автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии внепечной комплексной обработки низколегированных сталей лигатурами на основе РЗМ в условиях массового производства

Национальная академия наук Украины Институт проблем литья

На правах рукописи

ИРДЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВНЕПЕЧНОЙ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ЛИГАТУРАМИ НА ОСНОВЕ РЗМ В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА.

Специальность 05. 16. 02. - Металлургия черни металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

РГ6 од

1 8 ДЕЛ ^

Киев - 1995 г.

Диссертация на правах рукописи.

Работа выполнена в Донбасском горно-металлургической

институте и на Алчевской металлургическом комбинате

Научный руководитель: канд.техн.наук, доцент

ТЕПЛЩКИЙ Евгений Борисович

Официальные оппоненты: чл.-кор. HAH Украины, докт.техн.наук, профессор канд.техн.наук, доцент

Виталий Александрович

КОНДРАШОВ Михаил Михайлович

ПЕРЕЛОМА

Ведущая организация - Криворожский металлургический комбинат,

"Криворожсталь", г. Кривой Рог

Защита состоится "§§-«_Я§Ш!ЕЯ. 1995 г. на заседании специализированного ученого совета Украины д 01. 97. 01 в Институте проблем литья НАН Украины по адресу: 252142. г. Киев - 142, пр. Вернадского, 34/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем литья НАН Украины

Автореферат разослан: ,,25_«_ноября__1995 г_ Ученый секретарь специального ученого совета

докт. техн. наук Е.Г.Афгандилянц

Актуальность работы.

В настоящее время в связи со значительным общим спадом производства резко возросла потребность в высококачественной низколегированной стали, что обусловило необходимость разработки новых технологий ее аолучения.

Одним из перспективных направлений повышения качества стали является ее внепечная обработка, в частности, обработка микролегирувдими добавками на основе редкоземельных элементов. В отличие от многих других мероприятий возможности этого направления в современных условиях далеко не исчерпаны. Вместе с тем, несмотря на значительное количество научных работ в по использованию редкоземельных металлов, в сталеварении до сих пор нет удовлетворительной технологии их применения. Известные научные работы не дают четкого ответа о времени и месте ввода активных микродобавок.

Кроме того, имеется ряд серьезных противоречий в выводах различных исследователей о влиянии редкоземельных элементов на качество металла. Эти затруднения обусловлены недостаточной изученностью процессов расплавления и растворения лигатур на основе РЗМ в металле, процессов образования продуктов взаимодействия РЗМ с кошюнентами металлического расплава й удаления образовавшихся неметаллических включений из стали.

Неоднозначность отклика сталей различных марок на микролегирование добавками на основе РЗМ, отсутствие системного подхода в определении основных факторов, определяющих следственное изменение свойств стали, широкая гамма технологических режимов, применяемых при микролегировании РЗМ, затрудняют использование полученных результатов для конкретных условий производства, в особенности, массового.

Отсутствие достаточного объема достоверной информации о закономерностях плавления и растворения комплексных лигатур на основе РЗМ, выборе их оптимального состава и расхода, выборе составляющих комплексной обработки, обеспечивающих получение чистого от неметаллических включений металла, о влиянии РЗМ на структуру крупного листового слитка, а также на служебные характеристики низколегированных марок стали, обуславливает необходимость специальных исследований в

ласти технологии внепечной обработки низколегированных ста* лей лигатурами на основе РЗМ в комплексе с обработкой шлаковыми смесями и инертным газом. Цель работы.

Исследование и разработка основ технологии комплексной обработки низколегированных сталей ответственного назначения лигатурами на основе редкоземельных металлов ( РЗМ ), твердыми шлакообразущими смесями ( ТШС ) и инертным газом для обеспечения стабильности механических свойств и повышения выхода годного листового проката.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи: выработаны подходы к выбору химсостава комплексных лигатур на основе РЗМ, определен диапазон их рационального расхода;

изучен механизм и скорость плавления комплексных лигатур на основе РЗМ в раскисленном металле;

исследован, на базе принятого метода, тепло-и массообмен в системе "комплексная лигатура - сталь";

выработаны подходы к созданию приемлемой для массового производства технологии комплексной внепечной обработки стали, сочетащей микролегирование стали комплексной лигатурой на основе РЗМ и обработкой металла твердой шлакообразущей смесью иазотом или инертным газом;

изучено влияние внепечной комплексной обработки на структуру крупного листового слитка и свойства листового проката.

Научная новизна:

впервые изучен механизм и скорость плавления комплексных лигатур на основе РЗМ в раскисленном металле;

на основе принятой модели исследован тепло- и массообмен в системе "комплексная лигатура - сталь",установлены зависимости процесса тепломассообмена от фракции и начальной температуры комплексной лигатуры;

установлен оптимальный химический состав и удельный расход комплексных лигатур на основе РЗМ, рациональное время их ввода в условиях массового производства и разработанной комплексной обработки стаж;

экспериментально установлены взаимосвязи меаду составом и расходом комплексных лигатур и качественными характеристиками металла, включая макро- й микроструктуру и механические свойства;

установлены оптимальные соотношения расходов лигатур, ТШС и инертного газа,обеспечивающие высокие качественные показатели для низколегированных сталей марок 10ХСНД и 09Г2С.

