Результат интеллектуальной деятельности: Проволока для обработки металлургических расплавов

Проволока для обработки металлургических расплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к внепечной обработке расплавов чугуна или стали.

Внепечная обработка жидкого металла химически активными элементами с целью модифицирования неметаллических включений, рафинирования и микролегирования стали осуществляется преимущественно путем инжекции в жидкий металл оболочковой проволоки. Этим способом технологически удобно и экономически выгодно вводить в металл различные добавки, особенно такие элементы, как кальций, обладающие высоким сродством к кислороду, малым удельным весом, относительно низкими температурами плавления и кипения, высоким давлением пара и малой растворимостью в жидком металле. В ковше оболочка проволоки расплавляется и присаживаемое вещество попадает непосредственно в жидкий металл (Чураков С.В. Порошковая проволока: конструкция и технология производства // Заготовительные производства в машиностроении. 2003. №5. С. 41).

Недостатками порошковых проволок являются неравномерное распределение наполнителя по длине и низкое содержание активного реагента из-за небольшой насыпной плотности порошков. Также к недостаткам следует отнести наличие воздуха в порах порошка, что при толщине стальной оболочки, как правило, не более 0,6 мм приводит к резкому увеличению давления внутри проволоки при ее вводе в металлургический расплав и, как следствие, разрушению оболочки. Потеря активных реагентов при разрушении оболочки, а также их низкая насыпная плотность требуют большого расхода проволоки и отрицательно сказываются на эффективности обработки.

Из уровня техники известен неограниченно протяженный пруток из дистиллированного кальция, который получают путем прессования со сваркой последовательно загружаемого в контейнер пресса кальция кусками произвольной формы на заданный прессовый остаток со скоростью прессования не более 5 мм/с (патент RU 2527547, опубл. 10.09.2014).

Получаемый кальциевый пруток неограниченной длины далее направляют на оборачивание в стальную оболочку.

Одним из недостатков данного технического решения является относительно низкая производительность процесса получения прутка. Размер кусков произвольной формы не регламентирован, в результате чего затруднительно достигать оптимальную насыпную плотность в контейнере для прессования. Например, при размерах частиц до 130 мм, насыпная плотность - не более 0,4 г/см³. Это ограничивает массу загрузки материала в цикле прессования до 26% от теоретически возможного для монолитного кальция, имеющего плотность 1,53 г/см³.

Кроме этого, для сварки кускового материала необходимо удаление из него воздуха, что в условиях прессования требует определенное время. Поэтому в данном способе скорость прессования ограничена - не более 5 мм/с.

Другим недостатком данного технического решения является нестабильное качество кальциевого прутка, что связано с неконтролируемым химическим составом кальция, легко окисляющегося при нагреве кальция до температуры выше его начала взаимодействия с кислородом и азотом воздуха - более 300°С.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является проволока для обработки металлургических расплавов, содержащая наполнитель в форме прессованного прутка неограниченной длины и оболочку (патент US 4235007, опубл. 25.11.1980). Указанная проволока, полученная методом экструдирования материала-добавки, содержит по крайней мере один выполненный в форме порошка агент, выбранный из группы кальций, магний и алюминий.

Высокая пластичность металлов из представленной группы позволяет проводить экструзию их порошковых смесей. При вводе проволоки в расплав стали, имеющей температуру около 1600°С, компоненты наполнителя взаимодействуют между собой с образованием сплавов. Использование сплавов с алюминием, имеющего температуру кипения Т_кип=2520°С, позволяет снизить давление паров более низкокипящих металлов - кальция (Т_кип=1490°С) и магния (Т_кип=1090°С). При этом значительно снижаются потери кальция и магния, повышается степень их усвоения.

Недостатком смеси порошков является неоднородность по химическому составу из-за склонности к расслоению по плотности металлов, а также по размеру частиц. При этом получение разнородных порошков с одним фракционным составом является технически сложной задачей. Для ее решения используется предварительный рассев порошков по фракциям с последующим объединением определенного количества фракций. Это не только приводит к повышению трудоемкости способа, но и возникновению потерь в виде неиспользованных частей фракций порошка.

На практике при использовании способа (патент RU 2208656,опубл. 20.07.2003) полученная кальций-алюминиевая лигатура при заданном составе 70% алюминия и 30% кальция имела диапазон массовой доли алюминия от 61,1% в верхней части и 79,2% в нижней части цилиндра. Рассчитанное по закону Рауля значение давления паров кальция для указанного диапазона химического состава лигатуры при температуре обработки стали - 1600°С - изменяется от 213 до 425 мм рт.ст., то есть практически в два раза.

Наиболее однородными материалами для прутка могут быть сплавы, полученные путем сплавления исходных металлов. Однако из-за образования хрупких алюминидов кальция и магния экструзия таких сплавов не представляется возможной.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения однородности и качества проволоки с использованием наполнителей, повышающих температуру кипения низкокипящих компонентов, повышения эффективности обработки металлургических расплавов, повышения производительности процесса изготовления прутка.

Для получения такого технического результата предлагается проволока для обработки металлургических расплавов, содержащая наполнитель в форме прессованного прутка неограниченной длины и оболочку, причем пруток выполнен из двойных сплавов элементов, взятых из группы кальций, стронций и барий, с массовой долей одного из компонентов от 0,05 до 95,0%.

Исходные материалы для прессования могут быть в виде металлического порошка сплава с размерами частиц до 10 мм или смеси порошка с кусками сплава произвольной формы с линейными размерами частиц до 50 мм.

Прессованный пруток неограниченной длины может быть выполнен из брикетов, предварительно полученных путем прессования диспергированного сплава.

