композиционный материал для внепечной обработки расплава стали (варианты)

Формула изобретения

1. Композиционный материал для внепечной обработки расплава стали, содержащий железо и кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит добавку в виде одого или нескольких элементов из группы, включающей магний, барий, стронций и редкоземельные металлы при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 25-45, добавка 1-15, железо - остальное, при этом размер его частиц не превышает 3 мм.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что добавка дополнительно содержит 1-5 мас.% плавикового шпата.

3. Композиционный материал для внепечной обработки расплава стали, содержащий железо и кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит плавиковый шпат при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 25-45, плавиковый шпат 1-5, железо - остальное, при этом размер его частиц не превышает 3 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано в сталеплавильном производстве, в частности для раскисления и десульфурации сталей с ограниченным содержанием кремния или не содержащих в своем составе этот элемент.

Известен композиционный материал для внепечной обработки расплава стали, содержащий, мас.%: магний 10-15, кальций 12-15, барий 8-10, алюминий - остальное, причем модификатор выполнен в виде плотных гранул фракцией 1,0-1,5 мм (см. п. РФ №2228384 по кл. С22С 35/00, заявл. 24.12.2002, опубл. 10.05.2004. Модификатор для стали).

К недостаткам этого состава следует отнести слабое модифицирующее воздействие, связанное с одновременным взаимодействием с расплавленным металлом и алюминия, и других высокоактивных элементов - кальция, бария, магния. В результате последние в значительной степени расходуются на раскисление, что снижает степень обессеривания стали и модифицирования включений. Поэтому на практике для повышения эффективности модифицирования и обессеривания высокоактивные элементы вводят в расплав после завершения раскисления стали алюминием. В результате кальций, барий и др. расходуются преимущественно на десульфурацию и модификацию стали, что приводит к повышению ее качества за счет снижения загрязненности неметаллическими включениями и улучшения всего комплекса механических свойств.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является композиционный материал для внепечной обработки расплава стали, используемый в качестве наполнителя проволоки, состоящей из стальной оболочки и порошкового наполнителя. Порошковый наполнитель содержит в мас.%: кальций 25-45, железный порошок 55-75, причем соотношение между составляющими частями проволоки установлено следующим, мас.%: порошковый наполнитель 51-70, стальная оболочка 30-49 (см. п. РФ №2242521 по кл. С21С 7/00, заявл. 15.07.2002, опубл. 20.12.2004 "Проволока для внепечной обработки металлургических расплавов").

Основным недостатком указанного состава вследствие высокой активности кальция является его недостаточная эффективность как раскислителя, десульфуратора и модификатора стали из-за слабой растворимости и высокой упругости паров кальция в расплаве. Пассивация кальция железным порошком, используемая в данном техническом решении, не может быть эффективным механизмом снижения его химической активности, т.к. приводит к низкой степени десульфурации стали, большому общему остаточному содержанию неметаллических включений при малой доле частиц, имеющих глобулярную форму, что сопровождается снижением прочностных и пластических свойств металла.

При создании изобретения в соответствии с первым вариантом состава композиционного материала ставилась задача повышения прочности и пластичности стали.

Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения в соответствии с первым вариантом состава композиционного материала, является оптимизация структурного состояния стали, а именно снижение загрязненности оксидными и сульфидными включениями, увеличение доли глобулярных включений в стали.

В соответствии с первым вариантом изобретения указанная задача решается за счет того, что известный композиционный материал для внепечной обработки расплава стали, содержащий железо и кальций, согласно изобретению дополнительно содержит добавку, в качестве которой используют один или несколько элементов из группы, включающей магний, барий, стронций и редкоземельные металлы, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 25-45, указанная добавка 1-15, железо остальное, причем размер частиц композиционного материала не превышает 3 мм.

Композиционный материал в соответствии с первым вариантом изобретения может дополнительно содержать в составе добавки 1-5 мас.% плавикового шпата.