Практическая ценность:

предложен комплекс требований для выбора оптимального состава комплексных лигатур на основе РЗМ;

установлены кинетические закономерности плавления комплексных лигатур на основе РЗМ;

разработана технология комплексной обработки низколегированных сталей, обеспечивающая повышение и стабилизацию ее механических свойств, а также увеличение выхода годного листового металлопроката.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

Метод выбора химического состава и удельного расхода комплексной лигатуры на основе РЗМ для микролегирования низколегированных сталей.

Рассчитанные на базе принятой модели закономерности зависимости тепломассообмена в системе "комплексная лигатура - сталь" от фракции лигатуры и ее начальной температуры.

Экспериментально установленные закономерности формирования зон и структуры крупного листового слитка, микролегированного РЗМ по разработанной технологии внепечной комплексной обработки.

Полученные зависимости механических свойств листового проката и выхода годного от расхода комплексной лигатуры.

Предложенная технология внепечной комплексной обработки низколегированных марок стали, сочетающая микролегирование стали РЗМ с обработкой ТШС и азотом или инертным газом.

Апробация работы.

Основные результаты и положения работы докладывались и обсуадались на следующих конференциях и семинарах: Первом международном конгрессе сталеплавильщиков. Москва. 1992 г.,^Втором международном конгрессе сталеплавильщиков. Липецк. 1993 г., Третьем международном конгрессе сталеплави-

- б -

лыциков. Москва. 1995 г..Республиканской научно- технической конференции, "Прогрессивные способы шавки" Киев. 1992 г., ежегодных научно - технических конференциях Донбасского горно - металлургического института. Алчевск. 1987 - 95 г.г.

Личный вклад автора.

Согласно теме диссертации в соавторстве написано 3 печатных работы и получено 1 авторское свидетельство на изобретение. В работах изложены особенности обработки стали сложными лигатурами на основе РЗМ, разработаны рекомендации по выбору лигатур и приведены результаты экспериментального опробования разработанной технологии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объеи работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы из 83 наименований, работа изложена на 125 страницах сквозной нумерации, в том числе 15 таблиц и 34 рисунка.

Содержание работы.

В ПЕРВОЙ ШВЕ выполнен литературный обзор современного состояния обработки стали редкоземельными элементами , физико-химических процессов взаимодействия РЗМ с различными элементами в расплаве железа и связанные с этим изменения свойств металла.

Анализ приведенных данных свидетельствует о существенных расхождениях в оценке влияния РЗМ на свойства стали. Имеется целый ряд сообщений как о положительном, так и отрицательном влиянии РЗМ на пластичность и ударную вязкость стали, что можно объяснить сложностями ввода РЗМ, нестабильным их усвоением, а также различными путями удаления образующихся неметаллических включений.

Обзор особенностей взаимодейсвия РЗМ с элементами расплава позволяет сделать вывод о том, что характер физико-химических процессов обеспечивает раскисление, десульфурацию, дефосфорацию и дегазацию металла. Однако, глубина этих процессов зависит от оптимального состава комплексных лигатур на основе РЗМ для каждой группы сталей, а также выбора времени, места и способа ввода сплавов в металл. К сожалению,

- 7 -

таких данных в литературе крайне мало.

Изучение литературных данных о влиянии РЗМ на механические свойства позволило установить модифицирующее воздействие РЗМ на структуру металла и существенное повышение эксплуатационных характеристик стали. Вместе с тем из анализа литературных данных вытекает, что использование одного РЗМ повышает вязкость, ухудшает разливаемость стали и приводит к образованию трудноудаляемых включений с высокой плотностью, температурой плавления и специфической трансформацией при охлаждении стали. При этом пути нейтрализации вредного воздействия РЗМ на сталь изучены недостаточно и нет четких рекомендаций по их устранению.

В целом анализ литературных данных об изменении свойств стали после воздействия высокоактивных присадок редкоземельных элементов указывает на необходимость учета всех перечисленных выше факторов, которые или совсем, или недостаточно учитывались в проведенных ранее исследованиях.

В ВТОРОЙ ГЛАВЕ на основе полупромышленных экспериментальных данных и метода мгновенного регулярного режима рас-мотрены тепломассообменные процессы, протекающие при вводе лигатур на основе РЗМ в сталь.

Влияние химического состава комплексных лигатур на степень усвоения РЗМ при вводе их в раскисленную сталь оценено в полупромышленном эксперименте. Необходимые комплексные лигатуры были выплавлены в 10 кг вакуумной индукционной печи с использованием в качестве шихты БеСе, А1, 90 % РеБ1 и Б1Са. Лигатуры, содержащие кроме 5, 15, 25, 35 и 45 % РЗМ, сильный раскислитель ( А1, и т.д.) и один из щелочно-земельных элементов ( Са, Мё и т.д.), присаживались в 5-т ковш.

Присадку комплексных лигатур с расходом в пересчете на РЗМ 0,3 кг/т осуществляли под струю раскисленной стали в кусках размером 20-30 мм за 1 мин до окончания выпуска стали из электропечи. Температура металла на выпуске была в пределах 1615-1625 °С. Отбор проб металла производился по ходу разливки по литейным формам.

Установлено, что зависимость степени усвоения РЗМ сталью от его содержания в комплексной лигатуре носит гиперболический характер и с увеличением содержания РЗМ в лигатуре вели-

чина усвоения его сталью резко снижается ( рис. 1 ).