Возможно использование исходных материалов для прессования в виде слитков или гранул сплава.

Комплексное использование, например, кальция и бария, в настоящее время практикуется за счет применения порошковых кремнийсодержащих наполнителей SiCaBa (Интернет-ресурс. Ферросплав FeSiCaBa. Режим доступа http://ru.made-in-china.com/co_hdglins/product_Si-Ca-Ba-Alloy_eursiesyg.html). Из-за присутствия в сплавах хрупких составляющих - силицидов кальция и бария - их обработка давлением, например, экструзией, не представляется возможной. Как показано выше, при использовании порошковых наполнителей их эффективность при обработке сталей и чугунов снижается. Кроме этого, сужается область их применения из-за того, что такие сплавы нельзя использовать при получении сталей с низким содержанием кремния.

Щелочноземельные металлы - кальций, стронций и барий - при сплавлении образуют ряд непрерывных твердых растворов (Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. М.: Машиностроение, 1996). Отсутствие упрочняющих фаз в этих системах позволяет проводить обработку давлением сплавов при любых соотношениях компонентов.

Повышение эффективности обработки металлургических расплавов достигается использованием сплавов щелочноземельных металлов, у которых давление паров меньше, чем у сходных компонентов (Пазухин В.А., Фишер А.Я. Разделение и рафинирование металлов в вакууме. М.: Металлургия, 1969). Общее давление паров металлов в системе кальций-барий при температуре обработки расплава стали - 1600°С - показано на фиг. 1. Снижение потерь легкокипящих компонентов при обработке стали достигается за счет увеличения скорости ввода проволоки в расплав. При этом увеличивается глубина погружения наполнителя и, соответственно, увеличивается ферростатическое давление, подавляющее испарение. На фиг. 1 видно, что сплав кальция с массовой долей бария около 82% имеет давление паров 760 мм рт.ст., то есть такому сплаву не требуется ферростатическое давление для подавления кипения. При этом высокая однородность сплавов позволяет стабилизировать давление паров в отличие от аналогов.

Для обработки металлургических расплавов, имеющих повышенную до 1650°С температуру, необходимо повышение массовой доли труднокипящего компонента, например, бария, до 95%.

При изготовлении, например, порошка кальция с заданным размером частиц (патент RU 2203774, опубл. 10.05.2003) возможно получение материала с максимально возможной насыпной плотностью, составляющей на практике до 0,9 г/см³. Поэтому использование такого материала как самостоятельно, так и в смеси с кусковым кальцием приводит к заполнению контейнера до 59% от теоретически возможного, при использовании брикетированного кальциевого материала, имеющего плотность 1,18-1,21 г/см³, - 76% и при использовании слитка кальция - 89%. Поэтому для повышения производительности процесса получения прутка без ухудшения качества проволоки исходные материалы можно использовать в виде полученных путем прессования брикетов или слитков.

Заявляемый способ опробован в условиях производства, получены бухты проволоки длиной до 6 км.

Пример 1

Получение прутка проводили на вертикальном прессе, имеющем номинальное усилие 1500 тс. В качестве исходного материала использовали кальций-стронциевый сплав с массовой долей стронция 0,12%, полученный по способу (патент RU 2150529, опубл. 10.06.2000) в виде порошка с размерами частиц до 10 мм и кусков произвольной формы с линейными размерами частиц до 50 мм в массовом соотношении 1:3. Для получения бухты прутка массой 517 кг и длиной 5,8 км проведено 75 циклов прессования. Из полученного прутка была изготовлена бухта проволоки массой 1566 кг.

Пример 2

В качестве исходного материала использовали кальций-стронциевый сплав с массовой долей стронция 0,15% в виде порошка с размерами частиц до 10 мм. Порошок вначале брикетировали путем прессования на вертикальном прессе с номинальным усилием 250 тс. Прессование брикетов с получением прутка осуществляли по примеру 1. Для получения бухты прутка массой 528 кг и длиной 5,9 км проведено 60 циклов прессования. Из полученного прутка изготовлена бухта проволоки массой 1600 кг.

Пример 3

Получение прутка проводили с использованием в качестве исходного материала литых гранул кальций-бариевого сплава с массовой долей бария 30,0%, полученных по способу (патент RU 2532735, опубл. 10.11.2014). Прессование гранул с получением прутка осуществляли по примеру 1. Для получения бухты прутка массой 637 кг и длиной 4,9 км проведено 64 цикла прессования. Из полученного прутка изготовлена бухта проволоки массой 2810 кг.

Пример 4

Получение прутка проводили с использованием в качестве исходного материала слитков кальций-бариевого сплава, полученного путем сплавления компонентов по способу (патент RU 2062811, опубл. 27.06.1996) с массовой долей бария 40,0%. Прессование слитков с получением прутка осуществляли по примеру 1. Для получения бухты прутка массой 642 кг и длиной 4,5 км проведено 43 цикла прессования. Из полученного прутка изготовлена бухта проволоки массой 3803 кг.

Пример 5

Для обработки металлургических расплавов при повышенной до 1650°С температуре получены по примеру 4 слитки барий-стронциевого сплава с массовой долей бария 85,0%, стронция 14,6%. Прессование слитков с получением прутка осуществляли по примеру 1. Для получения бухты прутка массой 703 кг и длиной 3,5 км проведено 45 циклов прессования. Из полученного прутка изготовлена бухта проволоки массой 1336 кг.

Приведенные примеры не ограничивают использование предлагаемого изобретения для получения проволоки с другими заявленными наполнителями, а также наполнителями, имеющими достаточно высокую для обработки давлением пластичность.