способ легирования стали висмутом

Формула изобретения

Способ легирования стали висмутом, включающий введение висмута в виде дроби и глобул в литниковую систему во время разливки металла сифоном в изложницу для отливки слитка, отличающийся тем, что до наполнения изложницы металлом до высоты 300 - 400 мм линейную скорость разливки стали поддерживают в пределах 10 - 15 мм/с, затем ее снижают до 5 - 7 мм/с и начинают ввод висмута, при этом после окончания ввода висмута на 2 - 5 с линейную скорость разливки увеличивают до 10 - 15 мм/с, а окончание разливки проводят со скоростью 1,5 - 3 мм/с, причем разница между временем отливки слитка и временем ввода висмута не должна превышать 250 с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к производству висмутсодержащей стали и может быть использовано при легировании стали висмутом во время разливки сифоном.

Известен способ производства стали, легированной легкоплавким металлом, в частности свинцом или висмутом, включающий разливку стали в кокиль и ввод свинца или висмута в струю стали в виде дроби и глобул (см. патент США N 4247326 от 27.01.1981 г., МПК C 22 C 38/60).

Отсутствие регламентированных параметров разливки стали и ввода легкоплавкого металла приводит к большим потерям его в виде возгонов, неравномерному распределению в отливках и неудовлетворительному качеству получаемой поверхности после горячей деформации отливок.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ введения легирующих добавок в виде дроби в сталь, в котором в качестве добавки могут вводить висмут в литниковую систему при разливки металла сифоном в изложницу для отливки слитка (EP 0092764 A1, C 21 C 7/00, C 22 C 33/00, 02.11.83).

В известном способе легирования стали висмутом не изложены временные параметры разливки стали и ввода висмута, т.к. висмут обладает высокой упругостью пара (температура кипения висмута 1560^oC), то отсутствие регламентируемых параметров разливки стали и ввода висмута приводит к большим потерям висмута в объеме слитка и неудовлетворительной поверхности блюмсов, получаемых при горячей деформации слитка.

Задачей изобретения является создание способа производства висмутсодержащий стали с низкой потерей висмута, равномерным его распределением в объеме слитка и хорошим качеством блюмсов, получаемых после горячей деформации слитков.

Поставленная задача решается путем разливки металла сифоном в изложницу, при этом висмут в виде дроби и глобул вводят в литниковую систему во время разливки, а линейную скорость разливки стали до наполнения изложницы металлом до высоты 300-400 мм поддерживают в пределах 10-15 мм/с, затем ее снижают до 5-7 мм/с и начинают ввод висмута, при этом после окончания ввода висмута на 2-5 с линейную скорость разливки увеличивают до 10-15 мм/с, причем разница между временем отливки слитка и временем ввода висмута не должна превышать 250 с, а окончание разливки проводят со скоростью 1,5-3 мм/с.

Висмут имеет высокую упругость пара, температура кипения висмута составляет 1560^oC, которая сопоставима с температурой разливаемой стали (1540-1620^oC).

По этой причине, в процессе ввода висмута в сталь, наблюдается как его интенсивное испарения с открытой поверхности стали, так и кипение в объеме стали. Помимо этого, при движении стали с висмутом по литниковой системе, наблюдаются кавитационные явления в виде образования пузырьков, наполненных парами висмута. Особенно интенсивное образование пузырьков висмута происходит на шероховатой поверхности литниковой системы в местах, где происходит резкое увеличение скорости течения стали или изменение направления ее движения. Кавитационные пузырьки висмута в стали могут существовать сколько угодно долго, пока внешнее давление на пузырьки будет меньше или равно давлению упругости пара висмута.

При падении пузырьков висмута в области, где внешнее давление больше давления упругости пара висмута, пузырьки схлопываются, при этом создается сильная ударная волна, которая может производить определенные разрушения. Если схлопывание пузырька не произошло в объеме стали, то он потоками металла может выноситься на поверхность раздела сталь-воздух и удаляться во внешнюю среду.

Если схлопывание пузырька висмута происходит на затвердевающей поверхности слитка, последняя разрушается, что приводит к образованию поверхностных дефектов на слитке.

Однако кавитационные явления имеют и положительное значение, т.к. при образовании пузырька и последующем схлопывании развивается давление до 1000 атмосфер, за счет этого ускоряются процессы растворения висмута в стали, а в объемах стали, где содержание висмута больше его предела растворимости, образующие частицы элементарного висмута имеют размеры на несколько порядков меньше, чем исходная частица висмута, из которой образовался пузырек. Таким образом, для получения качественного слитка и снижения потерь висмута параметры отливки слитка и легирования висмутом должны определяться оптимальными кавитационными явлениями.