Полученная зависимость имеет

Степень усвоения РЗМ сталью

О 20 40 60 80 100

Содержание РЗМ в сплаве, %

вид:

У = 23,5 + Т0^р5й , (И=0,91) где: У - степень усвоения РЗМ сталью, %', РЗМ - содержание РЗМ в комплексной лигатуре, %-, И - коэффициент корреляции.

Анализ зависимости, приведенной на рисунке, а также ряда исследований позволяет утверждать, что в качестве основных требований при выборе химсостава комплексных лигатур на основе РЗМ для микролегирования низколегированных марок стали должно быть положено следующее:

комплексные лигатуры должны содержать не более одной трети раскислителей, что позволяет

Рис. 1.

РЗМ и не менее трети сильных иметь величину усвоения РЗМ не менее 40 % ;

в состав комплексной лигатуры должен входить один из щелочно-земельных элементов, обеспечивающих хорошую разлива-емость легированных РЗМ сталей;

остальные элементы комплексных лигатур должны являться легирующими компонентами выплавляемых сталей.

В соответствии с данными рекомендациями для микролегирования стали 09Г2С выбран комплексный сплав ФСЗОРЗМЗО, содержаний, % : РЗМ - 33,0, А1 - 8,0, - 44,0, Са - 4,6, С -0,02; для стали 10ХСКИ комплексный сплав АКЦТБР, содержащий. % : РЗМ - 23,5, А1 - 30,9, Т1 - 6,0, Са - 4,5, N1 -28,9, №) - 3,2, В - 3,0.

С целью оптимизации момента ввода выбранных комплексных лигатур исследована кинетика их расплавления в раскисленной стали.

Исследование механизма плавления комплексных лигатур

проведено с использованием специально разработанного метода "погружения", сущность которого заключается в одновременном погружении в металл группы образцов одного диаметра и массы с извлечение^ их по одному через фиксируемые промежутки времени.

Образцы из комплексных сплавов даам. 48 мм и массой 1 кг с "вмороженными" по оси металлическими штырями были изготовлены в криптоловой печи. После обмера: и провешивания штыри образцов крепились в металлических трубках. С помощью шплинтов.Погружаем часть металлических трубок футеровалась в несколько слоев магнезитовой пудрой на жидком стекле с тщательным прокаливанием каждого слоя.

Исследование проведено в полупромышленных условиях, в ковшах емкостью 5 т. После выпуска сталей 09Г2С и ЮХСНД в ковш, скачивания шлака и замера температуры стали термопарой погружения ( результаты замера 1600 и 1605°С ) в сталь на глубину 0,3 м одновременно погружалось по 6 образцов из комплексных сплавов ФСЗОРЗМЗО и АКЦТБР, что позволило иметь одинаковые исходные параметры плавления.

Извлечение образцов произведено после выдержки их в металле 10, 20, 25, 30, 35 И 40 с.

Установлено, что на образцах комплексных сплавов с РЗМ вначале намораживается, а затем расплавляется сталь, несмотря на то, что масса намороженной стали достигает 42 % от массы образца, расплавление намороженного слоя стали завершается раньше расплавления всего образца. Дальнейшее плавление нерасплавившейся части комплексной лигатуры протекает в диффузионном режиме, т.е. в режиме непрерывного удаления расплава. 1

Динамика изменения массы образцов диам. 48 мм и массой 1 кг с в процессе плавления из комплексного сплава ФСЗОРЗМ 30 приведена на рис. 2.

Установлено, что масса кристаллизующейся на данных образцах стали наростает в течение 20с, затем намороженный слой стали энергично расплавляется не только со стороны жидкой стали, но и со стороны образовавшегося под "рубашкой"

Динамика изменения массы образца в процессе плавления.

40

из стали расплава. Об этом свидетельствует увеличение внутреннего диаметра "рубашки" из закристаллизовавшегося металла, существенное отличие химсоставов расплава и комплексного сплава внешний вид контактной поверности "закристаллизовавшаяся сталь-расплав".

Вероятно, процессу плавления внутреннего слоя закристаллизовавшейся стали способствует агрессивное воздействие образующегося расплава на намороженную сталь, вызванное значительным выделением тепла при растворении в •металле кремния.

На основании полученных

О Ю 20 30

Время, с

а - масса с намораживающимся

слоем стали, б, в - масса жидкой и не расплавившейся частей сплава.

Рис. 2.

данных расплавление комплексных лигатур на основе РЗМ следует рассматривать как плавление непрогретого тела ограниченных размеров с кратковременным сохранением расплава на поверхности и завершением процесса при непрерывном удалении расплава.

Базируясь на полученных эксперементальных данных и общих закономерностях нагрева тел и используя для описания теплообмена метод мгновенного регулярного режима, плавление комплексной лигатуры может быть представлено инерционным и регулярным этапами нагрева.

На инерционном этапе нагрева имеет место непрерывное изменение толщины нагреваемого слоя в соответствии с постепенным вовлечением массы образца в процесс нагрева. С течением времени в нагревание вовлекаются все новые и новые слои и через определенный отрезок времени весь образец включается в нагревание. С этого момента начинается регулярный этап нагрева, когда в соответствии с величиной теплового потока, тело прогревается по всему сечению и толщина нагреваемого

слоя постоянна.

