Розкислювач-модифікатор для обробки сталей

Розкислювач-модифікатор для обробки сталей, що містить стружку алюмінієвих сплавів та відходи залізовуглецевих сплавів, який відрізняється тим, що додатково містить стружку титанових сплавів та стружку магнієвих сплавів у такому співвідношенні компонентів, мас. %: стружка алюмінієвих сплавів 14-30 стружка титанових сплавів 6-15 стружка магнієвих сплавів 3-15 відходи залізовуглецевих сплавів решта. Винахід відноситься до металургії сталей і сплавів і може бути використаний у машино-, автобудуванні та інших галузях, де застосовується розкислення рідких розплавів і сплавів. Відомі розкислювачі та модифікатори сталей і сплавів (феросиліцій, феромарганець, силікомарганець, силікокальцій, фероалюміній, алюміній чушковий феротитан та інші), які широко використовують для розкислення і модифікування різних марок сталей і сплавів. [1-9] Недоліком відомих розкислювачів є: - обмежена розчинність елементів у залізі. Так, розчинність алюмінію у залізі, на основі котрого виготовляють фероалюміній, складає тільки 1,00% по масі, кремнію - 2,15% по масі, кальцію - 0,03% по масі, титану - 0,75% по масі, марганцю - 3,00% по масі. Тому виплавити багатокомпонентний розкислювач-модифікатор із структурою твердого розчину неможливо. У двофазному чи багатофазному сплаві формуються складові з різними властивостями (температурами плавлення, густиною, міцністю міжатомного зв'язку, тощо). Тому в металургії розробляють розкислювачі та модифікатори, які відповідають евтектичній точці, хімічній сполуці чи перитектичній точці; - різні розміри кусків, від 3 мм до 200 мм, що призводить до неоднакового ефекту розкислення металу в об'ємі багатотонних ковшів і, як наслідок розкиду хімічного складу, структури і механічних властивостей сталей і сплавів однієї і тієї ж плавки. - металургійний спосіб виробництва є дуже енергоємним та, крім того, небезпечним й неекологічним. Найбільш близьким до винаходу за технологічною суттю та досягнутими результатами є композиційний розкислювач для обробки сталей. [10] Він містить 25...50мас.% стружку алюмінієвих сплавів, 0,08...3,00мас.% відходи вуглецьвмісних матеріалів, 1,5...3,8мас.% відходи титано-магнієвого виробництва з мікроелементами і відходи залізовуглецевих сплавів - решта. У той самий час, недоліком відомого композиційного розкислювача є те, що: (19) UA (11) 92955 (13) (21) a200900953 (22) 09.02.2009 (24) 27.12.2010 (46) 27.12.2010, Бюл.№ 24, 2010 р. (72) ШАПОВАЛОВА ОКСАНА МИХАЙЛІВНА, ШАПОВАЛОВ ВІКТОР ПЕТРОВИЧ, ШАПОВАЛОВ ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ, ШАПОВАЛОВ ОЛЕКСІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ, ТАТАРКО ЮЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА (73) ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ОЛЕСЯ ГОНЧАРА (56) UA, 85254, C2, 12.01.2009 UA, 6742, U, 16.05.2005 SU, 1420054, A1, 30.08.1987 SU, 1693107, A1, 23.11.1991 C2 1 3 - він містить алюміній і вуглець, які є одночасно і розкислювачами і модифікаторами, тому ефективність їх дії знижена. - відходи титано-магнієвого виробництва містять у сполуках дуже малі концентрації Са, Na, K, Ті, Та, Mg, Zr, Fe, Cr, тощо. Такі незначні дози суттєво не впливають на процеси розкислення і модифікування стального розплаву. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення композиційного розкислювачамодифікатора для сталей шляхом введення стружки магнієвих та стружки титанових сплавів, що дасть змогу знизити вміст сірки, зменшити кількість неметалевих включень, змінити їх морфологію, подрібнити первинне зерно - тим самим підвищити одночасно такі механічні властивості, як межа міцності, відносне подовження і ударну в'язкість. Поставлена задача вирішується тим, що до складу розкислювача-модифікатора входять стружка алюмінієвих сплавів, відходи залізовуглецевих сплавів та додатково містить стружку титанових сплавів і стружку магнієвих сплавів у такому співвідношенні, % по масі: стружка алюмінієвих сплавів 14-30 стружка титанових сплавів 6-15 стружка магнієвих сплавів 3-15 відходи залізовуглецевих сплавів решта. Розкислювач-модифікатор для обробки сталей, який заявляється, є дискретним неплавленим розкислювачем зі структурою евтектоїду. Магній є елементом, який має підвищену ентальпію та об'єднується з киснем у MgO (- Η°=602 кДж/моль), з азотом у Mg3N2 (- Η°=461 кДж/моль), з фосфором Mg3P2 (- Η°=499,2 кДж/моль), сіркою MgS (- Η°=348 кДж/моль). Важливо, що ентропія цих сполук низька, що визначає їх стійкість. Так ентропія MgO S°=26,9 кДж/град моль, у Mg3N2 S°=87,9 кДж/град моль, у MgS S°=50,33 кДж/град моль. З цих даних витікає, що магній може діяти як розкислювач, оскільки він активно з'єднується з 92955 4 киснем, може бути модифікатором завдяки формуванню дуже стійких нітридів, може виводити фосфор, а головне бути дуже ефективним десульфуратором. Введення Mg в розкислювач-модифікатор у вигляді стружки дає змогу значно підвищити реакційну поверхню і здібність активізувати взаємодію зі шкідливими домішками стального розплаву. Введення в розкислювач-модифікатор менш, як 3,0мас.% не дає значного ефекту, а більш, як 15,0мас.% дуже посилює ефективність взаємодії з киснем і підвищує можливість збільшення піроефекту. Титан - це елемент, у якого велике значення мають ентальпії сполук з киснем ТiO (- Η°=1519 кДж/моль), з вуглецем ТіС (- Η°=209 кДж/моль), з азотом TiN (- Η°=333 кДж/моль), з фосфором ТіР (- Η°=263,7 кДж/моль), з сіркою TiS2 (- Η°=1444,5 кДж/моль), TiS (- Η°=238 кДж/моль). Ентропії цих сполук: ТіО (S°=34,8 кДж/град моль), ТіС (S°=24,7 кДж/град моль), TiN (S°=30,3 кДж/град моль), TiS (S°=50,28 кДж/град моль). Таким чином титан здібний бути розкислювачем (Тi2О3, ТіО2, ТіО), модифікатором (TiN, ТіС), дефосфоратором (ТіР), десульфуратором (TiS). При вмісті Ті у вигляді титанової стружки менш, як 6,0мас.% він не буде дуже ефективним, при вмісті титану більш, як 15,0мас.%, він сформує велику кількість перліту, оскільки зменшує точку «S» на діаграмі Fe-C ліворуч. Новим розкислювачем-модифікатором, що заявляється, обробляли сталь складом по масі С 0,48%, Μn - 0,70%, Si - 0,36%, S - 0,012%, Cr 0,19%, Ni - 0,05%, Cu - 0,08%, V - 0,033%. Обробка сталі новим розкислювачем-модифікатором, значно підвищила його властивості, зменшила кількість неметалевих включень, поміняла структуру сталі і морфологію неметалевих включень. Дія розкислювача-модифікатора при різних концентраціях складових відображена у таблиці. Таблиця Показники Вміст компонентів у розМеханічні властивості кислювачі-модифікаторі Сумарний бал Вміст сірки, Бал по масі відхода залізову- неметалевих Межа міцності Відносне по- Ударна в'язкість Піроефект % по масі зерна 2 глецевих сплавів - решта включень довження , % KCU, Дж/см Β, МПа 12% стружка алюмінієвих сплавів 4,5 0,012 6,5-7 850 16 19 Відсутній 2% стружки Mg, 4% стружки Ті 14% стружка алюмінієвих сплавів 3,2 0,0089 7-7,5 880 18 24 Відсутній 3% стружки Mg, 6% стружки Ті 21% стружка алюмінієвих сплавів 2,5 0,003 8 903 22 38 Відсутній 7% стружки Mg, 11% стружки Ті 30% стружка алюмінієвих сплавів 3,0 0,0035 9-10 903 20 30 Відсутній 15% стружки Mg, 15 % стружки Ті 35% стружка алюмінієвих сплавів 4,0 0,004 9-10 1020 14 18 Значний 20% стружки Mg, 20% стружки Ті 5 92955 Встановлено, що метал, оброблений розкислювачем-модифікатором, U який містить 21мас.