Способ получения стали и сплавов дуплекс процессом

(51 Е ИЗОБРЕТЕНеия управленияЭлектрометалталь" й, Н,К.Житков,д ьюое авоворок51,акуумГ,И,иллургии, ированцессом, металла, о после- рафиниГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Государственная Академим. Серго Орджоникидзе илургический завод "Электрои м. И. Ф,Те в ося н а(56) Производство стали и спных индукционных печах, Одр. М Металлургия, 1972, с Изобретение относится к мета а именно к производству сложнолег ных сталей и сплавов дуплекс про включающим выплавку исходногоотливку расходуемого электрода, ег дующую подготовку к переплаву ирующий переплав в слиток,Традиционные способы получения сталей и сплавов дуплекс процессом, состоящим из выплавки исходного материала в вакуумной индукционной печи и последующего вакуумного дугового переплава расходуемого электрода в слиток (ВИП + ВДП) включает в качестве одной из основных технологических операций отливку электрода в вакууме или атмосфере инертного газа, его охлаждение в камере вакуумной индукционной печи и последующую подготовку к переплаву (обдирку или зачистку, нарезку хвостовика и т,д.), Наиболее широко применяемый прием получения при ВИП литых расходуемых электродов заключается в том, что после окончания слива металла в изложницы, установленные в плавильной(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ И СПЛА ВОВ ДУПЛЕКС ПРОЦЕССОМ(57) Сущность изобретения: способ получ ния стали и сплаьов дуплекс процессо включает выплавку металла в электропеч отливку электрода в изложнице и его посл дующий переплав в слиток, причем посл заливки металла в изложницу его охлаж ют в защитной среде аргона со скорост 200 - 400/час и производят механическ встряхивание металла в изложнице в инте вале температур двухфазной области кр сталлизации, 2 табл 1 ил,. (Лкамере, его там выдерживают до полногозатвердевания слитка, а затем передают вкамеру изложниц и извлекают из печи ("Пооизводство стали и сплавов в вакуумных индукционных печах" Окороков Г,НШалимов Ал,ГАнтипов В,М.О, Тулин Н.А, ММеталлургия, 1972, с.151). Однако выдержка 3кристаллизующего слитка в плавильной ка- ООмере требует значительного времени, кото- С 0рое соизмеримо по продолжительности с С)самой плавкой. Это негативно отражаетсяна производительности промышленных печей и является нетехнологичным при получении металлопродукции дуплекспроцессом (ВИП + ВДП),Цель изобретения - увеличение выхода дгодного при переделе слитка за счет формирования нитридной фазы в электроде, удаляемой при последующем переплаве вслиток,Цель достигается тем, что по известному способу получения расходуемого электрода в вакуумной индукционной печи послезаливки металла в изложницу производятего охлаждение в защитной среде аргона со скоростью 200 - 400 С и механически встряхивают металл в изложнице в интервале температур двухфазной области кристаллизации,На чертеже представлено распределение фаз в литом сплаве ЭК 151 различных вариантов отливки электродов: а) скорость охлаждения менее 200/час (крупные нитриды приводят к дефекту "корона" при ВДП) б) скорость охлаждения 200 - 400/час с механическим встряхиванием при охлаждении электрода в изложнице (легкоплавкие фазы с нитридами удаляются при ВПД, заявляемый вариант технологии); в) скорость охлаждения более 400 о/час (мелкие нитриды, практически неудаляемые при ВДП). Съемка произведена на микро- анализаторе "СОМЕВАХ-ЯХ 50" во вторичных электронах,Проведение охлаждения в среде аргона со скоростью 200 - 400/час отлитого в изложницу электрода позволяет стабилизировать процессы формирования и роста кристаллов и нитридной фазы в литом металле из расплава. Наряду с получением плотной структуры