Согласно теории Метода Мгновенного регулярного рекима вреМя включения кусков комплексной лигатуры в процесс Нагрева может быть определено по2уравнению

Ги = кТа (|)

где а - толщина нагреваемого слоя:

к - коэффициент формы тела; ( а - коэффициент температуропроводности тела.

Так, для экспериментальных образцов из сплава ФСЗОРЗМЗО ( Б = 0,024 м, К = 8, а = 5,39 • 1 10"йма/с ) ги = ^3,36 с.

Из выражения , .

где Ка - коэффициент усреднения теплового Потока; 1 - коэффициент теплопроводности тела; q - величина теплового потока Может быть установлен размер кусков комплексной лигатуры, обеспечивающий прогрев до центра с одновременным достижением! поверхностью кусков температуры плавления.

При Ка = 2, Л = 14,1 Вт/(М.к ), 1пл = 1478 К. 1нач =293 К и ч = 1,8 * 104 Вт/ма, 3'= 0,0185 М.

Куски комплексной лигатуры из сплава ФСЗОРЗМЗО размером более 28''( 37 мм ), за время достижения их поверхностью температуры плавления не успевают прогреться до центра, размером менее 23'( 37 мМ ) - вовлекаются в процесс наг-нагрева быстрее, чем их поверхность достигнет температуры плавления.

Решая совместно уравнения (1) и (2). получаем зависимость времени вовлечения кусков комплексной лигатуры размером 28/ от их начальной температуры

г / [ Ка А X * ( 1;пл - Шч ) 1а и =-------Г* а -------— (3)

При допущении, что процесс кристаллизации стали на кусках комплексной лигатуры аналогичен процессу вовлечения тела в процесс нагрева,выведено выражение для определения толщин закристаллизовавшегося слоя стали к моменту достижения поверхностью кусков комплексной лигатуры температуры плавления:

(1 * К * а '

где Ккр - коэффициент теплообмена при кристяллияациеи стали;

Кст коэффициент формы кристаллизующейся сеяли;

Лусл коэффициент условной температуропроводности закристаллизовавшейся стали, учитывающее поп вышеперечисленные параметры теплообмена.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изучено влияние комплексной обработки на структуру и онойотва стали.

Влияние комплексной обработки по макро-, микроструктуру и химическую неоднородность \?т листового слитка изучено н/1 стали марки 1ПСНД.

Сталь, выплавленную в ь(Ю т мартеновской печи но примятой н цехе технологии, выпускали и дна 300-т еталорнздивоч них конша. В один из коншей за I мин.до появления шлака бил присажен комплексной смлпп ЛКП.ТВР и количестме П.7 кг/т с рафинированием ТИК! м сочетании с продувкой азотом.

Сталь обоих ковшей была разлита сифонным способом но принятой м цехе технологии. Легированный и контрольный слитки, взятие со вторых поддоном по ходу разливки, были разрезаны вдоль осевой плоскости с получением темплето», обеспечивших изучение макро-, микроструктуры металла, природы и характера распределения неметаллических включений в нем, химической неоднородности стили по высоте и ширине слитком.

Серные отпечатки по Вауману продольных темплетов микро-легировапного и контрольного слитков приведены на рис. 3.

Микроструктура слитка после комплексной обработки заметно отличается от контрольного большей плотностью в центральных объемах и особым распределением серы. Область повышенного содержания сери в осевой части данного слитка имеет конусообразную форму и располагается от донной части до прибыльной.

Образование этой области можно объяснить переносом кристаллов металла и их обломком м нижнюю часть слитка. Основная масса образующихся оксисулыфидов и сульфидом церия укрупняется и удаляется из металла, а микродисперсные остаются

M'iif|i( )ст i ii/к тур» i

.НЦТ'Н'Ч Mi'T'l.UJI'l

♦ ■> »

un» i и 11|<11 'M j с il ''11111 hi 1

< * мич'< ii<

III Ill l'l I' I HI ним

I • tl(«-Г« 'II

I Mi'

, в кристаллизующемся металле и их поверхность служит иодклад-* кой для образования центров кристаллизации. Так оксисульфи-ды и сульфиды церия оказываются в осях зароадаювдхся кристаллов, обедняя мевдендригные' пространства серой. Поскольку эти кристаллы с церием остаются в металле, содержание серы в местах их скопления ( "конус осаждения" слитка ) выше, чем в других зонах слитка. В результате подприбыльная часть слитка дополнительно очищается от серы.

Кроме того, в микролвгированном слитке отсутствуют ярко выраженные "усы".

Макроструктура контрольного слитка носит типичный характер.

Химическую неоднородность слитков оценивали по результатам анализа проб, отобранных на 20 горизонтах в 4-7 точках на каждом горизонте,степень неоднородности металла определяли по величине области рассеивания элемента (Р) в плоскости темнлетя по формуле:

Р = ----g----- X 100,

где Эшах, 3mln, Э - максимальное, минимальное и средневзвешенное содержание элемента, %.

Содержание серы в микролегированноМ слитке колеблется в пределах 0,020 - 0,031 % ( ср. 0,0261 3! ), в контрольном -0,018 - 0,037 % ( ср. 0,0267 % ), т.е. степень химической неоднородности в 3,5 раза меньше, чем у контрольного.

Степень неоднородности по другим элементам приведена в таблице.1.

