способ внепечной обработки стали кальцием
Классы МПК: | C21C7/00 Обработка расплавленных ферросплавов, например стали, не отнесенная к группам 1/00 |
Автор(ы): | Шешуков Олег Юрьевич (RU), Некрасов Илья Владимирович (RU), Ермакова Валентина Петровна (RU), Маршук Лариса Александровна (RU), Егиазарьян Денис Константинович (RU), Лапин Максим Владимирович (RU), Шаманов Александр Николаевич (RU), Коврижных Александр Владимирович (RU), Акчибаш Антон Олегович (RU), Шведов Дмитрий Павлович (RU), Токарев Андрей Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-04-10 публикация патента:
10.12.2014 |
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам внепечной обработки стали кальцием. Сталь выпускают из сталеплавильного агрегата в ковш, подавая в него раскислители, легирующие и шлакообразующие материалы, а также кальцийсодержащий материал, и продувают нейтральным газом. В качестве кальцийсодержащего материала используют сплав кальция с кремнием, подаваемый в ковш с расходом, обеспечивающим ввод на 1 тонну стали кальция 270-310 г при температуре стали, превышающей температуру ликвидус (Тл) на 120- 200°C. Изобретение позволяет повысить технологичность стальных слитков за счет повышения пластичности стали, стабилизировать процесс разливки вследствие улучшения способности расплава стали переохлаждаться и снижения содержания в ней неметаллических включений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Формула изобретения
1. Способ внепечной обработки стали кальцием, включающий выпуск стали из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, подачу в ковш раскислителей, легирующих и шлакообразующих материалов, а также кальцийсодержащего материала, продувку стали в ковше нейтральным газом, отличающийся тем, что в качестве кальцийсодержащего материала используют сплав кальция с кремнием, который подают в ковш с расходом, обеспечивающим ввод на 1 тонну стали кальция 270-310 г при температуре стали, превышающей температуру ликвидус (Тл) на 120-200°C.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют сплав кальция и кремния марки СК30 в количестве 0,9-1,0 кг на 1 тонну стали.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам внепечной обработки стали.
Известен способ внепечной обработки стали кальцием, включающий выпуск стали из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, подачу в ковш раскислителей, легирующих и шлакообразующих материалов в виде кальцийсодержащих материалов и продувку стали в ковше нейтральным газом. В качестве кальцийсодержащего материала используют порошковую проволоку с комбинированным наполнителем, состоящим из механической смеси силико-кальция СК15 и металлического кальция в количестве 0,3-1,0 кг/т из расчета получения содержания кальция в металле 0,0012-0,0040%. Продувку стали осуществляют аргоном с суммарным расходом 0,2-0,5 л/(т·мин) продолжительностью 7-10 мин (Патент РФ 2461635, МПК С21С 7/04. Способ внепечной обработки стали кальцием, опубликовано 20.09.2012). Основным техническим результатом данного способа является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям.
Существенными недостатками данного способа являются:
- критерием эффективности модифицирования выбран широкий интервал содержания кальция в стали (0,0012-0,0040%). Этот критерий некорректен, поскольку он характеризует не столько количество растворенного в металле кальция, сколько содержание в нем включений, так как из-за высокого сродства к кислороду и сере кальций в стали, в основном, входит в состав оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений. Для использования содержания кальция в стали в качестве критерия эффективности модифицирования необходимо учитывать его распределение по металлической, оксидной и сульфидным фазам, чего нет в прототипе, и что чрезвычайно трудно обеспечить на практике;
- не учитывается важнейший технологический фактор - температура стали во время ввода кальцийсодержащего материала. Нами установлено, что при снижении температуры при вводе кальция ниже (Тл+120°C), где Тл - температура ликвидус стали, эффект модифицирования может не проявляться совсем, а при повышении более (Тл+120°C) эффект модифицирования почти монотонно растет с повышением температуры. Кроме того, с ростом температуры расширяется концентрационная область существования жидких продуктов раскисления, в том числе алюминатов кальция, что способствует лучшему удалению неметаллических включений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности модифицирования стали кальцием, приводящее к улучшению технологичности стальных слитков за счет повышения пластичности стали, улучшение «разливаемости» стали вследствие улучшения способности стали переохлаждаться и снижения содержания в ней неметаллических включений.
Для достижения указанного результата предлагается в способе внепечной обработки стали кальцием, включающем выпуск стали из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, подачу в ковш раскислителей, легирующих и шлакообразующих материалов, а также кальцийсодержащего материала, продувку стали в ковше нейтральным газом, согласно изобретению в качестве кальцийсодержащего материала используют сплав кальция с кремнием, подаваемый в ковш с расходом, обеспечивающим ввод на 1 тонну стали 270-310 г кальция, и при температуре стали, превышающей температуру ликвидус (Тл) на 120-200°C.
