Способ раскисления и легирования низкоуглеродистой ванадийсодержащей электростали

)5 С 21 С 5/52 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ ЕТЕЛ У СЛ О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Уральский научно-исследовательскийинститут черных металлов, Кременчугскийсталелитейный завод и Всесоюзный научноисследовательский институт вагоностроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 42596, кл. С 22 С 35/00, 1974.Авторское свидетельство СССРМ 632736, кл. С 21 С 7/06, 1978,Авторское свидетельство СССРМ 1090727, кл. С 21 С 5/52, 1984. Изобретение относится к черной металлургии и машиностроению, конкретно к производству в основных электропечах качественных ванадийсодержащих сталей для ответственных литых деталей, например деталей транспортных средств.Цель изобретения - повышение степени десульфурации и раскисления, хладостойкости и усталостной прочности стали,В основной дуговой электропечи выплавляют сталь марки 20 ГФЛ методом окисления примесей, предусматривающим расплавление шихты, окисление примесей, удаление окислительного и образование восстановительного шлака, предварительное и окончательное раскисление металла кремнийванадиевым сплавом. При раскисО 1659493 2(54) СПОСОБ РАСКИСЛЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ВАНАДИЙСОДЕ РЖАЩЕЙ ЭЛ ЕКТРОСТАЛ И (57) Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству качественных ванадийсодержащих сталей, Цель изобретения - повышение степени десульфурации и раскисленности, хладостойкости и усталостной прочности стали. Способ включает расплавление шихты, удаление окислительного шлака, раскисление ванадиевым ферросилицием, содержащим титан в количестве 2,5-4,0%, и углеродом в количестве 8-12 и 1,0-1,7 кг/т металла соответственно, Окончательное раскисление и легирование осуществляют через 25-40 мин при 1610-1650 С ванадиевым ферросилицием в количестве 3 - 5 кг/т металла. 3 табл,лении и легировании стали по известному способу за 17 мин до выпуска присаживают в печь 4,75 кг/т стали (50% от общего расчетного количества лигатуры -9,5 кг/т), ферросиликованадия, содержащего, мас.%; кремний 35, ванадий 12, железо и примеси остальное, при отношении ванадия к кремнию 12:35=0,34, остальные 50% ферросиликованадия вводят в ковш, . Ферросиликованадий указанного состава получают силикотермическим восстановлением ванадиевого конвертерного шлака и пятиокиси ванадия в дуговой электропечи сталеплавильного типа,При раскислении и легировании стали по предлагаемому способу после удаления окислительного шлака в печь вводят ванади 1659493евый ферросилиций и порошок кокса в заданных количествах и после регламентированной выдержки и нагрева до требуемой температуры осуществляют окончательное раскисление ванадиевым ферросилицием в заданном количестве (3 - 5 кг/т металла), Для раскисления и легирования применяют ванадиевый ферросилиций марки ФС 40 Вд, производимый из ванадиевого конвертер- ного шлака карботермическим способом, содержащий, мас. кремний 41,3; ванадий 7,1; марганец 4,9; титан 3,05, остальное железо, при соотношении ванадия к кремнию 0,17, Состав ФС 40 Вд, мас. . кремний 30- 42; ванадий 6,5 - 8,0; марганец 4-6; титан 2,5 - 4,0, железо остальное,Исследованы различные варианты способа раскисления и легирования стали с предлагаемыми и запредельными значениями параметров способа.В табл,1 приведены параметры раскисления и легирования стали по известному и предлагаемому способам,Из разливочного ковша отбирают пробы для определения химического состава стали и заливают трефовидные пробы по ГОСТ 977 - 75, иэ которых после нормализации при 930 - 940 С изготавливают образцы для определения механических и эксплуатационных свойств. Ударную вязкость (КСИ) определяют на образцахтипа по ГОСТ 9454-78 в интервале температур от+20 С до -60 С. Хладостойкость стали характеризуется значениями ударной вязкости при отрицательных температурах. Усталостную прочность исследуют на цилиндрических образцах по ГОСТ 9860-65. Используют гладкие образцытипа диаметром в рабочей части 7,5 мм и образцы с надрезом Ч типа. Радиусы для надрезки (р) приняты равными 0,75, 0,5 и 0,25 мм. Испытания образцов проводят на машине МУИпри симметричном цикле нагружения с определением предела выносливости на базе 107 циклов. Изучение количества и состава оксидных неметаллических включений проводят с помощью жимического анализа электролитически выделенного оксидного осадка. Содержание кислорода и азота в металле определяют на газоанализаторах при 1650 и 2400 С.