Спосіб модифікування і рафінування сталей і сплавів

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности, к обработке сталей и сплавов в жидком состоянии в индукционных печах и может быть использовано при получении сталей и сплавов с высоким комплексом механических и технологических свойств, преимущественно для жаропрочных сплавов. Известен способ получения сталей и сплавов в вакуумных индукционных печах с магнезитовым тиглем (Авт. св. СССР №955700, кл. C21C7/04), включающий присадку твердых шлаковых реагентов в ши хту, на поверхность тигля наводят гарнисаж из AO-A2O 3 путем присадки на подину тигля плавленной извести 0,4 - 0,6% от веса металлической шихты с размером кусков 50 120мм, а после расплавления 10 - 30% шихты присаживают алюминий 0,08 - 0,15% от веса металла. Недостатком известного способа является использование негидростойкого оксида кальция, использование которого приводит к высокой газонасыщенности металла, увеличению количества хрупких неметалловключений, особенно, нитридов и оксидов, что не позволяет получать высокий комплекс механических свойств и сталей и сплавов (например, сплавов ЭСЗДКВИ на никелевой основе, выплавленный по этому способу, имеет значение ударной вязкости 0,2 0,25МДж/м 2, относительное удлинение 7 - 9%, кратковременный предел прочности на разрыв 950 - 970МПа). Использование кусковой плавленной извести размером 50мм не обеспечивает полного их растворения и перевода в шлаковую жидкую фазу, поэтому при заливке формы или сливе металла в ковш в металл попадают нерастворившиеся кусочки плавленной извести, что засоряет металл, снижает качество и уровень механических свойств. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ модифицирования сталей и сплавов (Авт. св. СССР №970878, кл. C21C7/04), выбранный в качестве прототипа, включающий загрузку ши хты. Недостатком способа является газонасыщение металла при использовании негидростойкого оксида кальция, что приводит к снижению качества металла и его механических свойств. Кроме того, по этому способу не достигается высокой степени глобуляции карбидной фазы и, соответственно, высоких механических свойств, ударная вязкость сплава ЖСЗДКВИ находится на уровне 0,3 0,5МДж/м 2, относительное удлинение 8 - 11%, кратковременный предел прочности на разрыв 950 - 970МПа. Такой уровень пластичности и вязкости не позволяет исправить дефекты в деталях, например, путем рихтовки. Разогрев тигля индукционной печи перед загрузкой модификатора-рафинатора до температуры 1100 1400°C приводит к дополнительным энергозатратам при выплавке металла. В основу изобретения поставлена задача создания способа модифицирования и рафинирования сталей и сплавов плавленными алюминатами кальция обеспечивающего повышение механических свойств металла, что позволяет получить высококачественные стали и сплавы. Это достигается тем, что в предлагаемом способе модифицирования и рафинирования сталей и сплавов, включающем загрузку шихты в тигель плавильной индукционной печи, распределение, обработку сплава, кальцийсодержащий модификатор вводят в плавильную печь вместе с металлозавалкой в виде модифицирующей смеси с размером частиц 1 - 6мм, состоящей из плавленных алюминатов кальция в соотношении (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O3) = (0,9 0,1) : (0,1 - 0,9) в количестве 0,3 - 0,4% от веса шихты. При расплавлении шихты и повышении температуры металла выше 1500°C происходит частичный распад алюминатов кальция с выделением в свободном атомарном состоянии алюминия и кальция, при этом кальций проявляет высокие модифицирующие свойства, оседая на поверхности карбидных включений в виде тончайшей пленки, способствуя, таким образом, получению карбидов в глобулярной форме и препятствует их росту. Алюминий проявляет высокие рафинирующие свойства. Алюминат кальция 3CaO Al 2O 3 в чистом виде инертен к влагопоглощению, поэтому его использование в качестве модификатора не приводит к дополнительному газонасыщению металла, но, несмотря на это, рафинирующее действие на металл значительно меньше, чем при использовании алюмината 12CaO 7Al2O3. Ослабление рафинирующего эффекта при применении алюмината кальция 3CaO Al2O3 вызвано относительно малым содержанием алюминия, который действует на металл как основной рафинатор. Алюминат кальция 12CaO 7Al2O 3 оказывает на металл противоположное действие, чем алюминат 3CaO Al2O 3. Алюминат кальция 12CaO 7Al2O 3 в процессе распада содержит в большем количестве атомарный алюминий, проявляющий высокие рафинирующие свойства и в меньшем количестве содержит атомарный кальций, что снижает модифицирующий эффект. Наиболее эффективные рафинирующие и модифицирующие свойства проявляет комплексный