RU2148658C1 - Method of introducing low-melting and readily oxidizable alloying components into metal melts - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method involves introduction into metal melts of alloying components and alloying compositions whose physico-chemical properties (melting and boiling points, density, vapor pressure, affinity to oxygen, etc.) differ from corresponding characteristics of melt. The method ensures spontaneous immersion into metal melt of alloying elements enclosed in insulated capsules and presenting, for instance, lead and/or alloying compositions and also reducing agents, and/or deoxidizing agents such as aluminum, magnesium, iron sulfide, silico-calcium and others. In so doing, amounts of effluents of oxidation products and vapors into atmosphere are reduced and uniform distribution of alloying elements and components in melt is ensured. Structural members of insulated capsule are made of material based on one or several components of metal melt. Density of filled insulated capsule is by 0.5-1.0 g/cu. cm higher than that of metal melt. Insulated capsule is introduced into metal melt simultaneously, or by portions of several pieces and held in metal melt for time required for their melting. It is desirable to introduce insulated capsules into different points of vessel with melt. EFFECT: higher efficiency. 4 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам введения в расплавы сталей и сплавов легкоокисляющихся легирующих элементов, лигатур и присадок, имеющих температуру плавления или диссоциации ниже температуры расплава и плотность, отличающуюся от плотности расплава. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to methods for introducing into the melts of steels and alloys easily oxidizing alloying elements, alloys and additives having a melting or dissociation temperature below the melt temperature and a density different from the density of the melt.

В современном машиностроении широко используются стали с высокой обрабатываемостью резанием, содержащие свинец, кальций, теллур, селен [1]. In modern engineering, steels with high machinability are widely used, containing lead, calcium, tellurium, and selenium [1].

Согласно диаграмме состояния расплавы железа и свинца не смешиваются [2] . Плотность свинца (11,2 г/см³) более чем в 1,5 раза превышает плотность расплава железа (6,5-7,2 г/см³), а температура его плавления (327^oC) более чем на 1000^oC ниже температуры расплава железа (более 1535^oC). При введении свинца в расплав стали значительная часть его, не успев достигнуть поверхности расплава, испаряется и окисляется с образованием летучей окиси свинца, отравляющей окружающую среду.According to the state diagram, the iron and lead melts do not mix [2]. The density of lead (11.2 g / cm ³ ) is more than 1.5 times higher than the density of the molten iron (6.5-7.2 g / cm ³ ), and its melting point (327 ^o C) more than 1000 ^o C below the temperature of the molten iron (more than 1535 ^o C). When lead was introduced into the melt, a significant part of it, not having time to reach the surface of the melt, evaporates and oxidizes with the formation of volatile lead oxide, which poison the environment.

Введение легкоплавких и легкоокисляющихся элементов, таких как кальций (стали АЦ35ГАФ, АЦ35ГАФТ и др.), в связи с низкой плотностью основной применяемой лигатуры силико-кальция (2 г/см³ при 30% Ca) еще более затруднительно в условиях открытой плавки.The introduction of fusible and easily oxidizable elements such as calcium (steel AC35GAF, AC35GAFT, etc.), due to the low density of the main silica-calcium ligature used (2 g / cm ³ at 30% Ca), is even more difficult in open smelting conditions.

Известен способ легирования свинцом путем введения в струю разливаемой стали твердых частиц свинца в виде дроби 0,8...0,3 мм [3]. Из-за интенсивной возгонки и окисления свинца, трудностей процесса введения, неравномерности распределения его избежать при этом способе не удается. A known method of alloying lead by introducing into the stream of cast steel solid particles of lead in the form of a fraction of 0.8 ... 0.3 mm [3]. Due to the intense sublimation and oxidation of lead, difficulties in the introduction process, and uneven distribution, it cannot be avoided with this method.

Известен также способ [4] введения в расплав низкокипящих присадок в оболочке из тугоплавкого пористого металлокерамического материала. Способ предполагает принудительное погружение в расплав и удержание там низкокипящей присадки в оболочке в течение всего процесса микролегирования. После окончания процесса испарения тугоплавкая защитная оболочка должна всплыть и быть удалена. There is also a known method [4] of introducing low-boiling additives into the melt in a shell of refractory porous cermet material. The method involves forced immersion in the melt and holding there a low boiling point additive in the shell during the entire microalloying process. After the evaporation process is over, the refractory containment should float and be removed.

