EA022416B1

EA022416B1 - Комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали

Info

Publication number: EA022416B1
Application number: EA201101093A
Authority: EA
Inventors: Владимир Иванович Жучков; Леопольд Игоревич Леонтьев; Николай Анатольевич Ватолин; Евгений Николаевич Селиванов; Олег Вадимович Заякин; Александр Абдуллович Акбердин; Александр Сергеевич Ким
Original assignee: УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН (ИМЕТ УрО РАН)
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2015-12-30
Also published as: EA201101093A1

Abstract

Изобретение относится к ферросплавному производству и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования стали бором. Для обеспечения необходимых служебных характеристик, повышения стабильности усвоения бора и раскисления стали кремнием предлагаемый комплесный сплав для микролегирования и раскисления стали, содержащий бор, кремний, алюминий, дополнительно содержит барий и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5; марганец 0,2-0,4; барий 0,1-5,0; остальное - железо.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования металла бором.

Уровень техники

Бор применяется для микролегирования стали, предназначенной для труб, строительных конструкций, коррозионно- и жаростойких деталей. Уникальность бора состоит в том, что его добавки в сталь составляют всего 0,001-0,003%, что в сотни раз меньше, чем других микролегирующих элементов. Добавки бора повышают пластичность, прочность, прокаливаемость стали. Доказано, что под влиянием бора образуется тонконеоднородная дислокационная субструктура с меньшими размерами мартенситных кристаллов и более дисперсными и равномерно распределенными карбидными включениями. Низкая степень применения бора для микролегирования стали во многом связана с элементным составом вводимых ферросплавов, не обеспечивающим высокое и стабильное усвоение бора, повышенные механические характеристики обрабатываемой стали.

Известен ряд борсодержащих ферросплавов, содержащих кроме бора железо, кремний, алюминий, хром, марганец, кальций и другие элементы в разных пропорциях.

В настоящее время для микролегирования и модифицирования стали в основном применяется ферробор, содержащий, мас.%: бор 6-20, кремний 5-15, алюминий 6-12, железо - остальное (ГОСТ 14848-69). Недостатком этого сплава является высокое содержание в нем бора и связанное с этим малое количество присаживаемого ферробора в сталь (0,15-0,3 кг сплава на 1 т стали), что приводит к низкому и нестабильному усвоению бора в стали и значительному браку продукции.

Известен комплексный борсодержащий сплав, содержащий, мас.%: бор 0,05-0,5; кремний 0,2-8,0; марганец 10-40; хром 5-30 (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л. Борсодержащие стали и сплавы, М.: Металлургия, 1986, с.48). Этот сплав содержит слишком мало бора и неудобен по технологии ввода в металлический расплав.

Известен комплексный сплав для раскисления и легирования стали, содержащий, мас.%: бор 1,0-5,0; кремний 25,0-65,0; титан 10,0-30,0; алюминий 10,0-40,0; кальций 0,2-15,0; магний 0,1-10,0; железо - остальное (авт. свид. СССР № 396409, М. Кл. С22С 35/00, опубл. 11.01.1974). Этот сплав хорошо усваивается сталью, но он может использоваться только для обработки ограниченного сортамента сталей, содержащих большое количество элементов: титан, бор, кремний, алюминий. Кроме того, его изготовление сложно и дорого.

Наиболее приемлемым для раскисления и микролегирования стали бором является принятый за прототип комплексный сплав, содержащий, мас.%: бор 1,0-5,0; кремний 45,0-65,0; алюминий 5,0-15,0; кальций 0,1-20,0; магний 0,1-12,0; железо - остальное (авт. свид. СССР № 368342, М. Кл. С22С 35/00, опубл. 30.03.1973). Недостатками известного сплава являются высокое содержание бора, приводящее к малым количествам вводимого сплава, что снижает его равномерное распределение в стали и стабильное усвоение, а узкие значения содержания кремния и наличие больших количеств алюминия, кальция и магния, значительно усложняют технологию изготовления и повышают стоимость. При этом рассматриваемый комплексный сплав по эффективности не отличается от других менее сложных ферросплавов.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение комплексного борсодержащего сплава для микролегирования и раскисления с минимальным количеством элементов, обеспечивающих необходимые служебные характеристики стали, повышающего стабильность усвоения бора, дополнительно раскисляющего сталь кремнием.

