Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к области специальной электрометаллургии, а именно к производству с использованием электрошлаковой технологии биметаллических слитков, состоящих из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного (плакирующего) слоя из коррозионно-стойкой стали, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы и листы. Важными требованиями к таким слиткам являются высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слоев, равномерность толщины наплавленного слоя и его высокая коррозионная стойкость при удовлетворительном качестве поверхности, а также определенные геометрические размеры - сравнительно низкие значения толщины слитка и высокие значения его ширины, что облегчает последующую прокатку слитков на листы определенного размера, то есть повышает технологичность и приводит к снижению стоимости.

Известен способ получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, включающий размещение в кристаллизаторе с зазором от одной из его стенок металлической заготовки, являющейся одним из слоев биметаллического слитка, установку расходуемого электрода в этом зазоре, наведение в зазоре шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя биметаллического слитка со скоростью, устанавливаемой в зависимости от величины зазора (H₁) и толщины заготовки (Н₂) по математическому выражению V_ф=3,6(1-0,3H₁/H₂)± 0,3, кг/мин, при электросопротивлении шлаковой ванны, определяемом из математической зависимости R=2,5B₁B₂±_{0,2, где R - электросопротивление шлаковой ванны, мОм; B1 - ширина электрода, мм; В2 - ширина заготовки, мм (Патент РФ №2087561, МПК С 22 В 9/18, опубл. 20.08.1997 г.). Способ обеспечивает равномерность толщины и химического состава наплавленного слоя при удовлетворительном качестве поверхности при наплавке заготовок толщиной более 350 мм и шириной менее 1000 мм. Однако его использование для получения биметаллических заготовок толщиной менее 350 мм и шириной более 1000 мм, более технологичных при производстве биметаллических листов, не обеспечивает требуемого качества соединения слоев: имеют место расслои или зоны с низкой прочностью сцепления слоев. При последующей прокатке таких слитков на листы возможно образование значительных по площади отслоений плакирующего слоя.}

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения биметаллического слитка, включающий размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионно-стойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя при том, что на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм (Н_о) при ширине 1000-1600 мм формируют наплавленный слой, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины слитка, со скоростью, назначаемой в соответствии с соотношением

V_н=(1150-2000D)± 200, кг/ч,

где V_н - скорость формирования наплавленного слоя, кг/ч,

D - толщина наплавленного слоя, % от общей толщины слитка,

при значении электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, под шлаком, содержащим, маc.%

20-30 СаО

10-30 SiO₂

2-15 Аl₂O₃

и 2-5 MgO

остальное CaF₂ и примеси, причем основность шлака, вычисляемая по уравнению: О=(1,5<(0,018CaO+0,015MgO+0,006CaF₂)/(0,017SiO₂+0,005Al₂O₃), соответствует условию: 1,5<O<3,0.

(Патент РФ №2193071, МПК⁷ С 22 В 9/20, опубл. 20.11.2002 г., описание - прототип).

Способ направлен на повышение коррозионной стойкости наплавленного слоя биметаллических слитков и их технологичности при прокатке на листы, а также снижение стоимости передела слитков в листовой прокат при сохранении прочности и сплошности соединения слоев, равномерности толщин слоев и удовлетворительного качества поверхности наплавленного слоя. Однако при наличии мышьяка в стали основного слоя в количестве 0,005% и более возможно резкое снижение качества соединения слоев. Кроме того, при использовании в качестве основного слоя низколегированных и легированных сталей, что требуется для повышения прочностных характеристик биметаллического проката при нормальных и повышенных температурах, увеличение теплоемкости и теплоты плавления стали основного слоя может приводить к недостаточному количеству тепла при наплавке для обеспечения качественного соединения слоев.

Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении высокого качества биметаллических слитков, в том числе предназначенных для последующей прокатки на листы: высокой прочности и гарантированной сплошности соединения слоев, равномерной толщины, высокой коррозионной стойкости, прочностных характеристик, в том числе при повышенных температурах, и удовлетворительного качества поверхности плакирующего слоя.

