обеспечение улучшенного усвоения сплава в ванне расплавленной стали с использованием проволоки с сердечником, содержащим раскислители

Формула изобретения

1. Проволока с наполнителем для легирования расплавленной стали ниобием, содержащая металлическую оболочку, расположенную вокруг смешанного вещества, состоящего из FeNb и Si, причем металлическая оболочка выполнена с возможностью расплавления после ввода в ванну расплавленной стали, а содержание Si в смешанном веществе составляет о 5% до 50% от смешанного вещества по массе или по объему.

2. Проволока по п.1, в которой FeNb является порошком, включающим частицы, имеющие диаметр менее одного миллиметра.

3. Проволока по п.1, в которой Si является порошком, включающим частицы, имеющие диаметр менее одного миллиметра.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка претендует на приоритет предварительной патентной заявки США 60/938671, поданной 17 мая 2007 г., содержание которой введено в настоящее описание посредством указанной ссылки.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится в общем к добавлению сплавов в расплавленный металл и, в частности, в сталь. Более конкретно - настоящее изобретение относится к добавлению сплавов и раскислителей к расплавленной стали с повышением их усвоения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хорошо известно добавление сплавов и других добавок к расплавленной стали для улучшения свойств материала, включая прочность и ударную вязкость конечных стальных изделий.

В предшествующем уровне техники добавление сплавов и добавок к расплавленной стали часто выполняли путем использования сплавов и добавок в виде порошков, заключенных в металлическую оболочку "прутка с сердечником", который затем "вводят" в расплавленную сталь, содержащуюся в ковше на установке доводки стали на большинстве сталеплавильных заводов. Патент США 4128414 описывает такой способ ввода. Часть введенного в сталь материала не остается в стали. Для того чтобы эффективно получить улучшенную присадкой или улучшенную сплавом расплавленную сталь, желательно повысить их "усвоение" в расплавленной стали.

"Усвоение" является мерой количества сплавов и добавок, остающихся в расплавленной стали после ввода. Усвоение выражают как выраженное в процентах количество содержащихся в стали после ввода сплавов или добавок от введенных в сталь. Чем выше процентное содержание после ввода, тем выше должно быть усвоение. Более высокие усвоения означают более низкие затраты для производителя стали, так как вводится меньше проволоки с наполнителем. Кроме того, более высокое усвоение обычно означает то, что химический состав готовой стали будет более предсказуемым и воспроизводимым.

Было хорошо известно, что упаковка легирующих сплавов (обычно измельченных до порошков менее одного миллиметра в диаметре) в проволоку с сердечником со стальной оболочкой, который вводят глубоко в ванны расплава, приводит в результате к значительному улучшению усвоения. Однако хорошо известно также и то, что на усвоение некоторых легирующих сплавов отрицательно влияет содержание кислорода и в ванне расплава, и в расплавленном шлаке поверх ванны расплава. Снижение содержания кислорода в ванне расплава и в шлаке возможно, однако оно никогда не может быть доведено до нуля. Как правило, всегда имеется количество кислорода, остающегося в расплавленном металле и шлаке, которое отрицательно влияет на усвоение легирующего сплава. Чем больше концентрация кислорода, тем больше его отрицательное влияние.

Считается, что кислород 13 в расплавленном металле 10 вызывает окисление поверхности легирующего сплава 16 раньше, чем частица порошка легирующего сплава сможет раствориться в расплавленном металле 10. Это показано на фиг. 1. В этом случае окисленный слой 19 покрывает частицу порошка легирующего сплава 16 и тем самым снижает общую плотность частицы 16, делая ее более легкой, чем сталь 10. Например, Nb имеет плотность 8,57 г/см ³, а плотность Nb₂O₅ составляет 4,47 г/см³, но плотность стали составляет 7,6 г/см ³. Фиг. 2 показывает окисленный сплав, имеющий более низкую плотность, поднимающийся к поверхности расплавленной стали 10. В других случаях слой оксида 19 становится барьером для расплавленного ядра легирующего сплава 16. Например, 70% FeTi имеет температуру плавления 1085°С, тогда как TiO₂ имеет температуру плавления 1850°С, но температура расплава стали 10 обычно около 1600°С. Проблема проиллюстрирована на фиг. 3. Эти механизмы оказывают воздействие, не позволяющее частице легирующего сплава 16 полностью раствориться в расплавленном металле 10 до того, как частица 16 поднимется на поверхность шлака, где она абсорбируется.

