сплав для внепечной обработки стали и чугуна и шихта для его получения

Формула изобретения

1. Сплав для внепечной обработки стали и чугуна, содержащий титан, цирконий, кремний, алюминий и железо, отличающийся тем, что компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

титан	30-50
цирконий	1-25
кремний	15-30
алюминий	0,1-3
железо	остальное

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит углерод от 0,2 до 2 мас.%.

3. Сплав по п.1 или п.2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор, в количестве от 0,01 до 1 мас.%.

4. Шихта для получения сплава по п.1, включающая ильменитовый концентрат, рутил, кремнийсодержащий материал в виде кварцевого песка и кварцита, углеродистый восстановитель в виде каменного угля, цирконовый концентрат при следующем соотношении компонентов:

ильменитовый концентрат	0,30-0,55
рутил	0,01-0,20
цирконовый концентрат	0,03-0,30
кварцевый песок	0,01-0,25
кварцит	0,01-0,25
каменный уголь	остальное

5. Шихта по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит боратовую руду в количестве от 0,1 до 5 мас.%.

6. Шихта по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит плавиковый шпат в количестве от 0,1 до 5 мас.%.

7. Шихта по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит плавиковый шпат и боратовую руду в количестве от 0,1 до 5 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Область техники:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к созданию сплава с цирконием и титаном для рафинирования, микролегирования и раскисления стали и чугуна.

Уровень техники (изобретение 1)

Известен сплав, содержащий, мас.%: 20-45 Zr, 5-9 Al, 0,2-0,5 С, 0,14-0,25 Р, 0,02-0,04 S, 3-3,5 Cu [1, стр.535].

Недостатком данного сплава является высокое содержание в нем алюминия, так как при раскислении им стали в ней образуются неметаллические включения, содержащие глинозем, которые снижают механические и эксплуатационные свойства изделий. Также в данном сплаве высокое содержание меди, которая при ее содержании в стали более 0,3% проявляет себя как вредная примесь, вызывающая при обработке такой дефект, как красноломкость.

В известном сплаве отсутствует титан, что ограничивает и сужает его микролегирующее действие.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является сплав, содержащий, мас.%: 20-25 Ti, 30-40 Si, 3,0 Al, 0,5 С, 0,02 S, 0,1 Р, 0,7 Cu, 0,3 V, 0,4 Мо, 0,2 Zr, 0,1 Sn [2].

Недостатком данного сплава является низкое содержание циркония. Это снижает раскислительную способность данного сплава и делает неэффективным его использование в качестве раскислителя стали.

Также в данном сплаве высокое содержание цветных металлов (Cu, Sn), оказывающих отрицательное воздействие на конструкционную прочность стали.

Раскрытие изобретения (изобретение 1)

Целью изобретения является разработка сплава для совместного

высокоэффективного микролегирования, рафинирования и раскисления железоуглеродистого расплава титаном и цирконием.

Данная задача достигается за счет того, что сплав содержит компоненты, при следующем соотношении, мас.%: 30-50 Ti, 1-25 Zr, 15-30 Si, 0,1-3 Al, железо - остальное. Также сплав дополнительно может содержать бор в количестве 0,01-1 мас.%.

Технический результат изобретения заключается в совместном рафинировании, микролегировании и раскислении стали и чугуна цирконием и титаном с высоким коэффициентом усвоения последнего.

Технический результат достигается тем, что предложенный сплав одновременно содержит титан и цирконий в количествах, достаточных для рафинирования, микролегирования и раскисления стали и чугуна.

Цирконий, обладая высоким сродством к кислороду, активно раскисляет сталь, причем его раскислительная способность в условиях сталеплавильных процессов выше раскислительной способности алюминия, вследствие чего он препятствует образованию вредных глиноземистых включений в стали и чугуне. Образуемые продукты раскисления цирконием легко деформируются и имеют температурный коэффициент линейного расширения, сходный с таковыми у стали и чугуна, и поэтому при нагреве и охлаждении металла они не создают в нем напряжения, в отличие от глиноземистых включений, которые вызывают появление микротрещин. Цирконий также снижает коэффициент активности кислорода в железоуглеродистом расплаве, благодаря чему повышается степень усвоения им титана.

Титан и цирконий связывают в прочные соединения азот и серу, нейтрализуя их вредное влияние на сталь и чугун.