модификатор, состоящий из алюминатов кальция при следующем их соотношении: (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O3) = (0,9 - 0,1) : (0,1 0,9). Оптимальный размер частиц 1 - 6мм комплексного рафинатора, как и весовое его количество 0,3 - 0,4%, определен экспериментально и дает максимальный эффект рафинирования и модифицирования металла. При использовании частиц размером меньше 1мм время их контактирования с жидким металлом ограничивается по причине их быстрого растворения и всплытия в шлаковую зону, поэтому снижается рафинирующий и модифицирующий эффект. При использовании частиц алюминатов кальция размером больше 6мм, модифицирующий и рафинирующий эффект увеличивается за счет более длительного контактирования их с жидким металлом, но увеличивается время плавки металла, что неэкономично и связано с увеличением энергозатрат. При сокращении цикла плавки металла частицы алюминатов кальция размером более 6мм полностью не растворяются, всплывают на поверхность жидкой ванны и при заливке форм или при сливе в ковш металл засоряется инородными включениями в виде нерастворенных частиц алюминатов. Применение алюминатов кальция в количестве 0,3вес.% не обеспечивает получение высокого уровня вязкости и пластичности, т.к. не достигается полная глобуляция карбидных фаз, очевидно, по причине недостаточного количества атомарного кальция, образующего при распаде алюминатов. При введении в металл 0,3 - 0,4вес.% алюминатов кальция 3CaO Al2O3 и 12CaO 7Al2O3 достигается полная глобуляция карбидных фаз в металле и, как следствие, высокие его механические свойства, особенно вязкость и пластичность. При введении в металл более 0,4вес.% алюминатов кальция дополнительного улучшения механических свойств не достигается, кроме как удорожания процесса выплавки металла за счет дополнительного расхода алюминатов. Проводили 11 сравнительных плавок жаропрочного сплава ЖСЗДКВИ на никелевой основе в вакуумной индукционной печи с магнезитовой футеровкой и емкостью тигля 10кг жидкого металла с введением вместе с металлозавалкой плавленой извести и алюминатов кальция. Электрический и технологический режимы всех плавок были одинаковыми: остаточное давление в печи в процессе плавки металла составляло 0,8мм рт.ст.; перед выпуском металл перегревался до температуры 1580°C с выдержкой при этой температуре 3мин. Из каждой плавки отливали образцы на механические испытания путем заливки керамических оболочек. Образцы испытывали на разрыв при комнатной температуре, вязкость и пластичность, а также - на газосодержание. Плавка 1. В сплав вводили плавленную известь в количестве 0,2вес 0. Плавка 2. В сплав вводили плавленный алюминат кальция 3CaO Al2 O3. Плавка 3. В сплав вводили плавленный алюминат кальция 12CaO 7Al2O3 . Плавка 4. В сплав вводили плавленные алюминаты кальция в соотношении: (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O3) = 0,9 : 0,1. Плавка 5. В сплав вводили плавленные алюминаты кальция в соотношении: (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O3) = 0,1 : 0,9. Плавка 6. В сплав вводили плавленные алюминаты кальция в соотношении: (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O3) = 1 : 1. Количество вводимых в сплав алюминатов кальция в плавках 2 - 6 составляло 0,35вес.%. В 5 - ти остальных плавках вводили в сплав плавленные алюминаты кальция в соотношении: (3CaO Al 2O 3) : (12CaO 7Al2O 3) = 1 : 1 при различном их весовом количестве (в %): 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45. Результаты испытаний по стойкости к гидратации алюминатов кальция и плавленной извести, механические свойства и газонасыщенность металла каждой из 6 - ти первых плавок приведены в табл.1. В табл.2 представлены механические свойства металла, выплавленного при введении в печь плавленных алюминатов одного состава в соотношении: (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O3) = 1 : 1, но при различном их весовом количестве (в %): 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45. При всех равных условиях наилучшие результаты по гидратационной стойкости металла, по его газонасыщенности и механическим свойствам достигаются при модифицировании и рафинировании металла плавленными алюминатами кальция в соотношении: (3CaO Al2O3) : (12CaO 7Al2O 3) = (0,9 - 0,1) : (0,1 - 0,9) и количестве 0,4 - 0,4% от веса ши хты. Использование предлагаемого способа обеспечивает: получение высококачественных сталей и сплавов с высоким комплексом механических свойств, высокую те хнологичность металла, выплавленного по этому способу за счет высоких значений его вязкости и пластичности и отпадает вопрос хранения кальцийсодержащего модификатора алюминатов кальция, стойких к гидратации.