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.

Существует большое количество сплавов, содержащих бор, которые состоят из одного (ферробор) или нескольких ведущих компонентов (титан, алюминий, никель, марганец, кремний и т.д.).

Ввод микродобавок бора в сталь значительно улучшает ее механические свойства. Однако, в настоящее время широкому распространению производства сталей, легированных бором, препятствуют сложности, связанные с высокозатратным производством борсодержащих ферросплавов, нестабильным получением заданных концентраций и усвоением бора и других компонентов в обрабатываемом металле. Получение ферросплавов с высоким содержанием бора является дорогим из-за высокой стоимости шихтовых материалов и технологии их получения. Поэтому более рационально получать сплавы с пониженным содержанием бора (до 2,5%), имеющие в своем составе химически активные компоненты (Al, Ti, Si и т.д.). Преимуществами таких комплексных ферросплавов по сравнению с традиционными являются возможность использования более дешевых шихтовых материалов и высокие технико-экономические показатели при их получении.

В отечественной и зарубежной металлургической промышленности для микролегирования и раскисления стали широко используют ферробор с содержанием 6-20% В. Его химический состав, мас. %: В≥6, Si 2-10; Al 3-10; Fe - остальное (ГОСТ 14848-69). Однако, как показывает практика, использование этого ферросплава с высоким содержанием бора (марки ФБ6-ФБ20) может приводить к низкому и неравномерному усвоению, ликвации бора (Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. - Челябинск. - 2006. - 421 с). Кроме того, при его производстве используются дефицитные шихтовые материалы.

Известен комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа, содержащий бор, кремний, хром, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас. %: бор 0,5-2,0, хром 20,0-35,0, кремний 35,0-55,0, железо и примеси - остальное (патент РФ №2537677, опубликовано 10.01.2015).

К недостаткам данного сплава относится высокий уровень хрома, и пониженный кремний, ограничивающие применение сплава для широкого диапазона марок стали и существенно удорожающий его.

Известен комплексный сплав на основе железа для микролегирования и раскисления стали, состоящий из бора, кремния, алюминия, марганца и бария, при этом указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5, марганец 0,2-0,4; барий 0,1-1,5; железо - остальное (Евразийский патент №022416, опубликовано 30.12.2015).

Недостатками данного сплава является широкий диапазон содержания кремния (41,0-68,0 мас. %), при максимальном усвоении бора сталью 71-72%.

Известен комплексный ферросплав с бором, близкий по составу к предлагаемому сплаву, мас. %: бор - 0,5-2,0; кремний - 15,0-20,0; марганец 65-70; углерод - 1,0-2,5; алюминий 0,1-2,0; барий 0,1-3,0; остальное железо (Евразийский патент №022174 «Комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали», опубликовано 30.11.2015, который был принят за прототип).

Наличие в сплаве большого количества марганца, а также бария, ограничивает область его применения в сталеплавильном производстве.

Максимальная степень усвоения бора сталью 73-75%

Техническим результатом предлагаемого изобретения является то, заявленный комплексный сплав с бором для раскисления и микролегирования стали, содержащий минимальное количество элементов, обеспечивает высокое и стабильное усвоение бора за счет присутствия химически активных элементов (Si и А1) в определенном соотношении.

Указанный технический результат достигается тем, что комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали на основе железа, содержащий бор, алюминий и кремний, согласно изобретению содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас. %: бор 0,5-2,5, алюминий 10-15, кремний 50-60, железо и примеси - остальное.

Ранее было экспериментально установлено, что для наиболее благоприятной концентрации бора в стали (0,001-0,003%) в ферросплаве достаточно иметь содержание бора в диапазоне 0,5-2,5%. Данное количество ферросплава обеспечивает стабильный уровень бора в стали без усложнения технологии выплавки. При меньшем содержании бора в сплаве необходимо значительно увеличивать количество вводимого ферросплава, при большем происходит снижение физической массы сплава и усвоения бора.

Кремний в предлагаемом сплаве служит для раскисления стали. Он связывает кислород и азот в оксиды и нитриды, предохраняя бор от взаимодействия с ними. Экспериментально установлено, что для успешного раскисления стали в сплаве необходимо 50,0-60,0% Si. Этого количества кремния достаточно для защиты бора от окисления и высокого усвоения его сталью.

