автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение эффективности металлургического производства азотсодержащих сталей с целью стабилизации их служебных характеристик

На правах рукописи

Шитов Егор Викторович

Повышение эффективности металлургического производства азотсодержащих сталей с целью стабилизации их служебных характеристик

Специальность 05 16 02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00Э066Б24

Санкт-Петербург -2007

003066624

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Колпишон Эдуард Юльевич Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Свяжин Анатолий Григорьевич Кандидат технических наук Романов Олег Николаевич

Ведущая организация:

«Государственный научный центр Российской Федерации - Научно-производственное объединение по технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)»

Защита состоится « о1 » 2007 г в часов на заседании

диссертационного совета Д 212 229 14 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, г Санкт-Петербург, ул Политехническая, д 29, СПбГПУ, химический корпус, ауд 51

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « 1Я- » сД-уу"-^ с5^5^2007 г Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 229 14,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

К качеству материалов, используемых в энергетическом машиностроении, судостроении, нефтяной и газовой промышленности предъявляются повышенные требования Особое внимание уделяется механическим и эксплуатационным свойствам, коррозионной стойкости и технологичности этих сталей Используемые ранее стали уже не могут в ряде случаев удовлетворить требованиям заказчиков, что вызывает необходимость разработки композиций и технологий, обеспечивающих производство нержавеющих сталей, отвечающих самым высоким требованиям условиях эксплуатации Все большее распространение получают азотсодержащие стали аустенитного класса, отличающиеся высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью, хорошей коррозионной стойкостью Использование азота в качестве легирующего элемента позволяет частично или полностью заменить никель, марганец и другие дорогостоящие легирующие элементы

В настоящее время накоплен достаточно большой объем информации о свойствах азотсодержащих нержавеющих сталей, термодинамике и кинетике растворения азота в металлическом расплаве Наступает этап, на котором рассматриваются уже способы оптимизации промышленного производства высокоазотистых нержавеющих сталей Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности металлургического производства азотсодержащих сталей с целью стабилизации их служебных характеристик

Цель работы

Исследовать возможности повышения эффективности производства азотсодержащих сталей, снижения брака и себестоимости продукции

Задачи исследования

1 Выбрать необходимые технологические параметры выплавки и электрошлакового переплава азотсодержащих сталей для повышения качества изделий

2 Определить минимальные пределы легирования стали хромом и марганцем, обеспечивающие достаточную растворимость азота для обеспечения необходимого структурного состава стали при выплавке в условиях атмосферного и повышенного давления азота

3 Найти условия выплавки и режимы продувки металла азотом, обеспечивающие максимальную эффективность легирования и снижение расхода дорогостоящих азотированных ферросплавов

4 Исследовать качество поковок из кузнечных слитков азотсодержащей стали и определить возможность производства заготовок без применения электрошлакового переплава

Научная новизна работы

1 Установлен механизм и определены причины трещинообразования при ковке слитков из азотсодержащей стали аустенитного класса, связанные со структурными превращениями в интервале температур пластической деформации

2 Определены причины низкой ударной вязкости азотсодержащей аустенитной стали, обусловленные возможностью образования нитридов алюминия в ходе затвердевания слитка при ЭШП

3 Установлена природа и определены причины образования магнитных включений в поковках из азотсодержащей стали аустенитного класса, связанные с изменениями химического состава подокалинного слоя при нагреве под ковку и термической обработке

4 Определены возможности сокращения содержания марганца и хрома в сталях различного структурного состава за счет увеличения растворимости азота при выплавке в условиях атмосферного и повышенного давления азота

5 С учетом масштабного фактора, на основе лабораторных и промышленных экспериментов, установлен механизм влияния продувки металла газообразным азотом на эффективность легирования расплава из газовой фазы и азотированных ферросплавов

6 Исследована поковка из кузнечного слитка азотсодержащей стали, выплавленной с использованием установки внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ), на соответствие требованиям по качеству, предъявляемым к поковкам из слитков электрошлакового переплава (ЭШП)

Практическая ценность работы

1 Определены основные технологические параметры выплавки в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), обработки на УВРВ и последующего электрошлакового переплава стали 12Х18АГ18Ш, обеспечивающие требуемое качество заготовок бандажных колец

2 Предложены композиции различных по структурному составу экономнолегированных азотсодержащих сталей, что открывает новые возможности для экономии ферросплавов

3 Определены необходимые пределы расхода газообразного азота для легирования расплава в интервале максимальной технологической эффективности и минимальных затрат на легирование азотированным феррохромом

4 Определены технологические параметры внепечной обработки азотсодержащей стали, обеспечивающие производство поковок, качество металла которых сравнимо с качеством металла ЭШП

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на

1 XXXIII и XXXIV неделях науки СПбГПУ в 2004г и 2005г

2 Заседании металлургической секции НТС ООО «ОМЗ-Спецсталь», Санкт-Петербург, 2005г

3 Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» Раздел «Химия и наука о материалах» СПбГПУ 18-19 мая 2006г

4 Международной конференции по высокоазотистым сталям - High Nitrogen Steels 2006, Китай, Jiuzhaigou, 2006 г (2 доклада)

5 Международной научно-практической конференции «От лома до качественной стали», Москва, МИСиС, 2007г

Основные положения, выносимые на защиту

1 Возможности повышения эффективности производства изделий из азотсодержащих сталей

2 Технологические параметры выплавки в ДСП, внепечной обработки и электрошлакового переплава, обеспечивающие требуемое качество бандажных колец

3 Методика расчета и результаты определения возможности сокращения содержания марганца и хрома в составе аустенитных азотсодержащих сталей за счет увеличения содержания азота при выплавке в условиях атмосферного и повышенного давления азота

4 Возможность сокращения расхода азотированных ферросплавов за счет легирования металла газообразным азотом путем продувки расплава в печи-ковше

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, общих выводов, содержит 148 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 21 таблицу, список литературы из 107 названий

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко раскрыта сущность и актуальность рассматриваемых в работе проблем Изложены структура работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов

В первой главе представлен обзор литературных данных о современном положении дел в области производства азотсодержащих сталей Показано, что азотсодержащие стали являются перспективным материалом для производства продукции тяжелого машиностроения Основной проблемой, препятствующей серийному производству поковок, является низкая эффективность производства

В первую очередь, низкая эффективность производства связана с проблемами качества, которые снижают выход годного Затраты на

производство напрямую зависят от полноты использования технологических приемов, направленных на снижение себестоимости конечной продукции

Развитие способов производства сталей при повышенном давлении азота позволяет получать уникальные по свойствам сплавы, однако, важной задачей является поиск новых композиций экономнолегированных азотсодержащих сталей, полученных методами выплавки при атмосферном и избыточном давлении азота

Азот является только условно дешевым легирующим элементом, поскольку большинство способов производства азотсодержащих сталей предусматривает легирование расплава дорогими азотированными ферросплавами, что вызывает необходимость более полного использования возможностей легирования стали дешевым газообразным азотом

Во второй главе представлены и обобщены основные требования по качеству азотсодержащих сталей, изложены методы сбора и обработки данных настоящего исследования Основным объектом исследования выбраны заготовки бандажных колец из аустенитной стали 12Х18АГ18Ш Предметом исследования явилось изучение влияния технологических параметров сталеплавильного передела на качество заготовок бандажных колец из стали 12Х18АГ18Ш в условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь», ОАО «Мечел» и ОАО «Уралмаш»

На рис 1 представлена технологическая схема производства бандажных колец, которая включает в себя выплавку металла в дуговой сталеплавильной печи емкостью 50т в условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь» Согласно принятой технологии, масса плавки рассчитывается на отливку двух литых электродов массой 21-22 т и одного кузнечного слитка массой 9т, предназначенного для изготовления кованного электрода, переплавляемого на ОАО «Мечел» Переплав литых электродов и ковка полученных слитков с последующей механической обработкой заготовок осуществляется на ООО «ОМЗ-Спецсталь» Дальнейшая обработка слитков ЭШП массой 6 т, а в ряде случаев и слитков массой 18 т проводится на ОАО «Уралмаш», где производится гидрорастяжка и окончательная механическая обработка

Исследование причин брака проведено с помощью методов статистической обработки данных, включая корреляционный и регрессионный анализы, а так же обобщение полученных результатов с помощью графических приложений

Для анализа влияния технологических параметров выплавки, разливки и ЭШП на качество заготовок проведен сбор данных, включающий отбор проб и образцов металла на различных этапах производства

Оценка микро и макроструктуры проведена с помощью анализатора изображения «Thixomet» Исследование загрязненности металла неметаллическим включениями выполнено металлографическим методом на нетравленых шлифах в соответствии с ГОСТ 1778-70 и ASTM Е 1245-03 Оценка состава и количества неметаллических включений в металле отобранных образцов проведена также петрографическим и химическим анализом осадка, выделенного электролизом

Термодинамические расчеты проведены в программной среде «MathCAD 13» с использованием термодинамических баз данных, опубликованных в открытой печати Построение диаграмм состояния многокомпонентных многофазных систем, представляющих собой поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ), выполнено с помощью программы, разработанной на кафедре «Стали и Сплавов» СПбГПУ

Оценка качества металла исследуемых образцов и металла заготовок бандажных колец проведена на соответствие требованиям ТУ 24 00 4821-89

Экспериментальные плавки с продувкой металла азотом проведены в индукционной печи с вместимостью тигля 50 кг Продувка осуществлялась через пористую пробку в дне тигля и через стальную трубку сверху

Исследование возможности производства поковок из азотсодержащей стали без применения ЭШП проведено путем комплексного изучения поковки из кузнечного слитка массой 9 т

В третьей главе представлены основные результаты исследования влияния технологических параметров выплавки, разливки и ЭШП на качество металла бандажных колец

Для выявления причин брака была использована методика построения диаграммы Парето Анализ проведен по результатам производства 211

заготовок бандажных, колец, мчготсвлсшилх из 39 слитков, зяектрошлакового переплава, общей массой 702 т. Полученные результаты представлены па рис.2.