литого электрода достигается укрупнение и локализация нитридов вместе с легкоплавкими фазами в ассоциированных группах, располагающих по границам первичных зерен, Это достигается за счет оптимального температурного режима охлаждения металла в защитной атмосфере с постоянной теплопроводностью, Охлаждение со скоростью менее 200 С/час приводит к ликвидационным дефектам в отливаемом электроде, которые не исправляются при последующем переплаве его в слиток и являются причиной низкой технологической пластичности при переделе слитка в заготовку, Увеличение скорости охлаждения свыше 400/час ведет к образованию термических трещин и такие электроды бракуются, Регулирование скорости охлаждения электродов после отливки производится давлением аргона в камере вакуумной индукционной печи, которое находится в пределах 75 - 95 мм, рт, ст.Экспериментально установлено, что минимальная ликвидация элементов и анизотропия свойств готового металла имеет место при проведении механического встряхивания литого электрода в двухфазной области температур кристаллизующегося металла. Если механическое встряхивание производить при температурах, выходящих из интервала двухфазной зоны, то в случае превышения температуры точки "ликвидус" образуются горячие предельные трещины на электроде, а при температурахизведены опытным путем при получении электродов из сталей ЭП 844, ЭК 99, Св 01 Х 20 Н 14 МЗТ, никелевых сплавов ЭП 99,30 С0,0640,073А3,713,87 35 40 45 50 55 5101520 ниже температуры точки "солидус" встряхивание неэффективно, так как неоднородная структура металла и нитриды в нем уже сформированы и их морфология в дальнейшем не может быть изменена, По заявляемому способу при относительно медленном охлаждении металла в защитной атмосфере и механическим встряхиванием металла в изложнице наряду с формированием достаточно плотной структуры электрода для ВДП происходит укрупнение нитридов и их коагуляция с легкоплавкими фазами по диффузионному механизму, При последующем ВДП такие включения практически полностью удаляются из металла, и остаточный азот находится в растворенном состоянии, а не в виде нитридов в готовом металле после ВДП, что улучшает качество сталей и сплавов и повышает выход годного металла.Определение пределов по скорости охлаждения отлитого электрода в аргоне проЭП 742, ЭК 102, ЭК 151. Типоразмер электродов; диаметр 250 - 380 мм, масса 870 - 2520 кг, Данные табл,1 иллюстрируют технологический выбор параметров охлаждения.при отливке электродов жаропрочного сплава ЭК 151, содержащего (мас,%): Я Мп 5 Р И/ Сг Ч Мо Т0,15 0,01 0,006 0,005 2,92 11,33 0,52 4,462,670,17 0,02 0,008 0,006 2,93 11,50 0,53 4,51 2,70МЬ Со Ре й В 3 а Се Яс3,22 14,64 0,38 Осно- по расчету3,35 15,000,62 еа 0,010 0,055 0,010 0,05 Указанный сплав выбран в качестве объекта исследования в связи с тем, что в нем содержатся элементы, склонные к дендритной ликвации: хром-межосный, вольфрамвнутриосной лиКвации, незначительные изменения которой оказывают резкоотрицательное влияние на механические свойства и технологическую пластичность сплава при получении заготовки с ультрамелкозернистой структурой,Выплавку стали ЭК 151 проводили в промышленной вакуумной индукционнои печи емкостью 2,5 т. В качестве шихты использовали металлические материалы, отходы и марочную лигатуру, Подготовку шихтовых материалов, подготовку печи и все операции плавки производили согласно существующей технологической инструкции на выплавку сплавов аналогичного назначения. Разливку металла осуществляли в атмосфере аргона в изложницы для электро 178802840 45 50 дов диаметров 250 мм через промежуточную воронку. Для предотвращения попадания в электрод экзогенных