Способ определения источника экзогенных неметаллических включений в стали Советский патент 1992 года по МПК C21C5/36 G01N1/28 

Изобретение относится к способам определения происхождения неметаллических включений, в частности крупных, сложного состава оксидных включений в стали.

Неметаллические включения резко ухудшают служебные свойства стали, особенно высококачественной. Источниками экзогенных, т.е. внешних по отношению к стали, неметаллических включений может быть футеровка сталеплавильных агрегатов и ковшей, сифонная проводка, а также шлаки, формируемые в печи, ковше, изложнице и агоегатах и установках внепечной обработки стали.

Неметаллические включения могут быть также эндогенными, т.е. зарождающимися и остающимися в стали.

Определение происхождения оксидных неметаллических включений в сталях имеет большое значение для разработки технологических приемов, позволяющих устранить полностью или уменьшить количество таких включений и тем самым улучшить качество стали.

Для того, чтобы определить происхождение того или иного типа включений применяют комплекс различных методов: изучают включения металлографическими и петрографическими методами, применяют также микрорентгеноспектральный анализ и метод меченых атомов.

Применение металлографического и петрографического методов отдельно друг от друга или совместно позволяет только предполагать источник происхождения неметаллических включений. Не позволяет также делать окончательные выводы микрорентгеноспектральный анализ. Этот метод позволяет установить наличие во включении тех или иных элементов. Однако шлаки сталеплавильного производства имеют тот же элементный состав, что и продукты раскисления. В них входят Al, Si и даже малорастворимые в стали Са и Мд и др., которые могут восстанавливаться в металл из шлака, образуя эндогенные продукты раскисления. Эти продукты раскисления содержат те же элементы, что и шлак. Это не дает возможности точно определить происхождение включений.

сл

iCJ СЛ СО 00

со

Известен метод меченых атомов, использующийся для идентификации неметаллических включений.

По этому методу радиоактивный индикатор, например изотоп Са45, вводится в шлак или огнеупор, контактирующий со сталью. Наличие этого изотопа в неметаллических включениях, выделенных из стали, указывает на их экзогенное происхождение.

К недостаткам этого метода относятся необходимость мер по защите персонала от радиоактивного излучения на всех этапах исследования, недостаточная точность метода, обусловленная тем, что большинство индикаторов (меток), в том числе кальций, ограниченно но растворимы в металле.

При контакте основных раскисленных шлаков с раскисленным металлом возможно восстановление кальция в металл из оксида кальция основного шлака. В связи с возможной растворимостью кальция в стали в восстановительный период плавки и во время выпуска в металле наблюдаются заметные концентрации кальция. В стали в результате раскисления алюминием и восстановленным кальцием могут образоваться эндогенные оксидные включения сложного состава на основе алюминатов кальция. Отличить такие эндогенные включения от запутавшихся в металле шлаковых частиц, используя в качестве индикатора соединения кальция, практически невозможно. В связи с тем, что большая часть высококачественных сталей производится по технологии, предусматривающей контакт раскисленного металла и раскисленного основного шлака, применение в качестве индикатора для определения природы включений соединений кальция, в том числе и радиоактивного, в большинстве случаев не обеспечивает необходимой точности определения, т.е. на основе того, что кальций есть во включении, нельзя утверждать, что включение экзогенное или эндогенное.

Известен способ десульфурации стали продувкой металла кальцийсодержащими порошками (например, силикокальцием). В результате такой обработки в стали существенно понижается содержание серы, но выявляются сложные включения на основе алюминатов кальция. Используя в качестве индикатора соединения кальция, отличить такие эндогенные включения от экзогенных - шлаковых практически невозможно.

Однако метод с использованием кальция, втом числе и радиоактивного, не обладает достаточной точностью, т.е. вероятность точного определения близка к

50%, т.е. цель идентификации не достигается.

Цель изобретения - повышение точности.

5Указанная цель достигается тем, что в

способе определения источника экзогенных неметаллических включений в стали, включающем введение индикатора в источник неметаллических включений и исследо0 вание металлографическим и микрорентгеноспектральным способами неметаллических включений, в качестве индикатора используют соединения бария, который вводят в количестве 0,2-2,0% от

5 массы источника.

Барий практически нерастворим в стали, поэтому не может восстанавливаться в нее из шлака, футеровки и других субстанций, соответственно, он не может участво0 вать в раскислении стали, если в металл не введены раскислители, содержащие барий. Раскисление сталей, контролируемых на загрязненность неметаллическими включениями, (например, подшипниковых),

5 сплавами, содержащими барий, не производится, так как в металле образуются крупные сложного состава включения. Такие включения по соответствующим ГОСТам приводят к забракованию металла.

0 Присутствие соединения (окисла) бария в неметаллическом включении однозначно указывает, что источником этого включения является субстанция, в которую ввели индикатор - соединения бария, т.е. способ обла5 дает точностью практически 100%.

Способ осуществляют следующим образом.

Подшипниковую сталь ШХ15СГ плавят в дуговой электропечи емкостью 40 т по

0 действующей технологической инструкции. После расплавления шихты скачивают окисленный шлак. Восстановительный период проводят под белым шлаком. В середине восстановительного периода в шлак

5 вводят бариевый сульфатный концентрат (BaS04 85,0%; Si02 6,0%; CaO 3,5%; MgO 0,1 %; РаОз 2,3%; п.п.п. остальное) в количестве 30 кг, соответствует содержанию бария в шлаке примерно 1%. Затем плавку выпу0 екают из печи в ковш вместе с раскисленным печным шлаком.

