Способ электрошлакового переплава

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано при обработке шлаковой и металлической ванн при электрошлаковом переплаве. В способе проводят расплавление расходуемого электрода, раскисление шлаковой и металлической ванн и кристаллизацию слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе. При этом перед началом раскисления замеряют активность кислорода в металле, а количество раскислителя, вводимого в металл, определяют по формуле R=(0,1÷0,5)a_o ^2/3-(0,01÷0,02)(Al+Si+…), где R - количество раскислителя в пересчете на усвоенный, %, а_о - активность кислорода в металле, безразмерная величина. Замер активности кислорода в металле производят в процессе переплава один или более раз, а количество вводимого раскислителя корректируют по результатам замеров активности кислорода в металле. Изобретение позволяет повысить качество металла, снизить химическую неоднородность металла, а также повысить чистоту металла по неметаллическим включениям. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано при обработке шлаковой и металлической ванн раскислителями и модификаторами при электрошлаковом переплаве. Известен способ электрошлакового переплава, включающий расплавление расходуемого электрода, раскисление шлаковой и металлической ванн и кристаллизацию слитка (Общая технологическая инструкция №262-84 на электрошлаковый переплав стали, 1984 г.). Недостатком этого способа является, особенно для крупных слитков, химическая неоднородность слитков по высоте (особенно) в результате ликвации. Кроме того, в металле наблюдаются скопления неметаллических включений.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение качества металла и снижение химической неоднородности слитков, снижение загрязненности металла и возможность влиять на состав неметаллических включений. Технический результат достигается тем, что при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода, включающем раскисление шлаковой и металлической ванн и кристаллизацию слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе, перед началом раскисления шлака замеряют активность кислорода в металле, а количество раскислителя, вводимого в металл, по формуле

[R]=0,1÷0,5a_o ^2/3-(0,01÷0,02)([Al]+[Si]+…),

где [R] - количество раскислителя в пересчете на усвоенный, выраженное в процентах, a_o- активность кислорода в металле,

[Al], [Si]…- содержание в металле элементов раскислителей, выраженное в процентах, при этом скорость подачи раскислителей определяют по формуле

Q=Q_расч.×v_к/v_н,

где v_к - скорость кристаллизации слитка;

v_н - скорость сплавления электрода;

Q - скорость подачи раскислителя;

Q_расч. - расчетная скорость подачи раскислителя.

Замер активности кислорода производят в процессе переплава один или более раз, а количество вводимого раскислителя корректируют по результатам замеров активности кислорода в металле.

Элементы раскислители [Al, Si, Са], присутствующие в жидком металле, определяются, как правило, химическим составом металла электрода и могут открыто участвовать в процессе раскисления, наряду с раскислителем, вводимым в процессе ЭШП. Измерение активности кислорода в металле позволяет определить количество раскислителей, необходимое для удаления лишнего кислорода (путем ассимиляции неметаллических включений, образующихся в результате реакции раскисления), и предотвратить образование вторичных и третичных НВ, которые, являясь концентраторами напряжений, могут привести к разрушению металла.

Введение количества раскислителя в соответствии с предложенным соотношением в зависимости от измеряемой активности кислорода позволяет равномерно распределяться в металле и шлаке, поддерживать процесс раскисления на стабильном уровне.

При длительном течении процесса переплава, увеличении глубины шлаковой ванны и неизменном количестве подаваемого раскислителя количество его может накапливаться в металлической ванне, для предотвращения этого следует по мере снижения скорости продвижения фронта кристаллизации замедлять скорость подачи раскислителя во столько, во сколько скорость сплавления электрода выше скорости кристаллизации слитка.

Неоднократный замер активности кислорода в металле в процессе плавки позволяет корректировать подачу раскислителя.

В качестве раскислителя при ЭШП можно использовать РЗМ, сцемиш, мишметалл, алюминий. Нами было исследовано поведение алюминия при раскислении 9% хромистой стали.

Присадка в нераскисленную хромистую сталь алюминия сопровождается трансформацией оксидной фазы во включения типа (Сr, Аl)₂O₃. Если алюминий вводить в предварительно раскисленный кремнием металл, то основным типом включений будут являться алюмосиликаты. В случае если металл недораскислен кремнием, то при концентрациях алюминия на уровне тысячных процента продукты раскисления представляют собой сложные гетерогенные включения, в состав которых входят оксиды алюминия, хрома, марганца, кремния. С ростом содержания алюминия, как в случае с предварительным раскислением кремнием в составе неметаллических включений, возрастает доля Аl₂О₃, алюмохромистомарганцовистые шпинели замещаются хромитами алюминия, выделяется чистый корунд. Так, в стали с 9% хрома как основной тип включений Аl₂О₃ присутствует при содержании алюминия более 0,020%.

