сплав для раскисления и легирования жидкой заготовки при выплавке низко- и среднеуглеродистой высоколегированной стали

Формула изобретения

1. Сплав для раскисления и легирования жидкой заготовки с получением и обработкой полупродукта на агрегате комплексной обработки стали при выплавке низко- и среднеуглеродистой высоколегированной стали, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, ниобий, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,15-0,35
Кремний	2-3
Марганец	0,25-0,40
Хром	41-46
Никель	1,0-3,2
Ванадий	0,5-0,8
Ниобий	0,5-0,7
Молибден	0,25-1,0
Железо	Остальное

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам 2,5-3,5 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, точнее к сплавам для легирования стали, и может быть использовано при выплавке низко- и среднеуглеродистой высоколегированной стали.

Известен сплав для раскисления и легирования стали, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, редкоземельные металлы (РЭМ), железо, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Углерод - 0,1-3,0

Марганец - 6,5-30

Кремний - 6,5-30

Хром - 0,1-60,0

РЗМ - 0,1-6,0

Железо - остальное

Использование такого сплава для раскисления и легирования жидкой заготовки перед обработкой полученного полупродукта на АКОС приводит к увеличению продолжительности последующей обработки полупродукта на АКОС при выплавке низко- и среднеуглеродистой высоколегированной стали, например при выплавке стали 07Х12НМБФ (ЭП609) по ТУ 14-1-2918-80, содержащей, мас.%:

Углерод - 0,05-0,09;

Кремний - 0,60;

Марганец - 0,60;

Хром - 10,5-12,0;

Никель - 1,40-1,80;

Молибден - 0,35-0,50;

Ванадий - 0,15-0,25;

Ниобий - 0,05-0,15

Это объясняется тем, что при обработке на АКОС необходимо проводить легирование полупродукта молибденом, никелем и ниобием. Увеличение продолжительности обработки на АКОС приводит к увеличению расхода электроэнергии, нейтрального газа (аргона), снижает стойкость футеровки разливочного ковша, приводит к нарушению синхронизации по времени работы печи при выплавке жидкой заготовки (40-50 минут) и обработки полупродукта на АКОС (более 1 час).

Кроме того, при выплавке такого сплава ограничена возможность использования отходов высоколегированных марок стали в качестве шихты сплава.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является сплав для раскисления и легирования стали, содержащий углерод кремний, марганец, ванадий, хром, никель, ниобий, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,2-3,0

Марганец - 0,5-8,0

Кремний - 0,6-17,0

Хром - 10-40

Никель - 0,1-7,0

Ванадий - 3-10

Ниобий - 0,5-15

Железо - остальное

Благодаря содержанию в сплаве никеля и ниобия при его использовании для легирования жидкой заготовки получают полупродукт, частично легированный никелем и ниобием, что уменьшает продолжительность обработки на АКОС (SU 449974).

Однако при использовании такого сплава для выплавки высоколегированных сталей с повышенным содержанием хрома и содержащих молибден полученный полупродукт необходимо легировать молибденом и доводить "по хрому" до заданного содержания в готовой стали при обработке на АКОС, что увеличивает продолжительность обработки на АКОС и приводит к высокому расходу дорогого ферромолибдена.

Высокое содержание марганца в сплаве в сочетании с необходимостью использования марганца при выплавке жидкой заготовки не позволяет получать сталь с содержанием марганца в заданных пределах из-за вероятности восстановления его из шлака при последующей обработке полупродукта на АКОС.

Отсутствие вольфрама и молибдена не позволяет использовать в качестве шихты для сплава отходов молибден-вольфрамсодержащих сталей.

Высокое содержание ванадия приводит к повышенным потерям последнего при выплавке сплава, угару, пропитке футеровки плавильной печи ванадием. Высокое содержание ванадия приводит к снижению жидкоподвижности сплава, что в свою очередь увеличивает продолжительность перемешивания полупродукта при обработке его на АКОС.

Увеличение продолжительности обработки полупродукта на АКОС приводит к увеличению расхода электроэнергии, нейтрального газа (аргона), снижает стойкость футеровки разливочного ковша, приводит к нарушению синхронизации по времени работы печи при выплавке жидкой заготовки (40-50 минут) и обработки полупродукта на АКОС (более 1 час).

