CS259504B2 - Method of inclusions content reduction in steel and equipment for realization of this method - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu snižování obsahu vměstků v ocelích a zušlechťování struktury ocelí zaváděním rafinační slitiny, obsahující vápník a hořčík, dotavby oceli při současném udržování podtlaku; vynález se také týká zařízení к provádění tohoto způsobu.

Vměstky, snižujícími čistotu ocelí, .mohou být oxidy, fosfidy, sirníky, křemičitany, hlinitany, nitridy, orzenidy a podobně nebo jejich směsi a sloučeniny, popřípadě složené sloučeniny těchto látek. Vměstky samy mohou být exogenní nebo endogenní. Je známo, že vytváření endogenních vměstků je vyvoláno přidáváním některých slitin, odstraňujících vměstky, nebo změnou rozpustnosti.

Při teplotě, při které se provádí odstraňování vměstků, mohou být poměrně snadno odstraněny primární vměstky z tekuté oceli působením slitiny, jejíž složení je voleno s ohledem na její účel, na odstraňování vměstků. Použije-li se správné slitiny, která pohlcuje vměstky, a správného technologického postupu, je možno dosáhnout téměř dokonalého odstranění vměstků.

Pro tento účel jsou vhodné všechny slitiny, vytvářející nerozpustné vměstky s malou měrnou hmotností, která je menší než měrná hmotnost oceli, a také s nižším bodem tání než má ocel. Použité pracovní postupy jak mají podporovat vyplavání vměstků na povrch ocelové lázně.

Vměstky se odstraňují v průběhu odlévání, přičemž při chladnutí taveniny se objevují v důsledku změny rovnovážné konstanty sekundární vměstky. Odstraňování sekundárních vměstků je mnohem složitější než tomu bylo u primárních vměstků a není prakticky možné dosáhnout jejich úplného odstranění. Mezi solidem a likvidem, tj. v oblasti teplot, kdy se vyskytuje pevná i kapalná fáze, není možno dosáhnout odstranění terciálních vměstků, ulpělých na povrchu zrn v důsledku tepelné segmentace vměstků. Navíc není možno odstranit kvartální vměstky, oddělující se nad některými místky, například péry, okraji zrn, místy poruch a podobně, v průběhu poly-morfní transformace působením změny rozpustnosti. Při teplotě, blížící se pokojové teplotě, zůstávají vměstky v kovu.

Největší část vměstků tvoří oxidy, které představují pro ocel nejškodlivější formu příměsí. Proto je jejich odstraňování nebo alespoň snižování jejich podílu velmi důležité a má základní význam. Z tohoto důvodu je řešení způsobu snižování obsahu vměstků zaměřeno· především na snižování obsahu oxidů, i když tento způsob může být úspěšně využit pro odstraňování 1 jiných druhů vměstků.

Množství oxidových vměstků v ocelích při pokojové teplotě je závislé na úrovni aktivity kyslíku, která může být ovlivněna dezoxidací.

Dezoxidace představuje poměrně složitý hutnický proces, zahrnující řadu jednotlivých operací a ovlivnitelný mnoha různými faktory, například vlastnostmi dezoxidačního prostředku, zejména jeho -dezoxidační aktivitou, množstvím, bodem tavení, rychlostí a rozsahem rozpouštění atd., a navíc teplotou a stupněm dezoxidace, která je požadována, a stupněm oxidace lázně tekuté oceli, obsahem dalších příměsí, fyzikálními a chemickými vlastnostmi, přidáváním nebo odebíráním dezoxidačních látek a podobně, přičemž všechny tyto vlivy hrají důležitou roli. Ze všech těchto faktorů má hlavní význam dezoxidační schopnost dezoxidační látky, která je určujícím prvkem dezoxidace.

Přestože je dezoxidace jako hutní proces poměrně složitá, provádí se ještě v současné době prostým vhazováním dezoxidačního prostředku na povrch lázně roztavené oceli. Teprve v poslední době se začíná používat přívodních foukacích trubek a proudů inertních plynů pro přivádění dezoxidačních látek do taveniny kovu.

