Комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали

КОМПЛЕКСНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ И РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ Изобретение относится к ферросплавному производству и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования стали бором. Для обеспечения необходимых служебных характеристик, повышения стабильности усвоения бора и раскисления стали кремнием предлагаемый комплесный сплав для микролегирования и раскисления стали, содержащий бор,кремний, алюминий, дополнительно содержит барий и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5; марганец 0,2-0,4; барий 0,1-5,0; остальное - железо. РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН" МИНИСТЕРСТВА ИНДУСТРИИ И ТОРГОВЛИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН (ДГП "ХМИ им. Ж. АБИШЕВА" РГП "НЦКПМС РК")(71)(73) Заявитель и патентовладелец: УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН (ИМЕТ УРО РАН) (RU); ДОЧЕРНЕЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ НА ПРАВЕ ХОЗЯЙСТВЕННОГО ВЕДЕНИЯ"ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. Ж. АБИШЕВА" РЕСПУБЛИКАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРАВЕ ХОЗЯЙСТВЕННОГО ВЕДЕНИЯ"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ПО КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ Область техники Изобретение относится к области металлургии, в частности к ферросплавному производству, и может быть использовано в сталеплавильном производстве для микролегирования металла бором. Уровень техники Бор применяется для микролегирования стали, предназначенной для труб, строительных конструкций, коррозионно- и жаростойких деталей. Уникальность бора состоит в том, что его добавки в сталь составляют всего 0,001-0,003%, что в сотни раз меньше, чем других микролегирующих элементов. Добавки бора повышают пластичность, прочность, прокаливаемость стали. Доказано, что под влиянием бора образуется тонконеоднородная дислокационная субструктура с меньшими размерами мартенситных кристаллов и более дисперсными и равномерно распределенными карбидными включениями. Низкая степень применения бора для микролегирования стали во многом связана с элементным составом вводимых ферросплавов, не обеспечивающим высокое и стабильное усвоение бора, повышенные механические характеристики обрабатываемой стали. Известен ряд борсодержащих ферросплавов, содержащих кроме бора железо, кремний, алюминий,хром, марганец, кальций и другие элементы в разных пропорциях. В настоящее время для микролегирования и модифицирования стали в основном применяется ферробор, содержащий, мас.%: бор 6-20, кремний 5-15, алюминий 6-12, железо - остальное (ГОСТ 14848-69). Недостатком этого сплава является высокое содержание в нем бора и связанное с этим малое количество присаживаемого ферробора в сталь (0,15-0,3 кг сплава на 1 т стали), что приводит к низкому и нестабильному усвоению бора в стали и значительному браку продукции. Известен комплексный борсодержащий сплав, содержащий, мас.%: бор 0,05-0,5; кремний 0,2-8,0; марганец 10-40; хром 5-30 (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л. "Борсодержащие стали и сплавы", М.: Металлургия, 1986, с.48). Этот сплав содержит слишком мало бора и неудобен по технологии ввода в металлический расплав. Известен комплексный сплав для раскисления и легирования стали, содержащий, мас.%: бор 1,0-5,0; кремний 25,0-65,0; титан 10,0-30,0; алюминий 10,0-40,0; кальций 0,2-15,0; магний 0,1-10,0; железо - остальное(авт. свид. СССР 396409, М. Кл. С 22C 35/00, опубл. 11.01.1974). Этот сплав хорошо усваивается сталью, но он может использоваться только для обработки ограниченного сортамента сталей, содержащих большое количество элементов: титан, бор, кремний, алюминий. Кроме того, его изготовление сложно и дорого. Наиболее приемлемым для раскисления и микролегирования стали бором является принятый за прототип комплексный сплав, содержащий, мас.%: бор 1,0-5,0; кремний 45,0-65,0; алюминий 5,0-15,0; кальций 0,1-20,0; магний 0,1-12,0; железо - остальное (авт. свид. СССР 368342, М. Кл. С 22 С 35/00,опубл. 