автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Физико-химические и технологические аспекты легирования автоматной стали висмутом

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Применение висмута для легирования автоматной стали.

1.2. Растворимость висмута в железе, форма присутствия висмута в стали и влияние его на свойства стали.

1.3. Повышение обрабатываемости стали, легированной висмутом.

1.4. Способы легирования стали висмутом.

1.5. Устройства для введения висмутовой дроби в сталь.

1.6. Отечественный опыт производства висмутсодержащей стали.

За последние годы возрос интерес машиностроителей к автоматным сталям, легированным висмутом, так как нашедший широкое применение свинец, используемый для легирования стали, имеет высокую токсичность.

Сложность введения висмута в сталь и неустойчивость достигаемых результатов его усвоения, связанные с высокой упругостью пара и малой растворимостью висмута в стали, вызвали необходимость проведения исследований для разработки рациональной технологии легирования стали висмутом. В работе определена растворимость висмута в жидком, твердом железе и его сплавах; оценена растворимость висмута в конструкционных сталях. Опробованы известные технологические приемы, используемые в современном сталеплавильном производстве: введение легирующего элемента в виде дроби под струю металла в процессе сифонной разливки стали в центровую; введение порошка, плакированного в проволоку, в ковш после выпуска металла из печи. Произведена оценка качества стали, легированной висмутом, и т. д.

Работа проводилась на кафедре "Пирометаллургических процессов" ЮУрГУ и на ОАО "Златоустовский металлургический завод".

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю д. т. н., профессору Поволоцкому Д. Я., к. т. н., профессору Чуманову В. И., к. т. н. Арчугову С.А. за консультации при проведении работы и коллективу ЦИОТП, ЭСПЦ - 1 ОАО "Златоустовский металлургический завод" за помощь в организации и проведении промышленных экспериментов.

5.3. Выводы

1. Наиболее интенсивное выделение аэрозолей висмута при легировании стали в центровой и в ковше происходит в момент легирования стали висмутом.

2. Снижение содержания висмута в воздушной среде до ПДК у мест действия обслуживающего персонала происходит через 2-4 секунды после окончания легирования.

3. Повышение концентрации висмута в воздушной среде происходит в момент снятия прибыльных надставок.

4. Средство индивидуальной защиты ШБ - 1 "Лепесток" задерживает до 60 % аэрозолей висмута.

Заключение

1. Методом насыщения через газовую фазу определена растворимость висмута в жидком железе в интервале температур 1550 - 1600°С (при давлении 170 - 180 кПа). Ее зависимость от температуры представлена уравнением: g[Bi, мас.%] = - -—- +1,955.

2. Изучено влияние легирующих элементов на растворимость висмута в тройных плавах железа с хромом (до 24,14 мае. %), марганцем (до 15,02 мас.%), кремнием (до 2,78 мае. %), никелем (до 12,68 мае. %) при 1600°С. Определены параметры взаимодействия висмута первого (е^ = 0,115; e^f"^ = - 0,051; еш1) = - °'014' ев?) = °'001) и второго порядков.

3. Методом непосредственного контакта несмешивающихся фаз определена растворимость висмута в твердом железе, равная 0,013 - 0,014 мае. % при 1500°С.

4. Изучено влияние технологии легирования автоматной стали на усвоение висмута и качество стали. Усвоение висмута выше при введении его под струю металла в центровую при разливке, чем при введении в металл в ковше порошка, плакированного в проволоку.

5. Теоретически и экспериментально установлено влияние времени присадки висмута в процессе разливки по мере наполнения изложницы на его усвоение и образование дефектов на поверхности слитка. Исследованы причины образования макровключений висмута в слитке.

6. На основании полученных закономерностей разработана и внедрена технология легирования стали висмутом в сталеразливочном ковше и при ее сифонной разливке.

7. Исследовано качество висмутсодержащей стали АВ19ХГН. Дано сравнение свойств стали при различных способах ее легирования, а также в сравнении со сталью 19ХГН и АС19ХГН.

8. При проведении исследований проведен контроль состояния воздушного бассейна на территории прилегающей к месту легирования стали висмутом. Установлено, что снижение содержания висмута в воздушной среде до ПДК у мест действия обслуживающего персонала происходит через 2 -4секунды после окончания легирования.

1. В. Reh, W. Voight, U. Finger und W. Schultz. Entwicklung eines microlegierten Automatenstahles // Neue Hutte. - 1979. - 24. - № 12. - p. 451.

2. B. Reh, U. Finger, W. Voight und W. Schultz. Neuere Erkenntnisse bei der Entwicklung von Hochleistungsautomatenstahl // Neue Hutte. 1982. - 27. - № 4. -p. 121.