неметаллических включений применяли керамические фильтры при разливке сплава. В зависимости от варианта отливки электродов изменяли давление аргона в печном котле так, чтобы получать скорость охлаждения электрода в изложнице от значений, выходящих и соответствующих заявляемым пределам. Температуру электрода при его формировании измеряли термопарами, вставленными в изложницу и прибыльную надставку на различных уровнях. По показаниям термопар определяли среднюю температуру жидкого и твердого металла, то есть фактически определяли изменение температуры металла при его охлаждении и фиксировали температуру двухфазной области кристаллизации металла. Механическое встряхивание металла производили в интервале температур двухфазной области кристаллизации.На каждой плавке отливали по три электрода для получения полной информации о вариантах технологии.Так экспериментально были определены параметры способа получения заданной структуры литого расходуемого электрода при его охлаждении в вакуумной индукционной печи,В табл,2 приведены данные о влиянии режима охлаждения и механического встряхивания при отливке электрода на распределение легирующих, механические свойства и рафинирование от нитридов сплава ЭК 151-ИД. Из табл,1 и 2 следует, что изотропные свойства и чистота от нитридов сплава значительно улучшаются при использовании предлагаемого способа получения металла дуплекс процессом, включающим регламентирован ное охлаждение в аргоне литого электрода с одновременным механическим встряхиванием при кристаллизации. Заявляемый режим позволяет сформировать наиболее благоприятную для последующего рафинирования структуру литого металла и морфологию нитридной фазы (чертеж). Нитриды, легкоплавкие фазы и прочие вредные примеси находятся в форме компактных ассоцииро 5 10 15 20 25 30 35 ванных групп по границам первичных зерен (чертеж, б). При последующем вакуумном дуговом переплаве такого электрода вредные примеси в виде таких образований полностью удаляются из металла, В наплавляемом слитке максимальный размер нитридов не превышает 10 мкм, что в 2 - 4 раза меньше, чем при других вариантах технологий, Это гарантирует отсутствие в конечном металле дефекта "корона". В металле, полученном по разработанному способу отмечено снижение в 2 - 3 раза коэффициента дендритной ликвации хрома и вольфрама, а коэффициент анизотропии механических свойств сплава уменьшился на 14 отн.%. Достигнуто также улучшение прочностных и вязкостных характеристик сплава, При кратковременных испытаниях пределы прочности увеличены на 2 - 8 отн.опри одновременном повышении пластичности на 8 - 26 отн.%.Для заготовки сплава ЭК 151-ИД, полученной по заявляемому способу характерна высокая стабильность и однородность свойств, о чем свидетельствует низкая степень дендритной ликвации, которая характеризуется отсутствием значительных локальных концентраций хрома, вольфрама и нитридообразующих элементов в матрице твердого раствора.В конечном итоге, это способствовало улучшению технологической пластичности сплава и повысило выход годного почти на 5 абс.опо сравнению с известными вариантами технологий,Формула изобретения Способ получения стали и сплавов дуплекс процессом, включающий выплавку металла в электропечи. отливку электрода в изложнице и его последующий переплав в слиток, отл и чаю щи й с я тем, что, с целью увеличения выхода годного при переделе слитка, за счет формирования нитридной фазы в электроде, удаляемом при последующем переплаве в слиток, металл после заливки в изложницу охлаждают в защитной среде аргона со скоростью 200 - 400 С/ч, и механически встряхивают в изложнице в интервале температур двухфазной областикристаллизации.1788028 Таблица 1 Типоразмер злект-Давление Ач Наличие де-Насса г ПрциецаниеМасса загоВыход годного, л оТемператуРа,П родолжи- тельность Скорость охлаждения электрода, о/цас фектов на электроде цчерннхч электродов при ОНП, кг в печном котРода охлаждения электропа, час заливки выгрузкаиеталла зл дав излом- ницы ле при отливке электрода,мн рт.