Результат интеллектуальной деятельности: Кальцийсодержащая проволока для ковшевой обработки стали

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

Известны порошковые проволоки с различными наполнителями для обработки металлургических расплавов (Давыдов С.В., Панов А.Г. Тенденции развития модификаторов для чугуна и стали // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 1. С.3-11). Кальцийсодержащие наполнители, такие как силикокальций, феррокальций, металлический кальций и другие, используются для модифицирования неметаллических включений, десульфурации, раскисления и микролегирования стали.

Особенностью порошковых кальцийсодержащих наполнителей является низкая насыпная плотность и температура кипения кальция, входящего в состав, составляет 1490°С, не превышающая рабочую температуру металлургического расплава - 1600°С. В металлургическом расплаве порошковый кальцийсодержащий наполнитель по сравнению, например, с ферросплавами при одинаковой конструкции проволоки быстрее нагревается выше температуры кипения, создавая давление, разрушающее оболочку в верхних горизонтах ковша.

При введении проволоки в расплав стали происходит намораживание на оболочку проволоки слоя металла из расплава, затем его нагрев, расплавление вместе с оболочкой и переход в расплав в виде капель. После этого кальций, входящий в состав наполнителя, сначала в виде капель, а затем при всплывании до определённой глубины в виде пузырей пара взаимодействует с расплавом. Часть пузырей достигает зеркала расплава и сгорает на воздухе, что снижает усвоение кальция в расплаве до величины не более 20%.

Следовательно, недостатком данной проволоки является низкое усвоение кальция в расплаве.

Повышение усвоения кальция в расплаве может быть достигнуто путём увеличения времени нагрева и расплавления проволоки и, соответственно, глубины её погружения.

Попытка решения этой задачи предпринята в способе изготовления рафинировочного провода (проволоки) для расплавленного металла (патент RU 2401868, опубл. 20.10.2010), в котором формируют металлическую оболочку, в основном, U-образной формы, вводят рафинировочный материал (кальций) в порошковой форме в металлическую оболочку, формируют металлическую оболочку для инкапсулирования сердечника из рафинировочного материала, сваривают продольные края металлической оболочки с обеспечением герметичности для предотвращения проникновения нежелательного кислорода или другого газа или материала вовнутрь оболочки, осуществляют прокатку или волочение проволоки для уменьшения его диаметра и повышения отношения условной плотности рафинировочного материала в сердечнике к плотности теоретического эквивалента твердого сердечника более 95%, что препятствует сохранению в оболочке кислорода, воздуха или других вредных материалов, причем толщина оболочки составляет более 0,6 мм.

Недостатком рафинировочной проволоки, изготовленной вышеуказанным способом, выбранной в качестве ближайшего аналога, является низкое усвоение кальция в стали, и как следствие, увеличение его расхода. Данный недостаток возникает из-за того, что при проведении операций сварки и пластической деформации в оболочке создаются напряжения, которые повышаются при увеличении толщины оболочки. При толщине оболочки более 1,5 мм напряжения часто превышают предел прочности стали, что приводит к частичному (появление трещин) или полному (обрыв) разрушению проволоки при формировании бухты или её разматывании из бухты во время введения в металлургический расплав. Для повышения усвоения кальция проволоку, как правило, вводится в расплав по оси, перпендикулярной зеркалу расплава, что обеспечивается направляющей трубкой. Напряжения в оболочке, в основном, снимаются при нагреве в расплаве, то есть после направляющей трубки. Это приводит к деформации проволоки и, соответственно, к её отклонению от оси ввода, перпендикулярной зеркалу расплава. В результате глубина погружения проволоки уменьшается, значительная часть кальция оказывается в верхних горизонтах расплава. Соответственно уменьшается время взаимодействия кальциевых капель и пузырьков пара с расплавом, что приводит к снижению усвоения кальция в стали. Еще одним из недостатков является использование рафинировочного материала в порошковой форме, что в свою очередь, приводит к необходимости проведения дополнительной операции прокатки или волочения для достижения конечных геометрических размеров и уплотнения порошка. При этом условная плотность рафинировочного материала сердечника по сравнению с твердым кальцием достигает 97 %, и как результат, появление пустот в сердечнике рафинировочной проволоки (фиг.1).

Предлагаемая кальцийсодержащая проволока для ковшевой обработки стали решает задачу повышения усвоения кальцийсодержащего наполнителя (кальция) в металлургическом расплаве за счёт повышения теплоты нагрева и плавления материала оболочки и наполнителя, а также снижения её деформации при вводе в металлургический расплав.

Технический результат достигается тем, что кальцийсодержащая проволока для ковшевой обработки стали включает кальцийсодержащий наполнитель и металлическую оболочку, продольные края которой соединены методом сварки, оболочка имеет толщину до 3,0 мм, проволока находится в отожжённом состоянии.

Формирование металлической оболочки U-образной формы, введение в неё кальцийсодержащего наполнителя, сварка продольных краёв оболочки так же, как и в ближайшем аналоге, позволяет получить кальцийсодержащую проволоку, которая находится в нагартованном состоянии, имеющем высокий уровень внутренних напряжений. Для снятия внутренних напряжений проволоки используют рекристаллизационный отжиг. Так например, температура отжига для стали составляет 600-700 °С, для металлического кальция - около 120 °С. Соответственно, для проволоки с оболочкой из стали и кальцийсодержащего наполнителя в виде прутка из металлического кальция выбирается температура отжига стали. Снятие внутренних напряжений позволяет снизить деформацию стали и прутка при нагреве в металлургическом расплаве, за счёт чего достигается снижение отклонения проволоки от вертикальной оси ввода, перпендикулярной зеркалу расплава. Качество отжига контролируется по твёрдости оболочки – не более 40 HR15N.