39 спигков ЭШП общей масГгОИ г><' 211 заготовок средней массой 2,5 т

12 3 4 5 6

Рис. 2 Р&СПрС; К' К' 11 и С |||)11'«ИН и I брЯ КОВКИ мри производстве ЗАГОТОВОК бандажных колец из стали 12Х18АГ1КШ.

Причины отбраковки и отклонений щтребований ТУ:

Технологическая пластичность;

2-наличие магнитные включений;

3-кру ппио -зерно;

4-уларная вязкость;

5-результаты УЖ;

6-геометрическне размфьт.

Результаты показывают, что в процессе производства заготовок бандажных колец наиболее существенными причинами ото рак о и к и являются; неудовлетворительная технологическая пластичность слитков (трещннообразование при ковке), наличие на поверхности поковок магнитных включений, крупное зерно и низкая ударная вязкость металла. В сумме, процент несоответствий по причинам, рассмотренным в исследованной совокупности, составляет 24%. а окончательный брак 14%.

Низкая технологическая пластичность, крупное зерно и брак по результатам УЗК отмечаются на слитках одних и тех же плавок, низкая ударная вязкость - на других.

Для исследования причин трещшюобразовзния от поверхности поковки был отобран образец с трещинами. При осмотре нетравленйй

поверхности микрошлифов установлено, что трещины ориентированы по скоплениям неметаллических включений

После травления шлифов в местах скопления неметаллических включений наблюдается структура псевдоперлита (азотистого перлита), представляющего собой пластинчатые выделения нитридов хрома в аустенитном зерне В соответствии с диаграммой равновесия Бе-Ы-18%Сг-18%Мп образование псевдоперлита возможно в интервале температур 800900 °С При температурах конца ковки происходит выделение псевдоперлита, что способствует образованию трещин на поверхности поковок Кроме того, при выделении нитридов хрома происходит обеднение аустенитной матрицы хромом и азотом, в результате чего, химический состав стали изменяется и становится возможным образование мартенсита

Тот факт, что выделения псевдоперлита наблюдаются в местах скопления неметаллических включений, позволяет утверждать, что неметаллические включения способствуют образованию псевдоперлита, играя роль подложек и тем самым создавая благоприятные кинетические условия для образования второй фазы

Исследование образцов методом горячего кручения показывает, что результаты ковки в промышленных условиях определяются пластичностью металла, максимальной температурой нагрева, выше которой происходит падение пластических свойств, и температурой конца ковки, при которой происходит образование псевдоперлита

Установлено, что верхний предел температур ковки, при котором наблюдается падение пластических свойств, связан с возможностью образования высокотемпературной ферритной фазы и определяется соотношением концентраций аустенитообразующих и ферритообразующих элементов В случае низкого соотношения величин N13 и Сгэ, в металле, при температурах 1250-1300 °С происходит выделение высокотемпературной ферритной фазы

Пластические свойства слитков из азотсодержащей стали 12Х18АГ18 зависят от состава и количества неметаллических включений В наибольшей степени неметаллическими включениями загрязнен металл кузнечных слитков и литых электродов, после ЭШП массовое содержание неметаллических включений снижается в 2-4 раза

В случае, если металл при выплавке содержал алюминия менее 0,015%, неметаллические включения представлены шпинелями хрома и марганца типа (РеО, МпО) Сг203 Данные включения обнаруживаются в металле в виде цепочек или скоплений по междендритным участкам, следовательно, образование шпинелей хрома и марганца происходит в конце затвердевания, т е данные включения являются третичными

При содержании алюминия более 0,015% включения состоят из глиноземной шпинели АЮ А1203 округлой формы, размером менее 10 мкм и крупных, достигающих в размерах 200 мкм, алюмосиликатов (ЗА1203 28Ю2) остроугольной формы

Термодинамические расчеты показывают, что образование шпинелей хрома и марганца возможно при затвердевании стали в случае недостаточного содержания алюминия По ходу ЭШП удаление включений данного типа ограничено, поскольку при плавлении электрода шпинели хрома и марганца диссоциируют и, избежав контакта со шлаком, вновь образуются при кристаллизации слитка

Сравнительный анализ загрязненности неметаллическими включениями образцов металла, отобранных из ковша в конце обработки на УВРВ и от кузнечного слитка, показывает, что при разливке стали происходит увеличение общего количества неметаллических включений, увеличивается их средний размер и появляются крупные экзогенные включения Это позволяет утверждать, что в ходе разливки имеет место как вторичное окисление, так и разрушение футеровки промежуточных воронок

♦ 1

X 2

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 Содержание в металле алюминия, %масс

Рис. 3 Зависимость количества неметаллических включений от содержания алюминия* 1- в слитке после электрошлакового

переплава, 2- в литом электроде

Данные рис 3 показывают, что количество неметаллических включений в литых электродах определяется содержанием алюминия в металле, с увеличением которого общее содержание включений снижается Аналогичное влияние алюминия на содержание неметаллических включений наблюдается при исследовании металла слитков ЭШП

В целом, меньшему количеству включений в кузнечных слитках соответствует содержание алюминия более 0,015%, при котором исключено образования шпинелей хрома и марганца После ЭШП количество включений определяется исходным их содержанием в электроде и степенью удаления, которая тем выше, чем ниже содержание БЮг во флюсе

Результаты корреляционного анализа подтверждают, что технологическая пластичность слитков из стали 12Х18АГ18 определяется

содержанием в металле алюминия и соотношением концентраций марганца и хрома Наилучшие показатели технологической пластичности наблюдаются при содержании алюминия 0,015-0,030% и отношении Mn/Сг более 1,048%

Причиной низкой ударной вязкости является наличие в металле нитридов алюминия, которые обнаружены на поверхности разрушения ударных образцов Корреляционный анализ позволил установить, что ударная вязкость металла заготовок, содержащего более, чем 0,03% алюминия, ниже требований ТУ Термодинамические расчеты также показывают, что в стали, содержащей 18% Сг и 18% Мп, образование нитридов типа A1N возможно в конце затвердевания из-за ликвации реагентов, при исходном содержании алюминия в жидкой стали больше 0,03%

Исследование химического состава металла магнитных включений показало, что этот металл характеризуется пониженным содержанием хрома, марганца и азота, что приводит к образованию ферритной фазы Основной причиной изменения химического состава стали в областях магнитных включений является обеднение подокалинного слоя этими элементами при нагреве под ковку с образованием окалины, обогащенной оксидами марганца и хрома, а обеднение аустенита хромом и марганцем приводит к снижению растворимости азота и понижению его содержания в металле, что способствует нарушению структурной стабильности, а именно превращен) аустенита с образованием низкотемпературного феррита или мартенсита

В четвертой главе рассмотрены возможности применения различных технологических приемов, направленных на снижение себестоимости изделий из азотсодержащих сталей

С целью определения возможности снижения содержаний хрома и марганца в составе азотсодержащих аусгенитных сталей, разработана методика, заключающаяся в совместном решении уравнений, описывающих зависимости структуры стали и растворимости азота от химического состава металла и парциального давления азота Предложенная методика позволяет определить минимальные пределы содержаний хрома и марганца, при котором растворимость в металле азота в различных условиях выплавки достаточна для стабилизации заданных структурных составов стали

Как показывает проведенный расчет, применительно к азотсодержащей аустенитной стали, увеличение давления азота при выплавке на 0,10 МПа позволяет сократить содержание хрома в составе стали на 1,5% Необходимо учитывать, что для нержавеющих сталей сокращение концентрации хрома ниже 12,5% нежелательно, поскольку это негативно может сказаться на коррозионной стойкости стали

Марганец оказывает менее сильное, чем хром влияние на растворимость азота и на значение величины никель-эквивалента При давлении азота 0,30 МПа, в сталях с 18% хрома растворимость азота достаточна для обеспечения стабилизации аустенитной структуры и исключения марганца из состава стали

На рис 4 представлены области аустенитных, аустенитно-мартенситных и аустенитно-ферритных структурных состояний в зависимости от содержаний марганца, хрома и парциального давления азота, для которых растворимость азота обеспечивает получение необходимого значения величины Мг3, для каждого структурного состояния Точки показывают фактические содержания хрома и марганца в существующих марках азотсодержащих аустенитных сталей, выплавленных при атмосферном давлении

Рис. 4 Структурный состав равновесных азотсодержащих сталей равновесного состава. А - аустенит, Ф - феррит, М — мартенсит.

