Способ получения биметаллического слитка - RU2774761C1

Описание

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, конкретнее к производству с использованием электрошлаковой технологии биметаллических слитков, состоящих из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного слоя из коррозионностойкой стали, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы или листы. Важными требованиями к таким слиткам являются высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слоев, равномерность толщины наплавленного слоя и его высокая коррозионная стойкость при удовлетворительном качестве поверхности и низкой стоимости листов. Прочность соединения слоев оценивается при испытаниях на срез плакирующего слоя по ГОСТ-10885. Условием высокой прочности соединения слоев, гарантирующей отсутствие их расслоения в процессе различных технологических переделов двухслойных слитков и листов, является значение сопротивления срезу не менее 350 МПа. Сплошность соединения слоев оценивается методами ультразвукового контроля (УЗК) по ГОСТ-22727, по результатам которого листу присваивается один из классов сплошности: 0, 1, 2 или 3. Наиболее высокая сплошность соединения характерна для класса 0. С повышением класса сплошности возрастают размеры допустимых дефектов. Коррозионная стойкость наплавленного слоя в слитках и в полученных из них листах определяется химическим составом стали, в частности содержанием хрома, никеля и титана в соответствии с ГОСТ-5632, его чистотой по примесям - сере и кислороду, а также его толщиной. При этом в качестве элемента, стабилизирующего содержание углерода в стали плакирующего слоя, для обеспечения ее стойкости против межкристаллитной коррозии (МКК), предпочтительнее использование титана, а не ниобия, что приводит к снижению стоимости листов.

Известен способ получения двух- и трехслойных заготовок электрошлаковой наплавкой коррозионностойкой стали на заготовку основного слоя под флюсом, содержащим CaO, CaF₂, SiO₂, Аl₂О₃ и MgO, в котором для снижения содержания кислорода в наплавленном слое рекомендуется поддерживать значение коэффициента относительной химической активности не более 0,07, а при наплавке использовать форсированные режимы с повышенными скоростями формирования наплавленного слоя (Родионова И.Г., Шарапов А.А., Липухин Ю.В. и др. Влияние свойств шлака на качество наплавленного слоя из коррозионностойкой стали. Сталь. − 1990. − № 12. − С.28-30). Этот способ обеспечивает высокую прочность сцепления слоев и удовлетворительное качество поверхности. Однако форсированные режимы наплавки приводят к увеличению как абсолютных значений глубины проплавления основного слоя, так и к ее повышенной неравномерности. Глубокое проплавление основы приводит также к существенному разбавлению коррозионностойкой стали сталью основы и к соответствующему снижению коррозионной стойкости. Кроме того, низкая химическая активность флюса приводит, главным образом, к снижению содержания кислорода и в меньшей степени серы, в то время как для повышения коррозионной стойкости во многих средах более важно рафинирование наплавленного слоя по сере, чем по кислороду. Следует также отметить, что описанная в способе сталь плакирующего слоя не содержит элементов, позволяющих обеспечить стабилизацию углерода, а именно титана и ниобия, что не предупреждает ее склонности к МКК. То есть рассматриваемый способ не обеспечивает высокой коррозионной стойкости наплавленного слоя.

Для повышения коррозионной стойкости сталей аустенитного класса в виде монометалла, получаемого путем электрошлакового переплава (ЭШП), или в виде плакирующего слоя двухслойной стали, получаемой методом электрошлаковой наплавкой (ЭШН), при снижении затрат на производство, возможно использование технологических приемов, направленных на обеспечение требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя. Проведенный анализ показал, что для получения в процессе ЭШП коррозионностойкой стали аустенитного класса, легированной титаном, и/или при получении методом ЭШН биметалла с плакирующим слоем из такой стали, используют три основных подхода.

