Лигатура для стали



Лигатура для стали
Лигатура для стали

 


Владельцы патента RU 2564803:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Эпсилон" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству жаростойких нейтронопоглощающих сталей, применяемых в атомной энергетике. Лигатура содержит, % мас.: гадолиний 41-74, алюминий 14,0-25,4, кремний 0,6-20, железо остальное. Изобретение позволяет уменьшить в стали содержание неметаллических включений и интерметаллидов, повысить механические свойства и коррозионную стойкость стали за счет лучшего усвоения гадолиния. 1 пр., 5 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к производству жаростойких высококачественных сталей, применяемых в атомной энергетике, для деталей машин, работающих в радиоактивной зоне, для повышения защитных свойств стальных конструкций от воздействия тепловых нейтронов и радиационной стойкости конструкций, подверженных облучению (оболочки урановых стержней, корпусов и трубопроводов реакторов, корпусов синхрофазотронов).

Известен сплав на основе никеля, содержащий, мас.%:

гадолиний 0,1-10,0
хром 13,0-24,0
молибден 1,5-16,0
железо 0,01-6,0

остаточные количества марганца, фосфора, серы, кремния, углерода и азота (пат. US №6730180, С22С 19/05, опубл. 04.05.2004).

Гадолиний вводится в печь при выплавке стали, или/и в ковш, или/и изложницу.

Однако при этом не обеспечивается достаточное усвоение легкоокисляющегося гадолиния, которое составляет 10-30%.

Известна жаростойкая сталь (пат. RU № 2362830, С22С 38/40, опубл. 27.02.2009), содержащая гадолиний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,2-0,6
кремний 0,8-1,5
марганец 0,4-1,0
хром 22-25
никель 12-15
гадолиний 0,10-0,25
железо остальное

Гадолиний вводили в ковш.

Как и в вышеприведенном аналоге, усвоение гадолиния составляет 10-30%.

В качестве прототипа принята лигатура для стали, содержащей гадолиний (Дмитриев В.А., Закревский В.А. и др. Состав новой нейтронопоглощающей коррозионно-стойкой стали // Вопросы атомной науки и техники, серия Химические проблемы атомной техники, 1991. Выпуск 2. Часть 1: 55-60, копия прилагается). Исследовались кремниевая и бинарная лигатуры, чистый гадолиний.

Более близкой к предлагаемому решению является лигатура, содержащая в мас.%:

гадолиний 40
кремний 22
железо остальное

Применение этой лигатуры позволяет получить сталь, содержащую до 0,8% гадолиния при его равномерном распределении по слитку. В экспериментах прототипа выплавляли сталь 08Х18Н10Т. Лигатуру вводили в печь перед выпуском металла и на дно изложницы. Химический состав опытной плавки стали, легированной гадолинием, механические и коррозионные свойства листового проката толщиной 6 мм, приведены в таблицах 2-5 настоящей заявки (приняты результаты плавки 11514, где содержится наибольшее количество гадолиния 0,7% мас.)

Силицид гадолиния, составляющий основу этой лигатуры, имеет высокую температуру плавления 2100°С и оставшаяся его часть 0,7-0,9% после растворения гадолиния в пределах растворимости (≈0,3-0,4%) и связывания гадолинием кислорода, азота, серы и удаления в шлак, не вступает в окислительно-восстановительные процессы и увеличивает загрязненность стали неметаллическими включениями, что существенно снижает механические свойства и коррозионную стойкость стали, а также пластичность при повышенных температурах (рис. 1 вышеупомянутой статьи Дмитриева В.П. и др.).

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача создания лигатуры с высокой степенью усвоения, высокими рафинирующими и модифицирующими свойствами, с высокой нейтронопоглощающей способностью, а также ее модифицирования и рафинирования.

Технический результат - повышение механических свойств и коррозионной стойкости стали за счет лучшего усвоения гадолиния и меньших потерь лигатуры, сопровождающихся уменьшением в стали неметаллических включений и интерметаллидов.

Этот технический результат достигается тем, что лигатура для стали, содержащая гадолиний, кремний, железо, дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, масс.%:

гадолиний 41-74
алюминий 14-25,4
кремний 0,6-20
железо остальное

Влияние гадолиния основано на химической активности к кислороду, азоту, водороду, сере и другим вредным примесям в стали, в результате повышается плотность стали, упрочняются границы зерен, увеличивается пластичность и ударная вязкость, увеличивается сопротивление к межкристаллической коррозии. Гадолиний имеет сечение захвата 16·10-4 барн/ядро, обеспечивает сечение захвата тепловых нейтронов 6,1-1027 барн/кг, что на 3 порядка превышает сечение захвата тепловых нейтронов марганца и никеля, кремний, имеющий сечение захвата 0,13 барн/ядро, при реакции дает радиоактивный кремний, не излучающий γ-протонов.

