Результат интеллектуальной деятельности: Комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к ферросплавному производству, и может быть использовано при выплавке стали для ее микролегирования и раскисления.

Основной сортамент сплавов с ниобием представлен различными марками феррониобия с высокой концентрацией Nb+Ta=55-70 мас.%, которые выплавляют алюминотермическим способом из пентаоксида ниобия или пирохлорового концентрата. Полученные ферросплавы содержат, мас.%: Nb 55-70; Si до 6; Ti до 8; Al до 6; С до 0,5; S до 0,3; Р до 2; Та 1-8; Fe - остальное (ГОСТ 16773-2003) и применяются для микролегирования стали. Однако из-за высокой концентрации ниобия температура плавления ферросплава близка или чуть выше температуры обрабатываемого металла, что оказывает негативное влияние на степень перехода ниобия в сталь. Плотность феррониобия составляет 8500 кг/м³, что значительно выше, чем у железоуглеродистого расплава (7000 кг/м³), поэтому при вводе в печь сплав оседает на дне и медленно растворяется. Наряду с этим, его недостатком является производство из дефицитных и дорогих шихтовых материалов (пентаоксид ниобия, алюминий), часть из которых поставляют из-за рубежа.

Ниобиевые руды в Российской Федерации являются низкосортными из-за большой концентрации оксида фосфора и пониженного содержания ниобия, поэтому производство ферросплавов, соответствующих ГОСТу, затруднительно или невозможно. В связи с этим, рациональным является получение комплексных сплавов с пониженным содержанием ведущего элемента, что позволит вовлечь отечественное сырье без дорогостоящих операций по его обогащению.

Известен азотированный ниобийсодержащий сплав для легирования стали с химическим составом, мас.%: Nb 42-70; N₂ 6-12; Si 10-30; Al 2-6; Ti 0,05-1; Fe - остальное (Авторское свидетельство SU 1698301 от 05.05.1988, опубл. 15.12.1991). Высокая концентрация ниобия увеличивает температуру плавления сплава, поэтому при вводе необходимо перегревать сталь, что ухудшает ее качество. Присутствие азота ограничивает применение сплава для широкого диапазона марок стали, а использование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза существенно удорожает производство.

Известна лигатура для стали, которая содержит, мас. %: Cr 6-11; Ni 5-9; Si 6-9, Ti 7-11; Се 8-12; N₂ 3,1-9; Al 0,5-2,5; С 0,5-2; Nb 8-12; Cu 2-5; Zr 0,3-2,7; Fe - остальное (Авторское свидетельство SU 1749290, опубл. 23.07.1992). Недостатком такого сплава является широкий диапазон элементов (Cr, Ni) и наличие редкоземельных металлов, которые существенно ограничивают его применения при легировании стали.

Известен состав лигатуры, которая содержит, мас.%: Si 10,0-15,0; Са 2,0-3,0; Ва 2,0-3,0; Се 3,0-7,0; La 2,0-3,0; Nb 5,0-7,0; V 2,0-3,0; Zr 5,0-7,0; В 2,0-3,0, Al 10,0-15,0; Со 20,0-25,0; Na 0,05-0,1; Fe - остальное (патент РФ №2348729, опубл. 10.03.2009). Широкий состав легирующих элементов существенно удорожает получаемый сплав, а присутствие кобальта накладывает ограничение на его использование при легировании.

Известен состав лигатуры на основе ниобия при следующем соотношении компонентов, мас.%: Ti 25-35; Al 0,1-7,5; V 0,1-2,0; W 0,1-2,0; Mn 0,01-0,45; Nb - остальное (Авторское свидетельство SU 1314704, опубл. 27.08.2015). Высокая концентрация ниобия и титана увеличивает температуру плавления сплава, что ухудшает служебные характеристики лигатуры.

Известен сплав для микролегирования стали, близкий по составу к предлагаемому, мас.%: Nb 12 - 30; Si 5 - 40; Cu 0,01 - 10,0; Са 0,5 -10,0; Al 0,5 -35,0; N₂ 0,001 - 1,0; Y 0,01 - 5,0; Fe - остальное (Авторское свидетельство SU №1138426, опубл. 07.02.1985), который принят за прототип. Наличие большой концентрации меди и кальция ограничивает его применение в сталеплавильном производстве. Большое количество меди в стали оказывает негативное влияние на холодостойкость, тем самым ухудшая свойства металла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является то, что заявленный комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали, содержит минимальное количество химически активных элементов (Si и Ti) в заданных соотношениях, что обеспечивает высокое и стабильное усвоение ниобия.

Указанный технических результат достигается тем, что комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа, содержащий ниобий и кремний, согласно изобретению дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: титан 1,0-5,0, ниобий 18-25, кремний 20-25, железо и примеси - остальное.

На основе экспериментальных данных установлено, что концентрация 0,02-0,04 мас.% ниобия в стали достаточна для оказания позитивного влияния на ее свойства за счет нитридообразования, что обеспечивает ее высокую прочность и хладостойкость.

Для введения необходимого количества ниобия в сталь при микролегировании, достаточно поддерживать его концентрацию в сплаве на уровне 18-25 мас.%. Данное содержание ниобия в комплексе с 20-25 мас.% Si обеспечивает стабильный уровень ниобия в металле за счет улучшения служебных характеристик сплава (плотность, и температура). При использовании сплавов с меньшим содержанием ниобия (<18%), возрастает масса вводимого ферросплава, что увеличивает количество вводимого кремния и титана. Данный эффект нежелателен из-за сужения сортамента обрабатываемой стали, поскольку концентрация кремния в ней строго регламентирована ГОСТом. Например, для стали марки 12ГСБ концентрация кремния находиться в диапазоне 0,25-0,5.

