способ электрошлакового переплава высоколегированной нержавеющей стали

Формула изобретения

1. Способ электрошлакового переплава высоколегированной нержавеющей стали, включающий наведение шлаковой ванны, переплав расходуемого электрода и формирование слоя реагентов на границе шлак-металл из элементов, образующих зону термохимического синтеза, с расходом реагентов 5-30% от массы переплавляемого электрода, отличающийся тем, что из элементов, образующих зону термохимического синтеза, формируют металлонитридный слой реагентов путем введения по крайней мере одного реагента из группы, включающей азотированный хром, азотированный марганец, и из группы, включающей металлический цирконий, металлический гафний, и дополнительного введения инокулятора в виде нитрида циркония и/или нитрида гафния в количестве 0,01-1,0% от массы вводимых реагентов, формирующих металлонитридный слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нитрид циркония и/или нитрид гафния вводят в виде наноразмерного порошка.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что металлонитридный слой реагентов формируют путем переплава дополнительного электрода, содержащего порошки реагентов, формирующих металлонитридный слой, и упомянутый инокулятор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для производства высоколегированной нержавеющей стали.

Известен способ электрошлакового переплава, включающий создание в рабочем пространстве печи избыточного давления азота, плавление расходуемого электрода и введение по ходу переплава нитридов. Плавление периодически переводят из режима сопротивления в верхний дуговой режим и дополнительно непрерывно вводят азотированный металлический материал на основе легирующих элементов переплавляемого сплава, при этом нитриды вводят в шлак в период плавления в верхнем дуговом режиме.

Недостатком указанного способа является то, что нитриды вводят в шлак в период плавления в верхнем дуговом режиме, который характеризуется температурой 4000-10000°С, при которой происходит диссоциация нитридов в дуге и испарение азота и металлического компонента в атмосферу печи, что существенно снижает эффективность легирования азотом, нитридами и легирующими элементами переплавляемого металла.

Наиболее близким по технической сущности является способ электрошлакового переплава, включающий наведение шлаковой ванны, переплав расходуемого электрода и формирование слоя реагентов на границе шлак-металл (RU 2026386 C1, C22B 9/18, 09.01.1995).

Задачей изобретения является получение нержавеющей стали с повышенным содержанием азота и равномерно распределенных в ней нитридных фаз, обеспечивающих повышение физико-механических свойств металла.

Указанная задача достигается тем, что в способе электрошлакового переплава, включающем наведение шлаковой ванны, переплав расходуемого электрода и формирование слоя реагентов на границе шлак-металл из элементов, образующих зону термохимического синтеза, с расходом реагентов 5-30% от массы переплавляемого электрода, формируют металлонитридный слой реагентов, образующих зону термохимического синтеза, путем введения по крайней мере одного реагента из группы азотированный хром, азотированный марганец и из группы металлический цирконий, металлический гафний, и дополнительно вводят инокулятор нитрид циркония и (или) нитрид гафния в количестве 0,01-1% от массы вводимых реагентов, формирующих металлонитридный слой.

Кроме того, нитрид циркония и (или) нитрид гафния вводят в виде наноразмерного порошка.

Целесообразно слой реагентов, образующих зону термохимического синтеза, наводить путем переплава дополнительного электрода, содержащего порошки реагентов, формирующих металлонитридный слой и инокулятор.

Формирование металлонитридного слоя реагентов, образующих зону термохимического синтеза, позволяет непосредственно в процессе переплава расходуемого электрода образовать за счет прохождения экзотермической реакции между азотированным хромом и (или) азотированным марганцем и металлическими цирконием и (или) металлическим гафнием нитриды циркония и (или) нитриды гафния. Нитриды циркония и (или) нитриды гафния частично растворяются, что позволяет вводить азот в металл по ходу переплава без потерь. Подаваемые в зону термохимического синтеза наноразмерные частицы нитрида циркония и (или) нитрида гафния являются центрами зарождения термохимических реакций между азотом и металлическими цирконием и гафнием, которые могут быть затруднены в связи с ограниченным количеством времени формирования слоя реагентов. Таким образом, переплавляемый металл содержит оптимальное количество растворенного азота, который приведет к получению азотистого аустенита, а образовавшиеся тугоплавкие мелкодисперсные нитриды циркония и нитриды гафния способствуют модифицированию переплавляемого металла, что приводит к измельчению аустенитного зерна и значительному повышению физико-механических свойств. При введении в формируемый металлонитридный слой менее 0,01% инокуляторов от массы вводимых реагентов, формирующих слой, образовавшихся в процессе реакции тугоплавких мелкодисперсных нитридов циркония и (или) нитридов гафния может быть недостаточно, поэтому возможна крупнозернистая структура металла и снижение его прочностных свойств.

