Способ раскисления и легирования низкоуглеродистой ванадийсодержащей электростали Советский патент 1991 года по МПК C21C5/52 

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, хладо- стойкости и усталостной прочности стали.

В основной дуговой электропечи выплавляют сталь марки 20ГФЛ методом окис- ления примесей, предусматривающим расплавление шихты, окисление примесей, удаление окислительного и образование восстановительного шлака, предварительное и окончательное раскисление металла хремнийванадиевым сплавом. При раскислении и легировании стали по известному способу за 17 мин до выпуска присаживают в печь 4,75 кг/т стали (50% от-общего расчетного 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% ферро- силикованадия 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 ванадиО

ел

0

J ч со

евый ферросилиций и порошок кокса в заданных количествах и после регламентированной выдержки и нагрева до требуемой температуры осуществляют окончательное раскисление ванадиевым ферросилицием в заданном количестве (3-5 кг/т металла). Для раскисления и легирования применяют ванадиевый ферросилиций марки ФС40Вд, производимый из ванадиевого конвертерного шлака карботермическим способом, 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 30- 42; ванадий 6,5-8,0; марганец 4-6; титан 2,5-4,0, железо остальное.

Исследованы различные варианты способа раскисления и легирования стали с предлагаемыми и запредельными значениями параметров способа.

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

Из разливочного ковша отбирают пробы для определения химического состава стали и заливают трефовидные пробы по ГОСТ 977-75, из которых после нормализации при 930-940°С изготавливают образцы для определения механических и экдплуата- ционных свойств. Ударную вязкость (КСИ) определяют на образцах I типа по ГОСТ 9454-78 в интервале температур от +20°С до -60°С. Хладостойкость стали характеризуется значениями ударной вязкости при отрицательных температурах. Усталостную прочность исследуют на цилиндрических образцах по ГОСТ 9860-65. Используют гладкие образцы I типа диаметром в рабочей части 7,5 мм и образцы с надрезом IV типа. Радиусы для надрезки (р) приняты 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 107 циклов. Изучение количества и состава оксидных неметаллических включений проводят с помощью химического анализа электролитически выделенного оксидного осадка. Содержание кислорода и азота в металле определяют на газоанализаторах при1650и2400°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

0 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

5 основном неблагоприятные остроугольные частицы корунда а-А1аОз, тогда как в вариантах 3-5,7,8 оксиды представлены ком- плексными сфероидизированными алюмосиликатами, где концентрация окис0 лов кремния значительно выше и составляет 14-24%. В этих вариантах стали содержания окислов железа, кальция и магния очень малы. Высокой степени десульфурации металла, раскисленного и легированного по

5 предлагаемому способу, в немалой степени способствует получение хорошо раскисленного присадками ванадиевого ферросилиция и кокса высокоосновного шлака с малой концентрацией окислов железа и марганца,

0 обеспечивающего интенсивный массопере- нос серы из металла в шлак.

Раскисление и легирование стали по предлагаемому способу с параметрами ниже нижнего предела (вариант 2) не обеспе5 чивают получение металла с малым содержанием примесей из-за недостаточных концентраций кремния и титана и. вялым протеканием процессов осадочного и диффузионного раскисления и десульфура0 ции. Содержание оксидов, где преимущественной фазой являются частицы корунда, а также окисленность шлака из-за недостатка вводимых компонентов здесь велики.

Раскисление и легирование стали по

5 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.

0 В результате затрудняются процессы десульфурации и раскисления металла, возрастает угар титана и, в определенной степени, ванадия и кремния. В составе оксидов наблюдается повышенная концентра5 ция окис/юв магния, свидетельствующая о разрушении футеровки, и окислов железа вследствие отмеченного окисления металла. В табл.3 дана характеристика стали, выплавленной известным и предлагаемым способами.

