Способ комплексного легирования электрошлакового металла

 

Изобретение относится к электрошлаковой (ЭШ) технологии и может быть использовано при получении высококачественных легированных сталей и сплавов, а также при ЭШ сварке и наплавке, изготовлении биметаллических слитков. Целью изобретения является повышение качества металла и экономичности процесса. На поверхность шлаковой ванны подается перегретая порошковая смесь, состоящая из углерода и оксидов легирующих элементов (ОЛЭ), взятых в стехиометрическом соотношении. Предельная степень легирования (5...6%), с точки зрения допустимого науглероживания, определяется относительным содержанием углерода в смеси, которое не должно превышать 3% от массы ЭШ металла. Минимальное эффективное содержание углерода в смеси составляет 1% . В качестве ОЛЭ могут быть взяты обогащенные оксидные руды. Стехиометрическое соотношение смеси обеспечивает наиболее полное протекание реакции восстановления ОЛЭ и максимальный коэффициент перехода элемента из шлака в металл, достигающий 40 ... 60%. Предварительное измельчение и перетирание смеси существенно повышает реакционную способность ее компонентов. 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ()91 (И) А1 ц)) С 22 В 9/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО изОБРетениям и ОткРытиям

ПРИ ГКНТ ССО*

) (21) 4467060/31-02 (22) 26.07.88 (46) 15.08.90. Бюл. N - 30 (71) Курганский машиностроительный институт (7 2) А, К. Дав ыдов и В . В .Ма рфицын (53) 669. 187, 26 (088. 8) (56) Авторское св идетельств о СССР

Ф 489793, кл. С 21 С 5/54, 1974.

Патент Франции Ф 2011925, кл. С 22 D 7/00, 1970. (54) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО МЕТАЛЛА (57) Изобретение относится к электрошлаковой (ЭШ) технологии и может быть использовано при получении высококачественных легированных сталей и сплавов, а также при ЗШ сварке и наплавке, изготовлении биметаллических слитков. Целью изобретения является повьппение качества металла и экономичности процесса. На поверхИзобретение относится к электрошлаковой технологии и может быть использовано при получении высококачественных легированных сталей и сплавов, а также при электрошлаковой сварке и наплавке, изготовлении биметаллических слитков.

Цель изобретения — повьппение качества металла и экономичности процесса.

При комплексном легировании электрощлакового металла восстановлением легирующих элементов углеродом из оксидов согласно изобретению угле2 ность шлаковой ванны подается перег-, ретая порошковая смесь, состоящая из углерода и оксидов легирующих элементов (ОЛЭ), взятых в стехиометрическом соотношении. Предельная степень легирования (5 - 6%), с точки зрения допустимого науглероживания, определяется относительным содержанием углерода в смеси, которое не должно превышать 3% от массы ЭШ металла. Минимальное эффективное содержание углерода в смеси составляет 1%. В качестве ОЛЭ могут быть взяты обогащенные оксидные руды.

Стехиометрическое соотношение смеси обеспечивает наиболее полное протекание реакции восстановления ОЛЭ и максимальный коэффициент перехода элемента из шлака в металл, достигающий 40 — 60%. Предварительное измельчение и перетирание смеси существенно повьппает реакционную способность ее компонентов. 3 табл. род и оксиды подают на поверхность шлаковой ванны в виде перетертой смеси в пропорции, определяемой иэ. стехиометрических коэффициентов и атомных весов реагирующих веществ с, учетом коэффициентов перехода легир)ющего элемента в количестве, опреде-., ляемом содержанием в смеси углерода, которое составляет 1 — 3% от массы электрошлакового металла.

Взаимодействие оксидов и углерода идет в основном по реакции:

2Э; О + YC = YCO) + 2ХЗ;, (1585339 где Мэ О

1х 1 м., м где Х и У вЂ” стехиометрические коэффициенты в формуле окс ида °

Соотношение оксида и углерода выражается

M 9 tx0y ХМэ + 16У

1. (2)

Мс 6У вЂ” мол. вес i-го легирующего элемента; — пропорциональные массы

i-го легирующего элемента и углерода, ие— обходимого для его вос- 15 становления соответственно.

При проведении комплексного легирования доли углерода, необходимые для восстановления отдельных элемен- 20 тов, суммируются.