Задачей изобретения является разработка сбалансированного по химическому составу сплава, при выплавке которого в качестве шихты используются отходы высоколегированных сталей, содержащего раскисляющие и легирующие компоненты в количествах, исключающих их потери при выплавке сплава, экономии раскисляющих и легирующих компонентов. При этом обеспечивается достижение оптимально-минимальных продолжительности обработки жидкого полупродукта на АКОС, расхода электроэнергии, нейтрального газа, высокой стойкости футеровки разливочных ковшей.

Поставленная задача решается за счет того, что сплав для раскисления и легирования жидкой заготовки перед обработкой полученного полупродукта на АКОС при выплавке низко- и среднеуглеродистой высоколегированной стали, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, ниобий, железо, дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,15-0,35

Кремний - 2-3

Марганец - 0,25-0,40

Хром - 41-46

Никель - 1-3,2

Ванадий - 0,5-0,8

Ниобий - 0,5-0,7

Молибден - 0,25-1,0

Железо - остальное

Сплав может дополнительно содержать вольфрам 2,5-3,5 мас.%.

Содержание углерода в сплаве 0,15-0,35 мас.% обеспечивает гарантированное попадание в заданный марочный состав по углероду при выплавке низко- и среднеуглеродистой стали. Меньшее количество углерода в сплаве может привести к большим потерям раскисляющих (например, кремния), а также элементов, имеющих повышенное сродство к кислороду (например, ванадия, ниобия).

Содержание марганца в сплаве определяется его низким содержанием в готовой стали.

Содержание молибдена и никеля выбрано из условия получения жидкоподвижного сплава с пониженной температурой плавления. Верхний предел содержания молибдена и никеля определяется максимальным использованием отходов молибден-никельсодержащих сталей в качестве шихты при выплавке жидкой заготовки.

Введение в состав сплава молибдена и указанное соотношение компонентов позволяет использовать отходы высоколегированных сталей в качестве шихты сплава и отходов сталей, легированных никелем и молибденом в качестве шихты при выплавке жидкой заготовки, а также снижает количество вводимых в полученный полупродукт легирующих ферросплавов (ФХ, ФНб, ФМо, ФВо, ФВ, ФС) при доводке его на АКОС до заданных пределов в стали по химическому составу, что в свою очередь обеспечивает снижение продолжительности обработки на АКОС, увеличение стойкости футеровки разливочного ковша, снижение расхода электроэнергии и, следовательно, себестоимости выплавляемой стали.

Нижний предел состава компонентов в сплаве определен необходимым их количеством для получения полупродукта с химическим составом, близким к нижним пределам компонентов в марочном составе стали, с последующей корректировкой при обработке полупродукта на АКОС, обеспечивающей возможность получения экономно-легированной стали заданного химического состава.

Увеличение количества компонентов нецелесообразно, так как приведет к нерациональному расходу легирующих элементов.

Дополнительное введение в состав сплава вольфрама 2,5-3,5 мас.% позволяет расширить ассортимент выплавляемых сталей.

Пример. Выплавка стали 07Х12НМФБ (ЭП609)

Жидкую заготовку выплавляли в дуговой печи ДСП 60, укомплектованной трансформатором 40МВА, стеновыми газокислородными горелками, бункерной эстакадой для подачи материалов в печь, инжектором для вдувания угдеродсодержащего материала для вспенивания и самопроизвольного удаления шпака из печи через рабочее окно.

В качестве шихтующих использовали отходы легированной стали 15Х1М1Ф, 12Х2Н4А по 10 т, лом углеродистой стали, всего в завалку расход металлошихты - 45 т.

Химический состав жидкой заготовки перед выпуском, %:

Углерод - 0,03

Марганец - 0,20

Кремний - следы

Фосфор - 0,014

Сера - 0,016

Медь - 0,18

Никель - 1,02

Молибден - 0,22

Железо - остальное

Температура жидкой заготовки перед выпуском - 1670°С.