Алюминий, имеющий большее сродство к кислороду, чем бор и кремний, также способствует предотвращению образования нитридов и оксидов, это дополнительно повышает усвоение бора сталью. Наличие алюминия в получаемом сплаве в заявляемых пределах 10,0-15,0% улучшает эффективность применения комплексного ферросплава с бором. Нижний предел содержания алюминия равен 10,0%, этого количества достаточно для обеспечения высокой степени перехода бора в сталь. Верхний пределалюминия - 15,0%, обусловлен тем, что такое количество алюминия обеспечивает максимальную степень усвоения бора сталью, а дальнейшее повышение приводит лишь к увеличению затрат на производство сплава.

Наличие железа в сплаве обеспечивает более равномерное распределение и более полное усвоение компонентов сплава сталью.

Количество железа в сплаве обусловлено технологическими условиями восстановительной выплавки ферросиликоалюминия с бором.

Углерод присутствует в комплексном борсодержащем сплаве в качестве примеси в количестве не более 1,0% и положительно влияет на структуру обрабатываемой стали, увеличивая прочность и твердость металла.

Правильность выбора состава предлагаемого борсодержащего ферросплава, позитивно влияющего на степень усвоения бора сталью при ее микролегировании, подтверждается следующими примерами.

Примеры конкретного осуществления

Опытные образцы борсодержащих ферросплавов получали в высокотемпературной лабораторной электропечи при 1550-1600°C путем сплавления ферросилиция (58,0-68,0% Si), чушкового алюминия, ферробора и пруткового железа.

Процесс плавления происходил в защитной атмосфере инертного газа. В расплав жидкого ферросилиция добавляли чушковый алюминий и прутки железа. Затем к полученному жидкому расплаву присаживали ферробор и выдерживали при постоянной температуре в течение 10 минут. После этого расплав разливался в чугунные изложницы.

Состав полученных ферросплавов представлен в таблице.

Микролегирование стали бором проводились в огнеупорных тиглях, помещенных в лабораторную электропечь с графитовым нагревателем. Обрабатываемая сталь во всех опытах была одного химического состава, мас. %: С 0,2; Mn 0,6; Si 0,4; S 0,02. Критерием эффективности состава борсодержащего ферросплава являлась степень усвоения бора сталью (α):

α=[В_с]/[В_ф]⋅100,

где В_ф - количество введенного ферросплавом бора; [В_с] - количество бора в обработанной сплавом стали.

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

Из данных таблицы следует, что лучшие показатели усвоения бора сталью, обработанной сплавами разного состава, у образцов 3-5 и 7-10, ниже у образцов 2 и 6. Образец 1 (прототип), несмотря на содержание в нем бора, кремния и других элементов (Ва, Mn), не обеспечил высокую степень перехода бора в сталь (73%).

Содержание бора в сплаве 0,5-2,5% связано с тем, что менее 0,5% В приведет к увеличению физической массы ферросплава, вводимого в жидкую сталь, и увеличению степени охлаждения обрабатываемого расплава. Увеличение в сплаве бора более 2,5%, не повышая степень его усвоения сталью приведет к удорожанию сплава. Результаты, приведенные в таблице, показывают, что на усвоение бора сталью оказывает влияние количество в сплаве кремния и алюминия.

Содержание в сплаве кремния в интервале 50,0-60,0% обусловлено тем, что при меньшем его количестве усвоение бора снижается до 78% при оптимальных значениях других элементов (образец 2), а при кремнии больше 60,0% степень усвоения бора не увеличивается, а стоимость сплава необоснованно растет (образец 5).

Присутствие в сплаве алюминия связано с тем, что он одновременно с предохранением от окисления бора проводит эффективное раскисление стали. Нижний предел содержания алюминия (10,0%) связан с тем, что при 8,5% алюминия (образец 6) усвоение бора значительно ниже (78%), чем при более 10,0% алюминия (83-84%). Повышение в сплаве алюминия более 15% не увеличивает степень усвоения бора сталью.

Кроме того, предлагаемые пределы содержания в сплаве кремния и алюминия (50,0-60,0% Si и 10,0-15,0% А1) связаны с прогрессивной и малозатратной технологией получения комплексного сплава ферросиликоалюминия с бором, получаемого путем присадки в ковш борсодержащего материала на струю выпускаемого из рудовосстановительной электропечи расплава железо-кремний-алюминия.

Экспериментами показано, что по содержанию бора оптимальными являются сплавы, содержащие от 0,5 до 2,5% В, не подходят сплавы образцов 2 и 5 из-за пониженного и повышенного содержания кремния соответственно и сплавы образцов 6 и 9 из-за низкой и высокой концентрации алюминия.

Таким образом, отличие предлагаемого сплава от прототипа (образец 1) состоит в том, что по степени усвоения бора, содержащегося в этих ферросплавах, сталью он превосходит его, кроме того, не содержит дорогих легирующих элементов, проще по технологии выплавки и дешевле.