В качестве аналога и прототипа для композиционного материала в соответствии со вторым вариантом состава выбраны те же технические решения, что и для первого варианта состава. Им присущи те же недостатки, которые указаны выше.

При создании изобретения в соответствии со вторым вариантом состава композиционного материала также ставилась задача повышения прочности и пластичности стали.

Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения в соответствии со вторым вариантом состава композиционного материала, также является оптимизация структурного состояния стали, а именно снижение загрязненности оксидными и сульфидными включениями, увеличение доли глобулярных включений в стали.

В соответствии со вторым вариантом изобретения указанная задача решается за счет того, что известный композиционный материал для внепечной обработки расплава стали, содержащий железо и кальций, согласно изобретению дополнительно содержит плавиковый шпат при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 25-45, плавиковый шпат 1-5, железо - остальное, причем размер частиц композиционного материала не превышает 3 мм.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый композиционный материал неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.

Заявляемый композиционный материал может быть изготовлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использован при производстве стальных изделий, т.е. является промышленно применимым.

Эффективность работы кальция как раскислителя, десульфуратора и модификатора стали наряду с такими известными технологическими параметрами, как марочный состав металла и температура расплава, соотношение глубины и диаметра ковша, форма существования этого элемента и т.д. существенно зависит от возможности "пассивации" кальция, а также гранулометрического состава его частиц. Поскольку кальций имеет низкие температуры плавления /851°С/ и кипения /1487°С/, при температурах обработки стали /1550-1600°С/ упругость его паров составляет 0,15-0,20 МПа. При таком давлении пары кальция, не успевая взаимодействовать с расплавом, стремительно удаляются из металла, имеет место значительный пироэффект и даже выбросы металла. Повысить эффективность кальция способны "пассиваторы", механизм действия которых в расплаве может быть неодинаковым.

Такой "пассиватор", как плавиковый шпат (применяемый во втором варианте изобретения), может частично блокировать поверхность кальция, а активные добавки, как магний, барий, стронций, редкоземельные металлы (применяемые в первом варианте изобретения), помимо блокировки поверхности за счет снижения парциального давления паров кальция увеличивают его "живучесть", т.е. продолжительность нахождения в расплаве. Результатом обоих механизмов является повышение коэффициента полезного действия работы кальция, в первую очередь, как десульфуратора и модификатора. Последнее имеет решающее значение в уменьшении количества и улучшении морфологии включений и за счет этого в повышении уровня механических свойств металла.

Количество вводимых активных добавок (магния, бария, стронция, редкоземельных металлов) не должно превышать 15 мас.%, иначе уменьшение общего содержания кальция как основного и наиболее универсального элемента с точки зрения раскисления, десульфурации и модифицирования стали в составе заявляемого композиционного материала приведет к снижению механических свойств металла. По этой же причине содержание плавикового шпата должно быть ограничено 5 мас.%. Содержание активных добавок и плавикового шпата не должно быть меньше 1 мас.%, т.к. в этом случае степень "пассивации" кальция недостаточна.

Опыты показали, что гранулометрический состав композиционного материала не должен превышать 3 мм. При большем размере частиц снижается эффект раскисления, десульфурации и модифицирования металла.

Заявляемый способ был опробован при производстве стали марки 08ПС, имеющей состав, мас.%: 0,06С; 0,01Si; 0,19Mn; 0,02S; 0.009Р; 0,03Сr; 0,03Ni; 0,08Cu; 0.04Al.