Жидкий раскисляющий и легирующий сплав выплавляли в электродуговой печи ДСП 12 с рабочим пространством, выполненным из основных огнеупоров. В качестве шихтующих материалов использовали низкоуглеродистый феррохром, отходы стали ЭП609, ферросилиций 45%, ферромолибден и никель - в завалку; феррованадий и феррониобий вводили в печь ДСП 12 после полного расплавления всех шихтующих материалов и наведения шлака. Масса сплава 14-15 т.

Химический состав сплава, мас.%:

Углерод - 0,15

Марганец - 0,25

Кремний - 2,00

Хром - 41,00

Никель - 3,20

Молибден - 1,00

Ванадий - 0,80

Ниобий - 0,50

Железо - остальное

Температура сплава - 1630°С.

За 15 минут до выпуска жидкой заготовки из печи ДСП 60 сплав сливали из печи ДСП 12 в промежуточный ковш емкостью 20 т. После этого из промежуточного ковша сплав переливали в разливочный ковш емкостью 65 т предварительно нагретый до 950°С, который вместе с жидким сплавом подавали под эркерное отверстие печи ДСП 60 и сливали в него жидкую заготовку из печи ДСП 60. При этом в разливочном ковше получали полупродукт, который передавали для последующей обработки на АКОС до получения стали заданных параметров и необходимого качества.

Химический состав полупродукта до обработки его на АКОС, мас.%:

Углерод - 0,07

Марганец - 0.30

Кремний - 0,28

Фосфор - 0,015

Сера - 0,015

Хром - 10,2

Никель - 1,45

Молибден - 0,42

Ванадий - 0,15

Ниобий - 0,10

Медь - 0,16

Железо - остальное

При выплавке вольфрамсодержащей стали, например 15Х12Н2МВФАБ (ЭП 517) по ТУ 14-1-2902-80 следующего состава, мас.%:

Углерод - 0,13-0,18

Марганец 0,50

Кремний 0,50

Хром - 11,0-12,5

Никель - 1,70-2,10

Молибден - 1,35-1,65

Ванадий - 0,18-0,30

Вольфрам - 0,65-1,0

Ниобий - 0,20-0,35

Железо - остальное

использовали сплав, дополнительно содержащий вольфрам. В этом случае с целью экономии вольфрама сплав шихтовали отходами стали ЭП 517.

Химический состав сплава, мас.%:

Углерод - 0,20

Марганец - 0,25

Кремний - 2,10

Хром - 41,00

Никель - 3,20

Молибден - 0,80

Ванадий - 0,80

Ниобий - 0,70

Вольфрам - 3,50

Железо - остальное

Температура сплава - 1640°С.

Этим сплавом раскисляпи и легировали жидкую заготовку, а полученный при этом полупродукт обрабатывали на АКОС аналогично описанному выше.

Химический состав полупродукта до обработки его на АКОС, мас.%:

Углерод - 0,14

Марганец - 0,40

Кремний - 0,36

Фосфор - 0,018

Сера - 0,022

Хром - 11,5

Никель - 1,82

Модель - 1,49

Ванадий - 0,22

Ниобий - 0,24

Вольфрам - 0,82

Железо - остальное

В таблице 1 представлены результаты плавок стали ЭП609 (07Х12НМФБА) с использованием сплава:

вариант 1 - принятого за прототип. Масса сплава ограничена 5300 кг, из-за высокого содержания в сплаве V=3%, что обеспечило получение заданного химического состава стали по ванадию на верхнем пределе марочного состава;

варианты 2-4 - предлагаемый сплав, масса сплава 14000-15000 кг;

вариант 5 - сплава с содержанием компонентов ниже заявляемых пределов;

вариант 6 - выше заявляемых пределов.

Как видно из таблицы 1, при плавке с использованием сплава, принятого за прототип (вариант 1), по сравнению с предлагаемым сплавом (варианты 2-4) увеличивается расход раскисляющих и легирующих компонентов на 3-6%, продолжительность обработки полученного полупродукта на АКОС в 1,7 раза, расход электроэнергии на 14,2% и расход аргона на 50%.

