Способ производства рельсовой стали
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу выплавки рельсовой стали. Способ включает выплавку стали в электропечи, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, присадку во время выпуска и на агрегате «печь-ковш» шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, микролегирование ванадием, азотирование и модифицирование стали на установке «печь-ковш» с одновременной продувкой расплава аргоном. Азотирование осуществляют азотсодержащим материалом, который вводят в расплав в виде порошковой проволоки, содержащей 4-34 мас.% азота, а также железо и порознь или вместе элементы из ряда: марганец, кремний, ванадий, ниобий. При этом азотсодержащий материал используют в виде сплава или смеси отдельных материалов. Отношение между содержанием азота и ванадия составляет 0,2-0,47, а отношение между содержанием кальция и ванадия составляет 0,02-0,066. При микролегировании ванадий в расплав вводят в виде порошковой проволоки, а модифицирование проводят кальциевым, либо кальцийбариевым материалом. Использование изобретения обеспечивает повышение пластических и вязкостных свойств рельсовой стали при сохранении ее прочности. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам получения рельсовых, пружинных, инструментальных и других марок сталей.
Известен способ получения рельсовой стали, выбранный в качестве аналога, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома и извести, расплавление металлолома, заливку жидкого чугуна, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, последующий выпуск стали в ковш с отсечкой печного шлака с оставлением в печи 10-15% жидкого металла от массы плавки и доводкой металла в ковше присадкой в ковш во время выпуска шлакообразующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата в соотношении (0,8-1,2):(0,2-0,5) с расходом 10-17 кг/т стали, а также ферросплавов - кремния и марганецсодержащих ферросплавов из расчета введения в сталь до 0,15% кремния и до 0,75% марганца. Далее сталь обрабатывают на агрегате типа «печь-ковш» введением в ковш последовательно до требуемых концентраций марганца, кремния, углерода, ванадия и кальция, причем при введении осуществляют продувку стали через донную пористую фурму азотом с расходом до 65 нм3/ч при общем количестве введенного газообразного азота не более 20 нм3 до содержания 0,020% азота, окончательную продувку проводят аргоном с расходом до 65 нм3/ч /1/.
Недостатком данного способа является низкое и нестабильное усвоение азота, что свойственно практически всем технологиям введения газов в металл их продувкой. Разброс в содержании азота в стали приводит к недостатку формирующихся в металле дисперсных нитридных и карбонитридных частиц требуемого размера - преимущественно нитридов и карбонитридов ванадия - стабилизирующих зеренную структуру при изготовлении рельсов и повышающих их износостойкость. В результате, растет величина зерна в стали и количество крупных - более 1 мкм - неметаллических включений, что сопровождается снижением уровня механических свойств металла, и особенно, пластичности и низкотемпературной ударной вязкости, что приводит к сокращению сроков эксплуатации рельсов.
Наиболее близким к заявляемому и выбранный в качестве прототипа является способ производства рельсовой стали, включающий выплавку стали в электропечи без раскисления металла и шлака, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, продувку металла в ковше азотом и аргоном, присадку во время выпуска и продувки шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, и микролегирование стали на установке "печь-ковш" ванадием, отличающийся тем, что после микролегирования стали на установке "печь-ковш" ванадием ее модифицируют ферросплавом, содержащим кремний, кальций, барий, в котором отношение бария к кальцию составляет 1,0-1,5, а их количество в составе ферросплава 150-300 г/т стали. Кроме того, на установке "печь-ковш" могут осуществлять продувку стали аргоном, а ванадий вводят в виде азотированного феррованадия для обеспечения необходимого содержания азота в стали /2/.