Стехиометрические пропорции смеси обеспечивают наиболее полное протекание реакции (1) и максимальный коэффициент перехода элемента иэ шла->5 ка в металл. В качестве легирующих компонентов могут быть использованы обогащенные оксидные руды, Применение в качестве восстановителя углерода обусловливается его 30 очень высокой активностью при температурах электрошлакового процесса, Он способен восстанавливать большинство из применяемых легирующих элементов из оксидов, весьма технологи- 35 чен. Предварительно измельчение и перетирание смеси существенно повышает реакционную способность компонентов.

Поскольку смесь подается на по- 40 верхность шлаковой ванны, где происходит в основном взаимодействие ее компонентов, науглероживание электрошлакового металла относительно невелико. Эффективность легирования дан- 45 ным способом, определяется относительным содержанием углерода в легирующей смеси, которое составляет

1 - З от массы переплавленного металла. 50

Применение перетертой порошковой легирующей смеси продиктовано необходимостью обеспечения максимальной активности компонентов при относительно малой плотности. Спекание, брикетирование, прессование смеси приводят к превьппению ее плотности над шлаком. Такая смесь тонет в шлаковой ванне, а углерод смеси непос4 редственно контактирует с металлической ванной и интенсивно переходит в ЭШ металл.

Пример.. Комплексное легирование при электрошлаковом переплаве низкоуглеродистой стали (сталь 20) хромом, ванадием, молибденом, кремнием проводили на установке А-550 на переменном токе под флюсом АНФ-1.

Переплавляемый электрод имел диаметр

30 мм, а кристаллизатор 80 мм. Пропорции компонентов легирующей смеси определяли по формуле

МСг Оэ 8 МЧ дО у. 6 MMoO z 10

° ° » °

Мс 1 М 1 М 1

М$10 5 0

3. (2)

М 1

Задавшись необходимым соотношением легирующих элементов в электрошлаконом металле, определяли состав порции смеси, г: Mo0 12,5; Crg 100;

VgО 25; SiOр 22; С 23.

Поскольку для приготовления смес и исп оль 3 ов а ли п рак тич еск и ч ис тые реагенты, то их количество брали в соответствии с расчетными значениями.

Перетирание проводили в фарфоровой ступке до получения однородного порошка. Дисцерсность частиц составляла 20 — 100 мкм. Присадку легирующей смеси осуществляли непрерывно и равномерно в течение всего времени плавки (в примере 7 мин).

Неравномерность содержания легирующих элементов по высоте слитков не превьппает 10 . Степень легирования электрошлакового металла изменяли за счет скорости подачи смеси на по" верхность шлаковой ванны.

Результаты спектрального анализа слитков представлены в табл. 1 (переплав под флюсом АНФ-1) и табл. 2 (переплав под флюсом АНФ-6).

Как видно из сравнения данных табл. 1 и 2, имеются некоторые количественные расхождения в коэффициентах усвоения легирующих элементов при переплаве под различными флюсами, однако пределы, характеризующие основной отличительный признак, совпадают. Флюсы АНФ-1 и АНФ-6 являются наиболее распространенными и малоактивными. Реализация способа с применением окислительных флюсов нецелесообразна, так как восстановле15853 ние их компонентов в зависимости от требуемой системы легирования может оказаться нежелательньм, возможно также снижение коэффициентов перехоБ да элементов с высоким сродством к кислороду. Границы эффективного применения способа определяются предельно допустимой степенью науглероживания )p (принято 0,02 ) злектрошлакового ме" талла, которое зависит от интенсивности угара углерода с поверхности шлаковой ванны, схемы восстановления легирующих оксидов, стехиометрии ! реакций, их взаимного влияния, растворения легирующих оксидов s шлаке, скорости подачи смеси в шлако, вую ванну. Как установлено экспериментально, существует определенное 2п оптимальное соотношение компонентов, учитывающее особенности протекания всех перечисленных процессов в реальных условиях электрошлакового переплава, которое удобно увязать со 25 стехиометрией реакций восстановления (табл. 3).

Применение флюсов, содержащих карбиды, возможно лишь для чугунов и высокоуглеродистых сталей, тогда ЗО как данный способ предназначен для обработки сталей со строго регламентированным содержанием углерода.

