способ производства проката и поковок

Формула изобретения

Способ получения легированной конструкционной стали с заданным углеродным эквивалентом для производства проката и поковок, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, его выпуск в ковш, определение химического состава металла и его корректировку в ковше добавкой кремния, марганца, алюминия, усреднительную продувку инертным газом, а затем ввод углерода в виде порошковой проволоки, отличающийся тем, что добавку кремния и марганца осуществляют в количестве, определяемом из соотношения

[Si+Mn] СЕ/100[Р]+10 ЦМ,

где [Si+Mn] - суммарное содержание кремния и марганца в готовой стали, мас.%;

СЕ - заданный углеродный эквивалент;

[Р] и ЦМ=(Cu+As+Sn+Sb+Bi+Pb+Zn) - содержание в расплаве фосфора и суммы цветных металлов соответственно, мас.%;

100 и 10 - эмпирические коэффициенты, полученные опытным путем,

при этом добавку алюминия осуществляют в виде проволоки при непрерывном контроле активности кислорода в жидком металле и заканчивают ее сразу после достижения активности кислорода в жидком металле, равной

[О]=(1,5-3,5)·10^-6/[S·Si]нач,

где [О] - содержание активного кислорода в жидком металле, мас.%;

[S·Si] нач - содержание серы и кремния соответственно перед началом присадки алюминия, мас.%;

(1,5-3,5)·10 ^-6 - эмпирический коэффициент, учитывающий морфологию и состав образующихся неметаллических включений,

а усреднительную продувку расплава инертным газом осуществляют при одновременном вакуумировании его в ковше.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству проката и поковок из легированных и конструкционных марок стали с особо низким содержанием вредных примесей и нормированным углеродным эквивалентом, и может быть использовано на металлургических заводах.

Известен способ внепечного рафинирования металла для производства горячекатаного проката с нормированным углеродным эквивалентом, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, выпуск его в ковш, определение химического состава расплава металла и его корректировку путем ввода углерода, добавок марганца, кремния и алюминия и усреднительную продувку газом металла. (См. авт.св. СССР №1786108, МКИ С 21 С 7/00, С 22 В 9/00, 1993 г.)

Однако известный способ не обеспечивает получение высококачественного металла с равномерными механическими свойствами по всей длине проката.

Известен способ производства горячекатаного листового проката с нормированным углеродным эквивалентом, включающий выплавку металла в сталеплавильном агрегате, его выпуск в ковш, определение химического состава расплава металла, его корректировку путем добавок марганца, кремния и алюминия, усреднительную обработку металла с использованием газовой продувки и сразу после нее введение углерода в виде порошковой проволоки с определенным расходом, а после горячей прокатки полученный листовой прокат сматывают в рулоны при температуре смотки, минимальное и максимальное значение которой определяют по формуле. (См. патент РФ №2203962, МКИ С 21 С 7/00, В 21 В 1/00, 2002 г.). Данный способ является наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве прототипа.

К недостаткам известного способа следует отнести тот факт, что добавки в расплав кремния, марганца и алюминия не согласуются с нормируемым углеродным эквивалентом и содержанием в стали вредных примесей (фосфора, серы, цветных металлов), что приводит к снижению конструкционной прочности и хладостойкости металлоизделий, особенно изготавливаемых из крупных поковок (массой более 10 т). Это объясняется эффектом усиления сегрегации фосфора и его аналогов (цветных металлов) в границы зерен матрицы в присутствии кремния и марганца. Кроме того, указанные элементы огрубляют структуру стали и увеличивают протяженность границ зерен, на которых адсорбируются вредные примеси. Это приводит к усилению склонности металлоизделий к хрупкому разрушению, даже после их термообработки по режиму улучшения (закалка + высокий отпуск).

Задачей изобретения является снижение склонности проката и поковок из высокочистой стали к хрупкому и вязкому разрушению, а также повышение изотропности их механических свойств.

Для решения этой задачи в способе производства проката и поковок с нормированным углеродным эквивалентом, преимущественно из легированных конструкционных сталей высокой чистоты, включающем выплавку металла в сталеплавильном агрегате, его выпуск в ковш, корректировку химического состава расплава в ковше добавкой кремния, марганца, алюминия, усреднительную продувку газом, а затем ввод углерода в виде порошковой проволоки, согласно изобретению добавку кремния и марганца производят в количестве, определяемом из соотношения:

где [Si+Mn] - суммарное содержание кремния и марганца в готовой стали, % масс.;

СЕ - заданный углеродный эквивалент;

[Р] и ЦМ = (Cu+As+Sn+Sb+Bi+Pb+Zn) - содержание в расплаве фосфора и суммы цветных металлов соответственно, % масс.;

100 и 10 - эмпирические коэффициенты, полученные опытным путем,

при этом добавку алюминия осуществляют в виде проволоки и заканчивают ее сразу после достижения активности кислорода в жидком металле равной

где [O] - содержание активного кислорода, % масс.; [S·Si]нач - содержание серы и кремния соответственно перед началом присадки алюминия, % масс.; (1,5-3,5)10^-6 - эмпирический коэффициент, учитывающий морфологию и состав образующихся неметаллических включений, а усреднительную продувку расплава инертным газом осуществляют при одновременном вакуумировании его в ковше.

