Способ получения слитка из спокойной стали с рассредоточенной усадочной раковиной

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к получению слитков для последующей обработки давлением. Изобретение направлено на получение слитка из спокойной стали с рассредоточенной усадочной раковиной, приводящее к увеличению выхода годного за счет уменьшения головной обрези с 14 - 16% (спокойная сталь) до 3 - 4 - сталь с рассредоточенной усадочной раковиной (полуспокойная сталь). Сущность изобретения заключается во введении в жидкую сталь азота, концентрация которого превышает на 0,10 - 0,30 его растворимость в δ-феррите и аустените при температуре, которая ниже температуры солидуса для данной марки стали на 15-20^oC. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению слитков для последующей обработки давлением.

Известно, что при получении слитков спокойной стали в результате удаления усадочной раковины выход годного уменьшается за счет головной обрези на 14 16% Радикальным способом повышения выхода годного является получение слитков полуспокойной стали, в которых усадка рассредотачивается по всему объему слитка за счет выделяющегося из металла при его кристаллизации, главным образом монооксида углерода. Вместо сосредоточенной усадочной раковины в слитке образуются общая пористость и закрытая рассредоточенная усадочная раковина, которые во время горячей пластической деформации закатываются. Однако качество такой стали ниже, чем спокойной стали, главным образом из-за меньшей раскисленности металла (Si ≅ 0,15% Al ≅ 0,01%).

Известен способ получения слитков полуспокойной стали, в котором в верхнюю часть кристаллизующегося слитка спокойной стали спустя 20.40 мин после разливки вводят кислород, который формирует в жидком ядре структуру слитка полуспокойной стали, что обеспечивает получение комбинированной структуры: наружная оболочка из спокойной стали, а внутренняя из полуспокойной с рассредоточенной и закрытой усадочной раковины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения слитка спокойной стали, включающий выплавку и легирование жидкой стали азотом, вводимым в исследуемом интервале концентраций. При содержании азота 0,030% и выше, что на 0,5 и более превышает величину предела его растворимости в данной марке стали, отмечалась увеличивающаяся тенденция к вспучиванию, связанная с образованием газовых пузырей. При содержании азота выше 0,034% препятствовать вспучиванию не удалось даже обливанием водой верхней части слитка.

Использование данного способа получения слитка не обеспечивает удовлетворительного качества его структуры, так как "повышенная концентрация азота" является причиной известного эффекта "дикая сталь" с образованием в слитке раковин, которые не закатываются во время горячей прокатки и приводят к браку или в лучшем случае к резкому уменьшению выхода годного.

Поскольку при проведении описанных в прототипе исследований в 10 и 50-килограммовых емкостях скорость кристаллизации металла была высокой, то это не позволило установить граничные значения концентрации азота для промышленных слитков, при которых еще не происходит подъема (роста) слитка. Высокая скорость кристаллизации стали в малых емкостях привела к тому, что азот не успевал ликвидировать и объем жидкого ядра слитка и выделение азота в газообразном виде происходило при концентрациях, значительно более высоких (в 2 3 раза), чем в предлагаемом способе.

Кроме того, в известном способе отсутствуют указания на оптимальные пределы содержания азота, в частности нет данных об оптимальном верхнем пределе концентрации азота, что не позволяет реализовать данный способ в серийном производстве.

В прототипе также пренебрегают учетом влияния относительно небольших добавок углерода, кремния и марганца на растворимость азота в железе, что в действительности, как будет показано ниже, заметно сказывается на условиях деазотации металла при его кристаллизации.

И, наконец, в прототипе разливку осуществляли в традиционые для спокойной стали изложницы, уширенные кверху, что способствовало увеличению зоны равноосных зерен в головной части слитка и соответственно требовало для выделения газовых пузырей более высокого пересыщения азотом последних порций жидкого металла.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ получения слитка спокойной стали регламентированием интервала значений количества вводимого азота в зависимости от величины его растворимости в конкретной фазе при заданной температуре, в котором обеспечивается рассредоточение усадочной раковины и за счет этого снижение головной обрези при достаточно высоких физико-механических свойствах.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения слитка спокойной стали, включающем выплавку и легирование жидкой стали азотом, в отличие от известного азот вводят в количестве, достаточном для обеспечения его содержания в стали, превышающего на 0,10.0,35 величину его растворимости соответственно в δ феррите или в аустените при температуре на 15. 20^oC ниже температуры солидус данной марки стали.