Результаты, приведенные в табл. 1 и 2, свидетельствуют .также о незначительности влияния темпера"туры процесса (при переплаве под флюсом АНФ-1 температура составляла

1600 С, АНФ-6 — 1750 С) на эффективный интервал количества углерода. . 4p

Из приведенных данных следует, что наиболее эффективное легирование (1,85 — 10,7 Cr при допустимом науглероживании) электрошлакового металла отвечает стехиометрическому 4 соотношению для реакции (1). Отклонение от этого соотношения на 10 снижает эффективность применения способа.

Конкретная комбинация компонентов по данньм табл. 1 и 3 свидетельствует об эффективности применения способа при различных системах легирования. Коэффициенты усвоения эле" ментов в каждом конкретном случае

39 6 могут быть определены экспериментально.

Как в идно из с опос тавл ения да нных, коэффициенты перехода элементов из шлака в металл при подаче порции смеси (23 r углерода) на 2300 — 750 r электрошлакового металла (соответствует I " ЗХ углерода относительно массы электрошлакового металла), достигают 40 — 60, что существенно выше, чем при других способах лагирования восстановлением оксидов.

Верхний предел легиронания, при этом, достигает почти 6Х (в сумме по всем легирующим)

При подаче порции легирующей смеси на 2500 г электрошлакового металла (соответствует 0,9 . С, что менее I ) коэффициенты перехода элементов падают до 0,11 — 0,17Х, что не превьппает таковых при использовании легирующих флюсов (известный). Суммарное восстановление элементов не превышает 0,5Х что ниже минимальной степени легирования, дающей положительный эффект для большинства легирующих элементов, и может быть связано с их окислением при прохождении через шлак эа счет активных компонентов и растворенного кислорода.

Введение легирующей смеси с содержанием углерода более ЗХ по отношению к переплавленному металлу (при подаче порции смеси на 700 г злектрошлакового металла) приводит

ceo к недопустимому науглероживанию.

Формула изобретения

Способ комплексного легирования электрошлакового металла, включающий подачу на поверхность шлаковой ванны окислов металла и восстановителя, отличающийся тем, что, с целью повышения качества металла и экономичности процесса в качестве восстановителя используют углерод, окислы металлов и углерод подают в виде смеси из перетертых. порошков, взятых в стехиометрическом соотношении, при этом коли- чество углерода в смеси равно 1-ЗХ от массы электрошлакового металла.

1585339

Т а б л и ц а 1

Пькаэатели

Исходное содержание элементов в расходуемом электроде, мас,X 0,21

0,25

021 052 012

0,52 0,12

0,52 0,12

2,9 0,37 0,65

0,45

0,60

0,21

0,40 0,70

0,21

3 1

4,8 0,63 0,.93

Ов2! 0152 ОЙ!2

1,31 1, 60

9,3

9,9

0,21

0,52 0,12

0,52 0,12

1,42 1,71

0,2

Ов56 Оэ04 Ов31 О ° 05 Ое20 Ов51

1,01 0,1

1,94 О, 23

0,39 0,14

0,68 О;56

0,48 1,02 0,91.3,9

0,11

066 1,26 1,28 033 047 011

О;15 0,12 0,17 0,11

0,29 0,30 0,33 0,25

0,38

0,40

0,37 . 0,63 0,60

0,38 0,56 0,52

042 061 048

0,42

Та блица 2

Si V

Покаэатели

0,25

О 21 О 52 О 12

0,21

Расчетное содержание элементов в ЭШ металле, мас.X (при 1 OOX. усвоении) при подаче порции смеси на:

2500 г ЭШ металла

2300 r ЭШ металла

1500 г ЭШ металла

750 г ЭШ металла

700 r ЭШ металла

Фактическое содержание элементов в электрошлаковом металле мас.X npu подаче порции смеси на:

2500 г ЭШ металла

2300 г ЭШ металла

1500 г ЭШ металла

750 г ЭШ металла

700 г ЭШ металла

Коэффициенты перехода элементов из шлака в электрошлаковый металл при подаче порции смеси на;