Первый подход заключается в выборе оптимального химического состава стали для расходуемых электродов, наличие в составе стали элементов, обладающих более высоким сродством к кислороду, чем титан. К таким химическим элементам относятся кальций, магний, алюминий и цирконий, что может быть учтено в качестве одного из возможных приемов при разработке технологии ЭШН сталей с титаном.Так, в работе (Патент RU2578879, МПК H05B 7/07, C22B 9/18, C22C 38/50 Опубл. 27.03.2016) предложено обеспечивать соотношение содержания титана к алюминию в электроде в пределах 6,0-9,0, при этом содержание титана в электроде должно быть выше требуемого содержания титана в готовой стали на величину его угара при переплаве, который определяют по зависимости: ΔTi = 37Ti + 35Ti × D / (63+35D), где ΔTi - средний угар титана, полученный при проведении плавок в кристаллизаторы различного профилеразмера с одинаковым коэффициентом заполнения, %; Ti - содержание титана в готовом металле, %; D - диаметр кристаллизатора. Это позволяет получить качественный металл с гарантированным содержанием титана и с равномерным его распределением по объёму выплавляемого слитка. Однако повышенное содержание указанных выше элементов, а также самого титана в стали расходуемых электродов неизбежно приводит к повышению стоимости двухслойных листов.

Второй подход заключается в обоснованном выборе состава флюса и, соответственно, шлака для проведения процессов ЭШП и ЭШН стали с титаном. В частности, отмечалось, что добавление в шлак небольшого количества двуокиси титана также смещает равновесие реакций окисления титана и снижает потери легирующего элемента. Оптимизации состава шлака для ЭШП стали, легированной титаном, посвящено множество исследований, результаты которых в основном сводятся к рекомендациям по присутствию в нем двуокиси титана, а также в минимальном содержании в нем SiO₂ и FeO. Так, авторами (А.с. СССР №534097, МПК С21С5/54. Опубл. 15.05.1994) предложен флюс для электрошлакового переплава, содержащий окись алюминия, окись кальция, двуокись титана, фтористый кальций, которые взяты в следующем соотношении, мас. %: окись алюминия 5-19, окись кальция 1-15, двуокись титана 0,5-5, фтористый кальций - остальное. При этом следует учитывать, что шлак в процессе ЭШП и ЭШН выполняет целый ряд функций, и оптимизация его состава с целью снижения угара титана не должна снижать его другие функциональные характеристики. Повышенное содержание в шлаке двуокиси титана при получении биметалла методом ЭШН может приводить к повышению жидкотекучести шлака, что, в свою очередь, может привести к его утечкам в процессе ЭШН и сделать невозможным получение качественного соединения и равномерной толщины наплавленного слоя по всей площади двухслойных заготовок и листов.

И третий подход к удержанию титана в процессе ЭШП и ЭШН заключается в разработке оптимальной системы раскисления и регулирования состава металла и шлака по ходу процесса путем введения различных присадок, в частности, содержащих алюминий, титан, а возможно и некоторые другие элементы, позволяющие стабилизировать его функциональные характеристики. Этот подход представляется наиболее приемлемым при получении биметалла с плакирующим слоем из стали, легированной титаном, при использовании электрощлаковой технологии, однако требует определения оптимального расхода указанных элементов и способов их введения, особенно при получении двухслойных листов больших размеров и массы.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения биметаллического слитка, включающий размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя при регламентированных значениях скорости формирования и электросопротивления шлаковой ванны, на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм (Но) при ширине 1000-1600 мм формируют наплавленный слой, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины слитка, со скоростью, назначаемой в соответствии с соотношением

V_н=(1150-20D)±200, кг/ч, (1)

где V_н - скорость формирования наплавленного слоя, кг/ч,

D - толщина наплавленного слоя, % от общей толщины слитка,

при значении электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,5-5,0 мОм, под шлаком, содержащим, маc. %:

СаО - 20-30

SiO₂ - 10-30

Аl₂О₃ - 2-15

MgO - 2-5

CaF₂ и примеси - Остальное

причем основность шлака, вычисляемая по уравнению:

О = (0,018CaO + 0,015MgO + 0,006CaF₂)/(0,017SiO₂ + 0,005Al₂O₃),

соответствует условию: 1,5

Способ обеспечивает высокую прочность сцепления и гарантированную сплошность соединения слоев, равномерность толщины наплавленного слоя при удовлетворительном качестве поверхности при наплавке заготовок больших размеров и массы. В то же время, этот способ позволяет получить двухслойную сталь с плакирующим слоем из аустенитной хромо-никелевой стали, легированной ниобием, но не позволяет получить биметалл с плакирующим слоем из аустенитной хромо-никелевой стали, легированной титаном, что неизбежно приводит к повышению затрат на производство. Кроме того, это сужает области применения производимого биметалла из-за более низкой коррозионной стойкости в некоторых средах стали, легированной ниобием, по сравнению со сталью, легированной титаном.

Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении высокого качества биметаллических слитков определенного размерного сортамента, в том числе предназначенных для последующей прокатки на листы: высокой прочности и гарантированной сплошности соединения слоев, равномерной толщины, высокой коррозионной стойкости и удовлетворительного качества поверхности наплавленного слоя, при сравнительно низкой себестоимости биметаллических заготовок и листов.

Техническим результатом данного изобретения является повышение коррозионной стойкости наплавленного слоя биметаллических слитков и листов, а также снижение их себестоимости, при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллического слитка, включающем размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в данном зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя толщиной 5-30% от общей толщины слитка на заготовке основного слоя, толщиной 150-300 мм, шириной 1000-1600 мм, согласно изобретению в процессе переплава производят равномерное добавление в металлическую ванну алюминия и титана с расходом не менее 6 и 3 г на 1 кг наплавляемого металла соответственно, а переплав проводят при значении электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,3-3,9 мОм.

Суть предложения заключается в следующем.

Как и в прототипе, значение толщины заготовки основного слоя от 150 до 300 мм при ширине 1000-1600 мм и толщине наплавленного слоя 5-30% от общей толщины слитка обеспечивает сечение биметаллического слитка (160-430)х(1000-1600) мм, которое является подходящим сечением исходных заготовок, предназначенных для прокатки на листы на многих прокатных станах, производящих листовой прокат. При значениях толщины слитка более 430 мм и при ширине менее 1000 мм для получения листа требуемого размера может потребоваться промежуточная прокатка, которая является дополнительной операцией, что снижает технологичность и приводит к увеличению стоимости проката. При толщине слитка менее 160 мм и его ширине более 1600 мм из-за разницы термических коэффициентов линейного расширения слоев при охлаждении после наплавки происходит значительный изгиб слитка, что затрудняет его дальнейший передел, то есть также снижает технологичность.

Указанные в формуле изобретения значения толщины наплавленного слоя обеспечивают оптимальную долю слоя из коррозионностойкой стали в биметаллических листах: от 5 до 30% общей толщины. При меньшей доле наплавленного слоя в листе в некоторых агрессивных средах возможны его сквозные коррозионные повреждения. То есть коррозионная стойкость наплавленного слоя, определяемая не только его химическим составом и чистотой по примесям, но и его толщиной, может быть недостаточной. При толщине наплавленного слоя более 30% от общей толщины слитка наблюдается значительный изгиб слитков и листов, то есть снижается технологичность. Кроме того, повышенный расход коррозионностойкой стали в этом случае приводит к увеличению стоимости металлопродукции.

Равномерное добавление в металлическую ванну алюминия с расходом не менее 6 г и титана с расходом не менее 3 г на 1 кг наплавляемого металла является необходимым условием обеспечения требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя. При меньшем расходе указанных компонентов содержание титана в стали наплавленного слоя будет ниже предъявляемых требований.

Обеспечение равномерной толщины, химического состава (содержания хрома и никеля в стали наплавленного слоя) и высоких прочности и сплошности соединения слоев в биметаллическом слитке рассматриваемого сечения достигается путем обеспечения определенной и равномерной глубины проплавления стали основного слоя, преимущественно от 5 до 15 мм. Основным параметром электрошлакового переплава, определяющим глубину проплавления заготовки основного слоя, является электросопротивление шлаковой ванны, оптимальное значение которого должно быть согласовано с составом шлака. Учитывая, что добавление в металлическую ванну титана приведет к некоторому переходу в шлак двуокиси титана, может произойти снижение температуры плавления и вязкости шлака. Поэтому при использовании такого шлака целесообразно назначать сравнительно низкие значения электросопротивления шлаковой ванны. При заданных геометрических параметрах заготовки основного слоя и толщины наплавленного слоя для обеспечения равномерной глубины проплавления электросопротивление шлаковой ванны, содержащей двуокись титана должно находиться в пределах от 3,3 до 3,9 мОм. При более низком значении электросопротивления возрастает неравномерность распределения тепла в шлаковой ванне, что приводит к появлению дефектов в виде расслоений на границе раздела слоев, выявляемых ультразвуковым контролем (УЗК). При значении электросопротивления выше 3,9 мОм увеличивается глубина проплавления основного слоя, а, следовательно, и степень разбавления коррозионностойкой стали сталью основы, снижается содержание хрома и никеля в стали наплавленного слоя, что отрицательно влияет на коррозионную стойкость.