Техническим результатом данного изобретения является повышение прочности и сплошности соединения слоев, прочностных характеристик биметаллического проката при нормальных и повышенных температурах при сохранении технологичности, равномерной толщины, коррозионной стойкости и удовлетворительного качества поверхности плакирующего слоя.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, включающем размещение стальной заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемых электродов из коррозионно-стойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемых электродов с формированием плакирующего слоя, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины биметаллического слитка при значениях электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, последующее охлаждение слитка, согласно изобретению основной слой изготавливают из легированной стали, содержащей, мас.%:

углерод - 0,05-0,25

кремний - 0,01-0,50

марганец - 0,20-0,60

фосфор - не более 0,025

сера - не более 0,020

хром - 0,7-2,5

молибден - 0,2-1,0

железо и неизбежные примеси, в том числе мышьяк - остальное, переплав расходуемых электродов при содержании мышьяка в стали основного слоя менее 0,005% ведут при величине тока 9,0-10,0 кА, а при содержании мышьяка не менее 0,005% - при величине тока, назначаемой в соответствии с выражением

где I - величина тока на каждом расходуемом электроде, кА,

(As) - содержание мышьяка в стали, маc.%,

а охлаждение биметаллического слитка проводят замедленно для обеспечения скорости охлаждения на поверхности плакирующего слоя при температурах ниже 500° С не более 50° С в час;

как вариант, основной слой изготавливают из низколегированной стали, содержащей, мас.%:

углерод - 0,05-0,25

кремний - 0,01-0,80

марганец - 0,20-1,60

фосфор - не более 0,025

сера - не более 0,020

железо и неизбежные примеси, в том числе мышьяк - остальное,

переплав расходуемых электродов при содержании мышьяка в стали основного слоя менее 0,005% ведут при величине тока 8,0-10,0 кА, а при содержании мышьяка не менее 0,005% - при величине тока, назначаемой в соответствии с выражением

где I - величина тока на каждом расходуемом электроде, кА,

(As) - содержание мышьяка в стали, маc.%,

Суть предложения заключается в следующем.

Определенный химический состав стали основного слоя играет решающую роль в обеспечении механических свойств двухслойной стали и изделий из нее - прочности, в том числе при повышенных температурах, вязкости, а также свариваемости.

Легированная сталь, содержащая 0,7-2,5% хрома и 0,2-1,0% молибдена имеет высокую прочность при повышенных температурах вплоть до 500° С, что определяет возможность высокотемпературной эксплуатации изделий из двухслойной стали с соответствующим плакирующим слоем. Содержание углерода, кремния и марганца в легированной стали в предлагаемых пределах позволяет получать требуемый уровень прочности без снижения свариваемости.

Низколегированная сталь предназначена для эксплуатации при более низких температурах, чем легированная. Требуемый комплекс механических характеристик двухслойных листов с основным слоем из низколегированной стали обеспечивается содержанием основных легирующих элементов - углерода, кремния и марганца в предлагаемых пределах.

При меньшем содержании основных легирующих элементов может быть не обеспечен необходимый уровень прочности, при более высоком их содержании возможно снижение вязкости и свариваемости.

Ограничение содержания фосфора и серы и в легированной и в низколегированной стали также связано с необходимостью обеспечить определенный уровень вязкости и свариваемости.

Обеспечение равномерной толщины, химического состава и высоких прочности и сплошности соединения слоев в биметаллическом слитке достигается путем обеспечения определенной и равномерной глубины проплавления, преимущественно от 3 до 10 мм. Важным параметром электрошлакового переплава, определяющим глубину проплавления заготовки основного слоя и ее равномерность, является электросопротивление шлаковой ванны, которое должно находиться в пределах, определенных формулой изобретения - 3,5-5,0 мОм. Кроме того, подводимую мощность и, следовательно, количество тепла, которое поступает для переплава коррозионо-стойкой стали и для частичного подплавления стали основного слоя, определяет значение тока на электродах.

Минимальное значение тока при использовании в качестве основного слоя легированной стали должно быть выше, чем при использовании низколегированной стали соответственно 9,0 и 8,0 кА (при содержании мышьяка менее 0,005%), что связано с более высокими значениями теплоемкости и теплоты плавления, и, следовательно, с необходимостью большего тепловложения при переплаве.

При повышении содержания мышьяка в стали основного слоя при неизменном режиме переплава возможно снижение качества соединения слоев по следующим причинам. Мышьяк, являясь поверхностно-активной примесью, может скапливаться на поверхности раздела между слоями, ухудшая их сцепление. Кроме того, при переходе мышьяка в шлак в определенном количестве возможно его скопление на поверхности раздела между шлаковой и металлической ваннами, изменяющее свойства шлака и распределение тепла в шлаковой ванне, которое становится неравномерным. При этом в наиболее холодных участках проплавление основного слоя не обеспечивается и качественного соединения слоев не происходит. Поэтому при содержании мышьяка в стали основного слоя от 0,005% и более необходима корректировка режимов переплава, в частности повышение значения тока на электродах в соответствии с уравнениями (1) и (2) для легированной и низколегированной сталей соответственно. Это позволяет обеспечить поступление необходимого количества тепла при переплаве, равномерное его распределение, а следовательно, качественное соединение слоев.