С учетом вышеизложенного разработан способ легирования стали висмутом при разливке ее сифоном. Подачу висмута начинали после наполнения изложницы металлом до высоты 300-400 мм. При высоте стали в изложнице менее 300 мм в последней наблюдается сильное бурление и, по этой причине, в случае подачи висмута, пузырьки его выносятся на поверхность, с которой висмут удаляется в атмосферу, а пузырьки, попавшие на закристаллизовавшуюся поверхность слитка, схлопываются и разрушают ее. При высоте стали более 300 мм бурление резко снижается, а при 400 мм исчезает. Разливка стали без висмута сглаживает неровности на поверхности литниковой системы, тем самым снижается интенсивность кавитационных явлений на поверхности литниковой системы.

Разливка стали с линейной скоростью 10-15 мм/с до высоты налива в изложнице 300-400 мм позволяет получить качественную поверхность слитка на донном участке. При скорости разливки менее 10 мм/с на поверхности нижней части слитка образуются заплески стали, не приварившиеся к слитку. При скорости более 15 мм/с, образующаяся закристаллизовавшаяся корочка стали на поверхности изложницы очень тонкая, и, при последующей подаче висмута легко разрушается.

Подача висмута при скорости разливки стали 5-7 мм/с позволяет проводить контролируемую кавитацию висмута, при этом достигается низкий угар висмута, хорошее его растворение в стали. При снижении скорости разливки стали менее 5 мм/с, на поверхности стали образуется корочка, которая в процессе разливки подворачивается, что приводит к снижению качества поверхности слитка. При скорости разливки стали более 7 мм/с увеличивается угар висмута.

Увеличение скорости разливки после окончания дачи висмута до 10-15 мм/с на время 2-5 с позволяет усреднить содержание висмута по всему объему слитка. При времени менее 2 с усреднение слабое, при более 5 с в слитке могут образовываться поперечные трещины на поверхности.

Окончание разливки со скоростью 1,5-3 мм/с позволяет снизить усадочные явления в верхней части слитка, в несплошностях которых происходит скопление висмута, размеры отдельных частиц которого достигают более 1 мм.

При увеличении разницы между временем, затраченным на отливку слитка и временем, затраченным на ввод висмута более 250 с, снижается усвоение висмута сталью.

На ОАО "Златоустовский металлургический завод" проведена работа по освоению производства конструктивных сталей, легированных висмутом. Опытно-теоретическим путем установили оптимальные параметры разливки сталей с легированием их висмутом в процессе разливки.

Выплавку стали марки АВ9ХГН проводили в 10-тонной дуговой электропечи. После доведения стали по химсоставу ее сливали в сталеразливочный ковш. Разливку стали проводили сифоном, одновременно в 4 изложницы. Сечение изложниц - квадрат 570 мм, масса слитка - 2875 кг. Висмут в виде дроби и глобул диаметром 1-4 мм подавали из бункера - дозатора в приемную воронку литниковой системы в процессе разливки стали. Разливку стали проводили с покрытием зеркала металла в изложницах зольно-графитовой смесью. Слитки проходили горячую деформацию на прутки сечением квадрат 220 мм. На данных прутках оценивали качество поверхности, распределение висмута по длине и сечению, проводили анализ усвоения висмута сталью. В оптимальном режиме в изложнице линейную скорость разливки стали до высоты 300-400 мм поддерживали в пределах 10-15 мм/с, после чего скорость снижали до 5-7 мм/с и начинали вводить висмут. После окончания ввода висмута на 2-5 с линейную скорость разливки увеличивали до 10-15 мм/с. Окончание разливки проводили со скоростью 1,5-3 мм/с. Разницу между временем отливки слитка и временем ввода висмута поддерживали до величины менее 250 с. На ряде плавок разливку и легирование стали висмутом проводили с отклонением от оптимальных параметров.

Качество стали соответствовало требованиям нормативно-технической документации. Связь между качественными характеристиками стали и технологическими параметрами разливки и легирования приведена в таблицах 1-4 и на чертеже. Как видно из них при отливке стали и легировании ее висмутом в заявленных параметрах достигается максимальный эффект по качеству и усвоению висмута.