Указанный технический результат достигается тем, что комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали, содержащий бор, кремний, алюминий, дополнительно содержит барий и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5; марганец 0,2-0,4; барий 0,1-5,0; остальное - железо.

Использование такого сплава позволяет получать стабильно высокие механические свойства обрабатываемой стали при минимальном угаре бора, а ограничение элементов в составе предлагаемого комплексного сплава делает его более универсальной присадкой, применяемой для широкого ряда марок сталей.

Экспериментально установлено, что содержание бора в сплаве в количестве 0,5-3,0% связано с тем, что для высокого и стабильного усвоения элементов ферросплава его количество, вводимое в жидкую сталь, находится в пределах от 2 кг/т стали (меньшее количество нестабильно усваивается) до 14 кг/т (изза охлаждения металла при ковшевом легировании). При 0,5% бора в сплаве для получения в стали 0,003% бора с учетом усвоения бора надо ввести в расплав около 14 кг ферросплава на 1 т стали, при 3,0% бора в ферросплаве - 2 кг/т стали.

Кремний в борсодержащих комплексных ферросплавах служит, в основном, для того, чтобы при вводе сплава в жидкую сталь раскислять ее, связывая кислород и азот в прочные соединения, предотвращая взаимодействие с ним бора, поскольку бор в оксидах и нитридах не эффективен. Высокое содержание кремния в борсодержащем сплаве (41,0-68,0%) обеспечивает связывание кислорода и азота. Поэтому увеличение содержания кремния в предлагаемом сплаве усиливает раскисляющий эффект. При этом установлено, что высокая эффективность раскисления начинается при содержании в предлагаемом

- 1 022416 комплексном сплаве более 41% кремния. При содержании кремния более 68% раскисляющий эффект остается на том же уровне, происходит необоснованный перерасход кремния, существенно осложняется технология получения такого сплава, а при его использовании увеличивается угар кремния.

Алюминий, имеющий сродство к кислороду более высокое, чем бор, также как и кремний предотвращает образование оксидов и нитридов бора. При высоком содержании в комплексном сплаве кремния количество алюминия 1,0-2,5% является достаточным. Более низкое содержание алюминия (менее 1,0%) не позволяет получить высокого раскисляющего эффекта, а получить содержание алюминия в комплексном сплаве более 2,5% технологически затруднительно при выбранном способе выплавки предлагаемого сплава.

Марганец, содержащийся в предлагаемом комплексном сплаве в малых количествах (0,2-0,4%), улучшает пластические характеристики стали. Содержание марганца менее 0,2% не эффективно, а для получения более 0,4% необходимо усложнять технологию получения предлагаемого сплава и дополнительно вводить в состав шихты марганцеворудные материалы.

Дополнительное введение в комплексный сплав бария усиливает влияние бора на микроструктуру и прочностные свойства обрабатываемой стали. Кроме того, даже небольшие добавки в сплав бария (0,15,0%) в сочетании с высоким содержанием кремния (41%) вызывают положительный модифицирующий эффект обработки металла.

Концентрация железа обусловлена технологическими условиями выплавки ферросплава и положительно влияет на его усвоение.

Эффективность воздействия предлагаемого комплексного сплава на усвоение бора, прочностные свойства обрабатываемых сталей подтверждается следующими примерами (таблица).

Примеры конкретного осуществления изобретения

Эксперименты проводили в лабораторных условиях. Ферросплавы получали путем сплавления компонентов: ферросилиция (40-70% δί), ферробора (21% В), силикобария (15% Ва, 60% δί), ферромарганца (64% Мп). Легирование стали проводили в печи сопротивления с графитовым нагревателем. Химический состав обрабатываемой стали следующий, мас.%: углерод 0,1; кремний 0,3; марганец 2,0; сера 0,01; фосфор 0,02. Температура жидкой стали 1570°С. Количество всех вводимых ферросплавов рассчитывалось на получение содержания бора в стали 0,003%.

После охлаждения тигля образец стали вынимался, производились анализ его химического состава и механических характеристик. Механические испытания литых образцов стали, микролегированных бором, производили на разрывной машине по ГОСТ 7855-84. Изучались предел прочности (σ_Ε ) и предел текучести (δ₀,₂).