ст. тоекиВ 150 им дка- иасса метр кг 250 870 70 2610 390 460 860 3,5 14,9 Неудовлетворительно низкий 170 Нет выход годного 25,1 Выход годного250 , 870 75 25087085 250, , 870. 95 250 , 870 100 460 860 31 л 60 860 21460 860 1,5160 860 1,4 430 2610 655 2610 658 2610 658 и 25,2 Удовлетвори- тельный н П родоп ьн.Терницеск,трещина П Р и и е ч а н и е .Т а б л и ц а 2 Механические свойства Степень ликвации эпе Параметры отливки электрода Скорость охлаждения электрода,о/час Температура при астра" хивании бз -ог, цлСостояниеповерхности ментов 1 лла - 1 Ъ а, Пкгм смз ь (К С, С сравнение кгммл кгммг 1370 сс ликвипус 200 1360 / с с пиквийус1350слькьсс с ссолкд 1340 с с солидус 1330 С С т СолилуС1370 с э с ликвидус 1360 : с : с ликвидус 130с с солийус ,1330с с с солйдус 1370с ж с лнквндус 300 с 4,0 1,18 2 4,0 1,26 2,8 1,51сллкес ссс с Электроды отлиты без встряхивания, подвергнуты отжигу при 1200 С в течение 10 ч прототип) 0,42 1,46 14,2 15,1Ъ 13 Ь 14 0,05 147,3 105,8 )145 105 3,2гЭ, О НОРМ ТУ 14-131-801-90 П олжение табл. Во МВХани 4 ЕСкие свойства СоответствиеТУ 14-131"801-90 Сортовая заготовка8 150 мм Длительная прочностьпри с = 650 С Скорость бхлаждения электрода, о/цасб 03, б - 05ахкг кг/, 2 кгм лмз мнзсмз МахразмеРнитридов,мкм сбдержание азота, мас,ь ог кгммз продольные горячизабракованы ОТК,100,2 13,598,6 13,298,2 13,090,1ольных трэебракова101,0 ктн электродов ещины на по- оптимальные пределы по скорости охлаклення электродов. На поверхности литых электродов видьые дефекты отсутствуют. Плановый выход годного составляет 204,Отдельные продольные горяцие трещины на поверхности электродов,Э.ектроды забракованы ОТК,Норм 0,260 0 151,2 115,3 18,9 19,0 4,0 1,24Норм О, 28 0 1 50, 1 11 4,6 1 4, 8 1 8, 5 4, 01, 28Норм 0,32 0 19,0 113,9 13,4 18,1 3,75 1,30Норм 0,74 0,5 140,3 103,8 10,0 12,8 2,0 1,60Сетка продольных трещин на поверхности электродов в иподворотниковойчасти", Электролы забракованы ОТК.Норм 0,20 051,8 115,4 15,8 19,4 4,0 1,20Норм 0,24 0 151,3 115,1 18,7 19,3 4,0 1,24орн 0,28 О 19,4 113,8 13,2 18,0 4,0 1,30Норл 0,62 0,3 141,0 104,1 11,2 12,9 24 1,55Горячие продольные трещины по всей поверхности электродов. Электродызабракованы ОТКНорм 0,11Норм О, 15Норм 0,20Нори 0,601788028 10 Поодолжение табл, 2 неханйцеские свойства СоответствиеТУ 14-131-801-90 Сортовая заготовкаВ 150 мм Длительная прочностьпри с д 650 С Скоростьохлажде"ния элекси,- 700 фс держа-Нах б - 103, Д д 105кг кгмнэ миз содние азота, раэнермас,й нитридов,Э ыоткг кгммэ ммэ т рода, о/час 130,4 96,3 12,8 14,3 0,018 20 Соотв,3,7 120 а 50 э 100 римечание 1) Ренин тернообработки образцов, Закалка; 1150 С, выдержка 4 ч, охлаждение воздух; 1. Старение850 С выдержка 6 ч, охлаждение воздух; 11 Старение 760 С выдержка 3 час., охлаждение воздух.2) КоэФФициент аниэотропии П 1 гмпь ппрпь28 Рппппр опппьр )3) Рассчитан по данныи никрорентгеноспектрального анализа участков площадью 256 х 256 мкм наустановке СощеЬахХ 50 п 1"-" - повышение концентрации в осях Лендритов. 4) "Норм" " Ьез трещин на поверхности,5) 1 З - заявляемые пределы,Составитель Е, ЗеленоТехред М,Моргентал едактор А. Бе Корректор Л, Лукач 50 Гираж ПодписноИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открь113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 каз м при ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1