Из ковша сразу после выпуска и из готового проката отбирают пробы. При их металлографическом анализе в пробах из

5 ковша и готового проката обнаруживают крупные сложного состава оксидные включения. При микрорентгеноспектральном анализе таких включений в их составе, кроме элементов, обычно входящих в состав

шлака (Са, Mg, AI), обнаружен барий, в количестве, близком к его содержанию в шлаке. Наличие бария, нерастворимого в стали, в неметаллических включениях позволяет утверждать, что эти включения являются капельками печного шлака, эмульгированного в металл из шлака во время выпуска и неудалившиеся из него.

На основании информации о происхождении крайне вредных для качества стали, особенно подшипниковой, экзогенных, глобулярных, неметаллических включений могут быть разработаны технологические приемы, позволяющие получать сталь, не содержащую таких неметаллических включений.

При введении бариевого сульфатного концентрата в печной шлак за 30-60 мин до выпуска плавки его усвоение с учетом уноса пылевидной фракции 80-100%, при уменьшении времени выдержки усвоение умень- шается до 50-80%, при добавках концентрата в твердые шлаковые смеси, даваемые в ковш, усвоение будет еще меньше, так как увеличивается унос пылевидной фракции из ковша и не весь концентрат рас-, творится в шлаке из-за сокращения времени контакта. При добавках бариевого концентрата в шлаки или шлаковые смеси, присаживаемые в изложьицу или кристаллизатор, контакт будет также кратковременным, но ниже температура металла и шлака, поэтому усвоение меньше, чем в сталераз- ливочном ковше, и может опуститься даже до 10-20%. Учитывая низкое усвоение при добавке в шлаковые смеси, добавляемые в ковш и изложницу, предлагается максимальное количество введенного бария 2%.

Испытания работоспособности способа при минимальной присадке бария в шлак 0,2% (по массе) осуществляют при плавке стали ШХ15СГ в дуговой электропечи емкостью 40 т. Плавку ведут переплавом собст- венных отходов. После полного расплавления шихты и достижения металлом температуры 1580°С шлак полностью скачивают и заводят новый (белый) из извести, плавикового шпата, кварцита и шамота 1200 кг. С учетом небольшого количества печного шлака периода плавления и окислившихся порошкообразных раскислителей ферросилиция, алюминия и т.д. количество печного шлака к моменту выпуска составляет 1500 кг.

В шлаковую смесь рафинировочного периода вводят бариевый концентрат (ВаЗСч 85%) в количестве 0,2% бария по расчету или

1500-0.2-233 Rn 100-0,85-137 ° и

кг

Концентрат в рафинировочную шлаковую смесь дают в виде кусков фракцией 10-20 мм. Куски мельче и крупнее указанной фракции отсеивают, чтобы исключать

вынос с газами мелких фракций и нерасплавление крупных, Химический анализ шлака показывает, что содержание в нем окислов бария в пересчете на барий равно 0,2% (по массе). Микроренгтгеноспектральный анализ показывает, что содержание бария в экзогенных неметаллических близко к содержанию бария в шлаке.

Испытания работоспособности способа при максимальной присадке бария в шлак

2% проводят по двум вариантам. В обоих случаях плавки стали ШХ15 ведут в дуговой электропечи емкостью 40 т, В первом случае плавку ведут по действующей инструкции под белым шлаком. Разливают плавку сифоном на слитки массой 4,5 т под бестопливной шлаковой смесью БШС-4 следующего состава, мае.%: доменный шлак51-52; зола ТЭЦ 25-26; графит серебристый 2,0-2,5; флюорит 20-21, расход смеси 12 кг на один

слиток. В шлаковую смесь добавляют бариевый сульфидный концентрат (ВаЗСм 85%) из расчета введения бария в бестопливную шлаковую смесь 2% или

12-2.233 019кг 100-0,85-137 и «окг- Используемая фракция концентрата 0- 5 мм.

Анализ шлака после конца разливки показывает, что содержание в нем окислов

бария в пересчете на барий равно 0,23%. Содержание бария в единичных экзогенных включениях, определенное микрорентге- носпектральным анализом, близко к этой величине. Во втором случае плавку подшипниковой стали заканчивают под низкоосновным шлаком, а в ковш добавляют 1 т шлаковой смеси из извести, плавикового шпата и алюминия. С учетом печного шлака количество шлака в ковше 1,7т. Бария вводят в виде сульфидного концентрата из расчета введения бария 2% или

1700-2-233 ... 100-0,85-137 °°

Фракция используемого концентрата 0-5,0 мм.

Анализ шлака, взятого из ковша после конца разливки, показывает, что содержа- ние в нем окислов бария в пересчете на барий равно 0,36%. Содержание бария, полученное полуколичественным методом мик- рорентгеноспектрального анализа, близко к его содержанию в шлаке.

Формула изобретения Способ определения источника экзогенных неметаллических включений встали, включающий введение индикатора в источник неметаллических включений и его исследование металлографическим и

микрорентгеноспектральным способами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве индикатора используют соединения бария, который вводят в количестве 0,2-2,0% от массы источника.

Использование: черная металлургия. Сущность изобретения: при выплавке стали в источник неметаллических включений вводят индикатор в виде соединения бария из расчета введения бария в количестве 0,2- 2,0% от массы источника неметаллических включений. Полученные в стали включения исследуют металлографическим и микро- рентгеноспектральным способами.