Таблица I

Величина области рассеивания элементов в плоскости темплетов микролегированного и контрольного слитков.

Элемент mm¡ 3lflJll гегиро! Эшах заннШП Э злиток Р~ Конт Эт1п ЗОЛЬНЫЕ Этях [_СЛИТ0[ Э <_______ Р

Углерод Кремний Марганец Фосфор 0,09 0,80 0,67 0,011 0,12 0,93 0,78 0,015 0,1038 0,9007 0,7182 0а0125 28.90 11,10 15,32 31,90 0,08 0,76 0,62 0,012 0,14 0,99 0,80i 0,0341 0,1091 0,8645 0.701Я 0Х014 110,50 26,60 25,67 80х65

Таким образом, комплексная обработка стали марки 10ХСНД существенно сникает химическую неоднородность по ширине и вы-

соте листового слитка, обеспечивает снижение содержания серы в металле, более высокое содержание марганца и кремния; последнее связано, вероятно, с подавлением процесса вторичного окисления этих элементов в процессе разливки.

Металлографические исследования литого металла с определением количества неметаллических включений, их формы и расположения показали существенные отличия по чистоте и микроструктуре . ,

Установлено, что низколегированный и контрольный слитки загрязнены, в основном, неметаллическими включениями типа сульфидов и оксисульфидов, в меньшей сгепени-оксидами и силикатами. Последних на микрошлифах микролегированного слитка значительно меньше.

В микролегированном металле обнаружены также одиночные цериевые включения, как правило, неправильной формы, а также сложные сульфосиликаты, иногда совместно с сульфидами.

В количественном отношении микролегированный металл значительно меньше загрязнен неметаллическими включениями, особенно в головной части и по оси слитка.

Изменились также формы и характер расположения неметаллических включений. В микролегированном слитке они имеют преимущественно глобулярную форму, в контрольном - сосредоточены, в основном, по границам зерен.

Слитки опытной плавки, как микролегированные, так и контрольные, были прокатаны на блюминге с получением двух слябов от каждого слитка. После маркировки слябы были прокатаны на стане 2800 на лист толщиной 30 мм по принятой в цехе технологии. Листы подвергали термообработке по режиму: закалка с 930 - 950°С ( время выдержки 1 мин. на 1 мм толщины плюс 10 мин.) в воде под прессом, последующий высокий отпуск при температуре 650 - 670°С ( время выдержки 2 мин. на 1 мм толщины плюс 20 мин. ) с охлаждением на воздухе. От термооб-работанных листов были отобраны образцы для определения ме-нических свойств и исследования микроструктуры металла.

Прочностные и пластические характеристики при нормальной температуре определялись при испытании на растяжение по ГОСТ 1497 на пятикратных образцах типа М. Ударная вязкость при пониженных температурах определялась по ГОСТ 9455 на об-

разцах первого типа.

Макроструктура металла изучалась по снятым серным отпечаткам, микроструктура - на оптическом микроскопе после химического травления в 2-4 Ж растворе азотной кислоты в светлом поле.

Установлено, что прочностные характеристики микролегированного металла остаются на том же уровне, что и у контрольного.

Так,предел прочности у микролегированной стали колеблется от 540 до 610 МПа ( ср. 571,7 МПа ), у контрольной - от 540 до 590 МПа (ср. 564,6 МПа ); предел текучести - в пределах 390 - 455 МПа ( ср. 413,3 МПа ) против 380 - 465 МПа ( пр. 426,8 МШ ) у контрольной.

Относительное удлинение у микролегировянной стали значительно штв и колеблется в пределах от 2Я,0 до 31,0 % (ср. 29,3 % ) против 20 - 29,0 % ( ср. 24,0 % ) у контрольной.

Наиболее значительное влияние оказывает микролегирова-нин стали ни ен ударную вязкость, и особенности, при низких, температурах (рис. 4).

Существенное повышение ударной вязкости низколегированного металла можно объяснить рассмотренным выше влиянием комплексной обработки на кристаллическую структуру и чистоту металла.

Фрактологическая оценка изломов образцов ударной вязкости после испытаний показывает, что у стали после комплексной обработки весь излом вязкий, волокнистый, темно-пепельного цвета; на поверхности разрушения можно различить иглы и сколы. По мере снижения температуры испытания доля кристаллической составляющей с хрупким, зернистым изломом

Зависимость ударной вязкости от температуры испытаний.

N 1Л)

*

и

* 100

Й во

о

§ ьо

о?

из АО

ч»

£ Л)

3 о

+ 7

< Ч 2 Опыт КОНТР наяс СИЬ// < таль -ш

1

г/7// //// V/// V////

у нар шение го СТа ^

) О -20 -40 температура.

Рис. 4.

-60 "С

растет незначительно. .У контрольной стали излом более крупнозернист по структуре и при отрицательных температурах испытаний. в основном, зернистый.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты комплексной обработки различных марок стали на примере сталей 10ХСНД и 09Г2С.

Выбор стали марки ЮХСНД связан с выходом качественного листа на протяжении многих лет не более 90 %. Только в 1991 |'.в листопрокатных цехах комбината было отсортировано 10,5 % листов стали ЮХСНД, причем провалы имели место, в основном, по пластическим характеристикам.

