титансодержащими материалами осуществляют не менее чем через 2 минуты после присадки алюминийсодержащих материалов.

Во время внепечной обработки осуществляют ввод в сталь кальцийсодержащей проволоки не менее чем через 2 минуты после присадки титансодержащих материалов.

Содержание неметаллических включений в заготовке не превышает 2,5 баллов.

Непрерывную разливку стали на заготовки осуществляют со скоростью 0,55 - 1,4 м/мин.

Сущность изобретения

Непрерывно-литую заготовку выплавляют и разливают с заданным химическим составом. Содержание углерода в низколегированной стали определяет ее прочностные характеристики. Содержание углерода менее 0,04% технологически сложно обеспечить на сталеплавильном переделе. Увеличение содержания углерода более 0,23% приводит к образованию перлита, увеличению зональной ликвации по толщине проката, в следствие чего происходит увеличение прочностных свойств выше требуемого уровня, снижению ударной вязкости и огнестойкость рулонной полосы.

Снижение содержания марганца менее 0,4% приводит к снижению предела текучести и предела прочности ниже допустимых пределов, т.к. не достигается требуемый эффект от твердорастворного упрочнения и не достигается формирования микроструктуры квазиполигонального феррита и бейнита. В то же время содержание марганца должно быть ограничено величиной Mn < 2,0%, поскольку только до этих значений он способствует растворению в твердом растворе микролегирующих элементов, образующих дисперсные термически устойчивые частицы карбонитридных фаз, способствующие повышению огнестойкости. Относительно низкое содержание углерода и марганца способствует получению низких значений углеродного эквивалента, т.е. хорошей свариваемости проката.

Кремний используется в сталеплавильном процессе для раскисления стали. Снижение содержания кремния менее 0,1% не желательно с точки зрения проведения выплавки и разливки стали. Увеличение содержания кремния более 1,2% приводит к существенному росту прочностных свойств за счет твердорастворного упрочнения, а также ухудшению свариваемости проката.

Содержание азота в химическом составе более 0,012% приводит к образованию крупных частиц нитридов титана, которые неблагоприятно влияют на ударную вязкость проката.

Алюминий в концентрациях до 0,1% используется для раскисления и модифицирования стали. Алюминий связывает избыточный азот в нитриды, уменьшая его негативное воздействие на механические свойства проката. Увеличение алюминия более 0,1% нецелесообразно с точки зрения себестоимости химического состава стали.

Хром является одним из основных элементов формирующих требуемые свойства высокопрочного огнестойкого проката. Хром повышает стабильность частиц избыточных фаз микролегирующих элементов при нагреве, что позволяет сохранять высокий уровень прочностных свойств при повышенных температурах. При его содержании менее 0,1% данный эффект не достигается, а при содержании более 1,0% происходит существенное удорожание химического состава и ухудшение свариваемости.

Легирование никелем в пределах до 0,85% способствует повышению ударной вязкости проката при температурах до -60°С, а также улучшает технологичность производства полосы на станах горячей прокатки за счет снижения налипания металла на рабочие валки стана. Дальнейшее увеличение содержания никеля приводит к существенному увеличению себестоимости проката.

Легирование медью в пределах до 0,85% позволяет достигать требуемого уровня прочностных свойств за счет эффекта твердорастворного упрочнения. Дальнейшее увеличение содержания меди приводит к увеличению себестоимости химического состава и образованию неблагоприятных частиц меди, влияющих на ударную вязкость проката.

Сера и фосфор являются вредными примесями в данном классе сталей. Содержание серы более 0,011% и фосфора более 0,015% приводит к ухудшению ударной вязкости проката и его огнестойкости, т.е. прочностным свойствам при повышенных температурах испытаний.

Ванадий является одним из основных элементов, влияющих на свойства высокопрочного огнестойкого проката. Использование концентраций элемента в диапазоне от 0,003% до 0,2% позволяет получать огнестойкий прокат классов прочности 355 и 390. Формирование требуемых свойств происходит за счет увеличения объемной доли избыточных выделений карбидов ванадия в процессе термомеханической обработки проката. Значения ванадия менее 0,003% не позволяют получить требуемый комплекс механических свойств. Использование концентраций более 0,2% приводит к избыточным прочностным свойствам проката для рассматриваемых классов прочности.

Бор увеличивает прокаливаемость проката и склонность к прохождению промежуточных превращений при ускоренном охлаждении проката после горячей прокатки. Использование концентраций до 0,005% позволяет получить прокат с необходимой микроструктурой квазиполигонального феррита и бейнита во всем диапазоне толщин. Химический состав с концентрациями более 0,005% приводит к получению в микроструктуре стали (проката) низкотемпературного бейнита неблагоприятной реечной морфологии для ударной вязкости стали (проката).