Полученная расчетным путем диаграмма точно отображает пределы содержаний хрома и марганца, соответствующих требуемому структурному составу

Продувка металла азотом в условиях экспериментальных и промышленных плавок позволила установить, что эффективность данного технологического приема определяется параметрами продувки Так, в условиях лабораторных плавок, получены содержания азота в металле до 0,5%, при этом степень усвоения изменяется в пределах 2-9% и определяется степенью раскисленности металла, скоростью продувки и содержанием азота в металле

Результаты лабораторных плавок показывают, что по мере продувки металла азотом и увеличения его содержания в металле снижается степень его усвоения Полученные зависимости представлены на рис 5

Зная зависимость степени усвоения азота от его расхода можно определить количество азота, переходящего в металл по ходу продувки в соответствии с уравнением

Р3=РФ г% 0,01,

Где Р} - эффективный расход, кг/т, Рф - фактический расход азота на продувку, кг/т, 1% - степень усвоения азота в ходе продувки Кривая эффективного расхода, построенная в соответствии с экспериментальными данными, представлена на рис 5

I §

« К

*> £

II "

а»

I 04 02

00

, у~ 0 000!;<~->-0051к 0,1:

^ у = -2 50481ип{!в»

1

12,581

41

108 120 140 160 180 200

Расход азота кг/г

Рис. 5 Влияние удельного расхода азота на его содержание в металле (1), степень усвоения (2), и эффективный расход (3).

Кривая эффективного расхода показывает, что по ходу продувки азот на ранних этапах активно усваивается металлом На определенном этапе ход кривой изменяется, что связанно с изменением механизма насыщения металла азота с кинетического на диффузионный, что в свою очередь определяется содержанием азота в металле (в данном случае 0,3%) После установления диффузионного механизма насыщения металла азотом, по ходу продувки эффективный расход азота снижается и стремится к нулю, что соответствует установлению равновесия между газовой фазой и металлом

В производственных условиях внепечной обработки стали в ковшах емкостью 70 т, наблюдается повышение содержания азота на 0,011-0,015%, при степени его усвоения 40-43% Относительно малая величина повышения содержания азота связана с невозможностью обеспечения необходимого расхода газообразного азота при существующей конструкции продувочных узлов К примеру, в условиях лабораторных плавок расход азота составил 120-170 кг/т, тогда как продувка в ковше через две пористые пробки обеспечивает расход на уровне 0,27-0,34 кг/т

Более высокая степень усвоения газообразного азота при внепечной обработке определяется большей глубиной ванны, меньшей скоростью продувки, поддержанием достаточной раскисленности металла и возможностью регулирования температуры металла

При легировании стали 12Х18АГ18 из расчета получения 0,6% азота в дуговой сталеплавильной печи, расход азотированного феррохрома составляет 120 кг/т При легировании металла в ковше УВРВ без продувки азотом расход азотированного феррохрома равен 104 кг/т При внепечной обработке с продувкой металла азотом на протяжении всей плавки, расход азотированного феррохрома снизился до 95 кг/т Основными факторами, обеспечивающими более высокую степень усвоения азота из азотированного феррохрома, являются замена азотом аргона при перемешивании металла, усвоение азота из газовой фазы при повышении парциального давления азота над металлом до 0,1 МПа и исключение возможности удаления азота с пузырями аргона

Результаты исследования заготовки из кузнечного слитка массой 9 т показывают, что в поковке не наблюдается значительной макросегригации легирующих элементов Химический состав по всему объему заготовки соответствует требованиям ТУ к металлу ЭШП

Структура однородная, без пор, крупных экзогенных включений, стабильно аустенитная по всей исследованной поковке Исключение составляют поверхностные участки, металл которых имеет выделения псевдоперлита по границам зерен и в местах скопления неметаллических включений

Прочностные свойства кованного металла после охлаждения на воздухе несколько ниже, а пластические свойства выше требований ТУ, энергия разрушения соответствует установленным требованиям, при том, что ТУ регламентируют механические свойства металла после деформационного упрочнения методом гидравлического растяжения и термической обработки Размер зерна и содержание неметаллических включений соответствуют установленным требованиям

Заключение

Результаты проведенного исследования показывают, что основным фактором, влияющим на эффективность производства заготовок бандажных колец из азотсодержащей стали 12Х18АГ18Ш, является снижение выхода годного из-за существующих проблем качества

Наиболее остро стоит проблема неудовлетворительной технологической пластичности металла слитков ЭШП, которая определяется, как технологическими параметрами сталеплавильного передела, так и режимами ковки

Основным требованием, обеспечивающим необходимые пластические свойства кузнечных слитков и слитков ЭШП, является оптимальная морфология неметаллических включений, что обеспечивается получением

стали с необходимым содержанием алюминия. Также необходимым является достаточное соотношение концентраций Мп/Сг {<1,04), исключающие Возможность образования высокотемпературной й-ферритпой фазы при температурах начала ковки.

Основным параметром процесса пластической деформации является температурный интервал ковки, верхний предел которого ограничен возможностью образования высокотемпературной ферритов фазы и тем ниже, чем ниже соотношение Мп/Сг. Нижний предел температур ковки ограничен возможностью образования псевдоперлита, что не допускает заходажи ванне поверхности в процессе ковки, особенно если металл загрязнен шпинелями хрома и марганца, т.к. в этом случае образование второй фазы протекает наиболее интенсивно.

Поскольку содержание в азотсодержащей стали алюминия определяет Морфологию оксидных неметаллических включений, и возможность образования нитридов типа А1Ы, два показателя качества - технологическая пластичность и ударная вязкость сильно зависят от данной величины, что подтверждают данные, представленные па рис.

1

~ 50,00 I 45,00 i 40.00 | 3500 30.00 ~ 25,00 g 20,00 § 15,00 § 10,00 | 5,00 >■ 0,00

О О О О ООО О О ~ оооооооо а

ооеэоооооо

Содержание а металле алюминия, %масс

РнС, 6 IljiiiuiDiL- алюминии ли ударную вязкость (I) и техмоло!ичеекую пластичность стали I2XIНАГ!HIII (2).

11редставленный рисунок показывает, что содержаний алюминия, обеспечивающие требуемую ударную вязкость и необходимую технологическую пластичность стали, соответствуют диапазону от 0,015% до 0.030%. 11ри более низких содержаниях алюминия наблюдается резкое падение технологической пластичности стали 12Х1КАГ18. Верхний предел но содержанию алюминия ограничен падением ударной вязкости стали ниже требований ТУ из-за образования нитридов алюминия.

При низкой технологической пластичности и сужении температурного интервала ковки уменьшается объем деформации за вынос Уменьшение степени деформации приводит к росту зерна и разнозернистости, обнаруживаемой при макроконтроле и УЗК То есть, данные причины брака так же определяются технологической пластичностью, которая в свою очередь зависит от содержания в стали алюминия

Способом предотвращения образования хромистых и алюмосиликатных включений является присадка более сильного раскислителя, чем хром, марганец и кремний при их фактических содержаниях В данном случае наиболее перспективно применение кальция Кроме того, применение кальция позволяет снизить содержание в стали алюминия, и поскольку кальций не способен образовывать нитриды -проблема низкой ударной вязкости исключается

Если низкая ударная вязкость определяется параметрами сталеплавильного передела, а технологическая пластичность зависит от качества металла и параметров ковки, то проблема наличия на поверхности поковок магнитных включений может быть решена за счет увеличения допуска на мех обработку либо осуществлением обдирки заготовок в процессе ковки

Результаты термодинамических расчетов показывают, что снижение себестоимости нержавеющих сталей может быть достигнута за счет снижения содержания хрома и марганца из состава стали, при выплавке в атмосфере азота

Результаты применения газообразного азота для легирования расплава показывают, что основным фактором, не позволяющим реализовать данный технологический прием в условиях производства, является невозможность подвода газообразного азота в необходимых количествах при существующей конструкции продувочных узлов Технология легирования металла газообразным азотом на установке ковш-печь весьма перспективна, поскольку в этом случае существует возможность регулирования температурного режима плави, корректировки химического состава стали и создания над поверхностью металла атмосферы азота