V některých zvláštních případech se dezoxidace provádí ve vakuu, aby se zabránilo slučování kyslíku ze vzduchu s dezoxidační látkou.

V maďarském patentním spisu č. 172 104 je popsáno odstraňování primárních endogenních vměstků působením slitiny, která odděluje vměstky od oceli. V tomto patentním spisu je popsáno také několik postupů odstraňování vměstků z kovové lázně a také složení slitiny, kterou se dociluje oddělení vměstků.

Slitina pro odstraňování vměstků z roztavené oceli má podle tohoto známého řešení obsahovat v hmotnostních množstvích 40 až 50 % křemíku, 15 až 30 % hliníku, 10- až 25 % vápníku, 1,5 až 15 % manganu a také 2 až 20 % titanu, zirkonu, niobu, hafnia, ceru, boru a zbytek tvoří železo.

Toto známé řešení je však použitelné pro odstraňování pouze primárních vměstků a není použitelné pro snižování obsahu sekundárních vměstků, popřípadě pro zjemňování struktury ocelí.

Nedostatky těchto dosud známých postupů jsou odstraněny způsobem snižování obsahu vměstků v ocelích a zušlechťování struktury ocelí -podle vynálezu, jehož podstata spočívá v- tom, že v prvé fázi tohoto způsobu se zavádí do tavby ocelí rafinační slitina při tlaku alespoň 0,101 MPa a ve druhé fázi, následující bezprostředně po první fázi, se nad tavbou oceli vytváří podtlak.

Podle konkrétního výhodného provedení způsobu podle vynálezu se v první fázi zavádí do tavby oceli rafinační slitina při tlaku alespoň 0,101 MPa a ve druhé fázi, následující bezprostředně po první fázi, se nad tavbou oceli vytváří podtlak.

Podle konkrétního výhodného provedení způsobu podle vynálezu se v první fázi za2 5 53 ’5^;0 4

S vádí do tavby oceli rafinacní slitina při tlaku 0,202 -až 0,606 MPa. Rafinacní slitina se zavádí do tavby oceli výhodně pomocí inertního plyinu, zejména pomocí argonu.

Ve druhé fázi pracovního postupu podle vynálezu se nad tavbou oceli vytváří podtlak 0,133 až 1,333 MPa a probíhá odpařování vápníku .a/nebo^ hořčíku.

Podstata zařízení к provádění způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že sestává z komory, ve které je uložena nádoba, obsahující roztavený kov a ze vstřikovací jednotky, opatřené přívodní trubicí, přičemž komora je spojena s vakuovou jednotku a přívodní trubice je utěsněna proti stěně komory.

Podle výhodného konkrétního provedení vynálezu je komora op-atřena horním krytem, na kterém je upevněna vstřikovací jednotka. Přívodní trubice je vedena ucpávkou, upevněnou ve stěně horního krytu komory. Tlaková jednotka sestává zejména z tlakových lahví, obsahujících stlačený inertní plyn.

Zkoušky ukázaly, že nejlepších výsledků se dosahuje při přivádění inertního plynu přívodní trubicí do kovové lázně; tento výsledek je do jisté míry překvapením, protože podle dosavadních zkušeností se známými postupy byl nejlepší výsledek očekáván při dezoxidaci ve vakuu. Doplněním první fáze druhou fází, ve které se nad lázní snižuje tlak plynu, se dosahuje podstatného snížení obsahu kyslíku a síry v oceli a snižuje se také obsah vodíku oproti dřívějším hodnotám. Vměstky neobsahovaly téměř žádný oxid vápenatý a oxid hořečnatý, ačkoliv dezoxidační látka obsahovala vápník a hořčík ve značném množství. Překvapujícím zjištěním také bylo, že převážná část vměstků se neobjevovala na obvodu zrn, -ale uvnitř krystalové mřížky. Vměstky byly drobné a struktura oceli byla překvapivě jemná.

Příklady provedení způsobu snižování obsahu vměstků a zařízení к provádění tohoto způsobu podle vynálezu jsou zobrazeny na výkresech, kde obr. 1 znázorňuje první diagram, zobrazující dezoxidační působení vápníku a hořčíku, na obr. 2 je druhý diagram, znázorňující iíčinek vakua ve druhé fázi pracovního postupu po dokončené dezoxidaci, a na obr. 3 je schematický řez zařízením к provádění způsobu podle vynálezu.