Недостатком указанного способа является низкое и нестабильное усвоения азота при введения его в расплав как продувкой, так и в виде куска на агрегате «печь-ковш» - сверху через слой шлака. В результате - недостаточное формирование дисперсных ванадийсодержащих нитридов и карбонитридов, приводит к низкой стабилизации зеренной структуры металла, снижению его пластических и вязкостных характеристик и, в конечном итоге, к раннему формированию контактно-усталостных дефектов в период эксплуатации рельсов. В прототипе не сказано о необходимом соотношении между содержанием в металле азота и ванадия, образующих нужные для стабилизации структуры количество и размер дисперсных частиц. Кроме того, при использовании комплексного модифицирующего материала отдельно не выделена роль кальция, отличающегося от бария горофильными свойствами, что позволяет дополнительно воздействовать на чистоту границ зерен, а следовательно, на комплекс пластических и вязкостных свойств рельсового металла.
Задачей настоящего изобретения является повышение пластических и вязкостных свойств рельсовой стали при сохранении ее требуемой прочности.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе производства рельсовой стали, включающем выплавку стали в электропечи или конверторе, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, присадку во время выпуска и на агрегате «печь-ковш» шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, микролегирование ванадием, азотирование и модифицирование стали на установке «печь-ковш» с одновременной продувкой расплава аргоном, азотирование осуществляют материалом, вводимым в расплав порошковой проволокой, и содержащим 4-34 мас.% азота, а также железо, и, порознь или вместе, элементы из ряда: марганец, кремний, ванадий, ниобий. При этом азотсодержащий материал может быть сплавом, либо смесью отдельных материалов.
Кроме того, согласно способу, в стали отношение между содержанием азота и ванадия составляет 0,2-0,47, а между содержанием кальция и ванадия составляет 0,02-0,066. При микролегировании ванадий в расплав вводится в виде порошковой проволоки, а модифицирование проводят кальциевым, либо кальцийбариевым материалом.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ производства рельсовой стали неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.
Заявляемый способ может быть реализован на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, т.е. является промышленно применимым.
Проведенные нами исследования показали, что комплекс требуемых механических свойств рельсовой стали - прочность, пластичность, ударная вязкость, содержание неметаллических включений и т.д. - в значительной мере определяются, наряду с традиционными технологическими факторами (химсоставом, температурно-деформационными условиями кристаллизации, деформации и термообработки металла), величиной аустенитного и итогового зерна, количеством дисперсной (менее 0,5-1 мкм) фазы и чистотой границ зерен от избыточных выделений, плен и сегрегации. С уменьшением размера кристаллитов, увеличением количества дисперсных частиц, тормозящих рост зерен на всем протяжении технологического передела, и повышением чистоты межзеренных границ повышается пластичность и ударная вязкость рельсового металла, его способность противостоять циклическим разрушениям и т.д. Задача создания достаточного количества дисперсных частиц решается в рельсовой стали, в основном, за счет дополнительного азотирования стали на этапе внепечной обработки, однако эффективность этого процесса зависит от способа введения азота в расплав.
Имеющаяся у авторов многолетняя практика показала, что наиболее стабильное усвоение азота достигается при введении последнего в расплав порошковой проволокой, наполнителем которой может быть практически любой азотсодержащий материал, и, в частности, содержащий до 34% N, железо, а также марганец, кремний, ванадий, ниобий, т.е. азотированные ферромарганец, ферросиликомарганец, ферросилиций, феррохром и др. Последние могут входить в состав азотсодержащего наполнителя порознь, либо совместно, в виде сплава, либо смеси отдельных материалов.
Усвоение азота при введении его порошковой проволокой в наших экспериментах, в зависимости от марки стали, технологии выплавки и используемого материала, составляло 55-85%, однако, главное заключалось в высокой стабильности этого процесса - разброс усвоения составлял 2-5%. Результатом такой обработки является формирование в металле нужного количества дисперсных (менее 0,1-0,5 мкм) нитридных и карбонитридных частиц, которые в рельсовой стали представлены преимущественно нитридами и карбонитридами ванадия.