Наиболее близким решением поставленной технической задачи является патент Японии JP 61-177313 A, С 21 С 7/00, С 22 O 33/04, 09.08.1986 г. [7], согласно которому легирование стали Ca, Pb, Bi проводят с помощью заполненных этими элементами железных капсул с кажущейся плотностью ≥ 8 г/см³, погружаемых в жидкую сталь. Капсулы с такой плотностью, намного превышающей плотность расплава, быстро "утонут" и такой легирующий элемент как свинец, плотность которого значительно выше плотности расплава, останется на дне емкости с расплавом.The closest solution to the technical problem is Japanese patent JP 61-177313 A, C 21 C 7/00, C 22 O 33/04, 08/09/1986 [7], according to which the alloying of steel Ca, Pb, Bi is carried out using filled with these elements iron capsules with an apparent density of ≥ 8 g / cm ³ , immersed in liquid steel. Capsules with such a density much higher than the density of the melt will quickly “sink” and an alloying element such as lead, whose density is much higher than the density of the melt, will remain at the bottom of the vessel with the melt.

Целью настоящего изобретения является уменьшение количества выбросов в атмосферу продуктов окисления и испарения, равномерное распределение легирующих элементов и упрощение процедуры их введения в расплав. The aim of the present invention is to reduce the amount of emissions of oxidation and evaporation products into the atmosphere, uniform distribution of alloying elements and simplification of their introduction into the melt.

Поставленная цель достигается путем погружения легирующих компонентов в расплав в изолированных капсулах. Общая плотность заполненной капсулы должна быть равна плотности расплава (при активном перемешивании расплава) или превосходить ее на 0,5-1,0 г/см³. При общей плотности капсул меньшей плотности расплава на 0,5 г/см³ не обеспечивается быстрое их погружение в расплав, что может привести к выбросу легкоплавких присадок. Если плотность капсул будет больше плотности расплава на величину более 1,0 г/см³, то они быстро "утонут" на дно, что может привести к ликвации легирующих элементов по удельному весу. Достигается цель за счет геометрических размеров капсулы и ее общего веса, расчетного или экспериментально подобранного, исходя из веса конструктивных элементов капсулы и веса легирующих компонентов, регулируемого соотношения количества и объема отдельных составляющих.This goal is achieved by immersing the alloying components in the melt in isolated capsules. The total density of the filled capsule should be equal to the density of the melt (with active mixing of the melt) or exceed it by 0.5-1.0 g / cm ³ . When the total density of the capsules is lower than the melt density by 0.5 g / cm ^3, their rapid immersion in the melt is not ensured, which can lead to the release of fusible additives. If the density of the capsules exceeds the melt density by more than 1.0 g / cm ³ , they will quickly “sink” to the bottom, which can lead to the segregation of alloying elements by specific gravity. The goal is achieved due to the geometric dimensions of the capsule and its total weight, calculated or experimentally selected, based on the weight of the structural elements of the capsule and the weight of the alloying components, an adjustable ratio of the quantity and volume of the individual components.

Уменьшение количества выбросов продуктов окисления и испарения обеспечивается размещением капсулы в самом расплаве, т.е. изоляции легкоокисляющихся элементов от кислорода воздуха. Равномерность распределения легирующих компонентов регулируется порционным введением (по несколько штук) капсул в разные точки емкости расплава и скоростью их растворения или разложения. Последняя, в свою очередь, регулируется толщиной стенок капсул и наличием в них разнонаправленных отверстий, обеспечивающих, при необходимости, и вращение капсулы. Reducing the amount of emissions of oxidation products and evaporation is provided by placing the capsule in the melt itself, i.e. isolation of easily oxidized elements from oxygen. The uniform distribution of the alloying components is regulated by the portioned introduction (in a few pieces) of the capsules at different points of the melt capacity and the rate of their dissolution or decomposition. The latter, in turn, is regulated by the thickness of the walls of the capsules and the presence of multidirectional holes in them, providing, if necessary, rotation of the capsule.

Пример применения предлагаемого способа. An example of the application of the proposed method.

Надежный, эффективный и экологически приемлемый ввод легкоплавкого свинца в расплав стали представляет согласно изложенному выше значительную техническую проблему. Reliable, efficient and environmentally acceptable introduction of fusible lead into the steel melt is, according to the above, a significant technical problem.