При нынешнем (по состоянию на апрель 2007г) соотношении цен на азотированный феррохром (100 р/кг) и газообразный азот ( 7 р/кг), даже при степени усвоения азота менее чем 1 % продувку целесообразно проводить до установления равновесия между газовой фазой и металлом

Соответствие качества металла после внепечной обработки требованиям к металлу ЭШП делает возможным производство заготовок бандажных колец и других изделий без применения ЭШП, понизить себестоимость конечной продукции, сократить цикл производства, что, в совокупности с принятием мер по решению проблем качества, может существенно увеличить эффективность производства азотсодержащих сталей и значительно расширить область их применения

Выводы:

1 Установлено, что низкая технологическая пластичность азотсодержащей аустенитной стали обусловлена наличием в металле третичных неметаллических включений, способствующих образованию 5-ферритной фазы при температурах свыше 1250°С и псевдоперлитной структуры при диффузионном превращении аустенита в интервале температур 900-800°С В случае захолаживания при ковке псевдоперлитная фаза способствует зарождению трещин на поверхности поковки, а наличие в металле неметаллических включений и высокотемпературной ферритной фазы способствует развитию трещин вглубь заготовки Благоприятный состав неметаллических включений обеспечивается содержанием алюминия в металле в пределах 0,015-0,030% Температура выделения 5-феррита определяется также соотношением Мп/Сг, и тем ниже, чем ниже данная величина

2 Обнаружено, что магнитные включения на поверхности заготовок бандажных колец являются а или 5 фазой - результатом диффузионного снижения концентраций хрома, марганца и азота в подокалинном слое, образующемся при окислительном нагреве под ковку Избежать данного дефекта позволяет удаление подокалинного слоя зачисткой слитков и заготовок в процессе ковки или введение соответствующего увеличенного допуска под механическую обработку

3 Выявлено, что пониженная ударная вязкость металла определяется наличием в металле третичных включений нитридов алюминия, образующихся при затвердевании слитка электрошлакового переплава при содержании в металле алюминия более 0,030%

4 Разработана методика оптимизации состава хромомарганцовистых азотсодержащих сталей по критерию получения заданного структурного состава при минимальных содержаниях хрома и марганца Показано, что выплавка и разливка стали в атмосфере азота и при его избыточном давлении позволит снизить содержание хрома и марганца в составе сталей Увеличение давления азота на 0,10 МПа позволяет сократить содержание хрома на 1,5% При давлениях более 0,20 МПа содержания в металле 0,8-1,0% азота достаточно для стабилизации аустенитной структуры и исключения марганца из состава стали

5 Эффективность легирования металла азотом из газовой фазы при внепечной обработке ограничена низким расходом азота в силу особенностей существующей конструкции продувочных узлов В целом, применение газообразного азота экономически оправдано при легировании стали 12Х18АГ18 до содержаний азота близких к пределу растворимости, несмотря на снижение степени усвоения азота по мере его насыщения расплавом

6 Исследована поковки из 9-тонного слитка азотсодержащей стали, обработанной на установке печь-ковш Показано, что уровень ликвации основных легирующих элементов незначителен, чем обеспечивается

стабильность аустенитной структуры в зонах макросегрегации Механические свойства металла удовлетворительные Технологическая пластичность, связанная с загрязненностью третичными оксидными включениями и образованием псевдоперлита по границам дендритов, может быть улучшена при оптимизации раскисления и предотвращении вторичного окисления

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Шитов, Е В Влияние химического состава стали на ликвацию азота [Текст] / ЕВ Шитов, ЭЮ Колпишон // Материалы межвузовской научной конференции, XXXIII неделя науки СПбГТУ, Санкт-Петербург, 29 ноября - 4 декабря 2004 С - 162-164

2. Шитов, Е В Минимальное содержание хрома для азотсодержащих аустенитных сталей равновесного состава [Текст] /ЕВ Шитов, Э Ю Колпишон // Материалы межвузовской научной конференции, XXXIV неделя науки СПбГТУ, Санкт-Петербург, 2005

3. Шитов, Е В Экономнолегированные азотсодержащие марки стали [Текст] / ЕВ Шитов, Э Ю Колпишон // Фундаментальные исследования в технических университетах Материалы X Всероссийской конференции по проблемам и высшей школы 18-19 мая

2006 года, Санкт-Перербург - СПб Изд-во Политехи Ун-та, 2006 С-359-360

4. Shytov, Е V Problems of Р-900 steel retaining rings production [Текст] / E V Shytov, E Y Kolpishon, M V Ivanova, Y J Utochkm, Y M Batov // Mmatenals of International Conference on High Nitrogen Steels 2006, August 29-31,2006, Jiuzhaigou Valley, China - С 290-294

5. Shytov, E V An equivalent composition of structure stable High Nitrogen steels [Текст] / E V Shytov, E Y Kolpishon, M V Ivanova, Y J Utochkin, Y M Batov // Mmatenals of International Conference on High Nitrogen Steels 2006, August 29-31, 2006, Jiuzhaigou Valley, China - С 203-208

6. Шитов, ЕВ Влияние химического состава на технологическую пластичность азотсодержащей аустенитной стали [Текст] / Э Ю Колпишон, М В Иванова, С Ю Афанасьев, Е В Шитов // «Электрометаллургия» - 2006 — № 11 - С 40-44

7. Шитов, Е В Влияние алюминия на содержание кислорода и количество неметаллических включений в стали 12Х18АГ18Ш [Текст] / Э Ю Колпишон, М В Иванова, С Ю Афанасьев, Е В Шитов // «Электрометаллургия» -2006 -№12 -С 28-31

8. Шитов, Е В Азотсодержащие стали эквивалентного состава [Текст] / ЭЮ Колпишон, MB Иванова, ЕВ Шитов // «Черные металла» -

2007 - № 2 - С 10-12

9. Шитов, Е В Возможности сокращения содержаний хрома и марганца в составе азотсодержащих аустенитных сталей [Текст] / Э Ю Колпишон, MB Иванова, ЕВ Шитов П «Электрометаллургия» -2007 — № 5 - С 23-27

Лицензия ЛР №020593 от 07 08 97

Подписано в печать 25 09 2007 Формат 60x84/16 Печать цифровая Уел печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 2011Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29 Тел 550-40-14 Тел/факс 297-57-76

Введение.

Глава 1 Современное состояние производства нержавеющих 6 азотсодержащих сталей аустенитного класса.

1.1 Теоретические предпосылки производства азотсодержащих сталей.

1.2 Эффективность современных способов производства азотсодержащих сталей.

1.3 Цели и задачи исследования.

Глава 2 Методы контроля и исследования качества заготовок из высокоазотистых сталей.

2.1 Технологическая схема производства бандажных колец из азотсодержащей стали 12Х18АГ18Ш.

2.2 Показатели качества заготовок бандажных колец и методы контроля.

Глава 3 Результаты исследования влияния технологических параметров • выплавки и электрошлакового переплава на качество азотсодержащих сталей.

3.1 Исследование причин трещинообразования при ковке.

3.2 Причины низкой ударной вязкости металла заготовок бандажных колец.

3.3 Природа магнитных включений и причины их образования.

3.4 Выбор необходимых технологических параметров выплавки и электрошлакового переплава.

Глава 4 Возможности снижения себестоимости производства азотсодержащих сталей.

4.1 Определение минимальных содержаний хрома и марганца, обеспечивающих необходимую растворимость азота для стабилизации аустенитной структуры.

4.2 Возможности легирования стали азотом из газовой фазы.

4.3 Исследование качества поковки из кузнечного слитка стали 12Х18АГ18Ш.

Актуальность проблемы

К качеству материалов, используемых в энергетическом машиностроении, судостроении, нефтяной и газовой промышленности предъявляются повышенные требования. Особое внимание уделяется механическим и эксплуатационным свойствам, коррозионной стойкости и технологичности этих сталей. Используемые ранее стали уже не могут в ряде случаев удовлетворить требованиям заказчиков, что вызывает необходимость разработки композиций и технологий, обеспечивающих производство коррозионно-стойких сталей, отвечающих самым высоким требованиям условиях эксплуатации. Все большее распространение получают азотсодержащие аустенитные стали, отличающиеся высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью, хорошей коррозионной стойкостью. Использование азота в качестве легирующего элемента позволяет частично заменить никель и другие дорогостоящие легирующие элементы.

Однако, как показывают данные, полученные за период проведения настоящего исследования, при наличии на отечественных предприятиях всего необходимого оборудования и материалов, попытки внедрения технологии производства изделий из азотсодержащих сталей не всегда имели успех, и причиной этому послужила низкая эффективность производства, в первую очередь, связанная с проблемами качества.