В табл,2 показан химический состав стали и концентрации примеси и газов,Приведенные в табл,2 результаты показывают, что при использовании для легирования и раскисления стали ванадиевого ферросилиция и кокса в соответствии с предлагаемым способом (варианты 3 - 5,7,8) концентрация серы и кислорода значительно ниже, чем в металле, раскисленном и легированном по известному способу (вариант 1), Это обусловлено благотворным воздействием повышенного кремния и титанана связывание кислорода в процессе выдер 5 жки горячего металла после предварительного раскисления в течение 25 - 40 мин. Обинтенсивном характере процесса седиментации неметаллических включений свидетельствуют также результаты химического10 анализа оксидного осадка. В стали в вариантах 3-5, 7, 8 количество оксидных включений составляет 0,011 - 0,015 , тогда как встали, обработанной по известному способу, - 0,0211 . В последнем случае это в15 основном неблагоприятные остроугольныечастицы корунда а-А 20 з, тогда как в вариантах 3-5,7,8 оксиды представлены комплексными сфероидизированнымиалюмосиликатами, где концентрация окис 20 лов кремния значительно выше и составляет14-24 . В этих вариантах стали содержания окислов железа, кальция и магния оченьмалы, Высокой степени десульфурации металла, раскисленного и легированного по25 предлагаемому способу, в немалой степениспособствует получение хорошо раскисленного присадками ванадиевого ферросилиция и кокса высокоосновного шлака с малойконцентрацией окислов железа и марганца,30 обеспечивающего интенсивный массоперенос серы из металла в шлак.Раскисление и легирование стали попредлагаемому способу с параметрами ниже нижнего предела (вариант 2) не обеспе 35 чивают получение металла с малымсодержанием примесей иэ-эа недостаточных концентраций кремния и титана и. вялым протеканием процессов осадочного идиффузионного раскисления и десульфура 40 ции. Содержание оксидов, где преимущественной фазой являются частицы корунда, атакже окисленность шлака из-за недостаткавводимых компонентов здесь велики.Раскисление и легирование стали по45 предлагаемому способу с параметрами выше верхнего предела (вариант 6) в связи сперегревом металла и удлинением периодавыдержки способствуют насыщению металла кислородом и окислению шлаковой фазы,50 В результате затрудняются процессы десульфурации и раскисления металла, возрастает угар титана и, в определеннойстепени, ванадия и кремния, В составе оксидов наблюдается повышенная концентра 55 ция окислов магния, свидетельствующая оразрушении футеровки, и окислов железавследствие отмеченного окисления металла.В табл.З дана характеристика стали,выплавленной известным и предлагаемымспособами, 5 165949310 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Приведенные в табл.3 значения усталостной прочности показывают, что по мере повышения степени легированности (от ва, рианта 2 до варианта 6) возрастают значения у. В то же время предел выносливости на образцах с надрезом у стали, раскисленной и легированной по предлагаемому способу (варианты 3-5, 7, 8), снижается по мере увеличения остроты надреза значительно в меньшей степени, чем у стали, выплавленной по известному способу и в соответствии с вариантами 2 и 6 с запредельными соотношениями параметров по предлагаемому способу, 0 большей выносливости стали, полученной по предлагаемому способу, свидетельствуют значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Кд У вариантов 3 - 5,7,8 он возрастает от 1,47- 1,53 до 2,03 - 2,19, тогда как у стали с запредельными параметрами обработки - от 1,81 до 3,12 (вариант 2) и от 1,67 до 2,74 (вариант 