Алюминий связывает гадолиний в интерметаллид GdAl2, что снижает химическую активность гадолиния и алюминия, препятствует переходу А1 из футеровки печи при плавке стали. Высокая температура плавления интерметаллида GdAl2, равная 1525°С, препятствует его расплавлению при вводе в печь перед выпуском металла и последующему участию Gd и А1 в раскислении металла, удалению продуктов раскисления в шлак, таким образом, повышая степень усвоения лигатуры. Кроме того, повышенная твердость интерметаллидов препятствует их деформированию при горячей обработке давлением стали и образованию плен, что улучшает обрабатываемость стали давлением.

Использование в лигатуре интерметаллида GdAl2 для легирования стали гадолинием позволяет уменьшить и в предельном случае исключить в составе лигатуры содержание третьего элемента - кремния и, соответственно, его переход в сталь, т.к. интерметаллид GdAl2 можно получить металлотермическим методом только из оксида гадолиния и алюминия, что повышает стабильность химического состава лигатуры и механических свойств стали.

Железо играет роль связующего в соединении с кремнием, способствует повышению жидкотекучести в зонах присутствия лигатуры в расплаве металла и благодаря этому повышению ее смачиваемости жидким металлом и улучшению условий растворения гадолиния в расплаве стали в случае пониженных температурах металла при его выпуске из печи в ковш и при введении лигатуры при разливке стали в изложницу.

При содержании гадолиния менее 41% чрезмерно увеличивается количество присадки лигатуры, вводимой в сталь при ее выплавке для достижения заданного содержания гадолиния, что ухудшает условия растворения гадолиний-содержащей фазы из-за ухудшения условий ее нагрева и растворения гадолиния в стали, и, как следствие, возрастают потери лигатуры (снижение степени ее усвоения).

При содержании гадолиния более 74% нарушается стехиометрическое соотношение атомных весов элементов Gd / (2·А1), равное 2,9, что приводит к образованию свободного гадолиния в количестве, равном разнице содержаний фактического гадолиния и максимального количества гадолиния по заявке (74%).

Свободный гадолиний интенсивно окисляется при изготовлении лигатуры и уходит в шлак, увеличивая тем самым потери гадолиния при изготовлении лигатуры.

При содержании алюминия менее 14% количество вводимого гадолиния в соответствии со стехиометрическим соотношением становится меньше нижнего принятого уровня (<41%), что приводит к увеличению вводимого количества присадки лигатуры при выплавке стали и, соответственно, недопустимо малой степени ее усвоения.

При содержании алюминия более 25,4% образуется в соответствии со стехиометрическим соотношением атомных весов элементов Gd/(2·Al), равным 2,9, свободный алюминий в количестве, равном разнице содержаний фактического алюминия и максимального количества алюминия. Свободный алюминий интенсивно окисляется при изготовлении лигатуры и уходит в шлак, ухудшая условия освобождения лигатуры от шлака.

При содержании кремния выше верхнего уровня, предлагаемого в заявке (>20%) возрастает в недопустимых пределах содержание кремния в стали и, как следствие, нарушается фазовый состав стали (возрастает количество ферритной фазы) и затрудняется деформируемость стали при высоких температурах.

Пример 1.

Лигатуру готовили в 2 стадии следующим образом.

1. Восстановление гадолиния из окисла алюминием известным алюминотермическим методом и получение алюминида гадолиния GdAl2. Образующийся также в результате восстановления алюминия глинозем Al2O3 удалялся в шлак.

2. Смешивание алюминида гадолиния с ферросилицием марки ФС45 в пропорции, согласно заявке по 5 вариантам составов, с содержанием гадолиния ниже нижнего, по нижнему, среднему, верхнему и выше верхнего пределов (примеры I, II, III, IV, V, соответственно) согласно таблице 1.

Сталь 08Х18Н10Т для экспериментов выплавляли по технологии, аналогичной технологии прототипа, в индукционной печи ИСТ-0,16. Лигатуру вводили в печь перед выпуском. Обработанный лигатурой металл разливали в изложницы на слитки развесом по 50 кг каждый.

