Способ получения стали и сплавов

Сеюз Советскиа Социалистических РеспубйииОПИСАЛЙЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ е к авт, свил-в 22) Заявлено 2604.76 (21) 2352910/2 52 ением аай венный коивтетСсрм нзобретенийоткрытий иоритет по,П дового Красного Знаменкий институт онецкий ордеполитех ПОСОБ ПОЛУЖНИЯ СТАЛИ И СПЛАВО жание углерода снижается до необходимых пределов 11).Недостатком описанных способовполучения сталей, основанных на кислородном обезуглероживании чугуна,является низкое качество слитков,обусловленное повышенным содержаниемкислорода в металле. При кристаллизации и охлаждении слитков вследствие ликвидации кислорода образуются окислы (СО, Ип 0, 51 О, А 8 Оит.д.), выделяющиеся в виде газообразной, жидкой или твердой фазы.В результате в металле создаются пустоты и поры или он чрезмерно загрязняется окисными включениями. Кромеэтого, в полученных иэ углеродистойшихты слитках не удается снизить содержание водорода и азота. Все этоможет явиться причиной плохой деформируемости в горячем состоянии, пониженной пластичности (особенно низкойударной вязкости), окрупчиниванияи результате старения стали при ее .эксплуатации,Наиболее близким по техническойсущности к предложенному являетсяспособ лучения стали иэ углеродисв дуговых электропечах, эася в том, что для снижейия Изобретение относится к черной металлургии и может быть использова-, но для получения качественных сталей и сплавов.При производстве сталей и сплавов иэ углеродсодержащей шихты современными способами обеэуглероживания 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 пери в расплаве протекают физико-химические реакции, основнюя из которых являются: од ф жается содерес,Ъ) дох определенторный аключаю струей ионнойпро- одерпо той шихты ключающий 1.О 1 СС 1= )Со)201+с 1 =соЗа счет окисления снижанне углерода (от 4-6 впределов, соответствующиным маркам сталей.Известен кислородно-конверспособ производства сталей, зщийся в продувке кислороднойванны жидкого чугуна. В реакцзоне протекают окислительныецессы, в результате которых с 1 Сеоц 65572 Ъсодержания углерода на металлическую 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 23.Добавочноемагнитное поле при работе электросталеплавильной,печи создает механические силы, действующие на электрический ток в дуге и в жид О ком металле. Механические силы, обусловленные взаимодействием магнитного поля и электрического тока, проходящего через расплав, приводят в движение металлическую ваннУВ Резуль- (6 тате перемешивания физико-химические процессы протекают более интенсивно и ка ество слитков несколько улучшается.недостатками известного способа являются развитие осевой пористости, грубой углеродной ликвации и образование зон повышенной травнмости, обогащенных серой, кислородом иуглеродом. 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 30 существуют углеродные ассоциации, средний размер которых по нашим данным составляет 20-150 А. Углеродные ассоциации соответствуют структуре графита и сохраняют физические и 35 химические свойства последнего. Электронно-микроскопические исследования показали, что углеродные ассоциации входят в состав расплава системы СаГ - АВ Оз с содеРжанием Угле рода 0,1 вес.Ъ, Расплава особочистого карбонильного железа (содержание углерода 0,0027 вес.Ъ)р а также в расплавы систем на основе железа с содержанием, углерода 0,07; 0,16;45 0,20 у О,ЗОу 0,60 и более вес.Ъ.Хотя в результате окислительного обезуглероживания и удается уменьшить содержание углерода и количество 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 дробятся углеродные ассоциации, также не может полностью устранить существование ассоциаций. Это связано с тем, 9) что энергия связи между атомами углерода, входящими в ассоциации, очень велика, и поэтому углеродные ассоциации являются прочными соединениями.Кроме того, углеродные ассоциации, сохраняя свойства кристаллов графита,обладают диамагнитными магнитно-анизотропными свойствами. Магнитная восприимчивость кристаллов графита вдольслоев в 44 раза больше (алгебраически)восприимчивости вдоль гексагональнойоси. При наложении магнитного поляна расплав, содержащий магнитно-анизотропные ассоциации углерода, ассоциации будут ориентироваться плоскостью базиса (слоев) вдоль магнитныхсиловых 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 техучастках расплава, где напряженностьмагнитного поля минимальна. В результате этого при выплавке стали известным способом осевая часть расплава,находящаяся в магнитном поле с минимальной напряженностью будет иметь,1повышенное содержание углерода, находящегося в виде крупных углеродныхассоциаций Размером (1-5)104 Б. Вэтих же участках расплава будут концентрироваться Й вредные примеси,такие как сера, кислород, азот, водород и т,д., которые блокируют поверхностные слои кристаллов графита иливходят в свободные межслоевые пространства кристаллов. Это подт-ерждено электронно-микроскопическими иследованиями дефектов в слитках различных марок доэвтектоидных сталей ссодержанием углерода от 0,08 до0,35 вес.Ъ. Как правило, в техучастках 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 сниженияколичества химических неравномерностей, обусловленных существованием врасплавах углеродных ассоциаций.Целью изобретения является ,бескислородное обезуглероживание углеродсоцержащих материалов, снижение содержания вредных примесей и получение химически равномерного расплава.Поставленная. 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 101000 э/см направлен вдоль оси расплаваПри наложении ориентированного маг"нитного поля на расплав, содержащийдиамагнитные магнитно-анизотропныеассоциации углерода, происходит ориентация ассоциаций плоскостью базиса(в силу анизотропности) вдоль магнитных силовый линий, объединение,укрупнение и удаление их (в силу диамагнитизма) в те учаутки расплава,где напряженность магнитного поля минимальна, т,е. в направлении, противоположном ингредиенту напряженности.