6), У стали, раскисленной и легированной по известному способу, Кб возрастает от 1,77 до 2,99. Выявленное преимущество предлагаемого способа обусловлено высокой степенью чистоты металла от вредных примесей серы и кислорода в результате интенсивно протекающих процессов раскисления и десульфурации металла. Повышенное количество неблагоприятных, по форме огсидов алюминия, являющихся концентраторами напряжений в стали, раскис- ленной и легированной по известному способу (вариант 1) и предлагаемому способу с запредельными параметрами обработки (варианты 2 и 6), определяют преждевременное разрушение металла при циклических нагрузках, особенно на образцах в поврежденном состоянии (с надрезами).Отмеченные негативные особенности использования известного и предлагаемого способов раскиления и легирования с запредельными параметрами определяют также низкий уровень хладостойкости стали, При использовании предлагаемого способа значения ударной вязкости при -60 С у стали, обработанной по вариантам 3 - 5,7,8, в 2,7-3,1 раза выше, чем в случае обработки по варианту 1(известный способ); в 2,6 - 2,2 раза выше, чем при раскислении и легировании по варианту 2 и в 1,6-1,8 раза вЫше, чем при раскислении и легировании по варианту 6, Преимущество предлагаемого способа в этом случае возрастает по мере понижения температуры испытаний от 20 С доС.Отмеченное повышенное содержание вредных примесей и газов у стали, обработанной в соответствии с вариантами 1,2,6, в значительной степени определяют ее низкую хладостойкость в связи с тем, что образующиеся здесь остроугольные неблагоприятно расположенные частицы корунда и сульфида марганца являются очагами зарождения микротрещин и хрупкого разрушения металла при динамических нагрузках, а при использовании предлагаемого способа таких включений значительно меньше. Немаловажно, что предлагаемый способ раскисления и легирования обеспечивает получение мелкозернистой структуры основной электростали при аустенитизации благодаря положительному эффекту воздействия дисперсных карбонидов ванадия и титана, образующихся в присутствии имеющегося в металле азота. Полученная после окончательной термообработки (нормализации) мелкозернистая ферритоперлитная структура с дисперсными карбонитридными фазами и небольшим количеством благоприятных неметаллических включений обеспечивает высокую хладостойкость стали, раскисленной и легированной по предлагаемому способу. В случае способа обработки по варианту 2 содержание ванадия и титана недостаточно для измельчения структуры металла, а в случае обработки по варианту 6 степень легированности излишне высока, что стимулирует образование повышенного количества крупных карбидных и нитридных частиц и перелегированности твердого раствора, в результате чего хладостойкость снижается. Отсутствие титана при обработке металла по известному способу (вариант1) также не обеспечивает получение нитридов титана и необходимого измельченияструктуры,Ванадиевый ферросилиций, введенный в металл для предварительного раскисления в заданном количестве после удаления окислительного шлака, благодаря высокому содержанию в нем кремния, а также марганца и титана обеспечивает глубокое комплексное раскисление металла с образованием легкоудаляемых неметаллических включений. Хорошая раскисленность металла значительно повышает химическую активность серы, что в совокупности с действием активных элементов-десульфураторов - марганца и титана существенно повышает степень десульфурации стали, Одновременно с предварительным раскислением осуществляется также легирование стали ванадием,причем благодаря высокой раскисленности металла в него переходит практически весь ванадий, содержащийся в ферросилиции, Наличие в электростали повышенного содержания азота способствует образованию10 20 30 35 40 45 50 55 дисперсных нитридных фаз и повышениюхладостойкости и выносливости, стали.