В настоящее время накоплен достаточно большой материал о свойствах азотсодержащих нержавеющих сталей, термодинамике и кинетике растворения азота в металле. G. Balachandan в своих работах систематизировал методики определения минимального содержания азота в металле, при котором обеспечиваются условия получения аустенитной структуры. Результаты экспериментов и методики определения растворимости азота в металле представлены в работах Ю. М. Помарина,

Elliott J. F. В своих работах Markus Speidel рассмотрел влияние содержания азота в металле на параметры кристаллической структуры и механические свойства сталей. Кинетические закономерности взаимодействия газообразного азота с металлом рассмотрены в работах А. Г. Свяжина. Большое количество работ Ц. Рашева посвящено разработке методов выплавки стали под избыточным давлением азота. Регулярно проводятся международные конференции «HNS», посвященные проблемам производства и исследования высокоазотистых сталей.

Цель работы

Исследовать возможности улучшения эффективности производства азотсодержащих сталей, снижения брака и себестоимости продукции.

Задачи исследования

1. Выбрать необходимые технологические параметры выплавки и электрошлакового переплава азотсодержащих сталей для повышения качества изделий.

2. Определить минимальные пределы легирования стали хромом и марганцем, обеспечивающие достаточную растворимость азота для обеспечения необходимого структурного состава стали при выплавке в условиях атмосферного и повышенного давления азота.

3. Найти условия выплавки и режимы продувки металла азотом, обеспечивающие максимальную эффективность легирования и снижение расхода дорогостоящих азотированных ферросплавов.

4. Исследовать качество поковок из кузнечных слитков азотсодержащей стали и определить возможность производства заготовок без применения электрошлакового переплава.

Научная новизна работы

1. Установлен механизм и определены причины трещинообразования при ковке слитков из азотсодержащей стали аустенитного класса,

• связанные со структурными превращениями в интервале температур пластической деформации.

2. Определены причины низкой ударной вязкости азотсодержащей аустенитной стали, обусловленные возможностью образования нитридов алюминия в ходе затвердевания слитка при ЭШП.

3. Установлена природа и определены причины образования магнитных включений в поковках из азотсодержащей стали аустенитного класса, связанные с изменениями химического состава подокалинного слоя при нагреве под ковку и термической обработке.

4. Определены возможности сокращения содержания марганца и хрома в сталях различного структурного состава за счет увеличения растворимости азота при выплавке в условиях атмосферного и повышенного давления азота.

5. С учетом масштабного фактора, на основе лабораторных и промышленных экспериментов, установлен механизм влияния продувки металла газообразным азотом на эффективность легирования расплава из газовой фазы и азотированных ферросплавов.

6. Исследована поковка из кузнечного слитка азотсодержащей стали, выплавленной с использованием установки внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ), на соответствие требованиям по качеству, предъявляемым к поковкам из слитков электрошлакового переплава (ЭШП).

Практическая ценность работы

1. Определены основные технологические параметры выплавки в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), обработки на УВРВ и последующего электрошлакового переплава стали 12Х18АГ18Ш, обеспечивающие требуемое качество заготовок бандажных колец.

2. Предложены композиции различных по структурному составу ♦ экономнолегированных азотсодержащих сталей, что открывает новые возможности для экономии ферросплавов.

3. Определены необходимые пределы расхода газообразного азота для легирования расплава в интервале максимальной технологической эффективности и минимальных затрат на легирование азотированным феррохромом.

4. Определены технологические параметры внепечной обработки азотсодержащей стали, обеспечивающие производство поковок, качество металла которых сравнимо с качеством металла ЭШП.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:

1. XXXIII и XXXIV неделях науки. СПбГПУ в 2004г и 2005г.

2. Заседании металлургической секции НТС ООО «ОМЗ-Спецсталь», Санкт-Петербург, 2005г.

3. Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» Раздел: «Химия и наука о материалах». СПбГПУ. 18-19 мая 2006г.

4. Международной конференции по высокоазотистым сталям - High Nitrogen Steels 2006, Китай, Jiuzhaigou, 2006 г. (2 доклада).

5. Международной научно-практической конференции «От лома до качественной стали», Москва, МИСиС, 2007г.

Публикации

Основные положения диссертации и результаты экспериментов опубликованы в 9 печатных публикациях:

1. Шитов, Е.В. Влияние химического состава стали на ликвацию азота [Текст] / Е.В. Шитов, Э.Ю. Колпишон // Материалы межвузовской научной конференции, XXXIII неделя науки СПбГТУ, Санкт

Петербург, 29 ноября - 4 декабря. 2004. С,- 162-164.

2. Шитов, Е.В. Минимальное содержание хрома для азотсодержащих аустенитных сталей равновесного состава [Текст] / Е.В. Шитов, Э.Ю. Колпишон // Материалы межвузовской научной конференции, XXXIV неделя науки СПбГТУ, Санкт-Петербург, 2005.

3. Шитов, Е.В. Экономнолегированные азотсодержащие марки стали [Текст] / Е.В. Шитов, Э.Ю. Колпишон // Фундаментальные исследования в технических университетах.: Материалы X Всероссийской конференции по проблемам и высшей школы. 18-19 мая 2006 года, Санкт-Перербург. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2006. С-359-360.

4. Shytov, E.V. Problems of Р-900 steel retaining rings production [Текст] / E.V. Shytov, E.Y. Kolpishon, M.V. Ivanova, Y.J. Utochkin, Y.M. Batov // Mmaterials of International Conference on High Nitrogen Steels 2006, August 29-31,2006, Jiuzhaigou Valley, China.- C. 290-294.

5. Shytov, E.V. An equivalent composition of structure stable High Nitrogen steels [Текст] / E.V. Shytov, E.Y. Kolpishon, M.V. Ivanova, YJ. Utochkin, Y.M. Batov // Mmaterials of International Conference on High Nitrogen Steels 2006, August 29-31,2006, Jiuzhaigou Valley, China.- C. 203-208.

6. Шитов, Е.В. Влияние химического состава на технологическую пластичность азотсодержащей аустенитной стали [Текст] / Э.Ю. Колпишон, М.В. Иванова, С.Ю. Афанасьев, Е.В. Шитов // «Электрометаллургия». - 2006. - № 11. - С. 40-44.

7. Шитов, Е.В. Влияние алюминия на содержание кислорода и количество неметаллических включений в стали 12Х18АГ18Ш [Текст] Э.Ю. Колпишон, М.В. Иванова, С.Ю. Афанасьев, Е.В. Шитов // «Электрометаллургия». - 2006. - № 12. - С. 28-31.

8. Шитов, Е.В. Азотсодержащие стали эквивалентного состава [Текст] / Э.Ю. Колпишон, М.В. Иванова, Е.В. Шитов // «Черные металла». -2007.-№2.-С. 10-12.

9. Шитов, Е.В. Возможности сокращения содержаний хрома и марганца в составе азотсодержащих аустенитных сталей. [Текст] / Э.Ю. Колпишон, М.В. Иванова, Е.В. Шитов // «Электрометаллургия». -2007.-№5.-С. 23-27.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Возможности повышения эффективности производства изделий из азотсодержащих сталей.

2. Технологические параметры выплавки в ДСП, внепечной обработки и электрошлакового переплава, обеспечивающие требуемое качество бандажных колец.

3. Методика расчета и результаты определения возможности сокращения содержания марганца и хрома в составе аустенитных азотсодержащих сталей за счет увеличения содержания азота при выплавке в условиях атмосферного и повышенного давления азота.

4. Возможность сокращения расхода азотированных ферросплавов за счет легирования металла газообразным азотом путем продувки расплава в печи-ковше.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, общих выводов; содержит 148 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 21 таблицу, список литературы из 107 названий.

133 Выводы:

1. Установлено, что низкая технологическая пластичность азотсодержащей аустенитной стали обусловлена наличием в металле третичных неметаллических включений, способствующих образованию 5-ферритной фазы при температурах свыше 1250°С и псевдоперлитной структуры при диффузионном превращении аустенита в интервале температур 900-800°С. В случае захолаживания при ковке псевдоперлитная фаза способствует зарождению трещин на поверхности поковки, а наличие в металле неметаллических включений и высокотемпературной ферритной фазы способствует развитию трещин вглубь заготовки. Благоприятный состав неметаллических включений обеспечивается содержанием алюминия в металле в пределах 0,015-0,030%. Температура выделения 5-феррита определяется также соотношением Mn/Сг, и тем ниже, чем ниже данная величина.

2. Обнаружено, что магнитные включения на поверхности заготовок бандажных колец являются а или 5 фазой - результатом диффузионного снижения концентраций хрома, марганца и азота в подокалинном слое, образующемся при окислительном нагреве под ковку. Избежать данного дефекта позволяет удаление подокалинного слоя зачисткой слитков и заготовок в процессе ковки или введение соответствующего увеличенного допуска под механическую обработку.