При использовании ферросплавов с высокой концентрацией ниобия (более 25%) происходит увеличение их плотности и тугоплавкости и, как следствие, снижение степени усвоения ниобия сталью.

Кремний в предлагаемом сплаве служит для раскисления стали. Его ввод способствует связыванию кислорода в обрабатываемом металле, предохраняя ниобий от окисления. Экспериментально установлено, что для успешного раскисления стали необходима концентрация 20-25 мас.% кремния в ферросплаве. При этом содержании температура плавления комплексного сплава снижается до рациональных значений 1300-1500°С, а его плотность находится в диапазоне значений 5000-7000 кг/м³.

Титан в комплексном сплаве служит для более глубокого раскисления стали и предотвращения образования в ферросплаве прочных нитридов ниобия с температурой плавления более 2400°С. Нами экспериментально установлено, что рациональным диапазоном значений титана является 1,0-5,0 мас.%. При меньшей концентрации (<1,0 мас.%) он будет неэффективен. Превышение 5,0 мас.%, усложняет и удорожает технологию получения ферросплава. Кроме того, количество титана не должно превышать требуемое маркой стали.

Наличие железа в сплаве обеспечивает равномерное распределение и более полное усвоение компонентов сталью. Концентрация в сплаве обусловлена технологическими условиями силикотермической выплавки комплексного сплава с ниобием.

Оптимальность выбора состава предлагаемого комплексного сплава, позитивно влияющего на степень усвоения ниобия сталью при ее микролегировании, подтверждается следующими примерами.

Примеры конкретного осуществления

Опытные образцы комплексных сплавов с ниобием были получены в высокотемпературной лабораторной электропечи при 1500-1550°С путем сплавления чистых материалов: карбонильное железо марки чда, ниобий металлический марки НБ1, кристаллический кремний марки КР0 и титан технический марки ВТ1-1.

Процесс проводили в инертной атмосфере для предотвращения окисления компонентов сплава. Расплав выдерживали при заданной температуре в течение 10 минут. Затем полученный сплав разливали в чугунные изложницы и оставляли для охлаждения на воздухе.

Составы заявляемого сплава представлены в таблице.

Микролегирование стали ниобием проведено в огнеупорных тиглях, помещенных в лабораторную электропечь. Обрабатываемая сталь имела. химический состав, мас.%: С 0,09; Mn 1,4; Si 0,5; остальное - железо и примеси. Критерий эффективности выбора состава комплексного ферросплава (усвоение ниобия) был выбран как отношение количества ниобия в обработанной сплавом стали к количеству ниобия во введенном ферросплаве:

где Nb_c - количество ниобия в обработанной сплавом стали;

Nb_ф - количество введенного ферросплавом ниобия.

Степень усвоения ведущих элементов комплексного сплава сталью является главной характеристикой, влияющей на его расход и стабильность состава стали.

Из таблицы следует, что лучшие показатели степени перехода ниобия в сталь наблюдаются при использовании образцов 2-4, 8 и 10. Образец 1 (прототип) несмотря на близкие к предлагаемым концентрациям ниобия и кремния и наличие активных элементов (Al, Y), не обеспечивает высокую степень перехода ниобия в сталь (94%).

Концентрация ниобия в диапазоне 18-25 мас.% обусловлена тем, что при содержании менее 18 мас.% (образец 5) происходит увеличение массы вводимого ферросплава, что приводит к охлаждению обрабатываемой стали и вводу избыточного кремния. Повышение концентрации ниобия в сплаве более 25% (образец 6 и 10) приводит к увеличению его температуры плавления, что негативно сказывается на степени перехода ниобия в сталь. Кроме того, достижение высоких значений Nb в сплаве затруднительно из-за низкой концентрации Nb₂O₅ в бедных концентратах и требует использования дорогостоящего импортного сырья, что удорожает и усложняет производство комплексного сплава.

Содержание кремния в пределах 20-25% необходимо для предотвращения окисления ниобия, поскольку при меньшем содержании (образцы 5,7,9) степень усвоения ниобия снижается до 92-93%, а при превышении >25% значительно увеличивается стоимость сплава (образец 10) не улучшая при этом степень усвоения ниобия.

Наличие титана в составе заявляемого сплава обеспечивает одновременное предотвращение окисления ниобия, образования нитридов и способствует более эффективному раскислению стали. Нижняя граница - 1,0 мас.% связана с тем, что при 0,5 мас.% (образец 7) снижается степень усвоения ниобия. Увеличение до 7 мас.% (образец 8) удорожает сплав и не улучшает степень усвоения ниобия.

На степень усвоения ниобия сталью основное влияние оказывают кремний и титан ферросплава.

Таким образом, отличие предлагаемого сплава от прототипа, состоит в том, что по степени усвоения ниобия, содержащегося в этих ферросплавах, он превосходит его, кроме того, он не содержит дорогие редкоземельные элементы. Что позволяет расширить диапазон обрабатываемых марок стали и выплавляется с использованием некондиционного сырья.

Предлагаемые пределы концентраций ниобия, кремния и титана, связаны с ориентацией производства на некондиционное отечественное сырье, путем его силикотермического восстановления в ферросплавной печи.