Присадка углеродсодержащего материала, например кокса, на образующийся основной восстановительный шлак позволяетв условиях слабоокислительной печной атмосферы в электропечи и предварительногораскисления металла ванадиевым ферросилицием глубоко раскислить шлак за собойобразования в шлаке карбида кальция СаС 2,чему способствует достаточная выдержка инагрев металла в условиях загерметизированного печного пространства.В процессе 25 - 40-минутной выдержкипосле предварительного раскисления принагреве металла до 1610 - 1650 С происходит активное взаимодействие легированного хорошо раскисленного металла свысоковосстановительным шлаком., приэтом осуществляются дополнительное диффузионное раскисление и десульфурацияметалла, а также коагуляция, всплывание иассимиляция шлаком оксидных включений,образовавшихся при предварительномраскислении, и сульфидов марганца и титана, что обеспечивает получение гомогенного расплава, чистого по примесям, и вконечном итоге - высокий уровень характеристик затвердевшего металла.Окончательное раскисление ванадиевым ферросилицием позволяет за счетдополнительного ввода кремния,предохранив металл от вторичного окисления при выпуске, осуществить модифицирование стали титаном, содержащимся влегирующем сплаве, и произвести необходимую корректировку химического составаметалла. Кроме того, при окончательномраскислении происходит разрушение содержащегося в шлаке карбида кальция, снижается адгеэионное взаимодействие междуметаллом и шлаком и уменьшается возможность загрязнения металла шлаковымивключениями.Параметры предлагаемого способа выплавки определены экспериментально изследующих условий,Присадка ванадиевого ферросилициядля предварительного раскисления менее8 кг/т ведет к недостаточной раскисленности металла к большому остаточному содержанию кислорода в металле. Этоограничивает возможность образования. высоковосстановительного шлака, ухудшает условия диффузионного раскисления идесульфурации стали, повышает ее загрязненность Н.В. и ухудшает свойства. Введение ванадиевого ферросилиция более12 кг/т приводит к содержанию в стали избыточной концентрации кремния, что отрицательно влияет на свойства стали, способствует охрупчиванию и исключает возможность получения должного эффекта при проведении окончательного раскисления и легирования стали, а также интенсифицирует процессы вторичного окисления компонентов стали с сопутствующим этому процессу увеличением количества Н,В.Использование для предварительного раскисления углеродсодержащего материала в количестве менее 1,0 кг/т недостаточно для полного раскисления печного шлака, образования карбида кальция и поддержания за счет этого низкого содержания в шлаке окислов железа и марга н ца. В ведение углеродсодержащего материала более 1,7 кг/т не создает дополнительного раскисляющего эффекта, но вызывает значительное науглероживание металла и последующее его охрупчивание,Выдержка предварительно раскисленного металла под восстановительным шлаком менее 25 мин не обеспечивает достаточно полного протекания диффузионных процессов раскисления и десульфурации стали, а также удаления Н.В,Продолжител ьность выдержки более 40 мин ведет к ухудшению качества стали вследствие активного разрушения футеровки ванны, увеличения в шлаке окислов магния,снижения вязкости и химической активности шлака, а также возникновению обратимых процессов повторного окисления металла.Температура окончательного раскисления менее 1610 С не обеспечивает достаточно быстрого расплавления легирующего сплава, применяемого для раскисления, и перехода в металл модифицирующего элемента - титана, а также активного рафинирующего взаимодействия восстановительного шлака с металлом в процессе выпуска его в ковш. При температуре металла более 1650 С вследствие перегрева существенно повышается склонность жидкого металла к насыщению газами, закристаллиэированного металла - к трещинообразованию, что отрицательно влияет на усталостную прочность и хладостойкость стали,Ввод для окончательного раскисления менее 3 кг/т ванадиевого ферросилиция не обеспечивает содержания в стали титана в количестве, создающем заметный модифицирующий эффект и защиту металла от вторичного окисления при выпуске. Присадка более 5 кг/т ванадиевого