Титан необходим для получения прочностных свойств огнестойкого проката как при комнатной, так и при повышенной температурах за счет дисперсных выделений нитрида и карбида титана в ходе термомеханической обработки. Также титан используется для связывания азота в нитриды. Частицы нитрида титана препятствуют росту зерна аустенита в ходе нагрева, в процессе сварки при изготовлении строительных металлоконструкций не происходит их растворения и разупрочнения зоны сварного шва. Значения титана менее 0,001% могут быть получены только при использовании специальных ферросплавов, что приводит к существенному удорожанию химического состава. Использование концентраций титана более 0,05% нецелесообразно ввиду образования крупных частиц нитридов титана, образующихся в процессе разливки стали и влияющих на ударную вязкость проката.

Ниобий используется в данном классе сталей для управления рекристаллизацией аустенита в ходе горячей прокатки, а также для получения механических свойств за счет мелкодисперсных выделений в ходе охлаждения проката после горячей прокатки. Значения ниобия менее 0,003% могут быть получены только при использовании специальных ферросплавов и руды, что приводит к существенному удорожанию химического состава. Значения концентраций ниобия более 0,15% приводят к неблагоприятному увеличению прочностных свойств для проката классов 355 и 390.

Молибден в концентрациях до 0,55% играет существенную роль в стабилизации мелкодисперсных частиц микролегирующих элементов, таких как карбиды титана, карбонитриды ванадия и ниобия, при нагреве до температур испытаний огнестойкого проката.

Температура выпуска стали из сталеплавильного агрегата должна составлять не менее 1620°С. Температура выпуска менее 1620°С не позволит в дальнейшем осуществить внепечную обработку стали.

Продолжительность выпуска стали из сталеплавильного агрегата в течение менее 3 минут не позволяет полностью растворить ферросплавы и шлакообразующие материалы, что затрудняет последующую внепечную обработку стали и приводит к повышению в ней содержания неметаллических включений и ухудшению качества макроструктуры.

Расход кальцийсодержащих шлакообразующих материалов в количестве не менее 7 кг/т обусловлен необходимостью десульфурации стали. При расходе кальцийсодержащих шлакообразующих материалов в меньшем количестве, содержание серы в стали будет выше допустимого значения.

Продувка стали нейтральным газом (аргоном) в течение менее 20 минут не позволяет провести десульфурацию стали и произвести усреднение ее химического состава. Продолжительность промывочного периода в течение менее 5 минут не позволяет полностью удалить неметаллические включения из стали.

Перегрев металла над температурой ликвидус менее 10 °С приводит к затягиванию сталеразливочного стакана и не позволяет провести разливку стали. Перегрев стали более 45 °С приводит к повышению в ней содержания неметаллических включений и не позволяет обеспечить их балл менее 2,5.

Скорость разливки менее 0,55 м/мин и более 1,4 м/мин не позволяет получить непрерывнолитую заготовку требуемого качества с точки зрения макроструктуры.

Вакуумирование стали при остаточном давлении более 0,25 кПа в течение менее 10 мин, в ряде случаев может приводить к не возможности удаления растворенных в стали газов и неметаллических включений.

Легирование стали титансодержащими материалами менее чем через 2 минуты после присадки алюминийсодержащих материалов приводит к образованию крупных, трудно удаляемых неметаллических включений.

Ввод в сталь кальцийсодержащей проволоки менее чем через 2 минуты после присадки титансодержащих материалов приводит к образованию крупных неметаллических включений, трудно удаляемых из стали.

Осуществление изобретения

Выплавку огнестойкой стали осуществляли в кислородном конвертере, после чего производили ее внепечную обработку, во время которой, в ряде случаев, осуществляли вакуумирование стали, далее выполняли непрерывную разливку стали, осуществляли аустенизацию слябов и последующую их прокатку. В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов. В таблице 2 представлены контролируемые параметры технологии, в таблице 3 контролируемые параметры огнестойких сталей.

Примеры 1 - 4 с соблюдением предложенных параметров. Примеры 5 - 6 с несоблюдением ряда параметров.

Как следует из таблицы 3, при соблюдении заявляемых параметров (примеры 1 - 4), сталь характеризуется требуемым уровнем прочностных и пластических свойств для соответствующего класса прочности (355, 390), а также коэффициентом огнестойкости (σ_т ⁺⁶⁰⁰/σ_т ⁺²⁰>0,60) и ударной вязкостью проката.