Состав стали 08Х18Н10Т с использованием лигатур при различных значениях компонентов приведен в таблице 2.

Полученные слитки подвергали ковке на сутунку и прокатке на листовом стане на лист толщиной 6 мм.

Примеры I, II, III, IV, V осуществляли при одинаковых условиях.

Результаты экспериментов приведены в следующих таблицах:

1 - варианты составов лигатуры;

2 - примеры составов стали с использованием лигатур при различных значениях компонентов и количеством присадки лигатуры с высокой степенью ее усвоения;

3 - механические свойства полученных образцов стали и ее сварных соединений с использованием лигатур по примерам таблицы 2;

4 - ударная вязкость при различных температурах;

5 - коррозионные свойства полученных образцов стали и ее сварных соединений с использованием лигатур по примерам таблицы 2.

Лигатура дополнительно может содержать Са и Mg, в сумме не более 7% мас. при внепечной обработке для введения в ковш и (или) в изложницу и повышения степени равномерного распределения гадолиния в объеме металла за счет усиления барботации (перемешивания) при испарении Са и Mg, а также дополнительно может содержать РЗМ для повышения модифицирующего действия при введении в изложницу. Проведенный анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», технический результат, достигаемый новой совокупностью признаков, свидетельствует о соответствии критерию «изобретательский уровень». А испытания, проведенные в производственных условиях, подтверждают промышленную применимость.

Вывод из таблиц:

Из таблиц 3, 4, 5 следует, что наилучшим сочетанием значений (наибольшими значениями) прочностных, пластических и вязких свойств обладает металл, выплавленный с использованием лигатуры по II, III, IV вариантам ее состава с наибольшей степенью усвоения (порядка 50%, о чем свидетельствуют данные таблицы 2), при этом нейтронопоглощающая способность возрастает примерно в 1,5 раза по сравнению с прототипом.

Лигатура для жаростойкой нейтронопоглощающей стали, содержащая гадолиний, кремний и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, % мас.:

гадолиний 41-74
алюминий 14-25,4
кремний 0,6-20
железо остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к углеродистым сталям, используемым при изготовлении труб нефтяного сортамента. Сталь содержит, мас.%: 0,46-0,50 углерода, 0,65-0,85 марганца, 0,17-0,37 кремния, ≤0,030 серы, ≤0,030 фосфора, ≤0,30 меди, ≤0,30 никеля, ≤0,30 хрома, 0,01-0,06 алюминия, железо - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению горячештампованной высокопрочной детали. Горячештампованная высокопрочная деталь имеет плакирующий слой из алюминиевого сплава на основе Al-Fe, содержащий фазу интерметаллического соединения Al-Fe на поверхности стального листа.