Композиционный материал получали механическим смешением в различных соотношениях гранул Са, Ва, Mg, Sr, а также предварительно раздробленных плавикового шпата, железа и РМЗ (Се), а состав, известный по прототипу, получали механическим смешиванием гранул Са и железного порошка. Химический состав композиционного материала в соответствии с первым вариантом изобретения приведен в таблице 1. Химический состав композиционного материала в соответствии со вторым вариантом изобретения приведен в таблице 2. Размеры частиц композиционного материала выполняли в трех вариантах: менее 2 мм, менее 3 мм, менее 4,5 мм. Из композиционного материала различного состава изготавливали порошковые проволоки диаметром 14 мм с соотношением между наполнителем и железной оболочкой 60:40 мас.% (возможен вариант введения композиционного материала в расплав в виде брикетов). Далее осуществляли внепечную обработку расплавов порошковой проволокой с наполнителем из подготовленного композиционного материала при расходе 1 кг проволоки на 1 т стали. Затем металл разливали и после охлаждения прокатывали конечный размер - лист толщиной 0,5 мм. В готовом металле посредством растровой, электронной и микрорентгеноспектральной микроскопии оценивали состав, количество и морфологию неметаллических включений, содержание серы, долю глобулярных частиц в общем количестве включений, а также механические свойства металла. Результаты оценки в соответствии с первым вариантом изобретения приведены в таблице 3. Результаты оценки в соответствии со вторым вариантом изобретения приведены в таблице 4.

Анализ таблиц 3 и 4 показывает, что при обработке стали композиционным материалом, состав которого соответствует прототипу, мала степень десульфурации стали (она составляет 48-61%), высока загрязненность оксидными и сульфидными неметаллическими включениям (она составляет 1,2-2,0 и 1,1-1,8 балла соответственно), мала доля модифицированных глобулярных включений (она составляет 50-55%), невысок предел прочности (он составляет 280-305 МПа) и относительное удлинение (оно составляет 20-30%).

При обработке стали композиционным материалом с составом в соответствии с первым вариантом изобретения по сравнению с прототипом /см. в таблицах 1 и 3 варианты химического состава и соответствующие им свойства стали 2, 3, 3а, 5, 6, 6а, 8, 9, 9а, 11, 12, 12а, 14, 15, 15а/ увеличивается степень десульфурации (она составляет 64-78%), уменьшается загрязненность металла оксидами и сульфидами (она составляет 1,0-1,1 и 0,5-0,7 балла соответственно), увеличивается доля глобулярных включений (она составляет 65-80%), повышается предел прочности (он составляет 310-335 МПа) и относительное удлинение (оно составляет 33-46%). Причем эти результаты получены лишь при размере частиц заявляемого материала, не превышающем 3 мм. Применение заявляемого материала с размером частиц 0-4,5 мм заметно снижает раскисляющие, десульфурирующие и модифицирующие свойства данного материала /см. варианты химического состава и соответствующие им свойства стали 3б, 6б, 9б, 12б, 15б/.

При обработке стали композиционным материалом с составом в соответствии со вторым вариантом изобретения по сравнению с прототипом /см. в таблицах 2 и 4 варианты химического состава и соответствующие им свойства стали 2, 3 и 3а/ увеличивается степень десульфурации (она составляет 63-70%), уменьшается загрязненность металла оксидами и сульфидами (она составляет 1,0÷1,1 и 0,6÷1,0 балла соответственно), увеличивается доля глобулярных включений (она составляет 57-68%), повышается предел прочности (он составляет 310÷315 Мпа) и относительное удлинение (оно составляет 31÷32%). Причем эти результаты получены лишь при размере частиц заявляемого материала, не превышающем 3 мм. Применение заявляемого материала с размером частиц 0-4,5 мм заметно снижает раскисляющие, десульфурирующие и модифицирующие свойства данного материала /см. в таблицах 2 и 4 вариант 3б химического состава и соответствующие ему свойства стали/.

Таким образом, анализ приведенных таблиц показывает, что за счет оптимизации структурного состояния стали, а именно снижения загрязненности оксидными и сульфидными включениями и увеличения доли глобулярных включений в стали, при осуществлении изобретения в соответствии как с первым вариантом, так и со вторым вариантом достигается повышение прочности и пластичности стали.

