Способ получения стали и сплавов Советский патент 1979 года по МПК C21C5/52 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ И СП.ЧАВОВ

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использова-, но для получения качественных сталей и сплавов.

При производстве сталей и сплавов из углеродсодержшдей шихты современными способами обезуглероживания проводят путем обработки металлической ванны газообразным кислородом или металлическими, окислами.

Известен мартеновский способ производства сталей, заключающийся в окислительном обезуглероживании жидкого чугуна, раскислении и дегазации стали. В окислительный период в расплаве протекают физико-химические реакции, основными из которых авляются:

tol-Ccl 24Q14C3--К г

За счет окисления снижается содержание углерода (от 4-6 вес.%) -до пределов, соответствующих определенным маркам сталей.

Известен кислородно-конверторный способ производства сталей, заключающийся в продувке кислородной струей ванны жидкого чугуна. В реакционной зоне протекают окислительные процессы, в результате которых содерЖание углерода снижается до необходимых пределов 1.

Недостатком описанных способов получения сталей, основанных на кислородном обезуглероживании чугуна, является низкое качество слитков, обусловленное повышенным содержанием кислорода в металле. При кристаллизации и охлаждении слнтков вследствие ликвидации кислорода образуются окислы (СО, МпО, SiO, АЕгО и т.д.), вьеделяющиеся в виде газообразной, жидкой или твердой фазы. В результате в металле создаются пустоты и поры или он чрезмерно загрязняется окисными включениями. Кроме этого, в полученных из углеродистой шихты слитках не удается снизить содержание водорода и азота. Все это может явиться причиной плохой деформируемости в горячем состоянии, пониженной пластичности (особенно низкой ударной вязкости), окрупчинивания в результате старения стали при ее эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения стали из углеродистой шихты в дуговых электропечах, заключающийся в том, что для снижения содержания углерода на металличес- кую ванну подают газообразный кислород или окислы железа, причем по ходу плавки на расплав накладывают вращающееся или бегущее магнитное поле таким образом, что вектор напряженности поля изменяется по величине и направлению в пространстве 2 Добавочное магнитное поле при работе электросталеплавильной.печи соз дает механические силы, действующие на электрический ток в дуге и в жидком металле. Механические силы, обус ловленные взаимодействием магнитного поля и электрического тока, проходящего через расплав, приводят в движение металлическую ванну. В результате перемешивания физико-химические процессы протекают более интенсивно и качество слитков несколько улучша ется. Недостатками известного способа являются развитие осевой пористости грубой углеродной ликвадии и образование зон повышенной травимости, обогащенных серой, кислородом и углеродом. Кроме того, слитки имеют высокое содержание водорода и азота Причины образования и развития дефектов в слитках, полученных этим способом, следующие.- Углеродистый расплав (например, жидкий чугун) имеет неоднородное строение, и в нем существуют углеродные ассоциации, средний размер которых по нашим данн составляет 20-150 А, Углеродные ассоциации соответствуют структуре графита и сохраняют физические и химические свойства последнего. Элек тронно-микроскопические исследования показали, что углеродные ассоциации входят в состав расплава систе мы CaFs 3 содержанием углерода 0,1 вес.%, расплава особочисто го карбонильного железа (содержание углерода 0,0027 вес.%); а также в расплавы систем на основе железа с содержанием, углерода 0,07; 0,16; 0,20; 0,30; 0,60 и более вес.%. Хотя в результате окислительного обезуглероживания и удается уменьшить содержание углерода и количест во углеродных ассоциаций,., полностью устранить существование ассоциаций и получить равномерное атомно-дисперсное „распределение углерода в расплавах не представляется возможным. Наложение электромагнитных полей на зону плавления и кристаллиза ции, в результате чего перемешивается металлическая ванна и дробят- ся углеродные ассоциации, также не может полностью устранить существование ассоциаций. Это связано с тем что энергия связи между атомами углерода, входящими в ассоциации, оче валика, и поэтому углеродные ассоци ции являются прочными соединениями. Кроме того, углеродные ассоциаци сохраняя свойства кристаллов графит обладают диамагнитными магнитно-анизотропными свойствами. Магнитная восприимчивость кристаллов графита вдоль слоев в 44 раза больше (алгебраически) восприимчивости вдоль гексагональной оси. При наложении магнитного поля на расплав, содержащий магнитно-анизотропные ассоциации углерода, ассоциации будут ориентироваться плоскостью базиса (слоев) вдоль магнитных силовых линий. Кроме этого, если магнитное поле неоднородно (что наблюдается в электросталеплавильном производстве и при наложении электромагнитных полей на зону плавления), диамагнитные углеродные ассоциации, подчиняясь принципу Ле-Шателье, будут стремиться расположиться в тех участках расплава, где напряженность магнитного поля минимальна. В результате этого при выплавке стали известным способом осевая часть расплава, находящаяся в магнитном поле с минимальной напряженностью будет иметь, повышенное содержание углерода, находящегося в виде крупных углеродных ассоциаций размером (1-5)- Ю А. В этих же участках расплава будут концентрироваться и вредные примеси, такие как сера, кислород, азот, водород и т.д., которые блокируют поверхностные слои кристаллов графита или входят в свободные межслоевые пространства кристаллов. Это подт ;ерждено электронно-микроскопическими иследованиями дефектов в слитках различных марок доэвтектоидных сталей с содержанием углерода от 0,08 до 0,35 вес.%. Как правило, в тех участках дефектов, где имеются тонкопластинчатые выделения графита, обнаруживаются флокены, выделения нитридов , окислов или сульфидов. Таким образом, ни один из известных способов получения сталей и сплавов из углеродсодержащих материалов, основанных на кислородном обезуглероживании, не обеспечивает равномерного атомно-дисперсного распределения углерода в расплавах и снижения количества химических неравномерностей, обусловленных существованием в расплавах углеродных ассоциаций. Целью изобретения является .бескислородное обезуглероживание углеродсодержащих материалов, снижение содержания вредных примесей и получение химически равномерного расплава. Поставлен-ная. цель достигается тем, что при получении сталей из углеродистой шихты способом, включающим обезуглероживание металлической ванны и наложение на расплав по ходу плавки магнитного поля, ориентированное магнитное поле напряженностью 100- 15000 э накладывают так, что градиент напряженности, равный 10-