Сущность заявляемого технического решения заключается в обеспечении определенных соотношений между основными элементами в стали, участвующими в связывании примесей внедрения, формировании кристаллической структуры, величины зерна и неметаллических включений (НВ). Влияние углерода и легирующих элементов на микроструктуру стали характеризуется углеродным эквивалентом (СЕ), определяемым согласно ГОСТ 27772. Склонность же металла к хрупкому разрушению характеризуется совместным влиянием кремния, марганца, фосфора и цветных металлов. Таким образом, корректировка суммарного содержания кремния и марганца в зависимости от заданного углеродного эквивалента и содержания в металле фосфора и его аналогов вызывается необходимостью свести к минимуму их негативное влияние на структуру и свойства проката и поковок из высокочистой стали.

На склонность изделий к вязкому разрушению основное влияние оказывает содержание в металле НВ, их морфология и состав. Регулирование активности кислорода в зависимости от исходного содержания кремния и серы (элементов, ответственных за количество, форму и состав образующихся сульфидов, оксисульфидов и силикатов) позволяет эффективно воздействовать на загрязненность стали НВ и ее пластические свойства. Это регулирование осуществляется за счет добавки алюминия в виде проволоки - катанки. Нижнее значение эмпирического коэффициента, учитывающего морфологию и состав НВ, относится к низкоуглеродистым сталям, а верхнее - к высокоуглеродистым.

Продувка расплава в ковше инертным газом снизу через пористые пробки при одновременном его вакуумировании позволяет интенсивно проводить десульфурацию и очищение стали от НВ.

Пример конкретного выполнения.

По предлагаемому способу выплавляли сталь 38ХН3МФА-А с химическим составом по ГОСТ 4543, но с ограниченным содержанием серы и фосфора ( 0,008%) и суммы цветных металлов ( 0,10%). Из нее отливали слитки массой 10,6 т, которые в горячем состоянии доставляли в кузнечно-прессовый цех, где они ковались на трубные заготовки. Углеродный эквивалент данной марки стали для обеспечения высокой трещиностойкости и прочности изделий при эксплуатации в условиях знакопеременных нагрузок и температур не должен превышать 0,85.

Технологический процесс производства стали осуществляли следующим образом.

В 12-тонной основной печи выплавляли полупродукт с проведением интенсивной дефосфорации. Никель и молибден вводили в завалку. При достижении содержания фосфора в металле, равного 0,004%, присаживали на шлак алюминиевую дробь в количестве 1,5 кг/т, а затем проводили предварительное раскисление полупродукта силикомарганцем MnC 17A и ферросилицием ФС-75 в количестве 4,4 кг/т и 2,1 кг/т соответственно.

Далее в печь присаживали феррохром и феррованадий и выпускали расплав в ковш с отсечкой печного шлака. Металл содержал: С=0,30%; Mn=0,20%; Si=0,17%; Cr=1,25%; Мо=0,4%; Ni=3,2%; V=0,14%; S=0,012%; Р=0,006%; ЦМ=0,09%. После этого ковш подали на пост нагрева агрегата комплексной обработки стали (АКОС), где корректировали содержание кремния и марганца с учетом соотношения

путем добавки силикокальция СК15 и металлического марганца Mn 965 в количестве 1,5 кг/т и 0,5 кг/т соответственно при одновременной загрузке в ковш твердой шлаковой смеси (ТШС). Далее определили содержание в металле кремния и марганца, которое составило Si=0,24% и Mn=0,30%. После расплавления ТШС приступили к подаче в расплав с помощью трайб-аппарата алюминиевой проволоки при непрерывном контроле активности кислорода. После достижения активности кислорода в жидком металле равной

добавку алюминия прекращали и ковш подавали на пост вакуумирования. Расход алюминиевой проволоки составил 0,4 кг/т стали. Вакуумирование проводили в течение 12 мин при давлении менее 0,1 КПа, при этом через две пористые пробки в днище ковша подавался аргон с удельным расходом 0,1 м³ /т·^·ч. Далее вакууматор разгерметизировали и корректировали содержание углерода (заданное С - 0,33%) вводом порошковой проволоки с расчетным расходом 0,67 кг/т стали.

Окончательно полученный состав стали: С=0,33%; Mn=0,30%; Si=0,24%; Cr=1,25%; Vo=0,4%; Ni=3,2%; V=0,14%; Р=0,005%; S=0,004%; ЦМ=0,09%.

Углеродный эквивалент составил 0,838.

Ковка слитков, отлитых из стали, выплавленной по описанному выше техпроцессу, прошла без замечаний.

Полученные заготовки были подвергнуты термической обработке по следующему режиму: нагрев до температуры закалки 840-860°С со скоростью не менее 60°С/час, выдержка в течение 2 часов, подстуживание на воздухе, охлаждение в воде, а затем в масле. Температура отпуска 575-600°С, выдержка - 24 часа, охлаждение до 250°С со скоростью не менее 40°С/час в растворе солей, а до температуры окружающей среды - вместе с печью.

Результаты контроля качества трубных заготовок, полученных по заявляемому способу и известному способу (прототипу), приведены в таблицах 1 и 2.

Сопоставительный анализ заявляемого и известного технических решений показывает, что предлагаемый способ производства проката и поковок позволяет получать металлоизделия с высокой конструкционной прочностью как при стандартных, так и при низких температурах.

Таблица 2. Загрязнение стали неметаллическими включениями (средний балл)
Способ	Сульфиды	Оксиды		Силикаты
производства		Точечные	Строчечные	Хрупкие	Пластичные	Недеформируемые
Предлагаемый	0,2	1,0	0	1,1	0,2	1,8
Прототип	0,5	1,5	0,4	1,5	1,0	1,2