3. Voigt Werner, Reh Burkherd, Schultz Walter, Finger Ulrich, Kuhnnl Kurt. Ver-fahren zar Herstellung bismutlegierter Automatenstahlemit Defmiertem Gefuge. VEBMaxhutte Unterwellenborn. Пат. № 244269. ГДР. Опубл. 01.04.87. МКИ С22С 33/06, С22С 38/60.

4. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V VIII групп: Справ, изд./ А. Л. Бандман, Н. В. Волкова, Т. Д. Грехова и др.; Под ред. В. А. Филова и др. - Л.: Химия, 1989. - 592 с.

5. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I IV групп: Справ, изд./ А. Л. Бандман, Г. А. Гудзовский, Л. С. Дубейковская и др.; Под ред. В. А. Филова и др. - Л.: Химия, 1988. - 512 с.

6. Reh Burkhard, Finger Ulrich, Voigt Werner, Schultz Walter. Entwicklung eines bismutlegierten Hochleistungsautomatenstahls. // Neue Hutte. 1986. - 31. - № 9. -p. 327-330.

7. About bismuth in INcut 200: a new series of free-machining steels. // Bull. Bismuth Inst. 1985. - № 46. - p. 1 - 6.

8. Reh В., Finger V. Bismuh alloyed steels with improved machinability. // Bull. Bismuth Inst. - 1988. - № 55. - p. 1 - 2.

9. Bellini Angelo. Blei- und Blei- Wismut Schnellarbeit - sstahle. // Klepzig Fach-ber. - 1968. - 76. - № 5. - p. 296 - 297.

10. Кимура Ацуеси, Накамура Садаюки, Сибата Нориеси. // Реф. журнал "Металлургия", 1988. 12И1286П.

11. Ито Кадзуо, Дземоку Миаса, Мацуда Юкинори. // Реф. журнал "Металлургия", 1985. 10И825.

12. Katoh Koshi, Shimizu Takayoshi. // Реф. журнал "Металлургия", 1983. 11И784П.

13. Като Тэцуо, Абэяма Седзо, Кимура Токуеси. // Реф. журнал "Металлургия", 1987. 11И642.

14. Коваль А. А., Штульман Д. И., Чемикос А. А. // Реф. журнал "Металлургия", 1995. 4И339П.

15. Денисов В.М., Белоусов Н.В., Моисеев Г.К., Бахвалов С.Г., Истомин С.А., Пастухов Э.А. Висмутсодержащие материалы: строение и физико-химические свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 527 с.

16. Коваль А. А., Штульман Д. И.// Реф. журнал "Металлургия", 2000. 5Г28.

17. Tsukihashi Fumitaka, Suzuki Atsushi, Sano Nobuo. Activity coefficient of bismuth and lead in carbon saturated iron. // Steel Res. 1996. - 67. - № 2. - p. 35 -38.

18. Wenzel W., Krauss S. //Реф. журнал "Металлургия", 1978. 1A122.

19. Агеев Ю. А. Исследование растворимости свинца в железе и его жидких бинарных сплавах: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. Челябинск, 1971. 17 с.

20. Гольдштейн Я.Е., Заславский А.Я. Конструкционные стали повышенной обрабатываемости. М.: Металлургия, 1977. - 246 с.

21. Мархасев Б. И. О расслоении металлических расплавов. // Изв. АН СССР. Металлы. 1969. - № 4. - с. 234 - 235.

22. Физические величины: Справочник/ А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.: Энерго-атомиздат, 1991. - 1232 с.

23. Полывянный И. Р., Абланов А. Д., Батырбекова С. А. Висмут. Алма-Ата: Наука, 1989.-316 с.

24. New free-machining steels with bismuth. Part 1. Development. Bhattacharya De-banshu. "Mech. Work and Steel Process." Vol. 18. Proc. 22nd Mech. Work and Steel Process. Conf., Toronto, Oct. 29-30, 1980. Warrendale, Pa. 1980. - p. 153 - 167.

25. Reh, В.; Finger, U.; Bismutlegierter Hochleistungsautomatenstahl 9SMnBi28 -Entwicklung und Eisatz. // Fertigungstechnik und Betrieb, Berlin 36. 1986. -№ 10. -p. 618-621.

26. Reh В., Finger V. Bismuh alloyed steels with improved machinability. Clean Steel 3: Proc. 3rd Int. Conf., Balatonfured, 2 - 4 June, 1986. London. - 1987. - p. 196 - 198.

27. Finger V. Enfwicklung und Industrieer pobung des Uhrentriebstahls 100 SBi7. // Fertigung stechn. und Betr. - 1988. - 38. - № 6. - p. 358 - 360.