Опытно-промышленная партия плавок с комплексной обработкой стали марки ЮХСНД сплавом /КЦТБР в количестве 1,0 кг/т, твердой шлакообрязующей смесью в количестве 2-5 кг/т и продувкой азотом через шиберный затвор с расходом 0,10-0,15 м3/т выплавлялась в 300-т мартеновских печах.

Сталь выплавляли в соответствии с ТИ 229 СТМ-032-271-87. Усвоение РЗМ на опытных плавках составило 34 - 42 %. Отбор проб металла по ходу разливки показал, что металл опытных плавок был достаточно однороден по всем основным компонентам.

Брак металла на первом переделе составил 0,078 %.

Металл опытных плавок прокатан на лист толщиной от 8 до 40 мм включительно. Механические испытания показали, что в результате комплексной обработки стали марки ЮХСНД с получением в ней 0,005-0,015 % Се достигнуты: предел текучести в интервале 405-407 МПа, временное сопротивление разрыву -550-660 МПа, относительное удлинение - 22,0-28,0 %, ударная вязкость при температуре -40 °С в пределах 51-95 Дж/см2 при требованиях ГОСТ 19281 иметь а 390 Н/мм2, ов г 510 Н/мм3, 5 г 19 Ж и КС1Г10 а 44 Дж/см2.

Металлогрофические исследования показали,что загрязненность металла сульфидами снизилась до 3,0-4,5 баллов, оксидами строчечными до 0,5-1,5 балла, оксидами точечными до 0,5 балла при полосчатости 0,5-4,0 балла и средней величине действительного зерна 7-8 баллов по ГОСТ 5639.

Низколегированная сталь марки 09Г2С выбрана для комплексной обработки сплавом ФСЗОРЗМЗО в количестве 0,7 и 1,0

кг/т, твердой шлакообразующей смесью в количестве 1,5-4,0 кг/т и азотом с расходом 0,12-0,25 мэ/т, как самая значительная по объему призводства в мартеновском цехе Алчевского металлургического комбината,но имеющая брак листового проката в течение ряда лет 8,5 %.

Опытно-промышленная партия плавок с расходами комплексного оплава ФСЗОРЗМЗО в количестве 200 и 300 кг на 300-т плавку проведены в 300-т мартеновских печах и двухванном прямоточном агрегате садкой 2x300 т.

Брак металла на нервом переделе составил 0,06 %.

Слябы опытно-промышленной партии плавок были прокатаны на станах 2250 и 2800 на лист толщиной от 5 до 40 мм.

Уровень механических свойств металла опытно-промышленной партии плавок, а также требования ГОСТ 19282 к нормируемым механическим характеристикам приведены в табл.2

Таблица 2

Механические свойства стали марки 09Г2С после комплексной обработки о расходом сплава ФСЗОРЗМЗО 0,7 кг/т.

Нормируемые характеристики Толщина листа, мм Значение параметров

по ГОСТ 19282 минимальные максимальные средние

Предел текучести, МПа 5-10 11-20 22 - 40 345 325 305 зго 350 350 420 380 395 374,2 362,0 367,7

Временное сопротивление, МПа 5-10 11-20 22 - 40 490 470 460 470 500 510 590 550 540 536,0 520.2 523.3

Относительное удлинение, % 5-10 11 - 20 22 - 40 21 21 21 22 25 25 36 30 28 28,6 27,6 27,4

Ударная вязкость, ,при 1= „ = -40 С,Дж/см 5-10 11 - 20 22 - 40 39 34 34 36 38 43 120 128 119 64,7 63,6 90,2

Ударная вязкость после механического старения, Лж/см 5-10 11 - 20 22 - 40 33 35 46 134 130 75 67,8 84,3 62,6

Из табл. ?. видно, что наибольший разброс значений механических характеристик наблюдается для листового проката

толщиной от 5 до 10 мм включительно. Это обусловлено, гювидимому, большим влиянием механических деформаций при прокатке на тонкий лист и недостаточным количеством легирующих добавок, которые стабилизируют и повышают Механические свойства стали.

Разброс значений механических свойств для листов толщиной более 10 мм существенно меньше, а минимальные значения параметров выше требований ГОСТ 19282, что обеспечило 100 % выход годного листа.

Зависимости механических свойств стали марки 09Г2С после комплексной обработки с расходом комплексного сплава ФСЗОРЗМЗО 0,7 кг/т от толщины листа в пределах 5 - 20 мм имеют вид:

<!„= 513,26 + , и = 0,735

0Т= 353,3 + , И = 0,851

« = 26,13 + , и = 0,883

где: В - толщина листа, мм;

И - коэффициент корреляции

Таким образом, с увеличением толщины листа механические свойства обработанной стали снижаются, однако, в целом, с увеличением толщины листа превышение значений механических свойств над значениями ГОСТ 19283 растет, то-есть повышается роль вводимой лигатуры и снижается влияние механических деформаций при прокатке металла.

Металлографические исследования показали, что в обработанной стали точечные оксиды и нитриды титана отсутствовали полностью, загрязненность металла сульфидами снизилась до 3-5 баллов, оксидами строчечными до 0,5-2 балла при полосчатости металла 2,5-3,0 балла и величине действительного зерна 8-9 баллов по ГОСТ 5639.