В предлагаемом способе получения структуры слитка полуспокойной стали из глубоко раскисленного металла за счет заявленной концентрации азота для получения наибольшего выхода годного обеспечивают оптимальное содержание азота в стали, при котором в процессе кристаллизации металла протекает азотный "кип" и формирование слитка происходит с образованием многочисленных газовых пузырьков по всему телу слитка. Причем заявленные пределы содержания азота обеспечивают отсутствие концентрированных усадочных пустот и раковин.

Физическая сущность способа заключается в значительном различии растворимости азота в жидком железе и d феррите или аустените при температурах конца кристаллизации металла, составляющих по данным различных авторов (3, 4) на 15 20^oC ниже температуры солидус каждой конкретной стали из-за явления переохлаждения металла.

Так, растворимость азота в жидком железе при 1560^oC и Р_N2 1 атм составляет 0,044.0,046 мас. (5,6), в d феррите при температурах кристаллизации от 0,012% мас. при /C/ 0,010 мас. до 0,011 мас. при /C/ 0,16 мас. (5), в аустените от 0,0193 мас. при /C/ 0,17 мас. дo 0,013% p /C/ 2 мас. (6).

Заметное влияние на растворимость азота оказывают также кремний и марганец, параметры взаимодействия азота с которыми при температурах, близких к солидус, составляют + 0,044 и -0,035, соответственно. Так, например, в стали 35ГС растворимость азота при температуре солидус с учетом e^c_N, e^S_Nⁱ и e^M_Nⁿ составляет 0,017 мас. в то время как без их учета эта величина составляет 0,020 мас. т.е. на 17,6% отн. выше.

При этом следует иметь в виду, что в результате азотного кипа при кристаллизации металла его остаточное содержание в стали может оказаться даже ниже равновесного, так как последнее рассчитывается для 1 атм, а при образовании пузыря азота в него может выделяться водород и даже монооксид углерода, снижая тем самым парциальное давление азота и его растворимость на величину При реальных концентрациях азота в мартеновской и конвертерной сталях ≅0,01 мас. он при кристаллизации полностью фиксируется в твердом растворе, не обогащая оставшуюся жидкую составляющую. Если же его концентрация в результате специального легирования выше указанных пределов растворимости в твердых фазах, то остающийся расплав будет обогащаться азотом и на определенном этапе кристаллизации может быть достигнут уровень, превышающий его растворимость в жидком металле, что при определенных условиях приведет к азотному "кипу".

При относительно небольшом пересыщении (на <0,10) выделение азота в газовую фазу будет иметь месть лишь в заключительных стадиях кристаллизации слитка и практически совпадать во времени с формированием усадочной раковины, что исключает решение поставленной задачи получения рассредоточенной в объеме слитка усадки.

При значительных перенасыщениях ( > 0,30) образование газовых пузырей может начинаться еще до формирования достаточно толстой наружной корочки слитка, что приведет к их раскрытию при последующей горячей деформации и увеличению брака металла по качеству поверхности. Кроме того, интенсивный кип в головной части слитка приводит к образованию открытой пористости, что обусловливает окисленность поверхности, исключает ее свариваемость при горячей деформации и приводит к увеличению головной обрези.

Важнейшим преимуществом предлагаемого способа перед прототипом является то, что он стабильно обеспечивает как необходимую толщину плотной корочки слитка, что исключает раскрытие подкорковых пузырей при прокатке слитков, так и закрытую рассредоточенную пористость в большей части слитка, что определяет минимальную головную обрезь.

