Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОВШОВОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к области металлургии стали и может быть использовано при производстве легированных марок сталей с содержанием углерода от 0,2 до 0,7 мас. %, в том числе с повышенной концентрацией серы (0,01-0,04 мас. %).

Известен способ раскисления и легирования металла, при котором раскисление осуществляют алюминием в два приема - на выпуске полупродукта и после наполнения металлом сталь-ковша, а отдачу легирующих материалов, в том числе кремнийсодержащих, только после обработки металла инертным газом и снижением его окисленности до 5-10 ppm. Технический результат - повышение чистоты проката по неметаллическим включениям в соответствии с ГОСТ 1778-70.

(Патент RU 2205880, МПК С21С 7/06, С21С 5/52, опубликован 10.06.2003)

Недостатком этого способа являются дополнительные временные затраты на ковшовую обработку из-за проведения операций по легированию металла, а также его повышенная загрязненность комплексными неметаллическими включениями сложного состава, в том числе с высокой долей SiO₂. Данные включения формируются в связи с протеканием интенсивного вторичного окисления, вызванного сильным перемешиванием металла, необходимого для усвоения больших масс присадок. Более того, не описаны технологические параметры модифицирования неметаллических включений.

Известен способ раскисления и легирования металла, при котором осуществляют поэтапное раскисление на выпуске полупродукта из конвертера в сталь-ковше путем отдачи кремний-, марганецсодержащих материалов по наполнению 0,3-0,9 высоты сталь-ковша, кремнийсодержащих материалов по наполнению 0,7-0,95 высоты сталь-ковша, а окончательное раскисление с помощью ввода алюминиевой катанки при ковшовой обработке на агрегате печь-ковш. Технический результат - достижение заданных содержаний кремния в готовом металле с одновременным повышением степени усвоения марганца и алюминия.

(Патент RU 2465341, МПК С21С 7/00, опубликован 27.10.2012).

Недостатком данного способа является повышенная загрязненность неметаллическими включениями алюмосиликатного и шпинельного типов, в большинстве случаев обладающих относительно большими размерами и негативно влияющими на механические и служебные свойства готового проката, а также не раскрыты технологические параметры модифицирования включений.

Известен способ раскисления и легирования стали по ходу выпуска полупродукта в сталеразливочный ковш. Данный способ предполагает: ввод 1,2-1,3 кг/т силикомарганца, 0,4-0,5 кг/т брикетированного алюминия и 0,5-0,6 кг/т ферромарганца по наполнению сталь-ковша на 1/5-1/4 часть; отдачу 0,5-1,0 кг/т силикомарганца и 0,8-0,9 кг/т ферромарганца при наполнении сталь-ковша на 1/3-1/2; присадку ТШС при наполнении сталь-ковша на 1/2-2/3; по приходу металла на агрегат доводки стали отдачу 0,4-0,5 кг/т силикомарганца и 1,3-1,4 кг/т алюминиевой катанки. Технический результат направлен на снижение расхода алюминия и снижение отсортировки металла по дефекту «плена».

(Патент RU №2377315, МПК С21С 7/00, опубликован 27.12.2009)

Недостатком данного способа является высокая степень загрязненности металла неметаллическими включениями, образующимися во время раскисления, а также не раскрыты технологические параметры по модифицированию включений.

Известен способ производства конструкционной легированной (Cr, В, Ti, S) стали, при котором проводят раскисление шлака и присадку извести в количестве 10³⋅(% S - 0,012)⋅90-110 CaO, где: % S - содержание серы в стали, %; 0,012 - граничное содержание серы в стали, %; 90-110 СаО - на каждую сотую часть серы, превышающую 0,012%, в кг, затем осуществляют удаление шлака на установке печь-ковш и присаживают песок в количестве 5,0-8,0 кг/т, после чего осуществляют корректировку химического состава стали присадкой марганец-, кремний-, хром- и молибденсодержащих ферросплавов и углеродсодержащего материала, присаживают феррокальций, ферротитан и ферробор, производят нагрев стали на 10-15°C выше заданной температуры и вводят в сталь алюминиевую катанку из расчета содержания алюминия в готовой стали ближе к нижнему пределу марочного интервала, феррокальций в количестве 2,0-8,5 кг/т стали в виде порошковой проволоки и серу в количестве 0,1-0,5 кг/т стали в виде порошковой проволоки с наполнителем сера или серный колчедан, далее осуществляют усреднительную продувку стали аргоном. Технический результат изобретения - обеспечение в готовом металле содержания алюминия, кальция, серы, титана и бора, что позволяет достичь требуемый уровень прокаливаемости и служебных свойств, улучшить разливаемость металла на сортовых МНЛЗ, повысить выход годного по механическим свойствам и снизить удельный расход металлошихты.