30.03.1973). Недостатками известного сплава являются высокое содержание бора, приводящее к малым количествам вводимого сплава, что снижает его равномерное распределение в стали и стабильное усвоение, а узкие значения содержания кремния и наличие больших количеств алюминия, кальция и магния, значительно усложняют технологию изготовления и повышают стоимость. При этом рассматриваемый комплексный сплав по эффективности не отличается от других менее сложных ферросплавов. Раскрытие изобретения Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение комплексного борсодержащего сплава для микролегирования и раскисления с минимальным количеством элементов, обеспечивающих необходимые служебные характеристики стали, повышающего стабильность усвоения бора,дополнительно раскисляющего сталь кремнием. Указанный технический результат достигается тем, что комплексный сплав для микролегирования и раскисления стали, содержащий бор, кремний, алюминий, дополнительно содержит барий и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5; марганец 0,2-0,4; барий 0,1-5,0; остальное - железо. Использование такого сплава позволяет получать стабильно высокие механические свойства обрабатываемой стали при минимальном угаре бора, а ограничение элементов в составе предлагаемого комплексного сплава делает его более универсальной присадкой, применяемой для широкого ряда марок сталей. Экспериментально установлено, что содержание бора в сплаве в количестве 0,5-3,0% связано с тем,что для высокого и стабильного усвоения элементов ферросплава его количество, вводимое в жидкую сталь, находится в пределах от 2 кг/т стали (меньшее количество нестабильно усваивается) до 14 кг/т (изза охлаждения металла при ковшевом легировании). При 0,5% бора в сплаве для получения в стали 0,003% бора с учетом усвоения бора надо ввести в расплав около 14 кг ферросплава на 1 т стали, при 3,0% бора в ферросплаве - 2 кг/т стали. Кремний в борсодержащих комплексных ферросплавах служит, в основном, для того, чтобы при вводе сплава в жидкую сталь раскислять ее, связывая кислород и азот в прочные соединения, предотвращая взаимодействие с ним бора, поскольку бор в оксидах и нитридах не эффективен. Высокое содержание кремния в борсодержащем сплаве (41,0-68,0%) обеспечивает связывание кислорода и азота. Поэтому увеличение содержания кремния в предлагаемом сплаве усиливает раскисляющий эффект. При этом установлено, что высокая эффективность раскисления начинается при содержании в предлагаемом комплексном сплаве более 41% кремния. При содержании кремния более 68% раскисляющий эффект остается на том же уровне, происходит необоснованный перерасход кремния, существенно осложняется технология получения такого сплава, а при его использовании увеличивается угар кремния. Алюминий, имеющий сродство к кислороду более высокое, чем бор, также как и кремний предотвращает образование оксидов и нитридов бора. При высоком содержании в комплексном сплаве кремния количество алюминия 1,0-2,5% является достаточным. Более низкое содержание алюминия (менее 1,0%) не позволяет получить высокого раскисляющего эффекта, а получить содержание алюминия в комплексном сплаве более 2,5% технологически затруднительно при выбранном способе выплавки предлагаемого сплава. Марганец, содержащийся в предлагаемом комплексном сплаве в малых количествах (0,2-0,4%),улучшает пластические характеристики стали. Содержание марганца менее 0,2% не эффективно, а для получения более 0,4% необходимо усложнять технологию получения предлагаемого сплава и дополнительно вводить в состав шихты марганцеворудные материалы. Дополнительное введение в комплексный сплав бария усиливает влияние бора на микроструктуру и прочностные свойства обрабатываемой стали. Кроме того, даже небольшие добавки в сплав бария (0,15,0%) в сочетании с высоким содержанием кремния (41%) вызывают положительный модифицирующий эффект обработки металла. Концентрация железа обусловлена технологическими условиями выплавки ферросплава и положительно влияет на его усвоение. Эффективность воздействия предлагаемого комплексного сплава на усвоение бора, прочностные свойства обрабатываемых сталей подтверждается следующими примерами (таблица). Примеры конкретного осуществления изобретения Эксперименты проводили в лабораторных условиях. Ферросплавы получали путем сплавления компонентов: ферросилиция (40-70% Si), ферробора (21% В), силикобария (15% Ва, 60% Si), ферромарганца (64% Mn). Легирование стали проводили в печи сопротивления с графитовым нагревателем. Химический состав обрабатываемой стали следующий, мас.