При введении в формируемый металлонитридный слой более 1% инокуляторов от массы вводимых реагентов, формирующих слой, возможно избыточное образование нитридов циркония и (или) нитридов гафния, которые, располагаясь по границам зерна, приведут к снижению ударной вязкости.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности легирования переплавляемого металла азотом с одновременным измельчением аустенитного зерна, что приводит к повышению физико-механических свойств металла.

Реагенты для образования металлонитридного слоя подают в процессе переплава непосредственно на шлаковую ванну путем введения в расходуемый электрод или посредством одновременного переплава дополнительного электрода, содержащего указанные реагенты. В процессе переплава наличие металлонитридного слоя на границе шлак-металл можно контролировать методом зондирования.

Пример 1

В открытой индукционной печи получали электроды диаметром 40 мм и весом 12 кг нержавеющей стали типа ЭП878 с содержанием хрома 18%, марганца 10% и азота 0,33%. Электрошлаковый переплав электродов проводили на печи ЭШП-025 в кристаллизаторе диаметром 90 мм на флюсе АНФ6 при напряжении 46 В и токе 3000 А. Одновременно с основным электродом переплавляли дополнительный электрод-картридж, содержащий равномерно по высоте расположенные порошки азотированного хрома, азотированного марганца, металлического циркония, металлического гафния, нитрида циркония, нитрида гафния в различных соотношениях. Порошки азотированных хрома и азотированного марганца были получены методом СВС и содержали соответственно 20% и 10% азота. Порошки инокуляторов нитрида циркония и нитрида гафния были дополнительно диспергированы до наноразмерного состояния в планетарной мельнице. Расчет азотированного хрома и азотированного марганца проводился по разнице между содержанием хрома и марганца в переплавляемом электроде и получаемой марке стали типа ВНС-53. Содержание металлического циркония и металлического гафния определяли относительно количества вводимых в металлонитридный слой ингредиентов азотированного хрома и азотированного марганца по стехиометрии. Содержание инокуляторов рассчитывалось в количестве 0,01-1% от массы вводимых азотированного хрома и азотированного марганца, и металлического циркония, металлического гафния. По ходу переплава вводили от 5-30% ингредиентов, формирующих металлонитридный слой от массы переплавляемого слитка. Наличие металлонитридного слоя контролировали в процессе переплава методом зондирования. В результате был получен слиток стали типа ВНС-53 с повышением содержания хрома до 20%, марганца до 11%, азота до 0,53-0,45%.

Для сравнения проводили ЭШП электрода вышеуказанного состава в соответствии со способом-прототипом.

Результаты приведены в таблице.

Предлагаемый способ электрошлакового переплава высоколегированной нержавеющей стали позволяет повысить содержание азота в переплавляемом металле и измельчить зерно аустенита.

Таблица
Параметры ЭШП и свойства полученной стали
№ п/п	Вводимые реагенты	Расход реагентов, формирующих металлонитридный слой, в % от массы переплавляемого слитка	Расход инокулятора в % от массы реагентов, формирующих металлонитридный слой	Повышение содержания азота в переплавляемом металле	Предел прочности в, МПа	Предел текучести т, МПа	Ударная вязкость KCV,
1.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония	5	0,01	0,15	1800	1350	78
2.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония	5	1,00	0,16	1850	1370	77
3.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония	30	0,01	0,20	1900	1500	72
6.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония	30	1,00	0,21	1910	1520	70

Продолжение таблицы
7.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния	5	0,01	0,14	1790	1340	80
8.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния	5	1,00	0,15	1800	1360	79
9.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния	30	0,01	0,21	1890	1480	75
10.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид гафния	30	1,00	0,22	1900	1490	74
11.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония	5	0,01	0,16	1850	1370	77
12.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония	5	1,00	0,17	1860	1380	76

Продолжение таблицы
13.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония	30	0,01	0,19	1900	1500	73
14.	Азотированный хром, азотированный марганец, цирконий, гафний, нитрид циркония	30	1,00	0.20	1910	1520	72
15.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид циркония, нитрид гафния	5	0,001	0,05	1500	1100	60
16.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, нитрид циркония, нитрид гафния	30	0,001	0,06	1510	1150	60
17.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния	5	1,10	0,20	1900	1450	20

Продолжение таблицы
18.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния	30	0,01	0,16	1930	1500	71
19.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния	30	1,00	0,17	1950	1510	79
20.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния	30	1,10	0,20	1890	1440	21
21.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния, нитрид циркония	5	0,01	0,17	2000	1550	70
22.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния, нитрид циркония	5	1,00	0,18	2005	1550	71

Продолжение таблицы
23.	Азотированный хром, азотированный марганец, гафний, цирконий, нитрид гафния, нитрид циркония	30	0,01	0,22	2100	1570	72
24.	Азотированный марганец, цирконий, нитрид циркония	30	1,00	0,23	2100	1570	70
25.	Азотированный хром, цирконий, нитрид циркония	30	0,01	0,21	2080	1570	72
26. Прототип	Азот	-	-	0,03	1300	900	20