1000 э/см направлен вдоль оси расплава.

При наложении ориентированного ма нитного поля на расплав, содержащий диамагнитные магнитно-анизотропные ассоциации углерода, происходит ориетация ассоциаций плоскостью базиса (в силу анизотропности) вдоль магнитных силовый линий, объединение, укрупнение и удаление их (в силу диамагнитизма) в те участки расплава где напряженность магнитного поля минимальна, т.е. в направлении, противоположном ингредиенту напряженности В этих же участках расплава, где скапливаются углеродные ассоциации, будут концентрироваться и вредные примеси (водород, азот, кислород, сера и т.д.), способные блокировать поверхностные слои кристаллов графита или входить в межслоевые свободные пространства кристаллов. В результате наложения на расплав магнитного поля достигается обеднение углеродом (бескислородное обезуглероживание) части расплава, находящейся в магнитном поле с максимальной напряженностью, рафинирование от вредных примесей, а также получение расплава, характеризующегося равномерным распределением углерода.

На основании опытных данных установлено, что обезуглероживание расплава и рафинирование от вредных примесей тем интенсивнее, чем выше напряженность магнитного поля, причем верхним пределом напряженности можно принять технически достижимую величину, подцержание которой обеспечивается в течение всего времени обработки расплава магнитным полем. В настоящее время за таку величину может быть принята напряженность 15000 э.