В качестве материала оболочки кальцийсодержащей проволоки возможно использование стали для глубокой вытяжки. Механические свойства вышеуказанной стали незначительно меняются при быстром нагреве и охлаждении, например, при сварке. При формировании оболочки толщиной до 3,0 мм для проволоки диаметром от 8 до 12 мм, как правило, происходит деформация металла не более чем на 15%. Использование для оболочки сталей, например, 08Ю или DC07, имеющих относительное удлинение не менее 32%, позволяет получить в оболочке низкий уровень внутренних напряжений, недостаточных для деформации проволоки с отклонением её от оси ввода при введении в металлургический расплав.

Дальнейшее увеличение толщины оболочки более 3,0 мм нецелесообразно из-за увеличения значений удельной теплоты нагрева и плавления материалов, что часто приводит к деформации проволоки при её достижении дна ковша.

Использование в предлагаемом техническом решении кальцийсодержащего наполнителя в виде прутка из металлического кальция, полученного известными способами (например, по патенту RU 2527547, опубл. 10.09.2014), позволяет исключить прокатку или волочение проволоки до меньшего диаметра и повысить плотность наполнителя не менее 97,5% от плотности металла, что повышает теплоту нагрева и плавления материала.

Кальцийсодержащий наполнитель в виде прутка может быть выполнен из пластичных сплавов кальция со стронцием или барием с массовой долей одного из компонентов от 0,05 до 99,95 %.

Также кальцийсодержащий наполнитель в виде прутка может быть выполнен из пластичных сплавов кальция с магнием и/или алюминием с массовой долей одного из компонентов от 0,003 до 10,0 %.

В вариантном исполнении кальцийсодержащий наполнитель может быть выполнен в виде литых гранул металлического кальция или его сплавов с алюминием, и/или никелем, и/или магнием, и/или кремнием, и/или барием, и/или стронцием, полученных известным способом (патент RU 2149734, опубл. 27.05.2000). По сравнению с наполнителем ближайшего аналога, имеющим насыпную плотность от 0,6 до 0,8 г/см³, плотность литых гранул составляет от 0,9 до 1,0 г/см³, что позволяет увеличить теплоту нагрева и плавления материала наполнителя проволоки.

Пример 1

При изготовлении кальцийсодержащей проволоки для ковшевой обработки стали использовали ленту из стали 08пс. После придания ленте
U-образной формы в неё укладывали кальцийсодержащий наполнитель в виде прутка диаметром 6,9 мм из сплава кальция с массовой долей алюминия 1,46%. Продольные края оболочки толщиной 2,1 мм герметично соединяли высокочастотной сваркой. Скорость формирования проволоки, включая сварку, составляла до 40 м/мин. Полученную бухту проволоки загружали в нагретую до 620°С печь колпакового типа и проводили отжиг в атмосфере инертного газа в течение 22 ч, охлаждение бухты проводили в печи в течение 36 ч. Результаты, полученные в ходе проведения испытаний проволоки, показали, что отжиг способствует снижению твёрдости материала оболочки в 1,3 раза, с 48,7 HR15N для исходного состояния до 37,5 HR15N после термообработки. Поперечное сечение предлагаемой проволоки показано на фигуре 2.

Пример 2

Для сравнительных испытаний также была изготовлена проволока по способу ближайшего аналога (без отжига) с толщиной оболочки 1,5 мм.

В качестве исходного материала оболочки использовали стальную ленту из стали 08пс, которой придавали U-образную форму, далее в неё засыпали диспергированный кальций, формировали оболочку так, что её продольные края примыкали друг к другу. Затем продольные края металлической оболочки герметично сваривали высокочастотной сваркой. Полученную заготовку проволоки диаметром 13,0 мм подвергали прокатке с уменьшением её диаметра до 10,0 мм. Поперечное сечение полученной проволоки, изготовленной по ближайшему аналогу, показано на фигуре 1.

Пример 3

В вариантном исполнении была изготовлена кальцийсодержащая проволока с наполнителем в виде литых гранул кальция. Изготовление проволоки осуществлялось аналогично примеру 2. Полученная проволока имела диаметр 11,0 мм и толщину оболочки 2,1 мм. После отжига по примеру 1 твёрдость оболочки снизилась с 49,6 до 37,7 HR15N.

Характеристики проволок, изготовленных по примерам 1-3, представлены в таблице.

Как следует из данных таблицы, теплота нагрева и плавления предлагаемой проволоки, изготовленной по примеру 1, приблизительно в 1,4 раза превышает теплоту нагрева и плавления проволоки, изготовленной по способу ближайшего аналога (пример 2). Соответственно, ожидаемое повышение усвоения кальция в расплаве должно составлять около 40%.

Однако за счёт использования проволоки в отожжённом состоянии, повышенные прочностные свойства которой обеспечиваются увеличенной толщиной, снизилось отклонение проволоки от вертикальной оси ввода и, как следствие, усвоения кальция в расплаве повысилось на 60%, по сравнению с ближайшим аналогом.

В вариантном исполнении (пример 3) повышение усвоения кальция в расплаве несколько меньше, что обусловлено тем, что кальцийсодержащий наполнитель в виде прутка, в отличие от литых гранул кальция, привносит вклад в общую прочность проволоки и тем самым стабилизирует её относительно оси ввода в расплав.