Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА В МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ С ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТЬЮ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству конструкционных сталей с пониженной прокаливаемостью, получаемых в мартеновских печах и предназначенных для упрочнения ответственных, тяжелонагруженных деталей машин методом объемно-поверхностной закалки.

Для практического осуществления процесса объемно-поверхностной закалки необходимы стали, прокаливаемость которых меньше прокаливаемости углеродистых сталей. Понижение прокаливаемости стали достигается соответствующим выбором их химического состава, например снижением содержания легирующих элементов. Помимо заданного химического состава, стали должны иметь малую склонность к росту зерна аустенита при нагреве под закалку, что необходимо для обеспечения наиболее мелкого зерна в структуре закаленной стали. Склонность к росту зерна в значительной мере зависит от особенностей выплавки и раскисления стали.

Известен способ получения стали с пониженной прокаливаемостью, предусматривающий обработку расплава мишметаллом или ферроцерием в количестве 0,10-0,15%, алюминием и сплавами титана. (А.с. СССР N 191600, C 21 C 7/06, 1967 г.).

Стали, полученные этим способом, обладают большим разбросом от плавки к плавке свойств прокаливаемости и склонности к росту зерна. Это требует для каждой плавки корректирования режима нагрева при закалке. Способ характеризуется также использованием дорогих раскислителей (ферроцерий), что повышает стоимость стали и затрудняет ее получение.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью, предусматривающий загрузку в мартеновскую печь металлической шихты из железоуглеродистого сплава (чугуна) и лома с регламентированным содержанием в нем хрома, никеля и меди, взятым в расчетных количествах, ввод шлакообразующих, прогрев и плавление шихты, скачивание шлака, нагрев ванны до температуры доводки, доводку расплава по составу и температуре в периоды полировки и чистого кипения, корректировку состава в периоды полировки и чистого кипения, раскисление металла в печи и при выпуске его в ковш или в ковше алюминием и ввод кремния и его сплавов. (Технологическая инструкция N M-17-76 по выплавке стали в основных и двухванных печах завода. Череповец, 1977 г., с. 6-37).

Известный способ позволяет не использовать при выплавке и раскислении дорогие раскислители, однако для стали, выплавленной этим способом, характерен резкий и нестабильный рост зерна при нагреве под закалку в интервале температур Ac₃ -Ac₃+100^oC. Поэтому обычно такие стали в закаленном состоянии имеют зерно аустенита-мартенсита 7-8 балла (средняя площадь зерна 1000-500 мкм²), что обуславливает пониженное значение предела прочности закаленной стали (не более 2000 МПа при твердости 56-60 HRC) и повышенное значение ее хрупкости.

Задача изобретения - разработка способа выплавки и раскисления стали пониженной прокаливаемости, обладающей повышенными прочностными и служебными свойствами. Сущность изобретения заключается в следующем.

Техническим результатом изобретения является достижение гарантированной стабильности свойств пониженной прокаливаемости и получение "сверхмелкого" зерна аустенита-мартенсита закаленной стали величиной 11-12 баллов (средняя площадь 60-30 мкм²) при закалке с температур в диапазоне от Ac₃ до Ac₃+100^oC.

В качестве металлической шихты используют железоуглеродистый сплав и лом с содержанием в них хрома, никеля и меди, обеспечивающих по расплавлении содержание каждого не более 0,10%, а корректировку состава шлака в периоды полировки и чистого кипения производят путем неоднократного скачивания из печи части шлака и добавок в печь шлакообразующих материалов, чтобы за счет такой неоднократной замены шлака обеспечить в расплаве при выпуске (в зависимости от требований ТУ) содержание марганца не более 0,10%.

Обязательным условием является то, что кремний и его сплавы в качестве раскислителей не используются. Раскисление производится алюминием и титаном и его сплавами в количествах, обеспечивающих в готовом металле содержание алюминия 0,03 - 0,10% и титана 0,06-0,12%.

Весь необходимый по составу кремний и его сплавы вводятся в ковш в раскисленную сталь в период наполнения ковша, более 2/3 объема ковша, после ввода в расплав 100% алюминия и 50% титана.