Pro objasnění průběhu způsobu snižování obsahu vměstků v oceli je na obr. 1 znázorněno působení změn tlaku na dezoxidační účinek vápníku a hořčíku.

Na diagramu na obr. 1 jsou zakresleny hodnoty změn termodynamické normální volné energie, zakreslené v závislosti na teplotě. Přeměna termodynamické normální volné energie může být vypočtena z rovnice:

Z obr. 1 je patrno, že dezoxidační schopnost vápníku a hořčíku může být zvýšena zvýšením tlaku. Snížením tlaku nebo vytvořením podtlaku se však může dosáhnout snížení jejich dezoxidační schopnosti.

Bod 1 ukazuje dezoxidační schopnost vápníku, bod 2 dezoxidační schopnost hořčíku, jestliže dezoxidace probíhá při teplotě 1 600 a při tlaku 0,101 MPa. Má-li probíhat dezoxidace při tlaku vyšším než 0,101 MPa, roste dezoxidační výkon vápníku při tlaku 0,1616 MPa na hodnotu, odpovídající bodu Г a u hořčíku při tlaku 0,3939 MPa stoupá výkon na hodnotu, odpovídající bodu 2‘.

Obr. 1 tedy ukazuje, že nemá smysl zvyšovat tlak nad 0,1616 MPa u vápníku a nad 0,3939 MPa u hořčíku při teplotě 1 600 stupňů Celsia, protože další zvýšení tlaku již nepřináší žádný další účinek.

Je-li teplota, při které probíhá dezoxidace, vyšší, je však možno zvyšovat také tlak; je zřejmé, že zvýšení tlaku při teplotě 1 600 °C je účinnější u hořčíku, kde trojnásobné zvýšení tlaku má za následek trojnásobné zvýšení hodnoty Δ G°, což je mnohem více, než tomu bylo v případě použití vápníku.

Pokud by dezoxidace probíhala ve vakuu, tj. při tlaku kolem 0,1 MPa, změnila by se dezoxidační schopnost vápníku na hodnotu, odpovídající bodu 1“, a dezoxidační schopnost hořčíku na hodnotu, odpovídající bodu 2\. Tento jev ostatně vyplývá také z uvedeného vzorce, kde se hodnota Δ G° stává kladnou hodnotou. Podtlak ovlivňuje hodnoty Δ G° stejným způsobem jak při použití vápníku, tak také u hořčíku.

Základní myšlenka vynálezu tedy spočívá v tom, že se snižování obsahu vměstků v oceli provádí za normálního tlaku vzduchu pomocí přidávané slitiny, obsahující vápník a/nebo hořčík. Po dokončení dezoxidačního procesu se vápník a/nebo hořčík odpaří z oceli téměř v celém rozsahu v průběhu dalšího zpracování, které se provádí ve vakuu.

Dezoxidační charakteristiky vápníku a hořčíku jsou lepší při zvýšeném tlaku a horší při podtlaku nebo ve vakuu. To je důsledkem skutečnosti, že ocel je schopna rozpustit větší množství vápníku a hořčíku při dezoxidační teplotě a při tlaku větším než je atmosférický tlak, zatímco při podtlaku nebo ve vakuu se vápník a hořčík může odpařovat, protože jejich bod varu se mění v důsledku poklesu tlaku. Při zvýšení tlaku se zvyšuje také bod varu, zatímco ve vakuu se bod varu snižuje, jak je patrno z diagramu na obr. 2, kde je znázorněno rozmístění přechodových bodů, které jsou současně body varu, příslušejícími dané hodnotě tlaku.

Z nejdůležitějších dezoxidačních látek má pouze vápník a hořčík nižší bod varu než je dezoxidační teplota oceli, která činí

600 °C, protože vápník má bod varu

487 °G a hořčík 1102 °C; proto je к provádění způsobu podle vynálezu nezbytná slitina, obsahující vápník a/nebo hořčík.