В других известных способах целью легирующего сплава 16, вводимого в ванну расплава 10, является образование нитридов и/или карбидов, благоприятных для конечного продукта. Годами производители стали использовали цианамид кальция (CaCN₂) с целью повышения содержания азота в ванне расплава 10 (см., например, патент США 3322530). Далее, было найдено, что усвоение азота может быть сильно улучшено, когда CaCN₂ добавляют в ванну расплава 10, используя проволоку с наполнителем, как описано в патенте США 4897114.

Несмотря на усовершенствования в предшествующем уровне техники остается необходимость улучшить усвоение присадок в расплавленных металлах и, в особенности, в стали.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение может быть осуществлено в виде устройства доставки сплава. Устройство доставки может содержать в себе смешанное вещество, содержащее по меньшей мере один легирующий сплав и по меньшей мере один раскисляющий агент. Смешанное вещество может быть покрыто удлиненной оболочкой. Оболочка может быть по существу полой проволокой, в которой находится смешанное вещество.

По меньшей мере одним легирующим сплавом может быть FeNb, FeV или FeTi. По меньшей мере одним раскисляющим агентом может быть Ca, CaSi, Si, Al или CaCN ₂. Раскисляющий агент может быть порошком, обычно включающим частицы, имеющие диаметр менее одного миллиметра. Легирующий сплав может быть частицами измельченного порошка, обычно имеющими диаметр менее одного миллиметра. Раскисляющий агент может присутствовать в количестве от 5% до 50% от смеси по массе или по объему.

Настоящее изобретение может быть осуществлено в виде способа подачи легирующего сплава в расплавленный металл, при котором по меньшей мере один раскисляющий агент смешивают с по меньшей мере одним легирующим сплавом для получения смешанного вещества. Смешанное вещество может быть заключено в металлическую оболочку для получения устройства доставки сплава. Может быть приготовлен расплавленный металл, и устройство доставки сплава может быть введено в расплавленный металл. Устройство доставки может быть введено в расплавленный металл, и оболочке может быть позволено расплавиться в расплавленном металле. После расплавления смешанному веществу дают возможность смешаться с расплавленным металлом, что приводит в результате к диспергированию смешанного вещества в расплавленном металле.

В одном осуществлении настоящего изобретения усвоение легирующей добавки в расплавленной стали улучшали путем смешения с легирующими сплавами раскисляющих порошков, таких (но не ограниченных этим) как Ca, CaSi, Si, Al, CaCN₂, в количествах (обычно, но не ограничено этим) от 5% до 50% от массы или объема смеси. Не желая быть ограниченными теорией, можно считать, что раскисляющие порошки, когда они смешаны с присадочными легирующими агентами и заключены внутри проволоки с сердечником, который ввели в ванну расплава, высвобождаются в непосредственной близости от присадочных легирующих порошков. Раскисляющие порошки реагируют с растворенным кислородом, содержащимся в расплавленном металле, создавая обедненную кислородом зону в той же области, в которой находятся частицы легирующего сплава. Подобным образом в случае смешения в проволоке с сердечником порошков CaCN₂ с образующими нитрид и/или карбид легирующими сплавами зона, где в ванне расплава высвобождаются порошки, является и обедненной кислородом, и обогащенной углеродом и азотом. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает улучшенную присадкой или улучшенную сплавом расплавленную сталь с улучшенным усвоением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания природы и целей изобретения следует обратиться к прилагаемым чертежам и последующему описанию. Вкратце чертежи представляют следующее:

Фиг. 1 изображает ранее известный способ, в котором обогащенная кислородом ванна расплава реагирует с легирующим сплавом, образуя в результате оксидный слой поверх ядра легирующего сплава.

Фиг. 2 демонстрирует, что в ранее известных способах оксидный слой понижает плотность, увеличивая таким образом плавучесть легирующего сплава в ванне расплавленной стали.

Фиг. 3 изображает слой оксида с высокой температурой плавления, который действует как препятствие для растворения ядра легирующего сплава с низкой температурой плавления.

Фиг. 4 показывает осуществление настоящего изобретения, в котором частицы CaCN₂, реагирующие с кислородом в ванне, вызывают образование обедненной кислородом зоны. В то же время углерод и азот высвобождаются в ванну расплава, вызывая обогащение ими обедненной кислородом зоны расплава.