3. Выявлено, что пониженная ударная вязкость металла определяется наличием в металле третичных включений нитридов алюминия, образующихся при затвердевании слитка электрошлакового переплава при содержании в металле алюминия более 0,030%.

4. Разработана методика оптимизации состава хромомарганцовистых азотсодержащих сталей по критерию получения заданного структурного состава при минимальных содержаниях хрома и марганца показывает, что выплавка и разливка стали в атмосфере азота и при его избыточном давлении позволит снизить содержание хрома и марганца в составе сталей. Увеличение давления азота на 0,10 МПа позволяет сократить содержание хрома на 1,5%. При давлениях более 0,20 МПа содержания в металле 0,8-1,0% азота достаточно для стабилизации аустенитной структуры и исключения марганца из состава стали.

5. Эффективность легирования металла азотом из газовой фазы при внепечной обработке ограничена низким расходом азота в силу особенностей существующей конструкции продувочных узлов. В целом, применение газообразного азота экономически оправдано при легировании стали 12Х18АГ18 до содержаний азота близких к пределу растворимости, несмотря на снижение степени усвоения азота по мере его насыщения расплавом.

6. Исследована поковка из 9-тонного слитка азотсодержащей стали, обработанной на установке печь-ковш. Показанно, что уровень ликвации основных легирующих элементов незначителен, чем обеспечивается стабильность аустенитной структуры в зонах макросегрегации. Механические свойства металла удовлетворительные. Технологическая пластичность, связанная с загрязненностью третичными оксидными включениями и образованием псевдоперлита по границам дендритов, может быть улучшена при оптимизации раскисления и предотвращении вторичного окисления.

135

Заключение

Результаты проведенного исследования показывают, что основным фактором, влияющим на эффективность производства заготовок бандажных колец из азотсодержащей стали 12Х18АГ18Ш, является снижение выхода годного из-за существующих проблем качества.

Анализ причин отбраковки в процессе производства заготовок бандажных колец показал, что основными проблемами являются: неудовлетворительная технологическая пластичность, низкий уровень ударной вязкости и наличие магнитных включений на поверхности заготовок.

Наиболее остро стоит проблема неудовлетворительной технологической пластичности металла слитков ЭШП, которая определяется, как технологическими параметрами сталеплавильного передела, так и режимами ковки.

Основным параметром процесса пластической деформации является температурный интервал ковки, верхний предел которого ограничен возможностью образования высокотемпературной ферритной фазы и тем ниже, чем ниже соотношение Mn/Сг. Нижний предел температур ковки ограничен возможностью образования псевдоперлита, что не допускает захолаживание поверхности в процессе ковки, особенно если металл загрязнен шпинелями хрома и марганца, поскольку в этом случае образование второй фазы протекает наиболее интенсивно.

Третичные включения шпинелей хрома и марганца, располагающиеся преимущественно по междендритным участкам, облегчают образование как 6-фазы, так и псевдоперлита и, являясь концентраторами напряжений, ухудшают пластические свойства металла.

Именно в случае низкого содержания алюминия в металле, неметаллические включения представлены третичными шпинелями хрома и марганца по границам дендритов. С увеличением содержания алюминия увеличивается доля глиноземной шпинели и алюмосиликатов в составе неметаллических включений.

Бесспорно, что наличие в металле глиноземной шпинели предпочтительно ввиду незначительных размеров и округлой формы данного вида включений, а увеличение количества крупных алюмосиликатных включений нежелательно. Показана связь содержания алюмосиликатов с составом флюса, используемом при ЭШП. Чем выше содержание SiC>2 во флюсе, тем выше доля силикатов и ниже технологическая пластичность.

При содержании в металле алюминия более 0,015% обеспечивается благоприятная морфология оксидных неметаллических включений. Однако, при содержании в металле алюминия более 0,03% существует опасность образования в азотсодержащей стали нитридов алюминия, и как следствие падение уровня ударной вязкости ниже требований ТУ.

Поскольку способом предотвращения образования хромистых и алюмосиликатных включений является присадка более сильного раскислителя, чем хром, марганец и кремний при их фактических содержаниях, то в данном случае наиболее перспективно применение кальция, в количестве Применение кальция позволит снизить содержание в стали алюминия, и, поскольку кальций неспособен образовывать нитриды, снимается проблема низкой ударной вязкости.

Электрошлаковый переплав обеспечивает снижение содержания неметаллических включений в металле в 2-4 раза. Третичные шпинели хрома и марганца, которые образуются при недостаточном содержании алюминия в металле, не удаляются при ЭШП, поскольку их образование происходит в конце затвердевания.

В большей степени при ЭШП удаляются крупные алюмосиликатные включения. При этом общее содержание неметаллических включений, тем меньше, чем ниже содержание БЮг в используемом флюсе. Связанно это с тем, что низкая активность оксидов кремния во флюсе способствует протеканию реакции восстановления кремния из алюмосиликатов. 50,00 | 45,00 к 40,00 | 35,00 g 30,00 7 25,00 ° 20,00 I 15,00 | 10,00 | 5,00 S

Рис. 4.21 Влияние алюминия на ударную вязкость (1) и технологическую пластичность стали 12Х18АГ18Ш (2). 0,00 о о о оооооооо оооооооо о оооооооо

Содержание в металле алюминия, %масс

Рисунок 4.21 показывает, что содержания алюминия, обеспечивающие требуемую ударную вязкость и необходимую технологическую пластичность стали, соответствуют диапазону от 0,015% до 0,030%. При содержаниях алюминия ниже данного диапазона наблюдается резкое падение технологической пластичности стали 12Х18АГ18 из-за образования шпинелей хрома и марганца. Верхний предел по содержанию алюминия ограничен падением ударной вязкости стали ниже требований ТУ из-за образования нитридов алюминия.

Оптимальные содержания алюминия, для стали 12Х18АГ18 лежат в пределах 0,015%-0,030%. При более высоком содержании алюминия в переплавляемом металле на некоторых плавках наблюдается снижение его содержания, которое тем больше, чем выше содержание Si02 в составе флюса. При снижении содержания алюминия в переплавляемом металле отмечается некоторое увеличение содержания кремния в слитке после переплава. Следовательно, содержание алюминия в переплавляемом металле должно быть достаточно для предотвращения образования шпинелей хрома и марганца, а содержание Si02 в составе флюса должно быть не более 3%, чтобы снизить угар алюминия и предотвратить образование алюмосиликатов.

При низкой технологической пластичности и сужении температурного интервала ковки уменьшается объем деформации за вынос. Уменьшение степени деформации приводит к росту зерна и разнозернистости, обнаруживаемой при макроконтроле и УЗК. То есть, эти виды брака так же определяются технологической пластичностью, которая в свою очередь зависит от содержания в стали алюминия.

Проблема наличия на поверхности поковок магнитных включений может быть решена за счет увеличения допуска на мех обработку либо осуществлением обдирки заготовок в процессе ковки.

Результаты термодинамических расчетов показывают, что разработка новых экономнолегированных нержавеющих сталей, низкая стоимость которых может быть достигнута за счет снижения содержания хрома и марганца, представляется перспективной, так как выплавка в атмосфере азота требует только замены аргона азотом при внепечной обработке и ЭШП.

Технология легирования металла газообразным азотом на установке ковш-печь весьма перспективна, поскольку в этом случае существует возможность регулирования температурного режима плави, корректировки химического состава стали и создания над поверхностью металла атмосферы азота.

1. Семин, А.Е. Место коррозионно-стойкой стали в мировой металлургии Текст. / А.Е. Семин, Ю.И. Уточкин, Е.А. Родионова // Электрометаллургия. - 2006. - № 1. - С. 2-9.

2. Шнальцгер, Й. Инновации в производстве коррозионно-стойкой стали Текст. / Й. Шнальцгер, Г. Штаудингер, К. Мёрвальд, А. Юнгбауэр // Сталь. 2006. - № 5. - С. 53-57.

3. Колпишон, Э.Ю. Высокоазотистая сталь Текст. / Э.Ю. Колпишон // Электрометаллургия. 2006. - № 2. - С. 41-46.

4. Foct J. Future developments and applications of nitrogen-bearing steels and stainless steels. Sadhana Vol. 28, Parts 3 & 4, June/August 2003, pp. 731-737.

5. Markus O. Speidel, Hannes J. Speidel. Nitrogen Containing Austenitic Stainless Steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 21-29.

6. Steel Founder Society of America Электронный ресурс., steel statistics for 1995. Режим доступа: http://www.sfsa.org/sfsa/sfspubli.html#sfspubl.0547 Свободный.