Замедленное охлаждение биметаллических слитков необходимо для того, чтобы избежать существенных перепадов температур по сечению слитка особенно в области температур ниже 500° С, когда уменьшается пластичность составляющих биметаллического слитка и особенно граничной зоны с переменным химическим составом. В граничной зоне при быстром охлаждении появляются повышенные напряжения, которые могут приводить к возникновению трещин, и, следовательно, снижать качество соединения слоев.

Пример конкретного выполнения способа

Для получения биметаллического слитка наплавку заготовок основного слоя из легированной стали и низколегированной стали толщиной 200 мм шириной 1280 мм при заданной толщине наплавленного слоя 10-15% от общей толщины заготовки вели на специально созданных для электрошлаковой наплавки установках наклонного типа.

В полость между поверхностью заготовки основного слоя и кристаллизатором заливали шлак марки АНФ-29 и в полученной шлаковой ванне вели электрошлаковый переплав расходуемых электродов из стали типа 08Х18Н10Б в виде отдельных пластин толщиной 30-50 мм, перекрывающих не менее 80% ширины заготовки, с формированием наплавленного (плакирующего) слоя с различными значениями тока на электродах и при значениях электросопротивления шлаковой ванны 3,9-4,3 мОм. После наплавки и охлаждения до достижения на поверхности наплавленного слоя температуры 500° С биметаллические слитки помещали в термостат, где охлаждали до комнатной температуры со скоростью охлаждения поверхности наплавленного слоя около 30° С в час (варианты 1-6). Один из слитков охлаждали на воздухе (вариант 7). При этом скорость охлаждения поверхности наплавленного слоя в интервале температур 500-300° С составила около 90° С в час.

После охлаждения биметаллических слитков проводили их горячую прокатку на стане 2800 на листы толщиной 18 мм. После нормализации биметаллические листы проходили аттестацию по ГОСТ 10885 с определением механических характеристик, стойкости против межкристаллитной коррозии МКК, сплошности и прочности соединения слоев и т.д.

Химический состав стали основного слоя, значения тока при электрошлаковом переплаве расходуемых электродов и формировании наплавленного слоя, скорость охлаждения поверхности наплавленноого слоя в интервале температур 500-300° С приведены в табл. 1. Качество соединения слоев в биметаллических листах по результатам ультразвукового контроля (доля площади листов, имеющая расслоения, %), сопротивление срезу σ _ср (прочность сцепления слоев при испытаниях на срез плакирующего слоя по ГОСТ 10885), а также прочностные характеристики стали основного слоя при комнатной температуре (предел текучести и предел прочности) и при температуре 500° С (предел текучести), определенные в соответствии с ГОСТ 5520, также приведены в табл. 1. Все остальные технические характеристики полученных листов, в том числе стойкость против МКК, равномерность толщины слоев, качество поверхности наплавленного слоя и другие, соответствовали требованиям ГОСТ 10885.

Из табл. 1 следует, что для вариантов 1, 3, соответствующих п.1 формулы изобретения, обеспечиваются высокая сплошность и прочность соединения слоев в биметаллических листах, а также высокие прочностные характеристики основного слоя, в том числе при повышенной температуре. Вариант 2 не соответствует п.1 формулы изобретения, так как в соответствии с уравнением (1) при содержании мышьяка в стали основного слоя 0,015% значение тока на электродах при электрошлаковой наплавке должно быть не менее 11 кА, в то время как в данном случае оно составляло 9,5 кА. Это и привело к низкому качеству соединения слоев - значительной площади расслоев, пониженному по сравнению с другими вариантами значению сопротивления срезу - 290 Н/мм².

Для вариантов 4 и 6, соответствующих п.2 формулы изобретения, также получено высокое качество соединения слоев, а также высокие значения прочностных характеристик, хотя значение предела текучести при 500° С для этих вариантов ниже, чем при использовании легированной стали. Вариант 5 не соответствует п.2 формулы изобретения, так как в соответствии с уравнением (2) при содержании мышьяка в стали основного слоя 0,010% значение тока на электродах при электрошлаковой наплавке должно быть не менее 10 кА, в то время как в данном случае оно составляло 9,0 кА. Это привело к появлению расслоев и к некоторому снижению сопротивления срезу - до 320 Н/мм².

Вариант 7 не соответствует формуле изобретения из-за повышенной скорести охлаждения поверхности наплавленного слоя в интервале температур 500-300° С - 90° С в час вместо 30° С в час. Это также привело к снижению качества соединения слоев - появлению расслоев и к некоторому снижению сопротивления срезу - до 310 Н/мм.

Таким образом, использование настоящего предложения существенно повышает качество соединения слоев, прочностные харакеристики, в том числе при повышенных температурах при сохранении технологичности, равномерной толщины, коррозионной стойкости и удовлетворительного качества поверхности наплавленного слоя.