Снижение содержания марганца в расплаве до необходимого его количества производят за счет неоднократного (2 - 3-кратного) обновления (замены) шлака с одновременным экспресс-анализом на содержание марганца в металле.

По изобретению в качестве железоуглеродистого сплава в шихте предпочтительно использовать полупродукт, полученный после деванадизации ванадиевого чугуна, содержащего марганец, хром, никель, медь не более 0,10% каждого, либо передельный доменный чугун с содержанием марганца не более 0,5%.

В последнем случае снижение содержания марганца до необходимого количества производится, как было указано выше, неоднократной заменой шлака.

Процесс кипения ведут не допуская в возможной степени перегрева ванны для того, чтобы уменьшить восстановление марганца из шлака и тем облегчить и ускорить достижение необходимого низкого содержания марганца в расплаве металла.

Применение предложенного способа позволяет достигать в стали, закаленной с температур в диапазоне Ac₃+100^oC зерна аустенита-мартенсита на уровне 11-12 баллов по стандартной шкале (средняя площадь зерна 60-30 мкм²), то есть в 15-20 раз мельче, чем при известных способах выплавки стали. Это позволяет значительно повысить запас его пластичности в закаленном состоянии и практически реализовать высокопрочное состояние (предел прочности 2500-2800 МПа, HRC 60, при содержании углерода 0,5-0,8%) и обеспечить в тяжелонагруженных деталях машин высокие значения статической и усталостной прочности и долговечности.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример. В мартеновскую печь емкостью 240 тонн, работающую скрап рудным процессом завалили 50 тонн металлического лома и залили 180 тонн полупродукта, полученного после деванадизации ванадиевого чугуна следующего состава, мас. %: 3,6% C, 0,001 Si, 0,05 Mn, 0,032 S, 0,025 P, Cr 0,05, 0,02 V, остальное Fe с температурой 1380^oC. Так же завалили окатышей 9 тонн и известкового камня 12 тонн.

После прогрева и плавления шихты получили расплав следующего химического состава, мас.%: 1,4 C, 0,01 Si, 0,07 Mn, 0,032 S, 0,025 P, 0,01 V, 0,05 Cr, 0,02 Ni, 0,05 Cu, остальное железо.

При доводке в период полировки в ванну присаживали руду, окалину и шлакообразующую смесь (известь, боксит) в количестве, обеспечивающем скорость выгорания углерода не менее 0,2% в час. В начале периода чистого кипения отбирали пробу металла для определения углерода, серы, фосфора и марганца и проба шлака, в которой определялось суммарное содержание железа и основность.

В течение периода чистого кипения два раза скачивали 50% шлака из печи и добавляли в ванну известь и шимотный бой. Состав металла в печи перед раскислением составлял мас.%: 0,62 C, 0,04 Si, 0,07 Mn, 0,028 S, 0,020 P, 0,02 V, 0,05 Cr, 0,02 Ni, 0,05 Cu, остальное железо.

В печь на шлак присадили алюминия 0,5 кг/т, остальной алюминий - 1,0 кг/т и 2,0 кг/т ферротитана (с содержанием титана 27%) ввели в ковш, при выпуске при наполнении ковша от 1/3 до 2/3 его объема.

Сразу после наполнения ковша на 2/3 его объема в него в один прием ввели одновременно 2,0 кг/т ферротитана (с содержанием титана 27%) и ферросилиций из расчета получения в металле 0,10 - 0,15% кремния.

После раскисления получили готовую сталь следующего состава в мас.%: 0,65 C, 0,12 Si, 0,08 Mn, 0,029 S, 0,022 P, 0,02 V, 0,06 Cr, 0,03 Ni, 0,06 Cu, 0,06 Al, 0,09 Ti, остальное железо.

Температура в ковше составила 1595^oC. Из стали изготовлены рессорные листы толщиной 14 и 16 мм. Листы подвергали объемно-поверхностной закалке с температур в диапазоне от Ac₃ до Ac₃+100^oC. Получили закаленную структуру в поверхностном слое - мартенсит со структурой "сверхмелкого" зерна 11-12 баллов по стандартной шкале (средняя площадь зерна 60-30 мкм²). При закалке рессорных листов глубина закалки составила от 0,12 до 0,20 от толщины рессорного листа, что соответствовало предъявляемым требованиям.