7. Joachim MENZEL. Walter KIRSCHNER, Gerald STEIN, High Nitrogen Containing Ni-free Austenitic Steels for Medical Applications. ISIJ International, Vol. 36 (1996), No. 7, pp. 893-900,

8. Рашев, Ц. Создание лабораторных и промышленных установок для одностадийного производства высокоазотистой стали Текст. / Ц. Рашев // Электрометаллургия. 2004. - № 2. - С. 6-10.

9. Peter J. UGGOWITZER, Ruth MAGDOWSKI, Markus O. SPEIDEL. Nickel Free High Nitrogen Austenitic Steels, ISIJ International, Vol. 36 (1996). No. 7, pp. 901-908.

10. Гоминь, Ш. Ввод в эксплуатацию новых мощностей по выплавке коррозионностойкой стали на шанхайском заводе № 1 компании

11. BAOSTEEL Текст. / Ши Гоминь, Я. Райхель, Г. Штадтфельд, Й. Кемпкен. // Черные металлы. октябрь 2006. - С. 50-57.

12. Силина, Е.П. Бандажные кольца роторов турбогенераторов Текст. / Е.П. Силина // С-Петербург. 2002. - 30 с.

13. Рашев, Ц. Основные результаты по металлургии высокоазотистых сталей, полученных на основе литья с противодавлением Текст. / Ц. Рашев// «Высокоазотни стомани 89». Сборник докладов. Болгария. 1989г. с. 5-12.

14. Горбатский, Ю.В. Сравнительный анализ свойств аустенитных сталей отечественного и зарубежного производства Текст./ Ю.В. Горбатский, Г.А. Степанов // Балтийские металлы. № 3(14). - май-июнь 2000 г. - С. 19-20.

15. Рашев, Ц. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением Текст. / Ц. Рашев // Изд-во Болгарской АН. София 1995. 268 с.

16. Stein G., Hucklenbroich I. Manufacturing and Applications of High Nitrogen Steels / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels «HNS-2003». Institute of Metallurgy ETH. Zutich. 2003. pp. 2130.

17. Сомова, В. Каппа возвращается Текст. / В. Сомова // Объединенная машиностроительная газета. 2006г 20 октября. 19(13225).-с. 4.

18. Liang Jianxiong, Yang Zhiyong, Li Wenhui, Yi Bangwang. Study of the Properties of High-Nitrogen Stainless Steel lCrl8Mnl8N / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 110-117.

19. Stein G., Hucklendroich I. Nitrogen alloyed high strength austenitic materials for power station components / Proceeding of 15th International Forgemasters Meeting. Japan, JSCFA 2003. p. 500-505.

20. Kuyucak S. Nitrogen Problem in Austenitic Manganese Steels. AFS Transactions. 1999. - № 17. - p. 375-381.

21. BALACHANDRAN G., BHATIA M.L., BALLAL N.B, RAO R.K. Processing Nickel Free High Nitrogen Austenitic Stainless Steels through Conventional Electroslag Remelting Process. ISIJ International, Vol. 40 (2000), № 5, pp. 478-483.

22. Ригина, Л.Г. Легирование стали азотом Текст. / Л.Г. Ригина, Я.М. Васильев, B.C. Дуб, Э.Ю. Колпишон, С.Ю. Афанасьев // Электрометаллургия. 2005. - №2. - С. 15-21.

23. Соболев, М.Ю Особенности производства аустенитных сталей, легированных азотом в открытых электродуговых печах Текст./ М.Ю Соболев, Э.Ю. Колпишон, М.В. Иванова // «Высокоазотни стомани 89». Сборник докладов. Болгария. 1989г. с. 53-54.

24. Orita K., Ikeda Y., Iwadate Т., Ishizaka J. Development and Production of 18Mn-18Cr Non-magnetic Retaining Ring with High Yield Strength. ISIJ International, Vol. 30 (1990), No. 8, pp. 587-593.

25. Eduard Y. Kolpishon, Yuri I. Utochkin and Margarita V. Ivanova: HNS product quality and technology of their manufacturing / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels «HNS-2004». GRIPS media. Ostend, Belgium. 2004. pp. 591-596.

26. Коджаспиров, Г.Е. Коррозионно-стойкая азотсодержащая сталь и некоторые проблемы ее термомеханического управления Текст. / Г.Е. Коджаспиров // Электрометаллургия. 2004.-№ 1.- С. 8-13.

27. SUCRE Y.R, IOST A., VOGT J.B., NAJJAR D., CHUMLYAKOV Y.I. Mechanical Properties of Austenitic Stainless Steel Single Crystals: Influence of Nitrogen and Hydrogen Content / METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS, Vol. 31 A, January 2000. p. 153-155.

28. Speidel M.O. From High-Nitrogen Steels to High-Interstitial alloys / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels «HNS-2003». Institute of Metallurgy ETH. Zutich. 2003. pp. 1-8,

29. Svyazhin A. G. Nitrogen Steels of Wight Purposes Production, Treatment, Properties / Proceeding of International Conference on High Nitrogen

30. Steels «HNS-2003». Institute of Metallurgy ETH. Zutich. 2003. pp. 4352.

31. Saunders N., Guo Z., Li X., Miodownik A.P., Schille J.Ph. Using JMatPro to Model Materials Properties and Behavior. JOM December 2003. pp.6065.

32. Gavriljuk V.G. Atomic Interactions and Mechanism of Strengthening in Nitrogen Steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 3-12.

33. Han Dong, Fan Rong, Yuping Lang, Yuqing Weng. Microstructure and Properties of High Nitrogen Stainless Steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 13-20.

34. Schmalt F., Berns H., Gavriljuk V. Mechanical properties of a stainless austenitic CrMnCN steel. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2004.GRIPS media, Belgium, 2004. p. 437-446.

35. Gavriljuk V.G., Shanina B.D. Nitrogen, carbon and hydrogen in austenitic steel: impact on structure and properties. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2004.GRIPS media, Belgium, 2004. p. 29-35.

36. Becquart C., Domain C. Computational analysis of the atomic scale interactions of С and N in steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2004.GRIPS media, Belgium, 2004. p. 15-28.

37. Berns H. Alloy development and processing. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2004.GRIPS media, Belgium, 2006. p. 271-281.

38. Нгуен Хыу Лыонг. Исследование процессов образования неметаллических включений в жидких и затвердевающих сталях и никелевых сплавах методами компьютерного моделирования Текст.: Дисс. . канд. тех. наук /Нгуен Хыу Лыонг,- Санкт-Петербург, 1992.170 с.

39. Казаков, А.А. Расчет и управление процессами фазообразования в азотсодержащих сталях и сплавах Текст. / А.А. Казаков // «Высокоазотни стомани 89». Сборник докладов. Болгария. 1989г. с. 83-87.

40. Сидоренко, М.Ф. Теория и технология электроплавки стали Текст.: Учебн. пособие для вузов / М.Ф Сидоренко.- М.: Металлургия.- 1985.270 с.

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

42. Казачков, Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов Текст. / Е.А Казачков.- М.: Металлургия.- 1988.- 288 с.

43. Григорян, В.А. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов Текст./ В.А. Григорян, А.Я. Стомахин, А.Г. Пономаренко.- М.: Металлургия.- 1989.- 288с.

44. Perrot P., Foct J. Discussion on the Thermodynamical Bases used and in High-Nitrogen Steel Making / Preprint for the 2nd International Conference "High Nitrogen Steel". Aachen, Germany, October 1990. pp 32-38.

45. Свяжин, А.Г. Азот при производстве стали. Теория и технология Текст. / А.Г. Свяжин // Междунородная конференция диспут «МЕТАЛЛУРГИЯ И МЕТАЛЛУРГИ XXI века»: Сборник трудов / Под ред. С.В. Казаков. - М.: Кафедра металлургии стали МИСиС, 2001.-С. 305-320.

46. Pomarin Y. М., Grigorenko G. М. Equation for Calculation of Nitrogen Solubility in Nitrogen-Containing Steels and Alloys / Preprint for the 2nd International Conference "High Nitrogen Steel". Aachen, Germany, October 1990. pp. 27-31.

47. Feichinger H. K.: Proc. of 3rd Int. Conf. on Nigh Nitrogen Steels. HNS-93. Inst, of Met. Phys. Kiev. Ukraine. (1993). P 45.

48. BALACHANDRAN G., BHATIA M. L., BALLAL N. В., RAO K.P. Some Theoretical Aspects on Designing Nickel Free High Nitrogen Austenitic Stainless Steels, ISIJ International, Vol. 41 (2001), No. 9, pp. 1018-1027.

49. Shen Chunfei, Jiang Xingyuan, Liu Hong, Li Yang, Jiang Zhouhua, Liang Lianke, Yin Shiyou. Experiment Research and Thermodynamic

50. Calculation of Nitrogen Solubility in Austenitic Stainless Steel. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 408-414.