Кроме того, размер и количество частиц, способных стабилизировать зеренную структуру, зависит от содержания ванадия и азота в стали. Недостаток азота приводит к отсутствию дисперсных частиц, избыток - к формированию крупных включений. И в первом, и во втором случае стабилизационные свойства такой фазы недостаточны. Экспериментально установлено, что наилучшее торможение зеренной структуры обеспечивается, когда отношение между содержанием азота и ванадия в стали составляет 0,2-0,47, что соответствует относительно однородному распределению кристаллитов в металле - Dмакс. / Dср. составляет 2,5-5.
Следует иметь ввиду, что границы зерен объективно являются зоной повышенной дефектности кристаллического строения, где концентрируются избыточные выделения охрупчивающих фаз, сегрегации, плен и т.д., снижающих пластические, ударные, коррозионные и другие свойства металла. Удаление подобных выделений с границ зерен и их более равномерное распределение по телу зерна - резерв повышения пластических и ударных характеристик рельсовой стали. Подобного результата можно добиться при обогащении приграничных объемов кальцием, имеющим выраженные горофильные свойства и вытесняющим в силу этого с границ зерен охрупчивающие фазы, сегрегации, пленочные выделения. Установлено, что улучшение пластических и ударных свойств рельсового металла проявляется при отношении между содержаниями в стали кальция и ванадия в пределах 0,02-0, 066.
Микролегирование стали ванадием наиболее эффективно, с точки зрения повышения и стабильности усвоения данного элемента, проводить также порошковой проволокой. Кроме того, наши эксперименты показали, что модифицирование расплава при внепечной обработке в случае азотирования рельсовой стали порошковой проволокой можно проводить кальциевым, либо кальцийбариевым материалом, причем лучшие пластические и ударные свойства металла получаются в случае соблюдения вышеуказанных отношений между содержаниями кальция и ванадия.
Пример осуществления способа
Опытные плавки проводили в электропечах с основной футеровкой. Далее сталь с отсечкой шлака выпускали в ковш и по ходу выпуска вводили шлакообразующие и частично ферросплавы, а затем металл передавали на агрегат «печь-ковш», где последовательно присаживали шлакообразующую смесь, кремний- и марганецсодержащие ферросплавы, порошковую проволоку с феррованадием, порошковую проволоку с азотированными ферросплавами (варианты использованных материалов приведены в табл.1), а также для модифицирования - порошковую проволоку с ферросиликокальцием марки СК30, либо ферросиликобарием марки СКВа10. В процессе обработки на агрегате «печь-ковш» металл продували аргоном. Количество азотированных ферросплавов вводили в расплав, исходя из содержания азота после дуговой печи (0,006-0,008%) для получения в металле 0,011-0,016% N. Применяемые наполнители порошковой проволоки - азотированные ферросиликомарганец, ферросилиций, ферромарганец, феррованадий и феррониобий - содержали, соответственно, 15, 34, 10, 10 и 9% N. В некоторых экспериментах в состав наполнителя входил сплав азотированных материалов (вар. 10 и 21), в остальных - смесь азотированных ферросплавов. Для понижения содержания азота в наполнителе до 4% применяли ферросиликомарганец. Усвоение азота металлом составляло 65±3%. Изменение отношения азот/ванадий и кальций/ванадий варьировали в пределах 0,2-0,53 и 0,016-0,075 соответственно. Модифицирующую проволоку вводили из расчета 180 г кальция или суммы кальция и бария на тонну расплава.
Обработка по прототипу включала выплавку в электропечах с основной футеровкой, выпуск металла с отсечкой шлака в ковш с частичной присадкой шлакообразующих смесей и ферросплавов, содержащих кремний и марганец. Далее металл передавали на агрегат «печь-ковш», где присаживали оставшиеся шлакообразующие смеси и ферросплавы, содержащие кремний и марганец, кусковой 50%-ный феррованадий (вар.1, табл.1) или дополнительно азотированный феррованадий (вар.2, табл.1), а затем порошковую проволоку с наполнителем из ферросплава, содержащего 8,0% Ва и 7,8% Са. Суммарный расход бария и кальция составил 270 г/т стали.