При плавке с использованием сплава с содержанием компонентов ниже заявляемых пределов (вариант 5), несмотря на максимальный расход отходов стали ЭП 609, требуются высокие расходы феррохрома, феррониобия из-за низкого содержания углерода, кремния в сплаве, а также большой продолжительности обработки на АКОС. Кроме того, высокое содержание оксидов хрома, ванадия, ниобия в покровном шлаке на АКОС приводит в сравнении с вариантами 2-4 к повышению расхода ферросилиция (ФС45) на 10-15%, феррохрома на 0,8-1%, а также повышению продолжительности обработки полупродукта на АКОС на 4-8 минут, повышению расхода электроэнергии на ˜5%, аргона - до 20%.

При плавке с использованием сплава с содержанием компонентов выше заявляемых пределов (вариант 6) в сравнении с вариантами 2-4 требуется повышенный расход раскисляющих и всех легирующих на ˜3% из-за низкого расхода отходов стали ЭП 609. Необходимость введения в полученный полупродукт большого количества легирующих элементов при обработке на АКОС повышает продолжительность обработки полупродукта на АКОС, увеличивает расход электроэнергии и аргона.

Кроме того, повышенное содержание в сплаве углерода 0,36% приводит к получению стали с содержанием углерода до 0,17-0,18% вместо заданного (0,05-0,09%).

Также следует отметить, что вариант 2 имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению с вариантами 3 и 4, а именно меньшие расходы феррохрома, ферромолибдена, феррониобия. никеля, меньшую продолжительность обработки на АКОС и меньший общий расход электроэнергии, аргона и, следовательно, меньшую себестоимость полученной стали.

В таблице 2 представлены результаты плавок стали ЭП517 (15Х12Н2МВФАБ) с использованием сплава:

вариант 1 - принятого за прототип, масса сплава ограничена 5300 кг из - за высокого содержания в сплаве V=3%, что обеспечило получение заданного химического состава стали по ванадию на верхнем пределе марочного состава Для заданного состава сплава при его выплавке введены соответствующие ферросплавы и отходы стали 12Х2Н4А ˜1300 кг);

варианты 2-4 - заявляемого сплава, масса сплава 14000-15000 кг;

вариант 5 - сплава с содержанием компонентов ниже заявляемых пределов, кроме вольфрама, содержание которого превышает заявляемые пределы, масса сплава 14000-15000 кг;

вариант 6 - сплава с содержанием компонентов выше заявляемых пределов, кроме вольфрама, содержание которого ниже заявляемых пределов, масса сплава 14000-15000 кг;

В вариантах 2-6 (таблица 2) при выплавке стали ЭП517 были использованы сплавы, в которых использовали отходы стали ЭП517 (содержащие W-0,8%, Ni-1,85%, Mo-1,50%, V-0,25%, Nb-0,25%).

Как видно из таблицы 2, при плавке с использованием сплава, принятого за прототип (вариант 1), по сравнению с предлагаемым сплавом (варианты 2-4) увеличивается расход раскисляющих и легирующих компонентов: феррохрома - на 10-20%, ферромолибдена - на 3-5%, феррованадия на 1,5-9%, феррониобия - 2,5-6%, ферровольфрама - 1,5-6%, ферросилиция - до 6%, увеличивается продолжительность обработки полученного полупродукта на АКОС в ˜2 раза, расход электроэнергии и аргона ˜2 раза.

При проведении плавки с использованием сплава (вариант 5) в сравнении с вариантами 2-4 продолжительность обработки полупродукта на АКОС увеличивается на ˜2%, что приводит к увеличению расхода электроэнергии на ˜3%, аргона на ˜7%.

При проведении плавки с использованием сплава (вариант 6) в сравнении с вариантами 2-4 увеличивается расход феррохрома на ˜6%, ферромолибдена - на ˜0,3-7%, ферровольфрама ˜2-10%, феррониобия ˜ 2-10%. Также выявлено увеличение: продолжительности обработки полупродукта на АКОС на 6-7 минут, расхода аргона на 0,6 л/т, электроэнергии на 0,16 кВт·ч/т, что объясняется минимальным расходом отходов стали ЭП517 для выплавки сплава и необходимостью введения большего количества материалов на АКОС.