(Патент RU №2492248, МПК С21С 7/00, опубликован 10. 09. 2013)

Недостатком данного способа является высокая степень загрязненности металла неметаллическими включениями, образующимися во время раскисления и при вводе чрезмерного количества кальция, повышенные расходы шлакообразующих материалов.

Известен способ ковшовой обработки высокоуглеродистой марки стали, где алюминий вводят непосредственно перед отдачей кальцийсодержащих материалов, причем количество отдачи кальция зависит от содержания алюминия и серы в металле. Нижний предел содержания кальция в расплаве определяют по выражению [Са] = 0,01[Al] + 0,0016%. Верхний предел концентрации кальция в расплаве при содержании серы в расплаве до 0,014% определяют по выражению [Са] = 0,036[Al] + 0,0026%. При содержании серы в металле более 0,014%, верхний предел определяют по выражению [Са] 0,0037%-0,042[S], где [Са] - содержание кальция, растворенного в металле, %; [Al] - содержание алюминия, растворенного в металле, %: [S] - содержание серы, растворенной в металле, %. Технический результат изобретения заключается в усовершенствовании технологии модифицирования неметаллических включений, а именно глобуляризации сульфидных включений и перевода твердого глинозема в жидкое состояние для повышения стабильности непрерывной разливки и механических свойств готового металла.

(Патент RU 2102498, МПК С21С 7/00, опубликован 20.01.1998).

Недостатком данного изобретения является неоптимальные соотношения между количеством вводимого кальция с количеством содержания алюминия и серы в металле, а также не учитывается влияние схемы раскисления полупродукта на характеристики НВ к концу ковшовой обработки. Например, первая отдача алюминия в конце ковшовой обработки приводит к существенному загрязнению металла включениями неблагоприятного типа, а именно с высокой долей MgO.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ раскисления низкоуглеродистой стали, в котором во время выпуска металла из конвертора в сталеразливочный ковш осуществляют введение твердой шлакообразующей смеси (ТШС), алюминия и ферромарганца, при этом в качестве раскислителей используют чушковый вторичный алюминий и углеродистый ферромарганец. При наполнении ковша на 1/5-1/4 часть вводят 0,8-1,0 кг/т чушкового вторичного алюминия; при наполнении ковша на 1/3-1/2 часть вводят 1,5-3,5 кг/т углеродистого ферромарганца; при наполнении ковша на 1/2-2/3 части вводят 1,5-2,0 кг/т чушкового вторичного алюминия и ТШС, при этом во время выпуска металла из конвертера осуществляют продувку металла аргоном через донные пробки сталеразливочного ковша с интенсивностью 0,2-0,5 л/(т⋅мин) продолжительностью 5-8 мин.

Техническим результатом изобретения является увеличение усвоения алюминия и ферросплавов во время раскисления, максимально возможное удаление неметаллических включений, стабилизация процесса разливки металла вследствие предотвращения налипания неметаллических включений на стопора, улучшение качества разливаемой стали.

(Патент RU 2514125, МПК С21С /06, опубликован 27.04.2014 - прототип)

Недостатками данного изобретения является отсутствие влияния таких параметров, как окисленность и температура полупродукта, на характер формирования неметаллических включений, высокий расход алюминия, а также необходимость применения продувки сталь-ковша аргоном во время выпуска, что повышает степень опасности технологии. Также не раскрыты технологические параметры по модифицированию включений, особенно при производстве марок с повышенным содержанием серы (0,01-0,04 мас. %).

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении чистоты стали по неметаллическим включениям к началу ковшовой обработке на агрегате печь-ковш и использовании эффективного модифицирования включений для повышения стабильности непрерывной разливки стали.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе ковшовой обработки легированных сталей, включающем ступенчатый ввод раскислителей и легирующих компонентов на выпуске полупродукта в сталь-ковш, согласно изобретению температура и содержание активного кислорода в полупродукте на выпуске составляют 1600-1700°C и 0,030-0,075% соответственно, в качестве первичного раскислителя используют углеродсодержащий материал, при наполнении сталь-ковша на 1/6-1/5 высоты производят отдачу алюминия в количестве до 3 кг/тонну, при наполнении сталь-ковша на 1/2-2/3 высоты отдают лигатуры, ферросплавы на середину марочного содержания компонентов из расчета их полного усвоения, отдачу кальцийсодержащих материалов при обработке стали в ковше производят из расчета получения концентрации кальция в пределах:

нижний предел [Са] = 0,0005% + [Al]⋅0,007,

верхний предел [Са] = 0,0028% - [S]⋅0,0319 - [Al]⋅0,012,

где [Са] - содержание кальция в металле, %; [Al] - содержание алюминия в металле, %, в интервале от 0,005 до 0,1 мас. %: [S] - содержание серы в металле, %, в интервале от 0,001 до 0,04 мас. %. При содержании серы в интервале от 0,03 до 0,04 мас. % отдачу кальция производят в два приема, где количество второй присадки кальция составляет 2/3 от массы кальция, отданного в первый прием.