В этих же участках расплава, гдескапливаются углеродные ассоциации,будут концентрироваться и вредные15примеси (водород, азот, кислород,сера и т,д,), способные блокироватьповерхностные слои кристаллов графита или входить в межслоевые свободные пространства кристаллов. В 20результате наложения на расплавмагнитного поля достигается обеднение углеродом (бескислородноеобезуглероживание) части расплава,находящейся в магнитном поле с максимальной напряженностью, рафинирование от вредных примесей, а такжеполучение расплава, характеризующегося равномерным распределением углерода. 30На основании опытных данных установлено, что обезуглероживание расплава и рафинирование от вредныхпримесей тем интенсивнее, чем выше напряженность магнитного поля,причем верхним пределом напряженности можно принять технически достижимую величину, поддержание которой обеспечивается в течение всего времени обработки расплава магнитным полем, В настоящее время за такую40величину может быть принята напряженность 15000 э.При подобной обработке углеродсодержащих расплавов, включающей обезуглероживание и рафинирование от 45вредных примесей, возможно перемещение магнитного поля вдоль оси расплава со скоростью 2-30 см/мин в направлении, противоположном направлению действия вектора градиента напряжен ности. При этом углвродные ассоциации с блокированными вредными примесями выталкиваются магнитньщ полем в прибыльную часть расплава, а расплав, грошедший через неоднородную зону маг нитного 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 обезуглераживание углеродистой шихты и получать химически равномерные расплавы, что обеспечивает высокое качество слитков, Кроме этого, способ обеспечивает рафини- рование сталей и сплавов от углеродных ассоциаций и вредных примесей путем переплава в магнитном поле с указанными параметрами.П р и м е р 1. Чугун с содержанием углерода 4,05 вес,Ъ был расплавлен в нагревательной печи сопротивления в емкости из немагнитного материала. Конструкция печи была выбрана такой,что исключалось наложейие собственных, электрического и магнитного, полей нагревателя на расплав. После расплавления чугуна на расплав накладывали ориентированное магнитное поле напряженностью 800 э. Градиент магнитного поля был 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. Сориентированные углеродные диамагнитные ассоциации под действием неоднородного магнитного поля выталкивались в часть расплава с минимальной напряженностью.После выдержки расплава в магнитном поле ов был закристаллизован. Химический анализ показал, что в. части слитка, расплав которого находился в магнитном поле с максимальной напряженностью, содержание углерода 2,5 вес.Ъ, а в части слитка, расплав которого находился в магнитном поле с минимальной напряженностью, содержание углерода 4,3 вес.Ъ. Распределение серы соответственно 0,03 и 0,05 вес,Ъ.П р и м е р 2. Была проведена опытная плавка с наложением на расплав чугуна (4,05 вес.Ъ С) орнентиро. ванного магнитного поля напряженностью 100 э и градиентом 10 э/см, направленным вдоль оси расплава. При этом магнитное поле перемещали вдоль оси расплава в направлении, противоположном действию вектора градиента напряженности, со скоростью 2 см/мин.Расплав, прошедший через магнитное поле, имел содержание углерода 2,0 вес.Ъ.П р и м е р 3. Была проведена опытная плавка чугуна в магнитном поле напряженностью 3000 э при градиенте 1000 з/см с перемещением расплава через магнитное поле со скоростью 10 см/мин. Содержание углерода в расплаве, прошедшем через магнитное поле, составляло 1,8 вес.Ъ.П р и м е р 4. Условия опытной плавки те же, что и в примере 3, но расплав перемещали со скоростью 30 см/мин. Содержание углерода в расплаве, прошедшем через магнитное поле, составляло 2,2 вес.Ъ.Использование изобретения позволит:а)получать качественные стали и сплавы из углеродистой шихты посред"ь" ч.ЙФ 3 ФЪВ у,7 655724 Формула изобретения Составитель А. КондратьевТехред Л.АлФерова Корректор О. Билак Редактор Т. Орловская Заказ 1459/21 Тираж 652 ПодписноеЦНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ством бескислородного обезуглероживання расплавов и устранить таким образом вредное влияние кислорода на свойства металла;б) удалоть углеродные ассоциации и вредные примеси в процессе передела углеродистой шихты в сталь или сплав и получать химически однородные расплавы и качественные слитки иэ них;в) раФинировать в процессе расплава углеродсодержащие стали и сплавы от углеродных ассоциаций и вредных ПРИМЕСЕЙ)г) значительно снизить себестоимость процесса получения сталей и сплавов из углеродистой шихты и рафинирования углеродсодержащих материа- лов 1, Способ получения стали и сплавов из углеродсодержащей шихты, заключающийся в ее расплавлении, обезуглероживании и наложений на нее магнитного поля, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения со="держания вредных примесей и повышенияхимической равномерности расплава,на расплав накладывают ориентированное магнитное поле напряженностью100-15000 з, создают градиент напря женности, равный 10-1000 э/см, направленный вдоль оси расплава.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что магнитное полеперемещают вдоль оси расплава со ско ростью 2-30 см/мин в направлении,противоположном действию вектора градиента напряженности.3. Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что через неподвижноемагнитное поле перемещают расплав соскоростью 2-30 см/мин в направлениивектора градиента напряженности.Источники инФормации, принятыево внимание при экспертизе1. Металлургия стали под ред,В.И. Явойского и Г.Н. Ойкса. И.,