Ocel, zpracovaná způsobem podle vynálezu, má nižší obsah vměstků než jiné oceli, upravované některým ze známých způsobů. Žádný ze známých a používaných postupů neuvažuje s působením tlaku, a proto u takto zpracovávaných ocelí může být dosaženo hladiny kyslíku, která odpovídá bodu 1, popřípadě bodu 2 na obr. 1. Nižší hodnoty, odpovídající bodu Г, popřípadě bodu 2* mohou být dosaženy pouze způsobem podle vynálezu.

Bod 1“, popřípadě bod 2“ představuje hladinu kyslíku, která je v rovnováze se zbývajícím obsahem vápníku a/nebo hořčíku po dezoxidaci a po odpaření vápníku a/nebo hořčíku, přičemž tato hladina je podstatně vyšší než hladina kyslíku, vyznačená bodem Г, popřípadě bodem 2‘ a dosažená v. průběhu dezoxidace. Ačkoliv se číselná hodnota rovnovážné konstanty mění v průběhu chlazení, sekundární vměstky se neoddělují, dokud kyslíková hladina, ohledem na jednu z dezoxidačních látek, zůstávajících v oceli, nedosáhne nejnižší úrovně, jaká byla v průběhu dezoxidace zaznamenána v důsledku číselné změny rovnovážné konstanty. Tento bod je možno snadno umístit do diagramu na obr. 2. Jestliže se křivky, znázorňující dezoxidační charakteristiku deoxidačních prvků jako funkci teploty, protnou přímkami, představujícími nejnižší hladiny kyslíku, průsečíky označují teplotu, při které dochází ke zmíněnému jevu. Na obr. 2 jsou dva z těchto průsečíků tvořeny 3^х,, 4\ Bod 3^X odpovídá dezoxidační slitině, obsahující křemík, hliník a hořčík, a bod 4^X odpovídá slitině, obsahující křemík, hliník, vápník, hořčík a kovy alkalických zemin (například 48 až 56 % Ce, 15 až 20 % Nd, 4 až 7 % Pr, 20 až 25 % La, ostatní kovy alkalických zemin nečistoty mají tvořit menší podíl než 1 %, vše v % hmotnosti. Tím je umožněno podchlazení oceli a oddělení pevných sekundárních, terciálních a kvartálních vměstků. Složení těchto vměstků je značně rozdílné a odlišné od složení primárních vměstků. Obsahují velmi malé množství vápníku a/ /nebo hořčíku, popřípadě neobsahují vůbec žádný vápník a/nebo hořčík. Částice vměstků se oddělují ve velkém množství a mají nepatrné rozměry, přičemž mají svoji roli jako zárodky krystalů, které vedou к mimořádně jemné struktuře oceli. Jestliže by se na závěr procesu nepůsobilo podtlakem po dokončení dezoxidace, takže by nedocházelo ik odpařování vápníku a/nebo hořčíku, kapalné sekundární vměstky, bohaté na oxid vápenatý a/nebo oxid hořečnatý a mající téměř stejné složení jako primární vměstky, by se začaly bezprostředně oddělovat v průběhu chlazení v důsledku změny rovnovážné konstanty. To by však mělo za následek, že při nedostatečném ochla zení a nepřítomnosti krystalových zárodků by se nedosáhlo zušlechtění struktury oceli. Vměstky by se oddělovaly na obvodu zrn a ovlivnily by mechanické vlastnosti oceli tím nejnepříznivějším způsobem.

Konkrétní provedení způsobu podle vynálezu je blíže objasněno pomocí následujících příkladů provedení.

Příklad 1

Hlubokotažná měkká ocel byla vyráběna z roztaveného kovu, obsahujícího v hmotnostních množstvích 0,1 až 0,2 % uhlíku, 0,4 až 0,6 % manganu, 0,05 až 0,1 % křemíku. 0,04 až 0,1 % hliníku, maximálně 0,15 % fosforu a maximálně 0,15 % síry.