Также следует отметить, что вариант 2 имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению с вариантами 3 и 4, а именно меньшие расходы феррохрома, ферромолибдена, феррониобия, никеля, меньшую продолжительность обработки на АКОС и меньший общий расход электроэнергии, аргона и, следовательно, меньшую себестоимость полученной стали. Это объясняется использованием большего количества отходов стали ЭП517 для выплавки сплава.

Таким образом, использование предлагаемого сплава позволяет при его выплавке в качестве шихты использовать отходы высоколегированных сталей, содержащих раскисляющие и легирующие компоненты в количествах, исключающих их потери при выплавке сплава, и экономить раскисляющие и легирующие компоненты. При этом обеспечивается достижение оптимально-минимальных продолжительности обработки жидкого полупродукта на АКОС, расхода электроэнергии, нейтрального газа, высокой стойкости футеровки разливочных ковшей.

Таблица 1 Результаты плавок стали ЭП609 (07Х12НМФБА) с использованием жидкого раскисляющего и легирующего сплава.
№ вар.	Соотношение компонентов в сплаве, мас.%:								Расход высоколегированных отходов и легирующих, кг/т (сплав+ж. заготовка+АКОС)							Прод. обраб. на АКОС	Расход эл/эн, кВт.ч/т (ДПС12 + ДПС60 + АКОС)	Расход аргона, л/т
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Nb	Отх. ЭП609	ФХ	ФМо	ФВо	ФНб	ФС45	Ni
1	0,2	11	0,50	40	1,0	-	3,0	0,5	-	171	422	3,75	2,11	13,35	8,5	140	82,5+450+180=712,5	620
2	0,15	2,0	0,25	41	1,0	0,25	0,5	0,5	86,7	153	3,62	3,42	1,94	12,5	7,4	78	164+390+60=616	300
3	0,20	2,5	0,30	42	2,5	0,80	0,63	0,6	66,7	157	3,63	3,41	1,95	12,75	7,5	82	164+395+65=624	330
4	0,25	3,0	0,35	46	3,2	1,0	0,8	0,7	44	151	3,65	3,40	1,97	12,9	7,6	78	170+390+60=620	300
5	0,12	1,8	0,20	39	0,8	0,20	0,4	0,4	100	163	3,70	3,44	2,00	14,5	7,3	86	170+395+80=645	370
6	0,36	3,1	0,42	47	3,5	1,1	0,85	0,75	13,6	166	4,1	3,62	2,08	15,0	7,8	86	165+400+80=645	370

Таблица 2 Результаты плавок стали ЭП517 (15Х12ЮМВФАБ) с использованием исходного раскисляющего и легирующего сплава.
№ вар.	Содержание компонентов в сплаве, %									Расход высоколегированных отходов и легирующих, кг/т (сплав + ж. Заготовка + АКОС)									Прод. обряб. на АКОС	Расход эл/эн, кВт.ч/т (ДПС12 + ДПС60 + АКОС)	Расход аргона, л/т
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Nb	W	Отх. ЭП517	ФХ 005	ФХ 015	ФМо	ФВо	ФШ	ФВ	ФС45	Ni
1	0,30	0,5	11	40	1,0	-	3,0	0,5	-	-	100	82,3	22,22	6,45	2,85	12,14	13,8	11,1	160	85+450+200=735	660
2	0,20	0,25	2,1	41	3,2	1,00	0,8	0,7	3,5	65	100	46	20,65	5,94	2,55	11,40	13,3	10,99	80	165+400+63=628	315
3	0,27	0,30	2,5	43	2,0	0,50	0,65	0,6	3,0	50	60	83	21,15	6,24	2,65	11,56	13,5	11,24	83	165+4004+64=629	320
4	0,35	0,35	3,0	46	1,0	0,25	0,5	0,5	2,5	33	80	89,1	21,60	6,35	2,74	11,96	13,7	11,54	84	165+400+65=630	325
5	0,15	0,40	1,8	39	0,8	0,20	0,4	0,4	3,7	33	40	129,1	21,60	6,37	2,75	12,00	13,75	11,54	87	175+400+67=642	345
6	0,37	0,43	3,1	49	3,5	1,10	0,9	0,8	2,0	10	121	40	22,2	6,40	2,82	12,05	13,6	11,61	86	170+400+68=638	340