По предлагаемому решению были проведены опытные плавки свинецсодержащей автоматной конструкционной стали марки АС35Г2, которая по ГОСТ 1414-75 должна содержать (в % масс.): С - 0,32...0,39; Mn - 1,35...1,65; Si - 0,17... 0,37; S - 0,08. . .0,13; P < 0,04; Ni < 0,25; Cr < 0,25: Pb - 0,15...0,30 (допускается 0,13...0,33). According to the proposed solution, pilot melts of lead-containing automatic structural steel of grade AS35G2 were carried out, which according to GOST 1414-75 should contain (in wt%): C - 0.32 ... 0.39; Mn - 1.35 ... 1.65; Si - 0.17 ... 0.37; S is 0.08. . .0.13; P <0.04; Ni <0.25; Cr <0.25: Pb - 0.15 ... 0.30 (0.13 ... 0.33 allowed).

Для введения свинца были изготовлены капсулы из обычной среднеуглеродистой стали, содержащие расчетные количества свинца (на концентрацию 0,25% масс.), сульфида железа, марганца и раскислителей: алюминия, магния. Плотность капсул составляла 6,5 г/см³; 6,6 г/см³; 6,7 г/см³; 6,8 г/см³; 6,9 г/см³; 7,0 г/см³; 7,1 г/см³; 7,2 г/см³; 7,4 г/см³.For the introduction of lead, capsules were made of ordinary medium-carbon steel containing estimated amounts of lead (at a concentration of 0.25 wt%), iron sulfide, manganese, and deoxidizers: aluminum, magnesium. The density of the capsules was 6.5 g / cm ³ ; 6.6 g / cm ³ ; 6.7 g / cm ³ ; 6.8 g / cm ³ ; 6.9 g / cm ³ ; 7.0 g / cm ³ ; 7.1 g / cm ³ ; 7.2 g / cm ³ ; 7.4 g / cm ³ .

Капсулы вводили в расплав стали после формирования ее основного состава по всем элементам, кроме свинца, и полного раскисления непосредственно перед разливкой в ковш. Капсулы с плотностью 6,5 г/см³ и 6,6 г/см³ в расплав не погрузились и плавали сверху. Капсулы с плотностью ≥ 6,7 г/см³ погрузились в расплав.Capsules were introduced into the molten steel after the formation of its basic composition for all elements except lead, and complete deoxidation immediately before casting into the ladle. Capsules with a density of 6.5 g / cm ³ and 6.6 g / cm ³ did not sink into the melt and floated on top. Capsules with a density of ≥ 6.7 g / cm ^{3 were} immersed in the melt.

В двух случаях (плавки NN 1 и 2) использовали индукционные печи и проводили печную обработку капсулами, в третьем (плавка N 3) - дуговая печь и внепечная обработка в ковше. Время расплавления стальной оболочки капсулы с плотностью 7,2 г/см³ и толщиной стенок 3 мм при температуре расплава 1610-1630^oC не превышало 5 сек., как это было определено экспериментально.In two cases (smelting NN 1 and 2), induction furnaces were used and furnace treatment was performed with capsules, in the third (smelting N 3) an arc furnace and an out-of-furnace treatment in a ladle were used. The melting time of the steel shell of the capsule with a density of 7.2 g / cm ³ and a wall thickness of 3 mm at a melt temperature of 1610-1630 ^o C did not exceed 5 seconds, as was determined experimentally.

Капсулы "тонули" в расплаве без заметного выделения дыма из окиси свинца. Разливку в металлические изложницы проводили после выдержки 5-6 мин. Вес слитков в плавках NN 1, 2 соответствовал ≈ 30 кг, а при плавке N 3 - около 100 кг. The capsules “sank” in the melt without noticeable smoke emission from lead oxide. Casting into metal molds was carried out after holding for 5-6 minutes. The weight of the ingots in swimming trunks NN 1, 2 corresponded to ≈ 30 kg, and when melting N 3 - about 100 kg.