Сущность изобретения заключается в том, что, в отличие от способа-прототипа, устанавливается ограничение по температуре (1600-1700°C) и содержанию активного кислорода (0,030-0,075%) в полупродукте на выпуске, а также первичное раскисление производят предварительно присаженным на дно ковша углеродом, с целью формирования газообразных продуктов раскисления, способствующих дополнительному перемешиванию металла, захвату неметаллических включений и их удалению из металла.

Заявляемые последовательности ввода раскислителей и легирующих материалов, их временные интервалы, ограничения по количеству присаживаемых материалов и эмпирические выражения для их расчета подобраны на основании экспериментальных данных и термодинамических расчетов. Это позволяет достичь определенного типа неметаллических включений к началу обработки расплава на агрегате печь-ковш, снизить их количество, ограничить формирование новых, в том числе шпинельного и силикатного типа, по ходу ковшовой обработки. Управление характеристиками неметаллических включений позволяет провести их эффективное модифицирование и способствует повышению качественных и служебных характеристик металла за счет обеспечения стабильности непрерывной разливки стали и повышения чистоты готового продукта по неметаллическим включениям неблагоприятного типа.

Ввод углеродсодержащих материалов (первичных раскислителей) на дно ковша приводит к снижению окисленности первых порций металла и образованию газообразных продуктов раскисления, способствующих дополнительному перемешиванию металла, захвату корундовых включений, образующихся после ввода алюминия, и их удалению. Отдача алюминия в кипящую сталь в количестве до 3 кг/т при наполнении сталь-ковша на 1/6-1/5 его высоты приводит к его быстрому распределению по объему металла, последующему снижению окисленности, предварительно раскисленного углеродом, полупродукта и формированию корундовых включений малых размеров (0,1-3 мкм), легко захватываемых и удаляемых газовыми пузырями. Последующие порции полупродукта, поступающие в сталь-ковш с окисленностью α_[O]=0,03-0,075%, контактируют с жидким металлом с высокой концентрацией алюминия от 0,7 до 0,1 мас. %, что приводит к образованию крупных (более 100 мкм) легкоудаляемых корундовых включений за счет их плохой смачиваемости жидкой сталью. Ввод силикомарганца совместно со второй присадкой углеродсодержащего материала при наполнении сталь-ковша на 1/2-2/3 его высоты осуществляют для предварительного легирования кремнием, марганцем и углеродом. Причем в случае растворения данных компонентов в локальных участках металла с повышенной окисленностью формируются крупные жидкотекучие силикаты марганца, обладающие большей способностью к всплыванию и растворению в шлаке, чем их чистых оксидов. В свою очередь отдача углеродсодержащего материала, в силу его затруднительного растворения, способствует формированию локальных участков с повышенной концентрацией углерода, что приводит к образованию дополнительных газообразных продуктов раскисления повышающих вероятность удаления неметаллических включений. Отдача легирующих компонентов типа Cr, Mo, Ni, Nb, V и Mn после предварительного раскисления углеродом, алюминием и отдачи силикомарганца обеспечивает их высокую степень усвоения (более 97%). Кроме того, их отдача на середину заданного интервала почти полностью исключает необходимость легирования стали при последующей обработке металла на агрегате печь-ковш, что позволяет сократить производственный цикл и существенно ограничить протекания процессов вторичного окисления металла. Отдачу кальцийсодержащих материалов при обработке стали в ковше, с целью модифицирования неметаллических включений неблагоприятной морфологии, производят из расчета получения концентрации кальция в пределах:

нижний предел [Са] = 0,0005% + [Al]⋅0,007,

верхний предел [Са] = 0,0028% - [S]⋅0,0319 - [Al]⋅0,012,

где [Са] - содержание кальция в металле, %; [А1] - содержание алюминия, растворенного в металле, %, в интервале от 0,005 до 0,1 мас. %: [S] - содержание серы, растворенной в металле, %, в интервале от 0,001 до 0,04 мас. %. При содержании серы в интервале от 0,03 до 0,04 мас. % отдача кальция производится в два приема. Требуемая концентрация кальция в первый прием рассчитывается по указанным выше эмпирическим выражениям, а количество второй присадки кальция составляет 2/3 от массы кальция, отданного в первой присадке.