Средние значения механических свойств - твердости, относительного удлинения, ударной вязкости (KCU при +20°С и - 60°С), и отношений N/V, Ca/V в готовых рельсах, выплавленных по предлагаемому способу и по способу-прототипу, представлены в таблице 2.
Приведенные в таблице 1 и 2 результаты свидетельствуют:
1. Производство рельсовой стали по способу, указанному в прототипе (вар. 1 и 2), приводит к формированию структуры металл, отвечающей требуемому уровню прочности, относительно удлинения и ударной вязкости.
2. Производство рельсовой стали п.1 формулы заявляемого способа, т.е в случае модифицирующей обработки кальциевой, либо кальцийбариевой лигатурой и азотирования расплава порошковой проволокой, в состав всех наполнителей которой входит от 4% N до 34% N, приводит к получению рельсового металла, имеющего более высокие относительное удлинение и ударную вязкость (вар.3-12, 21 и 23), по сравнению с прототипом.
3. Производство рельсовой стали при смесевом наполнителе из азотированных ферросплавов (вар.3-9, 11, 12, 23) или при плавленом азотсодержащем наполнителе (вар.10 и 21) обеспечивает лучший комплекс пластических и ударных характеристик металла, по сравнению с прототипом - п.2 формулы заявляемого способа.
4. Производство рельсовой стали по п.3 формулы заявляемого способа, т.е. при отношении в металле азота к ванадию в пределах 0,2-0,47, а кальция к ванадию в пределах 0,02-0,066 приводит к дополнительному повышению пластических и ударных характеристик металла (вар.13-20,22).
5. Микролегирование расплава порошковой проволокой с феррованадием во всех вариантах производства рельсовой стали привело к получению улучшенных механических характеристик стали, по сравнению с прототипом - пп.4 и 5 формулы заявляемого способа.
Предлагаемый способ производства рельсовой стали может быть использован для выплавки стали, предназначенной для массового производства рельсов различного назначения с целью повышения их пластичности, ударной вязкости и эксплутационной стойкости.
Источники информации
1. Способ получения рельсовой стали. Патент РФ №2254380, кл. 7 С21С 7/00.
2. Способ получения рельсовой стали. Патент РФ №2327745, кл. 7 С21С 7/00, С21С 5/52
| Таблица 1 | ||||||
| Состав наполнителей порошковой проволоки | ||||||
| № п/п | ||||||
| Mn | Si | N | V | Nb | Fe | |
| 1 прототип | - | - | - | - | - | - |
| 2 прототип | - | - | - | - | - | - |
| 3 | 58 | 15 | 4 | - | - | ост |
| 4 | 12 | - | - | |||
| 5 | ||||||
| 6 | ||||||
| 7 | ||||||
| 8 | - | 60 | 34 | - | - | |
| 9 | 70 | - | 10 | - | - | |
| 10 | 29 | 8 | 11 | - | - | |
| 11 | - | - | 10 | 50 | - | |
| 12 | 46 | 11 | 10 | - | 10 | |
| 13 | 58 | 15 | 12 | - | - | |
| 14 | ||||||
| 15 | ||||||
| 16 | ||||||
| 17 | ||||||
| 18 | ||||||
| 19 | ||||||
| 20 | ||||||
| 21 | 46 | 18 | 16 | - | - | |
| 22 | 58 | 15 | 12 | - | - | |
| 23 | 58 | 15 | 12 | - | - |
| Таблица 2 | |||||||||
| Влияние состава наполнителя порошковой проволоки и содержания азота, ванадия и кальция в рельсовой стали на механические свойства металла | |||||||||
| № варианта наполнителя - Табл.1 | Содержание элементов в стали | Механические свойства металла | |||||||