%: углерод 0,1; кремний 0,3; марганец 2,0; сера 0,01; фосфор 0,02. Температура жидкой стали 1570 С. Количество всех вводимых ферросплавов рассчитывалось на получение содержания бора в стали 0,003%. После охлаждения тигля образец стали вынимался, производились анализ его химического состава и механических характеристик. Механические испытания литых образцов стали, микролегированных бором, производили на разрывной машине по ГОСТ 7855-84. Изучались предел прочности (в ) и предел текучести (0,2). В таблице приведен известный состав (прототип) - 1, варианты запредельных - 2, 4, 6-8, 10, 11 и предлагаемых комплексных сплавов - 3, 5, 9. Испытания стали, обработанной различными составами предлагаемого комплексного сплава на прочность, показали, что у прототипа (образец 1) и вариантов нового сплава без бария (образец 6), с пониженным бором (образец 2), марганцем (образец 7), кремнием (образец 6) показатели в и 0,2 ниже, чем у образцов, содержащих элементы согласно предлагаемого изобретения (образцы 3, 5, 9). Показатели усвоения бора из сплава в сталь на 4-10% ниже у прототипа, сплавов без бария и с пониженным содержанием кремния (1, 6) по сравнению с остальными сплавами, поскольку Si и Ва обладают высоким сродством к кислороду, обеспечивающим увеличение усвоения бора. Оптимальные пределы содержания бора (0,5-3,0%) подтверждаются испытанием образцов 3, 5, 9(таблица). При 0,3% В в сплаве понижены прочностные свойства обрабатываемой стали (образец 2), а при более 3% В (образец 10) свойства стали не повышаются. Содержание кремния менее 41% (образец 6) приводит к снижению прочности стали и усвоения бора, а более 68% (образец 8) не изменяет свойства стали и усвоение бора. Поэтому содержание кремния находится в широких пределах (41-68%), что позволяет применять при получении комплексного сплава с бором ферросилиций различных марок (ФС 45, ФС 65). Рациональные пределы содержания в предлагаемом ферросплаве алюминия (1,0-2,5%) и марганца(0,2-0,4%) подтверждаются примерами образцов 4, 5, 7, 9 и 3,7-9 соответственно. Содержание в сплаве бария в пределах 0,1-5,0% выбрано при сравнении образцов 6 (без бария), 5, 7,9. Обработка стали сплавом без бария привела к самому низкому значению 0,2 стали и усвоению бора. Даже небольшая добавка бария в сплав (образец 5, содержание бария 0,1 %) улучшает как усвоение бора,так и свойства стали. Содержание бария в сплаве более 5,0% не приводит к улучшению показателей эффективности обработки стали (образец 7), но ухудшает технико-экономические показатели получения ферросплава. Отличие предлагаемого комплексного сплава состоит в том, что он превосходит прототип по воздействию на прочность, предел текучести стали, степени перехода бора в сталь. При этом предлагаемый сплав содержит меньше, чем прототип дорогостоящих компонентов, что определяет его универсальность. Расчет себестоимости сплавов показал, что сравнительные (относительные) затраты на получение предлагаемого борсодержащего сплава как минимум на 33-43% ниже, чем у прототипа. Таким образом, из приведенных в таблице результатов следует, что предлагаемый комплексный сплав отличается от прототипа по воздействию на качество обрабатываемого металла и степени усвоения бора сталью. Кроме того, он дешевле других известных борсодержащих ферросплавов. Таблица. Показатели эффективности микролегирования стали бором различными ферросплавами ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Комплексный сплав на основе железа для микролегирования и раскисления стали, состоящий из бора, кремния, алюминия, марганца, бария, отличающийся тем, что указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: бор 0,5-3,0; кремний 41,0-68,0; алюминий 1,0-2,5; марганец 0,2-0,4; барий 0,1-1,5; железо - остальное.