Приведенные эмпирические выражения основаны на экспериментальных и расчетных данных, направлены на получение жидких алюминатов кальция с низкой долей сульфидной составляющей.

Примеры осуществления изобретения

Предложенный способ производства легированной стали был реализован при промышленном производстве стали марки 40Х по ГОСТ 10702-78 в двухванном сталеплавильном агрегате вместимостью 180 тонн.

Выпуск полупродукта с температурой 1600-1700°C и окисленностью α_[O]=0,03-0,075% осуществляли в сталь-ковш, в котором предварительно на дно присаживали углеродсодержащий материал (УСМ-99) в количестве 250-300 кг. При наполнении сталь-ковша на 1/6-1/5 производили отдачу чушкового алюминия марки АВ87 в количестве 170-210 кг; по наполнению сталь-ковша на 1/2-2/3 производили отдачу силикомарганца (СМн-17) в количестве 1600-1800 кг и УСМ-99 в количестве 350-400 кг; после их отдачи осуществляли отдачу феррохрома (ФХ-025) в количестве 2300-2400 кг.

Перед отдачей металла на непрерывную разливку осуществляли присадку кальция для получения концентрации, рассчитанной по следующим эмпирическим выражениям:

нижний предел [Са] = 0,0005% + [Al]⋅0,007,

верхний предел [Са] = 0,0028% - [S]⋅0,0319 - [Al]⋅0,012.

Оценка технического результата заявляемого изобретения заключалась в исследовании проб, отобранных от жидкого металла сразу по приходу на агрегат печь-ковш. В качестве оцениваемых показателей выбрали: общее содержание кислорода, количество неметаллических включений на 1 мм² и средний размер включений.

Общее содержание кислорода, являющееся косвенным показателем загрязненности металла по оксидным неметаллическим включениям, оценивали на газоанализаторе LECO-136 методом восстановительного плавления в потоке инертного газа-носителя по ГОСТ 17745-90. Количество и средний размер неметаллических включений определяли с помощью электронного микроскопа высокого разрешения JEOL JSM-6610LV с энергодисперсионной приставкой для рентгеновского микроанализа, с использованием пакета Future программы INCA, фиксирующего в автоматическом режиме геометрические параметры (длина, ширина, площадь, глубина), химический состав, количество и координаты частиц на заданной площади контроля. На каждом образце площадь контроля составляла 20 мм².

Для сравнения технического результата с существующими способами раскисления, в той же печи были проведены плавки с отличными условиями присадки материалов. В качестве сравнения выбрали плавки предварительно раскисленные углеродом с последующим раскислением алюминием (способ 1); предварительно раскисленные алюминием с последующей отдачей углеродсодержащих материалов (способ 2); предварительно раскисленные углеродом, с последующей частичным раскислением кремний-, марганецсодержащими материалами и окончательным раскислением алюминием (способ 3); предварительно раскисленные кремний-, марганецсодержащими материалами с последующим окончательным раскислением алюминием (способ 4), что представлено в таблице.

Из таблицы следует, что применение заявляемого изобретения (способ 1) по сравнению с ближайшим аналогом (способ 2) позволяет к началу обработки металла на агрегате печь-ковш снизить загрязненность стали по общему содержанию кислорода на 15-20%, количество включений на 7-10%, и максимальное значение среднего размера включений более чем на 20%. Кроме того, полученные результаты в разы повышают чистоту металла по оксидным неметаллическим включениям по сравнению с другими используемыми схемами раскисления (способы 3, 4). Снижение среднего размера и количества неметаллических включений на стадии раскисления позволяет достичь более высоких показателей по чистоте металла перед вводом кальцийсодержащих материалов, что дает возможность снизить минимальное количество кальция, необходимого для модифицирования неметаллических включений. Благодаря этому появляется возможность осуществления эффективного модифицирования включений, в том числе на марках с высоким содержанием серы (от 0,1 до 0,4 мас. %).

Эффективность использованной схемы модифицирования неметаллических включений перед непрерывной разливкой подтверждается отсутствием нарушений стабильности литья непрерывнолитых заготовок на плавках, произведенных по заявляемой схеме производства легированных марок сталей. При других схемах производства методика расчета оптимального количества кальция для эффективного модифицирования включений не применялась, поскольку тип включений и их количество к моменту ввода кальция зависят от особенностей раскисления и легирования металла, а выражение расчета оптимальной концентрации кальция разработано для заявляемой схемы раскисления и легирования стали.