28. Dennis T. Quinto, Debanshu Bhattachrya. Free machining steel with bismuth: Пат. № 4247326. США. МКИ4 C22C 38/60. Inland Steel Company. Опубл. 27.01.81; НКИ 75 - 123AA

29. Jiang Guo-Chang, Huang Ke Li, Zhuang Yun-Qian, Yan Sen-Long, Xu Kuang Di. Bismuth free cutting stainless steel 410. // Bull. Bismuth Inst. 1989. - №. 56. -p. 7-9.

30. Hawkins Derek N. The machinability of steel. // Steel Times. 1989. - 217. - № 12.-p. 688-689.

31. Holowaty Michael O., Bhattacharya Debanshu. Method and alloy for introducing machinability increasing ingredients to steel. Inland Steel Co.. Пат. № 4244737. США, кл. 75/129 (C22C 33/00). Опубл. 13.01.81.

32. Voigt Werner, Reh Burkherd, Schultz Walter, Finger Ulrich, Kuhnnl Kurt. // Реф. журнал "Металлургия", 1987. 12B255.

33. Наката Хироя, Сакагути Кадзуя. // Реф. журнал "Металлургия", 1994. 1В204.

34. Китагава Сюдзо, Накаяма Кэцу. // Реф. журнал "Металлургия", 1987. 11В247.

35. Debanshu Bhattachrya, Dennis T. Quinto. Bismuth-containing steel. Пат. № 4255187 США МКИ4 C22C 38/60. Inland Steel Company. Опубл. 10.03.81; НКИ 75-123 AA.

36. Заславский А. Я. Производство висмутсодержащей автоматной стали/ В сб. Производство стали и ферросплавов. Теория и практика. Челябинск: Изд. ЮУрГУ. 1998.-с. 55-69.

37. Howard М. Pielet, Munster, Nassos A. Lazaridis, Dyer, Robert D. O'Nell. Method for adding bismuth to steel in ladle. Inland Steel Co. Пат. № 4666515. США. Опубл. 19.05.87. МКИ С22С 33/08; С22В 9/00, НКИ 420/85; 75/96.

38. Yoshida Masashi, Okoyama Noboru. Method of adding melting-point metal to molten steel. Nippon Steel Corp. Пат. № 4751047. США МКИ4 C22C 39/54. Опубл. 14.06.88. НКИ 420/85.

39. Кидо Итиро, Танака Цутому, Исибаси Ясуси, Отаки Акира. // Реф. журнал "Металлургия", 1994. 2В207.

40. Takashima Kiyoshi, Suzuki Iseo, Yoshida Masashi, Tanaka Ryutatsu, Masumitsu Noriyuki, Kinoshita Kazuhiro, Ishii Hiromi; Nippon Steel Corp. // Реф. журнал "Металлургия", 1987. 11B247.

41. Способ введения легкоплавких металлов: Пат. 2 56406 Япония МКИ3 С21С 7/00, С22С 33/04.

42. Low-sulfur, lead-free alloy: Пат. 4865805 США, МКИ4 С22С 39/54/ Holowaty Michael О.; Frema, Inc. № 258690; Заявл. 15.11.88; Опубл. 12.09.89; НКИ 420/85.

43. Semi finished steel article. / Bhattacharya Debanshu, Quinto Dennis Т., Holowaty Michael O.; Inland Steel Co. Пат. 4333776, США. Заявл. 08.06.81, № 271681, опубл. 08.06.82. МКИ С22С 38/00, НКИ 148/36.

44. Веропаха Д. Н. Разработка технологии получения высокоплотных порошковых висмутсодержащих сталей с улучшенной обрабатываемостью резанием: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. Новочеркасск, 1996.- 17 с.

45. Method for adding ingredient to steel as shot. / Holowaty Michael O., Hughes Ian F., Lude John; Inland Steel Co. Пат. 4389249, США. Заявл. 22.04.82, № 370908, опубл. 21.06.83. МКИ С22С 37/00, НКИ 75/129.

46. Павлов В. Г. Исследование влияния металлургических факторов на качество свинецсодержащей стали и разработка технологии ее производства с разливкой сифоном. Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. Челябинск, 1982. -176 с.

47. Method alloy for introducing machinability increasing to steel. / Holowaty Michael O., Debanshu Bhattacharya; Inland Steel Co. Пат. 4244737, США. Опубл. 13.01.81. МКИ С22С 33/00, НКИ 75/129.

48. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2128722. Россия, МПК6 С22С 38/18/ ОАО "Мечел". 97114427/02. Опубл. 1999, Бюл. 10.

49. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2128723. Россия, МПК6 С22С 38/22/ ОАО "Мечел". 97114444/02. Опубл. 1999, Бюл. 10.

50. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2128724. Россия, МПК6 С22С 38/40/ ОАО "Мечел". 97114431/02. Опубл. 1999, Бюл. 10.

51. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2128725. Россия, МПК6 С22С 38/40/ ОАО "Мечел". 97114446/02. Опубл. 1999, Бюл. 10.

52. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2128726 Россия, МПК6 С22С 38/44/ ОАО "Мечел". 97114428/02. Опубл. 1999, Бюл. 10.

53. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2128727 Россия, МПК6 С22С 38/44/ ОАО "Мечел". 97114445/02. Опубл. 1999, Бюл. 10.

54. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная легированная сталь: Пат. 2135624 Россия, МПК6 С22С 38/60/ ОАО "Мечел". -98101666/02. Опубл. 1999, Бюл. 24.

55. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2135625 Россия, МПК6 С22С 38/60/ ОАО "Мечел". 98117827/02. Опубл. 1999, Бюл. 24.

56. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная сталь: Пат. 2135628 Россия, МПК6 С22С 38/60/ ОАО. "Мечел". 98117899/02. Опубл. 1999, Бюл. 24.

57. Топорищев И. Г., Заславский А. Я., Воробьев Н. И. и др. Автоматная легированная сталь: Пат. 2132401 Россия, МПК6 С22С 38/22/ ОАО "Мечел". -97114443/02. Опубл. 1999, Бюл. 18.

58. А. Я. Заславский. Прогрессивные автоматные стали. Международная научно-техническая конференция "Уральская металлургия на рубеже тысячелетий": Тезисы докладов. Челябинск: Изд-во ЮурГУ, 1999. С. 150 - 151.

59. Заславский А. Я., Н. Н. Кузькина, Е. М. Комельков, А. А. Гусев, В. И. Фал-кон, С. Н. Ковалева, Е. К. Шпатов. Производство висмутсодержащей автоматной стали. Электрометаллургия. № 6. 1999. с. 20 26.

60. Арчугов С. А. . Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. Челябинск, 1982,- 176 с.

61. Григорян В.А., Белянчиков JI.H., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1987. - 272 с.

62. Вагнер К. Термодинамика сплавов. -М.: Металлургиздат, 1957. 179 с.

63. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов: Учеб. пособие для вузов / Григорян В.А., Стомахин А.Я., Паномаренко А.Г. и др. М.: Металлургия, 1989. - 288 с.

64. Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд-е, дополн. и перераб. М.: Металлургия, 1975. -368 с.

65. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамические сопротивления. Справ, пособие. -М.: Энергоатомиздат, 19

66. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. М.: Металлургия, 1967.-672 с.

67. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. М.: Металлургия, 1976. -552 с.

68. Кулиев. Н.В. Массоперенос в движущихся жидкостях. М.: Металлургия, 1976.-336 с.

69. Манохин А. И. Получение однородной стали. М.: Металлургия, 1978. -224 с.

70. Перник А. Д. Проблемы кавитации. JL: Судостроение, 1963. - 355 с.

71. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов. Киев; Донецк: Вища шк. Головн. изд-во, 1986. - 280 с.

72. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере. /Под ред. В.Э. Фигурнова. М.: ИНФРА М, 1998. - 258 с.

73. Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. СПб: Питер, 1997. - 240 с.

74. Явойский В. И. и др. Металлургия стали, М.: Металлургия, 1983. 584 с.

75. Обработка стали кальцием: Материалы Междунар. симп. по обработке стали кальцием / Пер. с англ.; Под ред. и с предисловием Б. М. Медовара. Киев: ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, 1989. - 216 с.

76. Беннерберг Н., Харсте К., Боде О. Поведение проволоки с порошковым наполнителем в процессе расплавления // Черные металлы. 1993. № 5. С. 25 33.

77. Никулин А.Ю., Дятлов Д.Х., Алфимова Н.А. Математическая модель процесса растворения порошковой проволоки в жидкой стали при внепечной обработке в ковше // Черная металлургия СНГ в XXI веке. М.: Металлургия, 1994. Т. 3. С. 65-69.

78. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдан настоящий патент на изобретение

79. СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ ВИСМУТОМ1. Патентообладатель(ли):1. О/JO (ш* teitJпо заявке № 99114965, дата поступления: 12.07.1999 Приоритет от 12.07.1999 Автор(ы) изобретения:см. на Ф^оте

80. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 12 июля 1999 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе

81. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерацииг. Москва, 10 марта 2001 г.i1. О О 0