% стружки алюмінієвих сплавів, 7мас.% магнієвої стружки і 11мас.% титанової стружки та відходи залізовуглецевих сплавів - решта, має найкращі показники з суми неметалевих включень (2,5 балів), вмісту сірки (0,003%), балу зерна (8) і, що найважніше, за комплексом механічних властивостей, а також не дає піроефекту при введені його у сталевий розплав. Підвищення ударної в'язкості до 38 Дж/см2, яку забезпечують мала кількість неметалевих включень, високий бал зерна, тобто подрібнення первинних зерен, виведення кисню, азоту і водню з розплаву, має дуже велике значення, оскільки воно свідчить також про значне підвищення тріщиностійкості. Апробування зразків і виробів з такого металу показало стійкість при циклічних навантаженнях на базі 10 циклів. Хоча введення 35мас.% стружки алюмінієвих сплавів, 20мас.% стружки магнієвих сплавів і 20мас.% стружки титанових сплавів дало непогані показники, але значний піроефект не дає можливості на використання розкислювачамодифікатора у виробництво завдяки його не екологічності і небезпеки для середовища. Розроблений розкислювач-модифікатор є найбільш ефективним, тому що його засвоєння розплавом виявилось 100% завдяки екзотермічному ефекту під впливом Аl, Mg, Ті, а також особливостям евтектоїдоподібної структури матеріалу у вигляді композиту, здатності розкислювати розплав у всьому об'ємі ковша. При обробці розплаву розробленим розкислювачем-модифікатором значно зменшився вміст сірки, змінилася морфологія неметалевих включень з подовженої на округлу та Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 6 підвищилися одночасно такі механічні властивості, як межа міцності, відносне подовження і ударна в'язкість. Використані джерела 1. Шаповалова О.М. Раскисление и микролегирование стали 08ЮТ комплексными добавками из отходов титана / О.М. Шаповалова, С.В. Бобырь, И.А. Маркова, В.П. Лысун // Сталь. - М. 1990 №12. - c. 22-24. 2. Голубцов В.А. Рациональная технология модифицирования стали / В. Голубцов, Л. Тихонов, В. Тазетдинов, А. Воронин, И. Романцев // Национальная металлургия. 2003 вфж. 3. с. 96-102. 3. Энциклопедия неорганических материалов: В 2 т. / Глпв. Ред. Украинской советской энциклопедии; Отв. ред. И.М. Федорченко - К.: Изд. Главная ред. Украинской советской энциклопедии, 1977. Т. 2. - 813 с. 4. ГОСТ 1415-93 Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. 5. ГОСТ ИСО 5446-80 Ферромарганец. Технические требования и условия поставки. 6. ГОСТ 4756-91 Ферросиликомарганец. Технические требования и условия поставки. 7. ГОСТ 4762-71 Силикокальций. Технические условия. 8. ГОСТ 1583-93 Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. 9. ГОСТ 4761-91 Ферротитан. Технические требования и условия поставки. 10. Композиційний розкислювач для обробки сталей: Рішення про видачу патенту на винахід по заявці №а200700858 від 10.11.08 С22С35/00 (UA) Шаповалова О.М., Шаповалов О.В., Шаповалов В.П., Полішко CO.; опубл. 13.11.08. - 1 с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601