Анализ параметров опытно-промышленной партии плавок с повышенным до 300 кг на 300 т плавку расходом комплексного сплава ФСЗОРЗМЗО показал, что брак металла на нервом переделе, связанный о поясами и пленой, составил 0,22 %.

Металл опытных плавок был прокатан на лист толщиной от 5 до 40 мм включительно.

- 20 -

Анализ значений механических, характеристик листового проката всех толщин показал, что их разброс после комплексной обработки стали марки 09Г2С с расходом комплексного сплава 1 иг/т значительно меньше, чем в опытно-промышленной партии плавок с расходом сплава 0,7 кг/т. Кроме того, минимальные значения механических свойств листового проката для всех толщин превышают требования ГОСТ 19282.

Зависимости значений механических свойств листового прокати от «->['0 толщины янологични представленным выше.

Таким образом, требуемые стабильность и значения механических свойств низколегированной стали марки 09Г2С достигаются при расходе твердой шлакообразующей смеси 1,5-4 кг/т, азота - 0,12-0,15 м3/т и комплексного сплава ФСЗОРЗМЗО 1кг/т при производстве листового проката толщиной от 5 до Ю мм включительно и 0,7 кг/т - при производстве проката толщиной более 10 мм.

ПЯТАЯ ГЛАВА работы посвящена эффективности комплексной

обработки низколегированных сталей марок ЮХСВД и 19Г2С при внедрении разработанной I технологии в промышленных масштабах.

В ходе промышленного внедрения особое внимание уделено оптимизации расхода комплексных лигатур. Для этого в начале промышленного внедрения дополнительно проведено по 8-10 плавок с изменением удельного расхода комплексных .лигатур на основе РЗМ от 0,3 до 1,8 кг/т с шагом 0,3 кг/т.

Полученные зависимости

Влияние расхода лигатуры на выход годного.

Л

100

98

I

I

С? 96

а.

£ 90

-о

со

94

92

/) и ' ¡4

А (

/ 1 2 С 73 ста, пь ГГЬ С юкс ЮГ2 щ с

(

О 0.6 12 1.8 расход комплексной лигатуры, кг/1

Рис

Из рис.

видно, что

выхода годной продукции от удельного расхода комплексных лигатур на основе РЗМ приведены на рис. 5. при производстве стали марки

10ХСНЛ оптимальный удельный расход комплексной лигатуры составляет 0,8-1,2 кг/т, а зависимость выхода годного листа от удельного расхода комплексной лигатуры имеет вид: В1 = 89,5 4 11,66 Сл - 4,325 Сла , Я = 0,92 где: В - выход годного листа, %\

вл - удельный расход комплексной лигатуры, кг/т. Аналогичный результат получен и для низколегированной стали марки 09Г2С, но диапазон оптимального расхода комплексной лигатуры здесь шире и должен учитывать, как установлено ранее, толщину листового проката.

Полученная для стали марки 09Г2С зависимость имеет вид:

Ва = 92,2 + 6,23 Сл - 2,50 бл3 , И = 0,91 Полученные данные позволим установить минимальную величину расхода лигатур, равную 0,8 кг/т. Результаты промышленного внедрения разработанной технологии сведены в табл.3.

Таблица 3.

Результаты внедрения комплексной обработки низколегированных сталей.

Наименование показателей

Показатели

Объем производства стали марок 10ХСНД и 09Г2С

Расход комплексных лигатур на основе РЗМ

Снижение расхода раскислителей: 65 % Ре51 Никель Алюминий

Снижение провалов по механическим свойствам:

09Г2С

_ЮХСШГ

64,5 0,0008

0,00067

0,0003

0,0003

3,4 4,7

Таким образом, при объеме производства низколегированных марок стали 10ХСНД и 09Г2С по разработанной технологии 64500 т достигнуто увеличение выхода горной продукции для стали марки 09Г2С - на 3,4 %,для 10ХСНД - на 4,7 %. Учитывая вводимые с комплексными лигатурами элементы,удельные расходы никеля и алюминия при выплавке стали марки 10ХСНД были снижены на 0,3 кг/т каждого, удельный расход 65 % ферросилиция при выплавке стали 09Г2С - на 0,67 кг/т.

Экономический эффект от внедрения разработанной техно-

- 2? -

логии составил 13509375 руб. в ценях 199? г".

Выводы

1. Выполнен анализ изученности вопроса о влиянии РЗМ на свойства сталей. На основании теоретических исследоований выявлен сложный характер влияния РЗМ в чистом виде и в сочетании о другими элементами. Установлено, что применение РЗМ в чистом виде наряду с комплексом положительных воздействий, в целом, однако, не обеспечивает всех требуемых характеристик, так как формирует трудноудаляемне неметаллические включения и ухудшает разливаемость стали, и непозволяет однозначно рекомендовать РЗМ для массового использования без ряда дополнительных условий.

2. На основании экспериментальных данных разработаны требования к химическому составу комплексных лигатур с РЗМ, которые обеспечивают высокое усвоение РЗМ и улучшают разливаемость стали. Предложено использовать как оптимальные, ажн АК.ЦТБР для сгали марки ЮХСНД и сллав ФСЗОРЗМЗО для стали марки 09ГРС.

3. Разработана методика изучения механизма расплавления лигатур в равнозначных условиях, с помощью которой установлено, что механизм плавления сплавов на основе РЗМ следует рассматривать как плавление тела с кратковременным сохранением ряснляня под "намерзающим" слоем стали и завершением ||[юцесоя при непрерывном удалении расплава.