Проверку предлагаемого способа осуществляли на примере углеродистых сталей, состав которых приведен в табл. 1. Выплавку металла проводили в индукционной печи ИСТ-160, а легирование азотом присадкой в сталеразливочный ковш азотированных ферросплавов. Разливку металла проводили сверху в уширенные книзу изложницы. Масса слитков составляла 150 кг. С целью приближения скорости кристаллизации слитка относительно малой массы к промышленным изложницу перед разливкой подогревали газом до 500.700^oC.

Содержание азота определяли на газоанализаторе фирмы "Leco" с точностью до 10^-4% Горячую деформацию слитков на сутунку сечением 160 х 50 мм осуществляли свободной ковкой на 10-т молоте.

Результаты исследования зависимости величины головкой обрези от содержания азота в стали приведены в табл.2.

Большая обрезь при выплавке по способу-прототипу (24%) получена в связи с ростом и образованием в его верхней части существенных раковин, проникающих в тело слитка на четверть его высоты, которые не заварились при горячей деформации. Это вызвано интенсивным выделением пузырей азота как в первые минуты кристаллизации слитка, так и при кристаллизации последних порций жидкого металла. Причем интенсивное газовыделение на последней стадии кристаллизации препятствовало формированию сплошной корки металла сверху слитка, что обусловливает образование в его головной части сообщающихся между собой и с атмосферой раковин.

Кроме большой обрези, на поверхности поковок слитка, полученного по способу-прототипу (состав N 1),наблюдалось большое количество дефектов.

Наименьшая головная обрезь при отличном качестве поверхности получена при производстве слитков по предлагаемому способу (составы Nn 3-5 и 8-10). Так, при содержании азота в количестве, на 0,10-0,30 большем величины его растворимости в δ феррите и аустените (≅ 0,16% и > 0,16% ^oC соответственно) при температуре солидус на 15-20^oC ниже температуре солидус данной марки стали головная обрезь составила 3-5% В экспериментах с содержанием азота выше и ниже данного количества (составы NN 2,6,7,11) величины головной обрези в 2-3 раза выше, однако тем не менее вдвое ниже, чем по способу-прототипу.

Это связано с тем, что при (N_x N_p)/N_p 0,09 (составы стали Nn 2 и 7) количества выделяющегося из металла азота становятся недостаточным для восполнения в полной мере усадки металла.

При (N_x N_p)/N_p 0,31 (составы стали NN 6 и 11) выделение в процессе кристаллизации избыточного газа через открытую поверхность слитка способствует окислению верхних раковин в головной части слитка и образованию расслоя при прокате и повышению головной обрези до 9-10% Таким образом, согласно приведенным в табл.2 данным заявляемый способ производства слитков позволил получить снижение головной обрези до 3-5% что в 5-8 раз меньше, чем по способу-прототипу.

Полученные данные подтверждены промышленными плавками стали 35ГС в конвертере емкостью 160 и 3СМК. В первой плавке содержание азота в головном металле составило 0,027% что в 1,59 раза выше расчетной растворимости азота по условиям настоящей заявки. При этом величина головной обрези в сумме с отбракованными по качеству поверхностями головными заготовками составила более 20% Большая часть остальных заготовок требовала огневой зачистки. Во второй плавке при содержании азота в жидком металле 0,019% (1,12 растворимости) головная обрезь составила 3,5% качество поверхности заготовок было удовлетворительным. В прокате содержание азота было определено на уровне 0,018% что вероятно связано с указанной выше причиной выделения в пузыри водорода.

Формула изобретения

Способ получения слитка спокойной стали с рассредоточенной усадочной раковиной, включающий выплавку и легирование жидкой стали азотом, отличающийся тем, что азот вводят в количестве, обеспечивающем величину превышения содержания N_x его в стали над величиной его растворимости N_p в δ -феррите или в аустените при температуре ниже температуры солидуса на 15 - 20^oС, определяемую из соотношения (N_x N_p)/N_p и равную 0,1 0,3.

РИСУНКИ

Рисунок 1