В таблице приведен известный состав (прототип) - 1, варианты запредельных - 2, 4, 6-8, 10, 11 и предлагаемых комплексных сплавов - 3, 5, 9.

Испытания стали, обработанной различными составами предлагаемого комплексного сплава на прочность, показали, что у прототипа (образец 1) и вариантов нового сплава без бария (образец 6), с пониженным бором (образец 2), марганцем (образец 7), кремнием (образец 6) показатели σ_Ε и σ₀,₂ ниже, чем у образцов, содержащих элементы согласно предлагаемого изобретения (образцы 3, 5, 9).

Показатели усвоения бора из сплава в сталь на 4-10% ниже у прототипа, сплавов без бария и с пониженным содержанием кремния (1, 6) по сравнению с остальными сплавами, поскольку δί и Ва обладают высоким сродством к кислороду, обеспечивающим увеличение усвоения бора.

Оптимальные пределы содержания бора (0,5-3,0%) подтверждаются испытанием образцов 3, 5, 9 (таблица). При 0,3% В в сплаве понижены прочностные свойства обрабатываемой стали (образец 2), а при более 3% В (образец 10) свойства стали не повышаются.

Содержание кремния менее 41% (образец 6) приводит к снижению прочности стали и усвоения бора, а более 68% (образец 8) не изменяет свойства стали и усвоение бора. Поэтому содержание кремния находится в широких пределах (41-68%), что позволяет применять при получении комплексного сплава с бором ферросилиций различных марок (ФС45, ФС65).

Рациональные пределы содержания в предлагаемом ферросплаве алюминия (1,0-2,5%) и марганца (0,2-0,4%) подтверждаются примерами образцов 4, 5, 7, 9 и 3,7-9 соответственно.

Содержание в сплаве бария в пределах 0,1-5,0% выбрано при сравнении образцов 6 (без бария), 5, 7, 9. Обработка стали сплавом без бария привела к самому низкому значению σ₀,₂ стали и усвоению бора. Даже небольшая добавка бария в сплав (образец 5, содержание бария 0,1 %) улучшает как усвоение бора, так и свойства стали. Содержание бария в сплаве более 5,0% не приводит к улучшению показателей эффективности обработки стали (образец 7), но ухудшает технико-экономические показатели получения ферросплава.

Отличие предлагаемого комплексного сплава состоит в том, что он превосходит прототип по воздействию на прочность, предел текучести стали, степени перехода бора в сталь. При этом предлагаемый сплав содержит меньше, чем прототип дорогостоящих компонентов, что определяет его универсальность.

Расчет себестоимости сплавов показал, что сравнительные (относительные) затраты на получение

- 2 022416 предлагаемого борсодержащего сплава как минимум на 33-43% ниже, чем у прототипа.

Таким образом, из приведенных в таблице результатов следует, что предлагаемый комплексный сплав отличается от прототипа по воздействию на качество обрабатываемого металла и степени усвоения бора сталью. Кроме того, он дешевле других известных борсодержащих ферросплавов.

Таблица. Показатели эффективности микролегирования стали бором различными ферросплавами

№ п.п.	Химический состав ферросплавов, мае. %	Прочность стали поел	е микролегирования	Усвоение бора сталью, %
В	5ί	А1	Мп	Ва	Ре	σ,ιι, МПа	σ_Β, МПа
1 прототип	2,4	52	11,0			34,6 ме=од Са = 0,1	639	648	60
2	0,3	61	1,1	0,2	1,0	36,4	620	630	66
3	0,5	61	2,2	0,4	1,5	34,4	695	705	71
4	2,8	62	2,6	0,3	4,9	27,4	680	692	65
5	3,0	68	2,5	0,4	0,1	26,0	689	701	69
6	2,8	40	2,0	0,4	-	54,8	602	620	61
7	2,8	45	0,9	0,1	5,1	46,1	604	612	65
8	2,4	70	1,1	0,5	0,9	25,1	665	670	65
9	2,0	41	1,0	0,2	5,0	50,8	692	702	72
10	3,2	41	1,1	0,2	5,0	49,5	691	700	72
И	5,0	43	1,3	0,3	0,2	50,2	687	695	71

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комплексный сплав на основе железа для микролегирования и раскисления стали, состоящий из бора, кремния, алюминия, марганца, бария, отличающийся тем, что указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5; марганец 0,2-0,4; барий 0,1-1,5; железо - остальное.