Таблица 1 № примера Содержание химических элементов, % C Mn Si S P Cr Ni Cu Al V Nb Ti N B Mo Fe и неизбежные примеси 1 0,06 1,1 0,25 0,005 0,011 0,50 0,10 0,10 0,03 0,05 0,020 0,025 0,006 0,0004 0,05 остальное 2 0,10 0,8 0,50 0,005 0,009 0,53 0,10 0,10 0,04 0,07 0,021 0,023 0,006 0,0004 0,05 остальное 3 0,07 1,0 0,42 0,005 0,009 0,60 0,08 0,07 0,05 0,10 0,035 0,039 0,007 0,0010 0,16 остальное 4 0,09 1,2 0,46 0,004 0,010 0,12 0,10 0,20 0,05 0,11 0,040 0,035 0,006 0,0004 0,14 остальное 5 0,25 1,5 0,32 0,009 0,012 0,10 0,05 0,04 0,05 0,015 0,015 0,013 0,012 0,0003 0,01 остальное 6 0,12 1,2 0,23 0,010 0,011 0,10 0,07 0,10 0,11 0,020 0,018 0,015 0,010 0,0004 0,01 остальное

Таблица 2 №
примера Температу-ра выпуска, °С Продолжительность выпуска, мин Ca содержащие шлакообразующие,
кг/т стали Общая продолжительность продувки нейт. газом, мин Продолжи-тельность промы-вочного периода,
мин Продолжи-тельность вакууми-рования
(P не более 0,25 кПа),
мин Скорость разливки, м/мин 1 1640 4,5 11,5 36 5 15 0,6 2 1652 5 10,3 41 6 14 0,65 3 1625 6 9,5 39 5,5 15 0,55 4 1675 5,5 10,4 48 6 не осуществл. 0,6 5 1640 2 5,9 25 3 5 0,4 6 1600 4 5,0 12 6 6 0,38

Таблица 3 №
примера Класс прочности огнестойкой стали Балл неметалли-ческих включений Параметры макроструктуры Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % σ_т ⁺⁶⁰⁰/σ_т ⁺²⁰ KCV-40°C KCV-60°C KCU-70°C 1 355 2,0 ОХН - 1
ТН - 1 380 500 21,2 0,65 334 298 360 2 390 2,5 ОХН - 2
ТН - 2 400 540 21,5 0,63 358 320 333 3 390 2,0 ОХН - 1
ТН - 1 450 590 22,6 0,71 312 275 368 4 390 2,0 ОХН - 1
ТН - 1 470 620 20,9 0,69 324 301 353 5 не удовл. 3,0 ОХН - 3
ТН - 3 490 690 20,0 0,51 29 12 50 6 не удовл. 3,5 ОХН - 3
ТН - 3 520 650 18,0 0,49 22 18 11

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве сталей для изготовления металлоконструкций, к которым предъявляются повышенные требования по огнестойкости. Выпуск стали из сталеплавильного агрегата в сталь-ковш осуществляют при температуре не менее 1620°С в течение не менее 3 мин, во время выпуска присаживают кальцийсодержащие шлакообразующие материалы в количестве не менее 7,0 кг/т стали. Во время внепечной обработки продувают стали нейтральным газом в течение не менее 20 мин, с обеспечением длительности промывочного периода не менее 5 мин, осуществляют непрерывную разливку стали на заготовки с поддержанием температуры в промежуточном ковше выше температуры ликвидуса на 10-45°С. Изобретение позволяет получить заготовку из огнестойкой стали, в которой содержание неметаллических включений не превышает 2,5 баллов, с улучшенным качеством макроструктуры. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства огнестойкой стали, включающий выплавку стали в сталеплавильном агрегате, ее выпуск, внепечную обработку и разливку, характеризующийся тем, что выпуск стали из сталеплавильного агрегата в сталь-ковш осуществляют при температуре не менее 1620 °С в течение не менее 3 мин, во время выпуска присаживают кальцийсодержащие шлакообразующие материалы в количестве не менее 7,0 кг/т стали, во время внепечной обработки осуществляют продувку стали нейтральным газом в течение не менее 20 мин, с обеспечением длительности промывочного периода не менее 5 мин, осуществляют непрерывную разливку стали на заготовки с поддержанием температуры в промежуточном ковше выше температуры ликвидуса на 10 – 45 °С, при этом заготовку получают из стали, содержащей, в мас.%:

углерод 0,04-0,23

марганец 0,4-2,0 кремний 0,1-1,2

хром 0,1-1,0 никель не более 0,85 медь не более 0,85

алюминий не более 0,10

ванадий 0,003-0,2 титан 0,001-0,05 ниобий 0,003-0,15 бор не более 0,005

молибден не более 0,55

сера не более 0,011 фосфор не более 0,015 азот не более 0,012

железо и неизбежные примеси остальное

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что во время внепечной обработки осуществляют вакуумирование стали, при котором обеспечивают время выдержки на остаточном давлении не более 0,25 кПа в течение не менее 10 мин.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что во время внепечной обработки легирование стали титансодержащими материалами осуществляют не менее чем через 2 минуты после присадки алюминийсодержащих материалов.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что во время внепечной обработки осуществляют ввод в сталь кальцийсодержащей проволоки не менее чем через 2 минуты после присадки титансодержащих материалов.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что содержание неметаллических включений в заготовке не превышает 2,5 баллов.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что непрерывную разливку стали на заготовки осуществляют со скоростью 0,55 – 1,4 м/мин.