2500 г ЭШ металла

2300 r ЭШ металла

1500 r ЭШ металла

750 г ЭШ металла

700 г ЭШ металла

Исходное содержание элементов в расходуемом электроде, мас.X

0,93

1,80

2,00

О, 22 0,53

О, 21 0,49

0,23 0,47

0,12

0,12

0,10

1585339

11родоля..ение табл. 2 а .! ю

2,9

3i I

0,40

0,63

4,8

9,3

9,9

0,51

0,05 0,30

0 12 0,40

0,93

0,12 0,22

0,47 0,19

0,50 0,11

0,53 О,ll

1,82 0,24 0,68

3,9

4,6

0,1 1

0,13 0,15 0,11

0,29 0,27 0,20

0,25

750 г ЭШ металла

700 r ЭШ металла

Таблица 3

Состав легируюней смеси

213,4 г СгаО 194 г Cr O

23гс 23 г С

2l3,4 г Сгт03

23гс

1 74 6 г СкО

23 г С

174 ° 6 г CrтОз

23 г С

194 г Сгг

23 t C гасчетиое содернание влементов в влектронлаковом металле, мас.X: (при lOOX усвоении) при подаче порции смеси на:

O,г1

0,г1

4,В

5!

7,9

5,5

5,9

9 ° 0

5,5

5>9

2500 г ЭШ металла

2300 г ЭШ металла

1500 г ЭШ металла

O,2l

0,21

O,г1

O,2l

9,0

Расчетное содержание

f элементов в электрошлаковом металле, мас.Х (при 100Х усвоении) при подаче порции смеси (состав смотри в описании) на:

2500 r ЭШ металла

2300 г ЭШ металла

1500 r ЭШ металла

750 r ЭШ металла

700 г ЭШ металла

Фактическое содержание элементов в электрошлаковом металле, .",яс.X при подаче порции смеси на:

2500 г ЭШ металла

2300 г ЭШ металла

1500 г ЭШ металла

750 г ЭШ металла

700 г ЭШ металла

Коэффициенты перехода элементов из шлака в металл при подаче порции смеси на:

2500 г ЭШ металла

2300 г ЭШ металла ! 500 г ЭШ металла

От37 0465 0445 Оа21 Оа52 Ов12

070 060 021 052 012

0,93 0,93 0,21 0 ° 52 0 ° 12

1а31 1,60 1 80 Оь21 Оь52 Ое12

1,42 1,71 2,00 0,21 0,52 0,12

0,05 0,20 0,50 0,12

0 50 1,01 0 94 0 22 0 49 0 11

0,57 1,18 I 11 0,30 0,48 0,12

0,35 0,38 0,59 0,51

0,41 0,38 0,61 0,52

0 45 0 41 0 63 0 55

1э85339

Продолжение табл.3 л

Состав легярувяей снеся

2134 г Сгс, +

23гС

194 r СгаОв 174,6 r Cr 0

+ +

23 г С 23 г С

213,4 г Cr O

23 г С

194 r Сгт0

23rС

174,6 г С; 03 к

23 г С

750 г Эй металла

700 г Зй металла

17,8

19,1

17,8

l5 8

0,21

0,21

19,1!

7,0

0,21

0,21

0,69

1,06

0,90

0,18

0,19

О, 21

0,89

l,85

1,78

0,18

0,20

0,19

3iI

3,4

3,3

0;20

0,22

О, 2!

7,9

10,7

9,6

О, 2!

0,23

0,26

9,1

12,1

11,5

0,31

0,36

0,41

Хоэффициеит перехода хрома ив япвка в металл при подаче порции смеси иа;

0,09

0,16

0,15

0,1 2

0,29

0,32

0>4!

0,33

0,39

0,43

0,61

0,60

0,47

0,63

O,б7

Редактор М. Недолуженко

Заказ 2304 Тираж 490 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 фактическое содеркаяие клементов !7 электроялаковом металле, нас.X npu подаче порции смеси яа t

2500 г Зй металла

2300 г ЭШ металла

1500 г ЗШ нетвллв

750 г Эй нетепла

700 г ЭШ металла

2500 г ЭШ металла

2300 r ЭШ металла

1500 г 3tll металла

750 г ЭШ металла

ZOO .г ЭШ металле

Составитель В. Панин

Текред Л. Сердюкова Корректор И. Шароши