Изобретение относится к производству горячекатаных стальных листов. Горячекатаный лист выполнен из стали, содержащей, мас.%: С от 0,01 до 0,4, Si от 0,001 до 2,5, Mn от 0,001 до 4,0, Al от 0,001 до 2,0, Р до 0,15 или менее, S до 0,03 или менее, N до 0,01 или менее, O до 0,0% или менее, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Рельс // 2561947
Изобретение относится к высокопрочному рельсу. Для обеспечения устойчивости рельса к замедленному разрушению в рельсе 95% или более структуры в той поверхностной части головки рельса, которая простирается от поверхностей угловых частей головки рельса и верхней части головки рельса на глубину 20 мм, является бейнитной или перлитной структурой, и эта структура содержит от 20 до 200 сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм на квадратный миллиметр в области наблюдения в горизонтальном поперечном сечении рельса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению стального листа, используемого для производства горячештампованного изделия. Лист выполнен из стали, имеющей состав, мас.%: С: от 0,15 до 0,35, Si: от 0,01 до 1,0, Mn: от 0,3 до 2,3, Al: от 0,01 до 0,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, при этом в качестве примесей она содержит Р: 0,03 или менее, S: 0,02 или менее и N: 0,1 или менее.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному холоднокатаному стальному листу. Лист выполнен из стали, имеющей химический состав, состоящий из, мас.%: C: от более 0,020 до менее 0,30; Si: от более 0,10 до максимум 3,00; Mn: от более 1,00 до максимум 3,50; P: максимум 0,10; S: максимум 0,010; раств.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному холоднокатаному стальному листу, используемому в автомобилестроении. Лист выполнен из стали, содержащей в мас.%: С: от 0,01 до 0,4, Mn: от 0,001 до 4,0, Р: от 0,001 до 0,15, S: от 0,0005 до 0,03, N: от 0,0005 до 0,01, О: от 0,0005 до 0,01, Si и Al каждый по меньшей мере 0,001 и при содержании Si + Al до менее 1,0%, остальное количество составлено железом и неизбежными загрязняющими примесями.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к экономнолегированной конструкционной стали, предназначенной для изготовления металлических конструкций.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению высокопрочного стального листа, используемого в автомобилестроении. Лист изготовлен из стали, содержащей в мас.%: C: 0,075-0,30, Si: 0,70-2,50, Mn: 1,30-3,50, P: 0,001-0,03, S: 0,0001-0,01, Al: 0,005-1,50, N: 0,0001-0,01, O: 0,0001-0,01 и в качестве необязательных элементов один или более элементов из: Ti: 0,005-0,15, Nb: 0,005-0,15, B: 0,0001-0,010, Cr: 0,01-2,0, Ni: 0,01-2,0, Cu: 0,01-2,0, Mo: 0,01-1,0, V: 0,005-0,15 и один или более из Ca, Ce, Mg, Zr, Hf и РЗМ: в сумме 0,0001-0,5, причем остальное - железо и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению стального листа, используемого для получения горячештампованных изделий. Лист выполнен из стали, имеющей химический состав, в мас.%: от 0,10 до 0,35 C, от 0,01 до 1,0 Si, от 0,3 до 2,3 Mn, от 0,01 до 0,5 Al, максимум 0,03 P, максимум 0,02 S, максимум 0,1 N, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению лигатуры никель-редкоземельный металл. В способе расплавляют никель, выдерживают полученный расплав и смешивают его с редкоземельным металлом, производят индукционное перемешивание расплава, его разливку и охлаждение, при этом расплавляют никель в вакууме в инертном тигле индукционной печи, полученный расплав нагревают до температуры 1500-1700°C и выдерживают до его дегазации в плавильной камере под вакуумом, после чего снижают температуру расплава никеля до 1400-1550°C и в вакууме или атмосфере инертного газа порционно добавляют в него редкоземельный металл.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для обработки расплавов медных сплавов и чугуна. Модифицирующая смесь содержит, мас.%: углекислый барий 40-50, кальцинированную соду 10-20, карбонат стронция 40-45.

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве сплавов титана. Лигатура содержит, мас.%: ванадий 40-50, титан 5-20, углерод 3-5, алюминий - остальное.

Изобретение относится к производству лигатур цветных металлов, в частности к получению алюминиево-титановой лигатуры, и может быть использовано в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, изготавливающих деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для получения сплавов на основе алюминия. Способ включает получения лигатуры алюминий-фосфор в виде таблеток состава, мас.%: фосфор 1,5-3,5, железо 6,0-16, алюминий остальное.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования и раскисления металлического железоуглеродистого расплава бором.
Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам для легирования, рафинирования и модифицирования сталей для изготовления деталей, работающих при температурах до минус 60°С.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении и тракторостроении при производстве отливок из серого чугуна с перлитной структурой металлической основы.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в литейном производстве при изготовлении отливок с повышенными механическими и служебными свойствами.

Изобретение относится к металлургическому и литейному производству, в частности к модификаторам для изготовления чугунов, работающих в условиях абразивного износа.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам смесей для легирования и модифицирования сталей, используемых для производства литых изделий высокой эксплуатационной надежности для работы техники, железнодорожных вагонов в сложных низкотемпературных климатических условиях. В составе модифицирующей смеси используют азотированный титаносодержащий сплав и нитрид силикокальция, полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), при следующем содержании компонентов, мас.%: азотированный титансодержащий сплав 30-95, нитрид силикокальция 5-70, при этом смесь содержит химические элементы в количественном соотношении, мас.%: титан 18-65, кремний 2-32, кальций 1-18, алюминий 3-10, азот 7-20, железо - остальное. В качестве титансодержащего сплава используют ферротитан или отходы титанового производства в виде шлака огневого реза титана и его сплавов. Изобретение позволяет повысить надежность литых несущих деталей при низкотемпературных условиях эксплуатации и живучесть модифицирующей смеси в ковшах большой емкости, а также улучшить литейно-механические свойства стали, т.е. понизить пористость, повысить трещиноустойчивость и дисперсность дендритной литой структуры. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Наверх