При использовании как кремния, алюминия, так и других раскислителей увеличение их содержания в металле сопровождается закономерным ростом доли их соединений в составе оксидной фазы. Также характерным является то, что при определенных пороговых значениях концентрации раскислителя происходит существенное изменение химического состава неметаллических включений и, соответственно, смена их доминирующего типа.

Из всех видов неметаллических включений (НВ) наиболее вредными являются хромомарганцовистые шпинели, наименее вредными - корунд. Для обеспечения минимального количества неметаллической фазы и корунда как основного типа включений следует, в первую очередь, владеть знаниями тонкого управления технологией раскисления.

Наличие взаимосвязи между содержанием раскислителя, активностью кислорода и составом неметаллических включений позволило определить количество раскислителя, необходимого для формирования заданной морфологии НВ.

Нам была выявлена империческая зависимость:

[R]=0,1÷0,5a_o ^2/3-(0,01÷0,02)([Al]+[Si]+…),

- коэффициент 0,01-0,02 учитывает угар элементов раскислителей при ЭШП;

- коэффициент 0,1-0,5 учитывает морфологию образующихся включений. При значении его менее 0,1 и при содержании кремния менее 0,1% НВ будут представлять собой хромомарганцовистые шпинели. При значениях коэффициента более 0,5 конечное содержание алюминия будет выше предусмотренного составом стали.

Опытные плавки проводили на базе ЦНИИТМАШ. Материалом исследования были хромистые стали. Для раскисления такой стали используют марганец, кремний и алюминий. Плавки проводили на печи ЭШП-2ВГ. Плавки вели на жидком старте в кристаллизаторе диаметром 160 мм, диаметр электрода 80 мм. Алюминий подавали в кристаллизатор дискретно через каждые 30 с, после замера активности кислорода. Измерение активности осуществляли 3-4 раза за плавку и корректировали вводимое количество алюминия. При скорости плавления электрода ~ 1 кг/мин скорость подачи Аl порошка составляла 5 г/мин (т.е. по 2,5 г за порцию). Одновременно датчиком уровня металла определяли скорость продвижения фронта кристаллизации. С увеличением по ходу плавки глубины металлической ванны уменьшили к концу плавки долю раскислителя с 5 г/мин до 3 г/мин.

Было проведено около 10 плавок ЭШП. Слитки, полученные после переплава (3 слитка), были разрезаны и исследованы на равномерность распределения химических элементов, на общее количество НВ, на морфологию НВ.

Неметаллические включения изучали на оптическом микроскопе «Neophot 2». Качественный и количественный микрорентгеноспектральный анализ состава включений проводили на микроанализаторе «Camebax SX-100» и растровом электронном микроскопе «JEM 460 LV» с энергодисперсионной приставкой INCA-sight «Oxford instruments».

В результате исследований металла выявлено, что при использовании способа, регулирующего скорость подачи раскислителя, содержание всех элементов от нижней до верхней было равномерным - алюминий на уровне 0,008-0,012% во всех трех плавках, тогда как при выплавке обычного слитка без раскисления по уровню окисленности и регулирования скорости подачи содержание [Аl] увеличилось с 0,01 в нижней части до 0,015 в средней и 0,018 в верхней части слитка. При этом уровень загрязненности HВ снизился по сравнению с контрольным с 0,010% до 0,005% (общее количество), т.е. в 2 раза. По морфологии включения в основном представляли собой мелкодисперсные алюмосиликаты, если 0,3·а_о ^2/3, при 0,1·а_о ^2/3 - силикаты марганца, встречается хромомарганцевая шпинель, при 0,5·а_о ^2/3 - основное количество включений в виде мелкодисперсных включений корунда.

По результатам измерения активности кислорода при ЭШП была выявлена четкая взаимосвязь в системе - активность кислорода - содержание раскислителя - неметаллические включения, с помощью которой можно не только снизить количество неметаллических включений, получить их заданной дисперсности, но и управлять их составом.

1. Способ электрошлакового переплава, включающий расплавление расходуемого электрода, раскисление шлаковой и металлической ванны и кристаллизацию слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе, отличающийся тем, что перед началом раскисления замеряют активность кислорода в металле, а количество раскислителя R, вводимого в металл, определяют по формуле
R=(0,1÷0,5)a_o ^2/3-(0,01÷0,02)(Al+Si+…),
где a_о - активность кислорода в металле, безразмерная величина,
Al, Si… - содержание в металле элементов раскислителей, %, причем скорость подачи раскислителей Q определяют по формуле
Q=Q_расч·v_к/v_н,
где v_к - скорость кристаллизации слитка, кг/мин,
v_н - скорость сплавления электрода, кг/мин,
Q_расч - расчетная скорость подачи раскислителя, кг/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замер активности кислорода в металле производят в процессе переплава один или более раз, а количество вводимого раскислителя корректируют по результатам замеров активности кислорода в металле.