При подобной обработке углеродсодержащих расплавов, включающей обезуглероживание и рафинирование от вредных примесей, возможно перемещение магнитного поля вдоль оси расплава со скоростью 2-30 см/мин в направлении, противоположном направлению действия вектора градиента напряженности. При этом угл зодные ассоциаци с блокированными вредными -примесями выталкиваются магнитным полем в прибыльную часть расплава, а расплав, . прошедший через неоднородную зону манитного поля будет обедняться углеродом и приобретать химическую равномерность.

Кроме этого, возможно перемещение расплава со скоростью 2-30 см/мин через неподвижное магнитное поле.

Способ позволяет проводить бескислородное обезуглероживание углеродистой шихты и получать химически равномерные расплавы, что обеспечивает высокое качество слитков. Кроме

этого, способ обеспечивает рафинирование сталей и сплавов от угле- -родных ассоциаций и вредных примесей путем переплава в магнитном поле с указанными параметрами.

Пример 1. Чугун с содержанием углерода 4,05 вес,% был расплавлен в нагревательной печи сопротивления в емкости из немагнитного материала. Конструкция печи была выбрана такой,что исключалось

0 наложение собственных, электрического и магнитного, полей нагревателя на расплав. После расплавления чугуна на расплав накладывали ориентированное магнитное поле напряженностью 800 э. Градиент магнитного поля был

5 направлен вдоль оси расплава и составлял 70 э/см, В результате этого одна часть расплава находилась в магнитном поле напряженностью 800 э, а другая - в поле напряженностью 30 э.

0 Сориентированные углеродные диамагнитные ассоциации под действием неоднородного магнитного поля вьаталкивались в часть расплава с минимальной напряженностью.

5

После выдержки расплава в магнитном поле он был закристаллизован. Химический анализ показал, что в. части слитка, расплав которого находился в магнитном поле с максимальной

0 напряженностью, содержание углерода 2,5 вес.%, а в части слитка, расплав которого находился в магнитном поле с минимальной напряженностью, содержание углерода 4,3 Бес.%.

5 Распределение серы соответственно 0,03 и 0,05 вес.%.

П р и м е р 2. Была проведена опытная плавка с наложением на расплав чугуна (4,05 вес.% С) ориентиро0ванного магнитного поля напряженностью 100 3 и градиентом 10 э/см, направленным вдоль оси расплава. При этом магнитное поле перемещали вдоль оси расплава в направлении, противоположном действию вектора градиента

5 напряженности, со скоростью 2 см/мин.

Расплав, прошедший через магнитное поле, имел содержание углерода 2,0 вес.%.

Пример 3. Была проведена

0 опытная плавка чугуна в магнитном поле напряженностью 3000 э при градиенте 1000 э/см с перемещением расплава через магнитное поле со скоростью 10 см/мин. Содержание углерода,,

5 в расплаве, прошедшем через магнитное поле, составляло 1,8 вес.%.

П р и м е р 4. Условия опытной плавки те же, что и в примере 3, но расплав перемещаши со скоростью

0 30 см/мин. Содержание углерода в расплаве, прошедшем через магнитное поле, составляло 2,2 вес.%.

Использование изобретения позволит:

а)получать качественные стали и сплавы из углеродистой шихты посредством бескислородного обезуглероживания расплавов и устранить таким образом вредное влияние кислорода на свойства металла;

б)удалять углеродные ассоциации и вредные примеси в процессе передела углеродистой шихты в сталь или сплав и получать химически однородные расплавы и качественные слитки из них

в)рафинировать в процессе pat- плава углеродсодержайще стали и сплавы от углеродных ассоциаций и вреднык примесей;

г)значительно снизить себестоимость процесса получения сталей и сплавов из углеродистой шихты и рафинирования углеродсодержащих материалов.

Формула изобретения

с я тем, что, с целью снижения со- держания вредных примесей и повышения химической равномерности расплава, на расплав накладывают ориентирован-ное магнитное поле напряженностью 100-15000 э, создают градиент напряженности, равный 10-1000 э/см, направленный вдоль оси расплава.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Металлургия . 1973, с. 121-186.

2,Крамаров А.Д. Производство стали в электропечах. М., Металлургия , 1969 , с. .