Odstraňování vměstků, představovaných příměsemi v uvedeném rozsahu, bylo prováděno dezoxidaci, odsiřováním a dehydrogenací při teplotě kolem 1 600 ”C a při tlaku 0,404 MPa. Slitina, odstraňující vměstky, obsahovala v hmotnostních množstvích 45 procent křemíku, 25 % hliníku, 4 % hořčíku a železo. Tato slitina se přidala do ocelové lázně přívodní trubicí současně s .argonem. Po odstranění vměstků se vytvořil podtlak 1,33 Pa. Při tomto zpracování zůstalo ve slitině 70 promile kyslíku a 0,01 % síry. Po odstranění vměstků z podobných slitin známými postupy činil obvyklý obsah kyslíku dvě až čtyři sta promile, obsah síry se pohyboval od 0,012 do 0,015 °/o. Struktura takto získané oceli byla mimořádně jemná, průměrná velikost zrn byla 0,015 mm. Obvyklý průměr zrn podobných slitin je 0,028 až 0,3 mm. Rázová houževnatost oceli, zpracované způsobem podle vynálezu, činila kolem 156 J. mm“² při 20 °C a 58 J. mm^-2 při —40 °C.

Příklad 2

Odstraňování vměstků se provádělo u stejné vysokotažné měkké oceli jako v příkladu 1. Slitina, odebírající vměstky, byla přidávána do oceli při teplotě 1 620 °C a za normálního atmosférického tlaku. Slitina obsahovala v hmotnostních množstvích 50 % křemíku, 20 % hliníku, 20 % vápníku, 1,5 % hořčíku a zbytek tvořilo železo.

Po odstranění vměstků se snížil tlak na 0,133 Pa. Po dokončení tohoto procesu obsahovala slitina 50 promile kyslíku a 0,09 procent síry, průměrná velikost zrn byla 0,018 mm, rázová houževnatost ocelí byla 156 J . mm'² při 20 °C a 58 J . mm^-2 pří —40 °C.

Příklad 3

Vměstky byly odstraňovány ze slitiny z příkladu 2 při teplotě 1 640 °C a při tlaku

0,404 MPa. Slitina pro odebírání vměstků obsahovala 40 % křemíku, 20 % hliníku, °/o vápníku, 1,5 °/o hořčíku a zbytek tvoři259504 lo železo. Vhánění této slitiny bylo prováděno přívodní trubicí v argonové atmosféře. Po odstranění vměstků se tlak snížil na 13,3 Pa. Parametry slitiny, získané tímto postupem, byly následující: obsah kyslíku 10 promile, obsah síry 0,008 %, průměrná velikost zrn 0,008 mm, rázová houževnatost 186 J. mm² při 20 °C, 78 J. mm“² při —40 °C.

Z těchto příkladů je patrno, že způsobem podle vynálezu je dosahováno snížení obsahu vměstků v ocelích a jejich struktura je zjemněna, přičemž ocel má také lepší mechanické vlastnosti.

Příklad provedení zařízení pro odstraňování vměstků z ocelí způsobem podle vynálezu je zobrazen na obr. 3.

Zařízení sestává z komory 1, ve které je umístěna nádoba 2, obsahující zpracovávanou slitinu. Komora 1 je uzavíratelná horním krytem 3, nad nímž je umístěna vstřikovací jednotka 4, naplněná slitinou, kterou se provádí odstraňování vměstků. Vstřikovací jednotka 4 je opatřena přívodní trubicí 6, zasahující do lázně roztaveného kovu a procházející ucpávkou 7, umístěnou na horním krytu 3 komory 1.

Komora 1 je spojena s vakuovou jednotkou 9, zatímco tlaková jednotka 5 slouží к vyvození potřebného tlaku pro vhánění slitiny pro odstraňování vměstků do kovové lázně a pro vytváření tlaku, za kterého probíhá odstraňování vměstků.

V příkladu provedení podle obr. 3 je tlaková jednotka 5 tvořena tlakovými nádobami, zejména lahvemi, obsahujícími inertní plyn, zejména argon. Celé zařízení je ovládáno z ovládacího pultu 10.

