Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству углеродсодержащих высококачественных сталей (корпусных, роторных, высокопрочных, броневых, подшипниковых, инструментальных, специальных).

Известен способ внепечной обработки стали, включающий выплавку металла, отсечку печного шлака при выпуске расплава в ковш с одновременной подачей шлакообразующей смеси и раскислением алюминием, определение содержания активности кислорода в расплаве, подачу расплава на внепечную обработку, дополнительное введение шлакообразующих материалов, присадку шлакообразующих материалов, окончательное раскисление, доводку по химическому составу, усреднительную продувку с вакуумированием, определение активности кислорода и содержания серы, модифицирование кальцийсодержащим материалом, разливку металла.

(RU 2427650, С21С 7/00, опубликовано 27.04.2011)

Недостатком известного способа является значительное содержание в стали неметаллических включений, в основном представленных корундом, силикатами, алюминатами и алюмосиликатами. Данные включения, имеющие значительный размер и неблагоприятную морфологию, могут снижать уровень вязкопластических свойств сталей и вызывать значительную анизотропию свойств. Кроме того, ряд образующихся неметаллических включений может снижать коррозионную стойкость сталей.

Наиболее близким по технической сущности является способ производства стали, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате с содержанием углерода более 0,03 мас. %, выпуск расплава в ковш с отсечкой шлака, вакуумную обработку в ковше, присадку шлакообразующих материалов, определение содержания кислорода в металле, раскисление кальцийсодержащими и алюминийсодержащими материалами, присадку легирующих материалов, продувку расплава инертным газом при вакуумировании и внепечной обработке, разливку металла. Известный способ повышает степень чистоты металла по неметаллическим включениям, исключает образования сотовых пузырей при кристаллизации стали, что позволяет вести разливку на машинах непрерывного литья.

(RU2353667, С21С 7/10, опубликовано 27.04.2009)

Недостатком известного способа является недостаточная в отдельных случаях глубина раскисления и потенциально высокое содержание азота и водорода, так как достаточная интенсивность вакуум-углеродного раскисления может не обеспечиваться, а остаточное содержание водорода и азота не контролируется. Кроме того, способ не обеспечивает достаточную чистоту металла по неметаллическим включениям, вследствие чего образующиеся при реализации известного способа неметаллические включения в виде алюминатов кальция снижают служебные характеристики стали.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение чистоты металла по неметаллическим включениям, а также снижение склонности стали к флокенообразованию.

Технический результат обеспечивают тем, что способ производства стали включает выплавку металла с содержанием углерода более 0,03 мас. %, выпуск расплава в ковш с отсечкой шлака, присадку шлакообразующих и легирующих материалов, вакуумную обработку расплава в ковше, раскисление, присадку легирующих материалов и разливку, причем при выплавке металла, а также в процессе вакуумной обработки и перед разливкой определяют содержание водорода, серы, активность кислорода в расплаве и степень окисленности шлака по оксиду железа, а выпуск расплава в ковш ведут после достижения содержания водорода ≤5 ppm, серы ≤0,005 мас. %, активности кислорода 200-500 ррm в расплаве и степени окисленности шлака по оксиду железа 3-20%, раскисление ведут после достижения содержания водорода ≤1,5 ppm, серы ≤0,005 мас. %, активности кислорода ≤100 ppm в расплаве и степени окисленности шлака по оксиду железа ≤0,2-0,8% и разливку ведут после достижения содержания водорода ≤1,2 ppm, серы ≤0,005 мас. %, активности кислорода ≤5 ppm в расплаве и степени окисленности шлака по оксиду железа ≤0,2%.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующим примером.

Сталь типа 15Х2НМФА выплавляют в сталеплавильном агрегате. При выплавке в расплав вводят основные легирующие компоненты стали (хром, никель, молибден, углерод) за исключением легкоокисляющихся компонентов: кремний, марганец, ванадий. Содержание углерода в конце плавки должно быть выше заданного на 0,03-0,12 мас. %.

Перед выпуском в ковш для внепечной обработки производят определение в расплаве содержания водорода, серы, активности кислорода, а также окисленности шлака по оксиду железа FeO.

Содержание водорода в расплаве перед его выпуском в ковш должно быть ≤5 ppm, содержание серы ≤0,005 мас. %, активность кислорода а₀ 200-500 ppm, а окисленность шлака по оксиду железа в пределах 3-20%.

В случае если указанные показатели не выполняются, то их достигают, используя стандартные методы рафинирования, причем раскисление на данном этапе проводят преимущественно раскислением шлака. После чего проводят выпуск расплава в ковш с отсечкой шлака.

В ковше наводят новый шлак и проводят вакуумирование расплава. В процессе вакуумной обработки расплава происходит вакуум-углеродное раскисления (ВУР) расплава с удалением газообразных продуктов раскисления. При этом в расплаве снижается активность кислорода, уменьшается содержание водорода и азота, а также уменьшается степень окисленности шлака по оксиду железа, что повышает чистоту металла по неметаллическим включениям, а также снижает склонность стали к флокенообразованию.

Критерием окончанием вакуумно-углеродного раскисления является достижение следующих показателей расплава и шлака: в расплаве содержание водорода должно быть ≤1,5 ppm, содержание серы ≤0,005 мас. %, активность кислорода а₀≤100 ppm, а окисленность шлака по оксиду железа должна составлять 0,2-0,8%. Для достижения указанных показателей в шлак или в расплав могут дополнительно вводится углеродсодержащие материалы, может проводится повторное вакуумирование, в том числе и в сочетании с продувкой расплава аргоном, кислородом или аргон-кислородной смесью.

После вакуумно-углеродного раскисления в расплав вводят раскислители, причем в качестве раскислителей используют алюминий, и/или цирконий, и/или редкоземельные металлы (иттрий, неодим, празеодим).

Оптимальным является следующее соотношение массы раскислителей М при их совместном использовании:

M_A1/M_Zr/2M_Y+Nd+Pr=(1±0,25)/(1±0,25)/2±0,5.

Окончанием раскисления является достижение следующих показателей расплава и шлака: в расплаве содержание водорода должно быть ≤1,2 ppm, содержание серы ≤0,005 мас. %, активность кислорода а₀≤5 ppm, а окисленность шлака по оксиду железа ≤0,2%.

После достижения указанных показателей в расплав вводят легкоокисляющиеся компоненты: кремний, марганец, ванадий; производят модифицирование и микролегирование ниобием, цирконием, бором, редкоземельными металлами и производят разливку.

Введение в расплав раскислителей после достижения требуемых параметров расплава по водороду, сере, кислороду и шлака по степени его окисленности в сочетании с введением легкоокисляющихся компонентов стали обеспечивает дополнительное снижение содержания чистоты металла по неметаллическим включениям, в частности по силикатам.

Для корпусной стали типа 15Х2НМФА-А было достигнуто снижение загрязненности неметаллическими включениями до балла 0 (типично 2-3,5 для промышленных плавок). Единичные остаточные НВ представлены комплексными оксисульфидами благоприятной морфологии. Выплавленная с использованием способа по изобретению сталь обладает более высокими вязкопластическими свойствами, например получена критическая температура хрупкости для стали лабораторной выплавки не выше минус 90°С.