51. Морозов, A.H. Водород и азот в стали Текст. / А.Н. Морозов. -Металлургиздат. Москва 1950. с. 225.

52. HOROVITZ М. В., NET0 F., GARBOGINI A., TSCHIPTSCHIN А. Р. Nitrogen Bearing and Properties Martensitic Stainless Steels: Microstructure and Properties. ISIJ International, Vol. 36 (1996), No, 7, pp. 840-845.

53. Claudia Kowanda. Solubility of Nitrogen in Transition Metals / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels «HNS-2003». Institute of Metallurgy ETH. Zutich. 2003. pp. 75-89.

54. TSUCHIYAMA T, ITO H., KATAOKA K., TAKAKI S. Fabrication of Ultrahigh Nitrogen Austenitic Steels by Nitrogen Gas Absorption into Solid Solution / METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS. V. 34A, NOVEMBER 2003. pp. 74-79.

55. Римкевич, B.C. О возможности легирования металла азотом из газовой фазы Текст. /B.C. Римкевич, Е.В. Буцкий, В.И. Курасов, И.В. Сажин, С.Г. Савченко // Электрометаллургия. 2002. - № 2. - с. 14-16.

56. Эллиот, Д.Ф. Термохимия сталеплавильных процессов Текст. / Д.Ф. Эллиот, М. Глейзер, В. Рамакришна. М: Металлургия. - 1969. -252с.

57. Вагнер, К. Термодинамика расплавов Текст.: пер. с англ./ К. Вагнер //—М.: Металлургия.- 1975.- 179с.

58. Tsolo Rashev. Development of Laboratory and Industrial Installations for One Stage Production of HNS / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels «HNS-2003». Institute of Metallurgy ETH. Zutich. 2003. pp. 139-145.

59. Wada H., Pehlke R.D. Nitrogen solution and titanium nitride precipitation in liquid Fe-Cr-Ni alloys.// Met. Trans. 1977. V. 8B. P. 443-450.

60. Казаков, A.A. Производство стали. Растворимость азота в жидкой стали Текст.: Метод, указания к лабораторной работе / А.А. Казаков // СПб.: Изд-во СПбГТУ.- 2000.- 19 с.

61. Свяжин, А.Г. Массообмен при продувке жидкой стали в ковше азотом Текст. / А.Г. Свяжин, М.А. Халек Шахин, А.Д. Шевченко. //Известия ВУЗов. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. 1984. - № 9. - С. 37-42.

62. Меркер, Э.Э. Особенности продувки высокомарганцовистой стали в ковше азотом Текст. / Э.Э. Меркер, А.С. Тимофеева, П.В. Тимофеев. // Известия ВУЗов. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. 1995. - № 11. - С. 19-21.

63. Akio KOBAYASH1, Fumitaka TSUKIHASH, Nobuo SANO, Kinetic Studies on the Dissolution of Nitrogen into Molten Iron by 14N-15N Isotope Exchange Reaction, ISIJ International, Vol. 33 (1993). No. 11, pp. 1131 -1135.

64. Svyazhin A. G. The Kinetic of Nitrogen Absorption when Nitrogen is Injected into Molten Steel / Preprint for the 2nd International Conference "High Nitrogen Steel". Aachen, Germany, October 1990. pp. 117-120.

65. Коган, A.E. Распределение газовой фазы в зоне барботажа при продувке снизу Текст. / Коган А.Е. // Известия ВУЗов. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. 1995. - № 8. - С. 34-38.

66. Свяжин, А.Г. Способы легирования стали азотом Текст. / А.Г. Свяжин, //«Высокоазотни стомани 89». Сборник докладов. Болгария. 1989г. с. 45-49.

67. Lixin W., Guoping L., Zhibin L., Chengzhi L. Current Situation and Development of TISCO Nitrogen Stainless Steel. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 167-173.

68. Svyazhin A.G. The Theory of Steel Alloying with Gaseous Nitrogen. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 353-359.

69. Jang Zhouhua, Li Huabing, Shen Minghui. Manufacture of Nickel Free High Nitrogen Austenitic Stainless Steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 372-380.

70. SHINO A. D., MECOZZI N. G., BARTER! M., KENNY J. M., Solidification mode and residual ferrite in low-Ni austenitic stainless steels, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE. 35 (2000) 357-380.

71. Свяжин, А.Г. Образование пузырей при кристаллизации высокоазотистых сплавов железа Текст./ А.Г. Свяжин, Е. Сивка, 3. Скуза. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. -№12.- С. 10-12.

72. Frisk K., Kusoffsky A. Thermodynamic modeling applied to high nitrogen steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2004.GRIPS media, Belgium, 2004. p. 123-129.

73. Явойский, В.И. Газы и включения в стальном слитке Текст. / В.И. Явойский // Москва 1955. 245 с.

74. Васильев, В.А. Физико химические основа литейного производства Текст.: учеб. для. вузов / В.А. Васильев. - М.: Изд-во МГТУ, 1994. -320с.

75. Zhongzhu LIU, Jun WEI, Kaike CAI. A Coupled Mathematical Model of Microsegregation and Inclusion Precipitation during Solidification of Silicon Steel. ISIJ International, Vol. 42 (2002), No. 9, pp. 958-963.

76. Голиков, И.Н. Дендритная ликвация в стали Текст. / И.Н. Голиков //. Металлургиздат. 1958.- 207с.

77. Ригина, Л.Г. Исследование и разработка технологии ЭШП и ДЭШП хромомарганцевых сталей, легированных азотом Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук / Л.Г. Ригина.- Москва. ЦНИИТМАШ. 2005г. 25с.

78. Chen Lie, Zuo Hui, Ren Yuanhe, Li Shuo. The Development of High Nitrogen Austenite Stainless Flat Steel lMnl5Crl7Ni2N. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 303-309.

79. Ma Yuxi, Rong Fan, Lang Yuping, Zhou Rong, Jiang Yehua. Stady on Precipitation in lCr22Mnl5N Stainless Steel. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 67-73.

80. Рашев, Ц. Металлургия стали под давлением высокотехнологичное и экологически чистое производство Текст. /Ц. Рашев// «Черная металлургия стран СНГ в XXI веке». Сд. тр. меж-й конф. Том 2. М.: «Металлургия», 1994. с. 281-285.

81. Рашев, Ц. Структура и свойства высокоазотистых аустенитных хромомарганцовистых сталей / Ц. Рашев, JI. Саръиванова, Ч. Андреев //. «Высокоазотни стомани 89». Сборник докладов. Болгария. 1989г. с. 106-108.

82. Sailer G., Bernauer J., Leitner H., Clements H. On the development of optimized Cr-Mn-N-alloyed austenitic steels. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2004.GRIPS media, Belgium, 2004. p. 283-292.

83. Hertzman S. Nitrogen in Stainless Steels: A Thermodynamic Approach. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 30-36.

84. Анастасиади, Г.П. Введение в проблему качества Текст. / Г. П. Анастасиади, М.В. Сильников // Изд-во «Вооружение. Политика. Конверсия».- Москва.- 2001г.- 400с.

85. Кумэ, X. Статистические методы повышения качества Текст.: Пер. с англ./ X. Кумэ//- М.: Финансы и статистика.- 1990. -304 с.

86. Глебов, А.Г. Электрошлаковый переплав Текст. / А.Г. Глебов, Е.И. Мошкевич // М.- Металлургия.- 1985г.-с 343.

87. Дакуорт, У. Электрошлаковый переплав / У. Дакуорт, Д. Хойл // Пер. с англ. Под ред. А.Б. Парцевского. М.: «Металлургия», 1973 г. 192 с.

88. Волков, С.Е. Неметаллические включения и дефекты в электрошлаковом слитке Текст./ С.Е. Волков, А.Е. Волков, Ю.И. Забалуев, И.М. Буряковский // М., «Металлургия», 1979. 136 с.

89. Сивка, E. Особенности выплавки высокоазотистой стали с использованием плазмы Текст. / Е. Сивка // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. -№ 12. с. 7-9.

90. Tomoki Shibata, Takufumi Sugiyama. Nitrogen Behavior of Pressurized Induction Furnace. Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 366371.

91. Рябцев, А.Д. Легирование металла азотом из газовой фазы в процессе ЭШП Текст. / А.Д. Рябцев, А.А. Троянский, Е.Л. Корзун, В.Ю. Мастепан, М.В. Самборский // Современная металлургия. 2003. -№ 4.- С. 3-8.

92. Katada Yasuyuki. Current Research Activities of ISIJ-HNS Research Group in Japan / Proceeding of International Conference on High Nitrogen Steels 2006. Beijing Metallurgical Industry Press, 2006. p. 45-51.

93. Заготовки бандажных колец из немагнитной коррозионностойкой стали для турбогенераторов Текст. // Технические условия 24. 00. 4821-89.- 1989г.