| N, мас.% | V, мас.% | Са, мас.% | N/V | Ca/V | σв, МПа | δ, % | KCU+20°С, Дж/см2 | KCU-60°С, Дж/см2 | |
| 1 | 0,010 | 0,05 | 0,002 | 0,20 | 0,04 | 1280 | 14 | 36 | 28 |
| 2 | 0,012 | 0,05 | 0,002 | 0,24 | 0,04 | 1290 | 15 | 36 | 28 |
| 3 | 0,012 | 0,05 | 0,002 | 0,24 | 0,04 | 1290 | 17 | 38 | 30 |
| 4 | 0,016 | 0,03 | 0,002 | 0,53 | 0,066 | 1280 | 16 | 37 | 30 |
| 5 | 0,011 | 0,06 | 0,002 | 0,47 | 0,066 | 1280 | 17 | 38 | 30 |
| 6 | 0,014 | 0,06 | 0,001 | 0,23 | 0,016 | 1280 | 16 | 37 | 30 |
| 7 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1300 | 17 | 38 | 29 |
| 8 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1290 | 17 | 37 | 29 |
| 9 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1300 | 16 | 37 | 30 |
| 10 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1300 | 16 | 37 | 30 |
| 11 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1290 | 17 | 38 | 30 |
| 12 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1280 | 17 | 38 | 29 |
| 13 | 0,014 | 0,03 | 0,002 | 0,47 | 0,066 | 1280 | 21 | 41 | 32 |
| 14 | 0,014 | 0,04 | 0,002 | 0,35 | 0,05 | 1280 | 22 | 43 | 32 |
| 15 | 0,014 | 0,06 | 0,002 | 0,23 | 0,033 | 1290 | 20 | 40 | 31 |
| 16 | 0,011 | 0,03 | 0,002 | 0,36 | 0,066 | 1290 | 21 | 40 | 31 |
| 17 | 0,011 | 0,04 | 0,002 | 0,275 | 0,05 | 1290 | 21 | 40 | 31 |
| 18 | 0,012 | 0,06 | 0,002 | 0,2 | 0,033 | 1300 | 21 | 41 | 32 |
| 19 | 0,012 | 0,05 | 0,001 | 0,24 | 0,02 | 1300 | 22 | 43 | 33 |
| 20 | 0,012 | 0,05 | 0,003 | 0,24 | 0,06 | 1290 | 21 | 43 | 31 |
| 21 | 0,014 | 0,04 | 0,003 | 0,35 | 0,075 | 1280 | 17 | 38 | 30 |
| 22 | 0,014 | 0,03 | 0,002 | 0,47 | 0,066 | 1280 | 21 | 41 | 32 |
| 23 | 0,016 | 0,03 | 0,002 | 0,53 | 0,066 | 1290 | 16 | 38 | 29 |
1. Способ производства рельсовой стали, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск стали в ковш с отсечкой печного шлака, присадку во время выпуска и на агрегате «печь-ковш» шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, микролегирование ванадием, азотирование и модифицирование стали кальциевым или кальцийбариевым материалом на установке «печь-ковш» с одновременной продувкой расплава аргоном, отличающийся тем, что азотирование осуществляют азотсодержащим материалом, который вводят в расплав в виде порошковой проволоки, содержащей 4-34 мас.% азота, а также железо и порознь или вместе элементы из ряда: марганец, кремний, ванадий, ниобий.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотсодержащий материал используют в виде сплава или смеси отдельных материалов.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что отношение между содержанием азота и ванадия в стали составляет 0,2-0,47, а отношение между содержанием кальция и ванадия в стали составляет 0,02-0,066.
4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при микролегировании в качестве ванадия используют феррованадий, который вводят в виде порошковой проволоки.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что при микролегировании в качестве ванадия используют феррованадий, который вводят в виде порошковой проволоки.