ферросилиция затрудняет проплавление накануне выпуска большой массы сплава, препятствует равномерному распределению компонентов вВариант Расход раскислителей на предварительное аскисление, кг/т Продол- жительность выдержки до оконца- тельного раскисления, мин Температура металла при окончательном раскислении, С Расход сплава при окон- чательном раскислении, кг/т Сплав Углерод й способ Известны 15 - 20 (довыпуска)20 4,75 4,75 0,8 1590 25 1,0 1610 1,4 1630 33 12 1,7 1650 40 13 1,9 45 1670 1,7 25 1610 12 1.0 40 1650 расплаве, не создает необходимый модифицирующий и защитный эффект окончательного раскисления, способствует появлению ликвационных зон в затвердевшем металле,Таким образом, предлагаемый способ 5 раскисления и легирования основной электростали позволяет получить сталь стабильного химического состава, легированную ванадием и модифицированную титаном, хорошо рафинированную от вредных при месей и неметаллических включений с получением структуры, содержащей дисперсные карбонитриды, преимущественно ванадия и титана. Последние способствуют измельчению зерна аустенита после 15 нагрева при нормализации и получению дисперсной ферритоперлитной структуры с 1 али, Повышение чистоты металла от оксидных и сульфидных неметаллических фаз, являющихся очагами хрупкого разрушения 20 при отрицательных температурах и знакопеременных нагрузках, обеспечивает увеличение хладостойкости и усталостной прочности металла, и в конечном итоге, - повышение надежности и долговечности от Оптимальное соотношение параметров А, В, С,Д, Е - ниже нижнего предела А, В, С,Д, Е - на нижнем пределе А,В,С,Д,Е - на среднем уровне АВ; С, Д, Е - на вер) хнем пределе А, В, С,Д, Е - выше верхнего предела А, В,С, Д - на нижнем пределе В, Е - на верхнем пределе А, С. Д - на верхнем пределе В, Е - на нижнем п е елеветственных литых деталей, особенно при эксплуатации в зонах с холодньм климатом.Формула изобретения Способ раскисления и легирования низкоуглеродистой ванадийсодержащей электростали, включающий расплавление шихты, удаление окислительного и наведение восстановительного шлака, предварительное и окончательное раскисление и легирование металла кремнийванадиевым сплавом, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения степени десульфурации и раскисленности, хладостой кости и усталостной прочности стали, предварительное раскис- ление и легирование проводят после удаления окислительного шлака ванадиевым ферросилицией, содержащим титан в количестве 2,5-4,0 мас. ф, и углеродсодержащим материалом в количестве 8 - 12 кг/т жидкого металла и 1,0-1,7 кг/т жидкого металла соответственно, а окончательное раскисление и легирование осуществляют через 25 - 40 мин при температуре металла 1610 - 1650 С ванадиевым ферросилицием в количестве 3-5 кг/т жидкого металла.Кон ент а ия элементов в металле, мас. Т 0,097 0,052 0,072 0,095 0,115 0,105 0,10 0,105 0,00150,0030,0040,00550,0030,00450,005 Продолжение табл. 2 Содержание оксидных включений,Степень десульфура ции,. ,Окисленность печного шлака,Вариант Всего А 10 з ЯОЙ МпО ЕеО СаО+ +М 90 ГеО 0,0004 0,0003 0,0002 0,0003 0,0004 0,0007 0,0003 0,0002 0,0007 0,0004 0,0003 0,0003 0,0002 0,0006 0,0003 0,0002 0,0017 0,0019 0,0021 0,0025 0,0026 0,0032 0,0023 0,0025 0,0211 0,0198 0,0152 0,0137 0,0110 0,0176 0,0122 0,0140 0,20 0,21 0,20 0,19 0,20 0,23 0,21 0,19 1,22 1,20 1,22 1,20 1,23 1,25 1,23 1,24 0,0183 0,0172 0,0126 0,0105 0,0078 0,0126 0,0093 0,0111 0,21 0,22 0,31 0,40 0,51, 0,53 0,46 0,49 0,020 0,020 0,018 0,017 0,018 0,018 0,017 0,017 0,026 0,019 0,015 0,0.1 2 0,012 0,016 0,013 0,014 29,6 49,3 59,1 65,6 64,8 55,2 63,4 62,1 0,009 0,012 0,014 0,016 0,018 0,017 0,015 0,016 9,2 1,7 1,3 1,0 0,9 1,55 1,0 1,1 0,0095 0,008 0,006 0,0045 0,004 0,007 0,004 0,005 6,8 2,9 1,9 1,6 1,5 2,2 1,5 1,7% % % т %ч ОЪ СЧ Л (О Сф С О СОс ооог д - О СЧ С 3 СО СС " сч с е о сч сч ьБ СГ4 1 Л СО ГО О О СО СО С Сб О СЧ СЧ ч- - е- СЧ - чмС щсчф-ссФООс % С Ф ОЪ СЧ С " ЬБ ОО Л О О СЧ С - О СО С СЧ СО ф О Л ф ф СЧ Ф О СОСО Мф СЧ Ф С й СС СО СО Л СО сч сч Р 4 сч сч сч сч сч