Образуемые в стали и чугуне тугоплавкие карбиды, нитриды и сульфиды титана и циркония служат при кристаллизации дополнительными центрами зародышеобразования, что приводит к получению плотной мелкозернистой структуры металла. При нагреве обработанной титаном и цирконием стали или чугуна данные включения замедляют рост зерна, тем самым предотвращают возникновение такого дефекта, как "перегрев", позволяя интенсифицировать процессы ковки, штамповки, термообработки, цементации металла за счет нагрева до более высоких температур.

Нижний предел содержания титана в сплаве обусловлен тем, что при его содержании в нем менее 30% увеличивается его расход и вследствие этого содержание кремния в стали. Увеличение содержания титана в сплаве более 50% нецелесообразно, так как приведет к увеличению его стоимости вследствие ухудшения технико-экономических показателей производства сплава.

При содержании циркония в сплаве менее 1% его влияние на обрабатываемый металл выражено слабо. Содержание циркония более 25% нецелесообразно в связи с повышением температуры плавления сплава и, как следствие, снижением степени его усвоения расплавом.

Кремний, образуя устойчивые соединения с титаном и цирконием, позволяет снизить содержание углерода в сплаве. При содержании кремния в сплаве менее 15% увеличивается растворимость в нем углерода. Увеличение содержания кремния более 30% нецелесообразно вследствие снижения суммарного содержания титана и циркония в сплаве и повышения его расхода при обработке стали и чугуна.

Содержание алюминия не должно превышать 3%, так как он способствует образованию дефектов в стали и чугуне. Нижний предел содержания алюминия в сплаве обусловлен тем, что этот элемент восстанавливается из его оксида, примеси которого содержатся в исходном сырье для получения сплава.

Сплав дополнительно может содержать бор. Микролегирование стали бором увеличивает ее прокаливаемость и способствует измельчению зерна. Небольшая добавка бора в сталь повышает износостойкость рабочих поверхностей, изготовленных из нее деталей. Однако при концентрации бора в стали более 0,003% образуется боридная эвтектика, приводящая к снижению горячей пластичности и вязкости стали при нормальной и пониженной температурах. Поэтому содержание в данном сплаве бора ограничено диапазоном от 0,01% до 1 мас.%.

В сплаве в количестве от 0,2 до 2 мас.% присутствует углерод, являющийся технологической примесью. Нижний предел содержания углерода обусловлен технологией производства сплава. Верхний предел взят из того, что содержание углерода в сплаве выше 2% ограничивает его применение для микролегирования низкоуглеродистых сталей.

Уровень техники (изобретение 2)

Существует алюминотермический способ получения железоуглеродистых сплавов, содержащих титан и цирконий, и ряд шихт для его осуществления [1, стр.541]. Однако в отличие от углетермического способа он обладает большой трудоемкостью и предполагает периодичность процесса получения сплава, что значительно понижает технико-экономические показатели плавки. Кроме того, алюминотермический способ осуществляется с использованием значительного количества алюминиевого порошка, который резко увеличивает себестоимость получаемого сплава. Обычно используемый при этом вторичный алюминий содержит в своем составе примеси цветных металлов (Cu, Pb, Zn, Sn), которые, переходя из получаемого сплава в обрабатываемую сталь и чугун, вызывают ухудшение механических свойств и появление различных дефектов. При алюминотермическом процессе ведения плавки содержание алюминия в сплаве может достигать до 9%, что сильно ограничивает его применение в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

Известна шихта для получения сплава углетермическим способом, состоящая из ильменитового концентрата, стального скрапа и антрацита [3].

Недостатком данной шихты является наличие стального скрапа, так как процесс его расплавления опережает процесс восстановления компонентов шихты, что приводит к ускорению схода шихты, снижению температуры в ванне печи до уровня, недостаточного для восстановления титана из ильменита. Кроме того, отсутствие диоксида кремния в шихте приводит к увеличению содержания углерода в сплаве до 8%. Такой сплав имеет ограниченное применение в металлургическом производстве.

Отсутствие в данной шихте цирконового концентрата не позволяет получить сплав с необходимым содержанием циркония.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является шихта для получения ферросиликотитана [4], которая содержит ильменитовый концентрат и/или рутил, кварцевый песок, газовый уголь.

Недостатком данной шихты является применение в качестве кремнийсодержащего материала только кварцевого песка. Имея большую поверхность контакта, он активно реагирует с углеродом с образованием газообразного оксида кремния SiO, который выходит из зоны реакции. Это вызывает образование карбидной настыли в ванне печи, что нарушает нормальный ход процесса и препятствует ведению непрерывной плавки.