Zařízení podle vynálezu pracuje následovně:

Nejprve se naplní nádoba 2 okysličenou ocelí a umístí se jeřábem do otevřeného vnitřního prostoru komory 1. Komora 1 se potom uzavře horním krytem 3, opatřeným vstřikovací jednotkou 4. V třetím stupni pracovního procesu se začíná pomocí tlakové jednotky 5 vhánět slitina ze vstřikovací jednotky 4, přičemž se současně přívodní trubice 6 vstřikovací jednotky 4 spouští dostatečně hluboko do ocelové lázně; vnitřní prostor komory 1 je utěsněn ucpávkou 7, umístěnou na přívodní trubici 6.

IVe čtvrté pracovní operaci začíná proudit slitina, obsahující vápník a/nebo hořčík, ze vstřikovací jednotky 4 do roztavené oceli. Tlak v komoře 1 se zvyšuje na hodnotu, předem nastavenou na pojistném ventilu 8. Po, dosažení nastaveného tlaku se vstřikování vstřikovací jednotkou 4 přeruší.

V průběhu páté pracovní operace se spustí vakuová jednotka 9 a tlak v komoře 1 se postupně a pozvolna sníží. V důsledku toho se vápník nebo hořčík z oceli odpaří.

Šestou operací je zastavení vakuové jednotky 9; přitom se také vytahuje přívodní trubice 6 vstřikovací jednotky 4 z oceli a zastaví se přívod plynu. V sedmé operaci se odstraní horní kryt 3 komory 1 a v průběhu osmé a poslední operace se nádoba 2, naplněná zpracovanou ocelí, zvedne pomocí jeřábu z otevřené komory 1 a odveze se к odlití.

jednotlivá ústrojí jsou v průběhu pracovního procesu ovládána z ovládacího pultu

10. Všechny uvedené operace mohou být uskutečněny v průběhu 10 až 20 minut.

Claims (12)

1. Způsob snižování obsahu vměstků v oceli a zušlechťování struktury ocelí zaváděním rafinační slitiny, obsahující vápník -a/nebo hořčík, do taveniny oceli za podtlaku, vyznačující se tím, že se v první fázi procesu zavádí do roztavené oceli rafinační slitina při tlaku alespoň 0,101 MPa a ve druhé, bezprostředně následující fázi procesu se nad lázní roztavené oceli vytváří podtlak.

í

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že rafinační slitina se zavádí do roztavené oceli při tlaku 0,20-2 až 0,606 MPa.

3. Způsob podle bodů 1 a 2, vyznačující se tím, že rafinační slitina se zavádí do roztavené oceli pomocí inertního plynu.

4. Způsob podle bodu 3, vyznačující se tím, že rafinační slitina se zavádí do roztavené oceli pomocí argonu.

5. Způsob podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že ve druhé fázi procesu se vytváří podtlak 0,133 Pa až 1,333 kPa pro odpaření vápníku -a/nebo hořčíku.

6. Zařízení к provádění způsobu podle bodů 1 až 5, vyznačující se tím, že sestává z komory (1), ve které je uložena nádoba (2) obsahující roztavený kov, a ze vstřikovací jednotky (4), opatřené přívodní trubicí (6), přičemž komora (1) je spojena s vakuovou jednotkou (9) a přívodní trubice (6) je utěsněna proti stěně komory (1).

7. Zařízení podle bodu 6, vyznačující se tím, že komora (1) je opatřena horním krytem (3).

8. Zařízení podle bodu 7, vyznačující se tím, že na horním krytu (3) komory (1) je upevněna vstřikovací jednotka (4).

9. Zařízení podle bodů 6 až 8, vyznačující se tím, že přívodní trubice (6) je vedena ucpávkou (7), upevněnou ve stěně horního krytu (3) komory (1).

10. Zařízení podle bodů 6 až 9, vyznačující se tím, že komora (1) je-opatřena pojistným ventilem (8].

11. Zařízení podle bodů 6 -až 10, vyznačující se tím, že ke vstřikovací jednotce (4) je připojena tlaková jednotka [5j, sestávající z tlakových láhví, obsahujících stlačený inertní plyn.

12. Zařízení podle bodů 6 až 11, vyznačující se tím, že vstřikovací jednotka (4), vakuová jednotka (9) a tlaková jednotka (5) jsou připojeny na ovládací pult (10).