Пример конкретного выполнения способа

Наплавку заготовок основного слоя из стали 09Г2С с химическим составом, представленным в таблице 1, толщиной 250 мм, шириной 1470 мм при заданной толщине наплавленного слоя 40 мм вели на специально созданных для электрошлаковой наплавки установках наклонного типа.. В зазор между поверхностью заготовки основного слоя и кристаллизатором вводили расходуемые электроды из сталей типа 08Х18Н10Т (варианты 1-6) и типа 08Х18Н10Б (вариант 7) с химическим составом, также представленным в таблице 1, в виде отдельных пластин толщиной 35 мм, перекрывающих не менее 80% ширины заготовки. В полость между заготовкой и кристаллизатором заливали жидкий шлак марки АНФ-29 и в полученной шлаковой ванне вели электрошлаковый переплав расходуемых электродов с формированием наплавленного слоя при различных значениях электросопротивления шлаковой ванны.

Полученные биметаллические слитки прокатывали на листы толщиной 20 мм.

Таблица 1

Химический состав сталей основного слоя марки 09Г2С и расходуемых электродов из сталей типа 08Х18Н10Т и 08Х18Н10Б, мас.%

В таблице 2 приведены опробованные варианты параметров ЭШН, в том числе для вариантов 1-6 - расход алюминия и титана в г на 1 кг наплавляемого металла и сопротивление шлаковой ванны, для варианта 7 – сопротивление шлаковой ванны, а также характеристики двухслойных заготовок и листов, в том числе содержание титана, хрома и никеля в стали плакирующего слоя, класс сплошности двухслойных листов по результатам УЗК, а также прочность соединения слоев при испытаниях на срез плакирующего слоя по ГОСТ-10885.

Таблица 2

Свойства биметаллических слитков и листов

Как видно из таблицы 2, содержание Ti, Cr и Ni соответствует требованиям ГОСТ-5632 к стали 08Х18Н10Т только для первого и второго вариантов, так как расход Al и Ti и электросопротивление шлаковой ванны соответствуют формуле изобретения, кроме того, в обоих случаях отсутствуют дефекты в виде расслоений на границе раздела слоев. Для третьего и четвертого вариантов расход Al и Ti оказался ниже, чем указано в формуле изобретения, поэтому содержание Ti оказалось ниже, чем требуемое по ГОСТ 5632. Для варианта 5 расход алюминия и титана соответствовал формуле изобретения, но электросопротивление шлаковой ванны оказалось ниже заявленного, поэтому местами не было проплавления основного слоя. В результате образовались дефекты в виде расслоений на границе раздела слоев, выявленные УЗК, что позволило отнести лист только к классу сплошности 1, а не к классу сплошности 0. Для варианта 6 электросопротивление шлаковой ванны было выше верхней допустимой границы по формуле изобретения, поэтому содержание Cr и Ni не соответствовало ГОСТ 5632. Для получения наплавленного слоя варианта 7 использовали сталь, легированную ниобием, что привело к более высокой себестоимости, по сравнению с остальными вариантами.

Таким образом, только для вариантов, соответствующих формуле изобретения, по сравнению с прототипом, получено повышение коррозионной стойкости, при снижении себестоимости, при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности.

Реферат

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, конкретнее к электрошлаковой технологии биметаллических слитков, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы и листы. В процессе переплава расходуемого электрода производят равномерное добавление в металлическую ванну алюминия и титана с расходом не менее 6 и 3 г на 1 кг наплавляемого металла соответственно, а переплав проводят при значении электросопротивления шлаковой ванны в интервале 3,3-3,9 мОм. Изобретение позволяет повысить коррозионную стойкость наплавленного слоя биметаллических слитков и листов, а также снизить их себестоимость при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности. 1 пр., 2 табл.

Формула