Также недостатком данной шихты является отсутствие в ней цирконового концентрата, что не позволяет получать сплав предложенного состава.

Раскрытие изобретения (изобретение 2):

Цель изобретения - разработка шихты для получения сплава с содержанием циркония более 1% и позволяющей вести непрерывный углетермический процесс плавки с высокими технико-экономическими показателями.

Поставленная цель достигается тем, что в шихту, включающую ильменитовый концентрат, рутил, кремнийсодержащий материал в виде кварцевого песка и углеродистый восстановитель в виде каменного угля, согласно изобретению дополнительно вводят цирконовый концентрат, а в качестве кремнийсодержащего материала дополнительно используют кварцит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ильменитовый концентрат	0,30-0,55
рутил	0,01-0,20
цирконовый концентрат	0,03-0,30
кварцевый песок	0,01-0,25
кварцит	0,01-0,25
каменный уголь	- остальное

Для интенсификации плавки в шихту также могут быть добавлены боратовая руда в количестве 0,1-5 мас.% и плавиковый шпат в количестве 0,1-5 мас.%.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в том, что дополнительное введение в шихту кварцита и цирконового концентрата приводит к следующему: кварцит, обладая по сравнению с кварцевым песком меньшей контактной поверхностью, реагирует с углеродом менее интенсивно и в меньшей степени возгоняется в виде SiO. Это позволяет иметь в нижних горизонтах реакционной зоны печи достаточное количество диоксида кремния, что совместно с введением цирконового концентрата приводит к торможению процесса образования карбидов титана и циркония и к интенсификации процесса восстановления элементов из их оксидов углеродом до образования устойчивых силицидов (Ti5Si₃ , Zr₅Si₄ и др.). Дополнительное введение кварцита в шихту позволяет также при необходимости своевременно корректировать ее состав и более эффективно управлять технологическим режимом плавки.

Нижние и верхние пределы содержания компонентов шихты выбраны исходя из достижения положительных результатов, что подтверждено опытными плавками.

Изменяя содержание ильменитового концентрата (FeTiO₃ ) и рутила (TiO₂) в шихте, можно регулировать содержание титана в сплаве от 30 до 50%.

Осуществление изобретения:

Пример. Предлагаемую шихту проплавляли в однофазной электропечи с трансформатором мощностью 250 кВ·А. Соотношение компонентов шихты и результаты опытных плавок приведены в таблице 1.

Использование предлагаемой шихты обеспечивает получение сплава с низким содержанием алюминия (2,1-2,8%), серы (0,03-0,05%) и достаточно высоким содержанием в нем титана (35-48%).

Из приведенных в таблице данных следует, что при получении сплава из предлагаемой шихты извлечение кремния выше, а расход электроэнергии меньше, чем при использовании известной шихты.

Предлагаемая шихта включает дешевый и чистый по содержанию вредных примесей (Sn, Cu) каменный уголь. Использование данной шихты обеспечивает высокую степень извлечения элементов из природного сырья, экономию электроэнергии и безотходное производство.

Источники информации:

1 - Теория и технология производства ферросплавов: учебник для вузов / Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. М.: Металлургия, 1988. 784 с.

2 - Открытое акционерное общество "Ключевской завод ферросплавов", ТУ 0868-057-00186482-2006.

3 - U.S.Patent No 2033974, Patented Mar. 17, 1936. Ferro-carbon-titanium alloy. Application date June 20, 1935, Serial No.27, 543.

4 - Патент РФ № 2416659, МПК С22С 33/04, 24.02.2010.

Таблица 1
Результаты опытных плавок
Компоненты шихты, %	Номер опыта	Прототип
1	2	3	4
Ильменитовый
концентрат	20	30	25	40	42
(50% TiO 2)
Рутил (95% TiO2)	1	15	8	-	-
Цирконовый
концентрат	15	3	8	2	-
(65% ZrO 2)
Кварцевый песок	23	-	15	10	28
Кварцит	-	15	2	14	-
Каменный уголь	41	37	42	34	30
Извлечение компонента, %:
Титана	98	98,5	99	99	98,3
Циркония	93	90	95	90	-
Кремния	89	90	90	92	83,6
Железа	100	100	100	100	100
Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/кг сплава	13,3	13,2	13,0	13,0	13,4