Таблица 1
Химический состав композиционного материала в соответствии с первым вариантом изобретения.
№ п/п	Содержание, мас.%							Суммарное содержание компонентов добавки, мас.%
	Fe	Ca	Mg	Ba	Sr	РМЗ	CaF2
1прототип	60	40	-	-	-	-	-	-
2	55,2	36,8	-	8	-	-	-	8
3	51	34	-	15	-	-	-	15
4	49,2	32,8	-	18	-	-	-	18
5	55,2	36,8	8	-	-	-	-	8
6	51	34	15	-	-	-	-	15
7	49,2	32,8	18	-	-	-	-	18
8	55,2	36,8	-	-	8	-	-	8
9	51	34	-	-	15	-	-	15
10	49,2	32,8	-	-	18	-	-	18
11	55,2	36,8	-	-	-	8	-	8
12	51	34	-	-	-	15	-	15
13	49,2	32,8	-	-	-	20	-	20
14	54	36	2	2	2	2	2	10
15	51	34	5	3	5	2	-	15
16	47,4	31,6	5	5	5	3	3	21

Таблица 2
Химический состав композиционного материала в соответствии со вторым вариантом изобретения.
№ п/п	Содержание, мас.%
	Fe	Ca	CaF2
1 прототип	60	40	-
2	59,4	39,6	1
3	57	38	5
4	55,2	36,8	8

Таблица 3
Влияние химического состава композиционного материала по первому варианту изобретения на степень десульфурации, загрязненность включениями, морфологию включений и механические свойства стали.
Хим. состав по таблице	Гранулометрический состав, мм	Степень десульфурации, %	Загрязненность металла включениями, балл		Доля глобулярных включений, %	в, МПа	, %
			Оксиды	Сульфиды
1 прототип	0-2	57	1,2	1,1	55	300	28
1а прототип	0-3	61	1,2	1,1	55	305	30
1б прототип	0-4,5	48	2	1,8	50	280	20
2	0-3	64	1,1	0,7	67	330	33
3	0-2	68	1,1	0,7	65	330	33
3а	0-3	70	1,0	0,6	70	335	35
3б	0-4,5	45	1,3	1,3	55	320	30
4	0-3	48	1,2	1,3	55	310	20
5	0-3	70	1,0	0,7	68	310	33
6	0-2	73	1,0	0,7	68	310	46
6а	0-3	75	1,0	0,6	68	320	45
6б	0-4,5	60	1,2	1,1	60	300	33
7	0-3	58	1,3	1,2	55	300	29
8	0-3	70	1,1	0,7	65	320	33
9	0-2	72	1,0	0,6	65	320	35
9а	0-3	72	1,0	0,5	69	325	35
9б	0-4,5	59	1,2	1,1	60	310	30
10	0-3	61	1,3	1,2	54	290	30
11	0-3	72	1,1	0,6	70	310	36
12	0-2	75	1,0	0,6	75	315	36
12а	0-3	78	1,0	0,5	80	320	38
12б	0-4,5	62	1,3	1,1	57	300	30
13	0-3	63	1,4	1,3	70	300	18
14	0-3	72	1,0	0,5	69	320	38
15	0-2	72	1,0	0,5	70	335	40
15а	0-3	75	1,0	0,5	72	335	40
15б	0-4,5	63	1,3	1,4	60	310	30
16	0-3	62	1,3	1,3	63	300	30

Таблица 4
Влияние химического состава композиционного материала по второму варианту изобретения на степень десульфурации, загрязненность включениями, морфологию включений и механические свойства стали.
Хим. состав по таблице 1	Гранулометрический состав, мм	Степень десульфурации, %	Загрязненность металла включениями, балл		Доля глобулярных включений, %	в, МПа	, %
			оксиды	сульфиды
1 прототип	0-2	57	1,2	1,1	55	300	28
1а прототип	0-3	61	1,2	1,1	55	305	30
1б прототип	0-4,5	48	2	1,8	50	280	20
2	0-3	63	1.1	1,0	57	310	31
3	0-2	69	1,0	0,6	68	315	32
3а	0-3	70	1.0	0,6	67	315	32
3б	0-4,5	61	1,2	1,1	55	300	26
4	0-3	55	1,1	1,1	53	295	18