При этом можно использовать сплав кальция и кремния марки СК30 в количестве 0,9-1,0 кг на тонну стали.
В качестве контролирующих параметров при осуществлении способа учитывалось, что эффект модифицирования, который приводит к повышению технологичности слитка, определяется не только содержанием в металле неметаллических включений, но и пластичностью металлической матрицы, зависящей от структурного состояния расплава стали перед кристаллизацией. Поэтому в качестве критерия эффективности модифицирования выбрана способность стали переохлаждаться, которая одновременно определяется двумя важнейшими факторами: содержанием в стали включений, играющих роль подложек, и наличием в структуре расплава атомных ассоциаций - кластеров, снижающих образование зародышей критического размера. Атомные ассоциации представляют собой объемы локального упорядочения, в пределах которых строение жидкости во многом подобно строению твердого тела. Атомные ассоциации, в основном, являются структурами, посредством которых протекают процессы распределения легирующих элементов и примесей в структурах ближнего порядка железа. Таким образом, жидкая сталь в течение некоторого времени после расплавления, а также введения легирующих и раскислителей представляет собой неоднородную микроэмульсию, состоящую из локальных объемов, отличающихся друг от друга по химическому составу и структуре ближнего порядка, даже если на макроуровне фиксируется полное расплавление шихты и ферросплавов. Уровень однородности расплава влияет на степень переохлаждения стали, поскольку наличие группировок атомов снижает работу образования зародыша критического размера. В свою очередь, сталь, способная к большему переохлаждению, кристаллизуется с образованием более дисперсных структур, что приводит к повышению механических свойств металла. Таким образом, большая величина переохлаждения соответствует большей чистоте стали по включениям и более благоприятной микрооднородной структуре расплава стали, и поэтому является комплексным критерием эффективности модифицирования стали. Кроме того, обнаружение в отложениях сталеразливочных стаканов помимо включений и затвердевшей при разливке металлической фазы свидетельствует о том, что способность металла к переохлаждению влияет и на разливаемость стали.
Указанный технический результат достигается тем, что важнейшие параметры технологии модифицирования (температура и расход кальция) подобраны, исходя из экстремального характера их влияния на переохлаждение стали. Заявленная температура ввода и расход кальцийсодержащего материала выбраны из следующих предпосылок опытным путем.
Расход кальцийсодержащего сплава, обеспечивающего ввод 270-310 грамм кальция на 1 тонну стали, определен из результатов исследования влияния расхода кальция на величину переохлаждения модельного расплава железа с углеродом (рис.1).
Температура, при которой необходимо вводить кальцийсодержащий материал, определена при исследовании влияния температуры нагрева стали на ее способность к переохлаждению (рис.2). Из данных исследований следует, что ввод оптимального количества кальция приводит к снижению температуры распада атомных ассоциаций с температур (Тл+270°C) до (Т л+120°C). При этом превышение температур над Т л в модифицированной стали более чем на 120°C приводит к практически линейному росту переохлаждения, то есть к монотонному повышению эффекта модифицирования. Нагрев же до температур ниже порогового значения, с которого начинается распад кластеров, не приводит к повышению степени переохлаждения.
Таким образом, традиционная практика ввода кальцийсодержащих сплавов, согласно которой их вводят в сталь на завершающей стадии ее обработки, практически перед разливкой, т.е. при температурах, превышающих Тл всего на 60-80°C, не позволяет полностью раскрыть потенциал кальция как модификатора. Кроме того, установлено, что с повышением температуры расширяется концентрационная область существования жидких продуктов раскисления, в том числе алюминатов кальция и сульфидов, что способствует более эффективному удалению включений (рис.3).
Заявляемый способ внепечной обработки стали кальцием был реализован в электросталеплавильном цехе при выплавке более 100 плавок наиболее браконесущих (в том числе 42CrMo4V, CK45 и других) марок стали. Выплавка металла производилась в ДСП-60, его рафинирование, раскисление и легирование на агрегате «ковш-печь», при этом после получения требуемого химического состава производили обработку металла порошковой проволокой из сплава кальция и кремния марки СК30 с расходом 0,9-1,0 кг/т, обеспечивающим ввод в сталь 270-310 грамм кальция на 1 тонну стали, при температуре, превышающей Тл стали на 130-200°C, и продувке металла нейтральным газом.
В результате реализации предлагаемого способа существенно улучшилась разливаемость стали, снизилось в 2-4 раза общее количество включений в стали различных марок (рис.4), уровень брака ультразвукового контроля поковок, произведенных из наиболее браконесущих марок, снизился с 47 до 6%.
Класс C21C7/00 Обработка расплавленных ферросплавов, например стали, не отнесенная к группам 1/00