Слитки разрезали вдоль и поперек оси, и изготавливали темплеты, на которых определяли химический состав. Результаты анализов химсостава, приведенные в таблице, являются среднеарифметическими величинами по представительной выборке не менее 25 темплетов на плавку. При этом отклонения (флюктуации) содержания свинца в различных местах слитков, идентичные доверительному интервалу при вероятности ≈ 95%, соответствовали ± 0,05% масс. Анализы проводили количественным рентгеноспектральным методом. The ingots were cut along and across the axis, and templates were made on which the chemical composition was determined. The results of chemical composition analyzes given in the table are arithmetic mean values for a representative sample of at least 25 melting templates. In this case, deviations (fluctuations) in the lead content in different places of the ingots, identical to the confidence interval at a probability of ≈ 95%, corresponded to ± 0.05% of the mass. The analyzes were carried out by a quantitative X-ray spectral method.

Таким образом, по предлагаемому решению была получена свинцовистая автоматная сталь марки АС35Г2, отвечающая по составу требованиям стандарта. Thus, according to the proposed solution, lead-type automatic steel AS35G2 was obtained, which meets the requirements of the standard in composition.

Литература
1. Я. Е. Гольдштейн, А.Я. Заславский. Конструкционные стали повышенной обрабатываемости. Москва. Металлургия. 1977 г.Literature
1. Ya. E. Goldstein, A.Ya. Zaslavsky. Structural steels with increased machinability. Moscow. Metallurgy. 1977

2. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Сб. под ред. О.А. Банных и др. Москва. Металлургия. 1986 г. 2. State diagrams of binary and multicomponent systems based on iron. Sat under the editorship of O.A. Bannykh et al. Moscow. Metallurgy. 1986 year

3. Ю. Д. Малыгин, А.Я. Заславский и др. Авт. св. N 3401311, МКИ С 21 C 7/00. 3. Yu. D. Malygin, A.Ya. Zaslavsky et al. Auth. St. N 3401311, MKI C 21 C 7/00.

4. Д.Н. Худокормов, В.К. Винокуров и др. Авт. св. N 367157, С 21 C 7/00. 4. D.N. Khudokormov, V.K. Vinokurov et al. Auth. St. N 367157, C 21 C 7/00.

5. ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия. 5. GOST 1414-75. Rolled from structural steel with high machinability. Technical conditions

6. А.Е. Горбунов, В.И. Либерман и др. Авт. св-во N 447443, С 21 C 7/00. 6. A.E. Gorbunov, V.I. Lieberman et al. Auth. St. N 447443, C 21 C 7/00.

7. Патент Японии JP 61-177313 A, С 21 С 7/00, С 22 O 33/04. 09.08,1986. 7. Japanese Patent JP 61-177313 A, C 21 C 7/00, C 22 O 33/04. 08/09/1986.

Claims (4)

1. Способ введения в металлические расплавы легкоплавких и легкоокисляющихся легирующих компонентов, физико-химические свойства которых отличаются от соответствующих физико-химических свойств расплава, включающий помещение легкоплавких и легкоокисляющих легирующих компонентов в изолированные капсулы, конструктивные элементы которых выполнены из материала на основе одного или нескольких компонентов металлического расплава, и самопроизвольное погружение в расплав заполненных капсул, плотность которых выше плотности расплава, отличающийся тем, что используют заполненные капсулы, плотность которых на 0,5-1,0 г/см³ выше плотности металлического расплава, причем заполненные капсулы вводят в расплав одновременно или порциями по несколько штук и выдерживают в расплаве в течение времени, необходимого для их расплавления.1. The method of introducing into the metal melts of fusible and easily oxidizing alloying components, the physicochemical properties of which differ from the corresponding physicochemical properties of the melt, comprising placing fusible and easily oxidizing alloying components in insulated capsules, the structural elements of which are made of material based on one or more components metal melt, and spontaneous immersion in a melt of filled capsules, the density of which is higher than the density of the melt, characterized in that filled capsules are used, the density of which is 0.5-1.0 g / cm ³ higher than the density of the metal melt, the filled capsules being introduced into the melt simultaneously or in portions of several pieces and kept in the melt for the time required for them melting. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующих компонентов вводят легирующие элементы и/или лигатуры. 2. The method according to claim 1, characterized in that the alloying components are introduced alloying elements and / or ligatures. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно в капсулы помещают восстановители и/или раскислители. 3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that in addition to the capsules are placed reducing agents and / or deoxidants. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что капсулы вводят в разные точки емкости с расплавом. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the capsules are introduced into different points of the vessel with the melt.

Images