А. Экспериментально и теоретически изучены процессы тепло- и массообмена в системе "лигатура-сталь". Установлено, что длительность плавления применяемых лигатур фракцией до 50 мм и расходе до 1,5 кг/т не превышает 1 мин. Это позволяет вводить лигатуры после присадки всех ферросплавов в глубако раскисленный металл.

5. На основе полученных результатов разработана технология получения высококачественного слитка сталей ЮХСНД и 09Г?С в основу которой положено комплексное применение лигатур на основе РЗМ, твердых шлаковых смесей и азота или инертного газа.

Ня большом экспериментальном материале изучено влияние предложенной технологии на механические свойства литого и катаного металла, и также ня его мякро- и микроструктуру и

- 23 -

установлено ее положительное воздействие.

6. В условиях массового производства установлено, что комплексная обработка низколегированной стали при содержании в стали 0,005-0,015 % РЗМ обеспечивает:

- получение высококачественного слитка массой 12,65 т по макроструктуре и химической неоднородности;

- повышение эксплуатационых характеристик стали, в особенности ударной вязкости ( в среднем, в два раза )при низких температурах.

Требуемые стабильность и значения механических свойств для стали 10ХСНД достигаются при расходе сплава АКЦТБР 1 кг/т, твердой шлакообразующей смеси 2-5 кг/т и азота 0,12-0,15 м3/т, а для стали марки 09Г2С достигаются при расходе твердой шлакообразующей смеси 1,5-4 кг/т стали, азота 0,12-0,15 мя/т и сплава ФСЗОРЗМЗОБ - 1 кг/т при производстве листового проката от 5 до 10 мм включительно и 0,7 кг/т для проката толщиной более 10 мм.

7. Разработанная технология внедрена в массовое производство низколегированных сталей ответственного назначения. Достигнут экономический эффект за счет повышения выхода годного листа на 3 - 5 % и снижения расхода ферросплавов.

Публикации

1. Жердей A.C., Кравченко В.М., Тешшцкий Е.Б. Комплексная обработка судостали н ковше // Сб. Прогрессивные способы плавки. - Киев: ИПЛ АН УССР, 1992. - С. 23.

2. Жердев A.C., Кравченко В.М., Тешшцкий Е.Б. Эффективность обработки судостали комплексными лигатурами на базе РЗМ и инертным газом // СО. Труды первого конгресса сталеплавильщиков. - М.:Черметинформация, 1993. - С. 249.

3. Жердев A.C., Кравченко В.М., Тешшцкий Е.Б. Улучшение качества судостали путем комплексной обработки в ковше // Сб. Труды второго конгресса сталеплавильщиков. - М.:Чер-метинформация, 1994. - С. 211.

4. A.c. 1731827 СССР, МКИ С 21С 7/06. Способ раскисления стали / Матвеев Ю.В., Казаков A.A., ЗКердев A.C. и др. -Опубл. 07.05.92; Бюл. N 17/92.

- 24 -АН0ТАЦ1Я

Жердев О.С. "Досл1даення та розробка технологи поза-н1чно1 комплексно1 обробки низьколегованих сталей л1гатурами на основ! РЗМ в умовах масойого виробництва". Дисертац1я на здобуття вченого ступени кандидата техн!чних наук по спец1а-льност1 05.16.02. "Металург1я чорних метал!в". Тнститут проблем лиття HAH УкраТни, КиТв, 1995 р.

Захищаються теоретичн1 та экснериментальн1 дослЦження мехян1зму ыитчу комплеконих Jlraryp на основ! р!дкоземель-них метал!в (РЗМ) на &ксплуатац1онн1 властивост1 сталей. На баз1 одйржаних результат1н розробленя технолог!я пояаи !чно! обробки низьколегованих марок сталей, яка вм!щуе в еоб1 комплексна никориотяння л1гитур на основ! РЗМ, твердих шлакових о.ум1||Н!Й тя пииту, ибо (портного газу. Ронроблена технолог!я ниронаджння в мяоове виробництво сталей в1дмон1далыюго признячення. Досягнут значний економ1чний ефект за рахунок нниження беззямонно! продукцП та нитрат фероенляв.1в.

.¡herdyev A.O. "The Inveyl.lgaLIon and elaboration of the oil I furnace complex process J tig of the pjoralloyed steely with the alloy« on i-are-earUi irietal (RKM) bane In the conditions of Llie mass production".The <11 serin I,ion on competition the degree avard of the Candidate technical science on speciality 05.16.02 "Metalurgy of ferrous metails". The institute of problems on casting. National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1995.

Defends the theoretic and experimental research of the median I kiii of t:lie allny Influence on REM base ori the steel operating propertis. The technology ol the outfurnace treatment, of the poorailoyed sort of steel has been elaborated on the obtained results basis, with the complex alloy application on REM basis, hard slag mixtures and 1 ner-t gases taken as a principle. The tehnology elaborated has been applied In the mass production of the main Importance steels. A considerable economic effect lias been achieved overlng the cutting or the free of order products and the wasts of ferri.ii.is.

KjiiomobI ojiona: TfiXHOJiorlfl, JiliwypH, P3M, noaaiitMHH o6-

ANNOTATfON

робкя, AKloTb метала.