Приведенные в табл.3 значения усталостной прочности показывают, что по мере повышения степени легированности (от варианта 2 до варианта 6) возрастают значения 7-1. 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. О большей выносливости стали, полученной по предлагаемому способу, свидетельствуют значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Kfjr У вариантов 3-5,7,8 он возрастает от 1,47- 1,53 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, KvS 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 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 хладостойкое™ 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 от20°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

0 значительно меньше. Немаловажно, что предлагаемый способ раскисления и легирования обеспечивает получение мелкозернистой структуры основной электростали при аустенитизации благодаря положитель5 ному эффекту воздействия дисперсных кар- бонидов ванадия и титана, образующихся в присутствии имеющегося в металле азота. Полученная после окончательной термообработки (нормализации) мелкозернистая

0 ферритоперлитная структура с дисперсными карбонитридными фазами и небольшим количеством благоприятных неметаллических включений обеспечивает высокую хладостойкость стали, раскисленной и

5 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 леги0 рованности излишне высока, что стимулирует образование повышенного количества крупных карбидных и нитриднчх частиц и перелегированности твердого раствора, в результате чего хладостойкость

5 снижается. Отсутствие титана при обработке металла по известному способу (вариант 1) также не обеспечивает получение нитридов титана и необходимого измельчения структуры

0 Ванадиевый ферросилиций, введенный в металл для предварительного раскисления в заданном количестве после удаления окислительного шлака, благодаря высокому содержанию в нем кремния, а также марган5 ца и титана обеспечивает глубокое комплексное раскисление металла с образованием легкоудаляемых неметаллических включений. Хорошая раскисленность металла значительно повышает химическую активность

0 серы, что в совокупности с действием активных элементов-десульфураторов - марганца и титана существенно повышает степень десульфурации стали. Одновременно с предварительным раскислением осуществ5 ляется 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

исперсных нитридных фаз и повышению ладостойкости и выносливости-стали.

Присадка углеродсодержащего материла, например кокса, на образующийся осовной восстановительный шлак позволяет в условиях слабоокислительной печной атосферы в электропечи и предварительного раскисления металла ванадиевым ферросиицием глубоко раскислить шлак за собой бразования в шлаке карбида кальция СаСа, ему 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 происхоит 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 счет до- полнителького 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 адгезионное 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 раскисленно- сти металла к большому остаточному содер- жанию кислорода в металле. Это ограничивает возможность образования высоковосстановительного шлака, ухудша- ет 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

0 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

5 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

0 охрупчивание.

Выдержка предварительно раскисленного металла под восстановительным шлаком менее 25 мин не обеспечивает достаточно полного протекания диффузион5 ных процессов раскисления и десульфурации стали, а также удаления Н.В. Продолжительность выдержки более 40 мин ведет к ухудшению качества стали вследствие активного разрушения футеровки ван0 ны, увеличения в шлаке окислов магния, снижения вязкости и химической активности шлака, а также возникновению обратимых процессов повторного окисления металла.

5 Температура окончательного раскисления менее 1610°С не обеспечивает достаточно быстрого расплавления легирующего сплава, применяемого для раскисления, и перехода в металл модифи0 цирующего элемента - титана, а также активного рафинирующего взаимодействия восстановительного шлака с металлом в процессе выпуска его в ковш. При температуре металла более 1650°С вследствие пере5 грева существенно повышается склонность жидкого металла к насыщению газами, за- кристаллизированного металла - к трещи- нообразованию, что отрицательно влияет на усталостную прочность и хладостойкость

0 стали.

Ввод для окончательного раскисления менее 3 кг/т ванадиевого ферросилиция не обеспечивает содержания в стали титана в количестве, создающем заметный модифи5 цирующий 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

расплаве, не создает необходимый модифицирующий и защитный эффект окончательного раскисления,способствует появлению ликвационных зон в затвердевшем металле.

Таким образом, предлагаемый способ раскисления и легирования основной электростали позволяет получить сталь стабильного химического состава, легированную ванадием и модифицированную титаном, хорошо рафинированную от вредных при- месей и неметаллических включений с получением структуры, содержащей дисперсные карбонитриды, преимущественно ванадия и титана. Последние способствуют измельчению зерна аустенита после нагрева при нормализации и получению дисперсной ферритоперлитной структуры стали. Повышение чистоты металла от оксидных и сульфидных неметаллических фаз, являющихся очагами хрупкого разрушения при отрицательных температурах и знакопеременных нагрузках, обеспечивает увеличение хладостойкости и усталостной прочности металла, и в конечном итоге,- повышение надежности и долговечности от-

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, отличающийся тем, что. с целью повышения степени десульфурации и раскисленно- сти, хладостойкости 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 в количестве 3-5 кг/т жидкого металла.

Таблиц

Таблица 2

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству качественных ванадийсодержащих сталей. Цель изобретения - повышение степени десуль- фурации 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.

Продолжение табл. 2