Фиг. 5 показывает осуществление настоящего изобретения, в котором раскисляющий агент не выделяет углерод или азот в ванну расплава.

Фиг. 6 представляет блок-схему способа согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение может быть использовано для того, чтобы обеспечить повышенное усвоение в улучшенной присадками или улучшенной сплавами расплавленной стали. Не желая быть связанными теорией, можно считать, что добавление раскисляющих порошков 31 к присадочным легирующим порошкам 28 в виде проволоки с сердечником для ввода в ванну расплава вызывает химическую реакцию между раскисляющим порошком 31 и атомами кислорода, содержащимися в ванне расплава. Эта реакция понижает концентрацию кислорода в локализованной зоне 34, в которой высвобождаются присаживаемые легирующие порошки 28. Это можно видеть на фиг. 4 и фиг. 5. При снижении содержания кислорода ванны в зоне 34, в которой высвобождаются присадочные легирующие порошки 28, сильно снижается значимость окисления этих присадочных легирующих порошков, благодаря чему возрастает усвоение легирующего сплава 28. При повышении усвоения легирующего сплава 28 снижается количество, которое требуется ввести в расплавленный металл 10, что экономит производителю металла время и деньги. Далее, при повышении усвоения конечный химический состав расплавленной стали становится более предсказуемым и воспроизводимым, причем и то, и другое является желательной характеристикой процесса.

В одном осуществлении настоящего изобретения предложено устройство доставки сплава. Устройство доставки сплава может включать смесь легирующего сплава, такого как FeNb, FeV или FeTi, и раскисляющего агента из Ca, CaSi, Si, Al или CaCN₂. Эта смесь может быть помещена в удлиненный металлический кожух.

В отличие от предшествующих технических решений настоящее изобретение выявило раскисляющий и/или карбонизирующий и нитридирующий потенциал, если CaCN₂ соединяют с определенными окисляемыми нитридообразователями и/или карбидообразователями (например, с FeNb, FeV, FeTi) и затем вводят в расплавленный металл путем ввода проволоки с сердечником. Фиг. 4 показывает, что, когда частицы CaCN₂ 31 смешаны в проволоке с сердечником с образующими нитрид и/или карбид легирующими сплавами 28, частицы CaCN₂ 31 образуют зону 34 вокруг частицы легирующего сплава 28, где понижено содержание кислорода и повышено содержание углерода и азота.

В предпочтительном осуществлении раскисляющий агент находится в виде порошка с частицами, которые обычно имеют диаметр менее одного миллиметра, причем легирующий сплав находится в форме измельченного порошка с частицами, которые обычно имеют диаметр менее одного миллиметра. В другом предпочтительном осуществлении раскисляющий агент обычно присутствует в количестве от 5% до 50% от массы или объема смеси.

Фиг. 6 описывает способ согласно изобретению. В одном таком способе раскисляющий агент, выбранный из Ca, CaSi, Si, Al или CaCN _2, смешивают (100) с легирующим сплавом, которым может быть FeNb, FeV или FeTi. Смешанный материал может быть заключен (103) в металлическую оболочку для того, чтобы получить устройство доставки сплава. Затем, после того как приготовлена ванна расплавленного металла (106), такого как сталь, устройство доставки сплава вводят в расплавленный металл (109). Оболочке дают расплавиться (112), и смешанное вещество переходит в расплавленный металл. Фиг. 6 описывает такой способ.

Считается, что при использовании в проволоке с сердечником смешанного соединения, которое и раскисляет и обогащает расплавленный металл азотом и углеродом (например, CaCN₂), с окисляемыми образующими нитрид и/или карбид порошками, зона, в которой высвобождается смесь, проявляет обеднение кислородом и обогащение и азотом, и углеродом. Результатом является улучшенное усвоение легирующего сплава, как описано выше, с выигрышем от образования большего количества нитридов и/или карбидов в готовом продукте. В этом случае количество образующих нитриды и/или карбиды легирующих сплавов, вводимых в ванну расплава, может быть уменьшено, и в то же время готовый продукт будет демонстрировать увеличенный выигрыш от повышенного содержания нитридов и/или карбидов. Таким образом, могут быть снижены производственные затраты и улучшены свойства продукта.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на одно или несколько конкретных осуществлений, должно быть понятно, что другие осуществления настоящего изобретения могут быть осуществлены без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Следовательно, настоящее изобретение считается ограниченным только прилагаемой формулой изобретения и ее обоснованной интерпретацией.