автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение эффективности обезводороживания конструкционных сталей с использованием контактного поглотителя водорода

МОСКОВСКИЙ ВЕЧЕРНИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПИСКОВЕЦ ВЯЧЕСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЕЗВОДОРОЖИВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНТАКТНОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ ВОДОРОДА

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена в Институте качественных сталей Центрального научно-исследовательского института чёрной металлургии им.И.П.Бардина и в Московском вечернем металлургическом институте

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Ю.А.Башнин

кандидат технических наук Т.К.Сергеева

Официальные оппоненты: доктор технических наук Г.А.Филиппов

кандидат технических наук Е.М.Лещинская

Ведущая организация - АО металлургический

завод "Серп и молот"

Защита состоится " В "1995 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 063.07.01 при Московском вечернем металлургическом институте по адресу: 111250, Москва, ул. Лефортовский вал, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " Ъ£ " МАиД 1995 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С.С.Васильева

ОНЦАй ХаРЖ1ЪР/10Т1'1КЛ РАБОТЫ

^к^а льность_г£о бл еш. Среди постоянных примесей в стали ео-дород занимает особое место ввиду неизбежности его поглощения в процессе металлургического производства и сильного охрупчивавщего действия. Из-за высокой диффузионной подвижности водорода, неопределенности форм существования и неравномерности его распределения в объеме металла проявления охрупчивания чрезвычайно разнообразны и зависят от многих факторов; способа производства стали и ее дальнейшей обработки, химического состава, количества и распределения неметаллических включений, структуры, толщины изделий, внутренних напряжений и т.п.

Основными способами борьбы с наяодороживанием являются вакууми-рование жидкой стали и специальные термические обработки металла (слябОЕ, поковок, проката и т.п.), требующие значительных зитрет энергии г. времени. Применяемое з качестве обезводороживаоцей обработки замедленное охлаждение стальных полуфабрикатов и изделий не требует дополнительных затрат энергии, специального оборудования и поэтому нашло широкое применение на многих металлургических предприятиях.

Однако, в некоторых случаях, замедленное охлаждение стали оказывается недостаточно эффективным обезводороживающим приемом, что приводит к возникновению трудностей при аттестации готового проката. Особенно часто эта проблема возникает при производстве толстолистового проката из непрерывнолитых заготовок, что связано с наличием в осевоП зоне заготовки химической и структурной неоднородности, наследуемой листом. При повышенном содержании водорода происходит значительное снижение механических свойств, особенно по толщине листа (в Н.-направлении).

В связи с ¡этим представляется актуальной задача повышения эффективности обезводоронивания конструкционнпх сталей з процессе за-

медленного охлаждения. Ее решение позволят не только повысить качество толстолистового проката и других изделий, но, в отдельных случаях, может заменить дорогостоящие термические обезводороживаю-щие обработки вылеживанием. Резервом для интенсификации обезводоро-живания стали является воздействие на поверхностные процессы удаления водорода.

Работа выполнена в рамках отраслевой программы "Чистая сталь".

¿ель_и_за,шзч_и исследования, цель работы заключалась в разработке новых принципов повышения эффективности обезводороживания конструкционных сталей в режиме замедленного охлаждения на основе применения контактного поглотителя водорода (ШЛО.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить динамику изменения содержания водорода в низколегированных конструкционных сталях по ходу металлургического производства;

- установить температурные режимы замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов после разливки;

- научно обосновать возможность интенсификации обезводороживания стали при замедленном охлаждении с температур Аг путем воз-де£ствия на ее поверхность;

- изучить влияние различных КПВ на эффективность контактного обезводороживания конструкционных сталей в режиме замедленного охлаждения;

- обосновать и осуществить выбор эффективного Ш1Б применительно к конкретным условиям производства;

- провести промышленные опыты при табелировании слябов по действующей технологии без применения НШ и с обработкой КШ;

- провести сравнительное исследование качества проката, изготовленного из опытных обработанных КиВ и необработанных КГБ слябов,

по содержанию водорода, механическим свойствам, стабильности механических свойств.

Научная новизна. Дополнены и расширены представления о влиянии поверхностных реакций на скорость обезводороживания стали.

Разработаны новые принципы повышения эффективности обезводороживания конструкционных сталей в условиях замедленного охлаждения, основанные на ускорении поверхностных реакций удаления адсорбированного водорода (путем его связывания в гидриды, окислением).

Впервые проведены промышленные опыты по контактному обезводо-роживанию стали.

Установлено, что контакт, стали с титаном резко изменяет кинетику выделения водорода из стали в окружающую среду.

Исследована природа периодических обратимых провалов механических свойств стали и их зависимость от источников водорода. Показано, что нестабильность свойств обусловлена взаимным перераспределением разных форм водорода в процессе вылеживания металла. Показано, что возникновение провалов механических свойств стали не зависит от способа наводорокивания (из газовой среды, электрохимического).

Практическая_ценность работа. Разработаны и опробованы в промышленных условиях новые технологические принципы обезводороживания стальных заготовок. По разработанной технологии проведена обезводо-рокивающая термическая обработка непрерывнолиткх слябов низколегированных конструкционных сталей в условиях ККЦ Ж "Азовсталь". За счет более полного обезводороживания повышены и стабилизированы механические свойства опытного толстолистового проката стали 09Г2С по толщине листа.

Ап£0^5ация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 2-м собрании металловедов России, г.Пенза, 1994 г.

Публикации. До теме диссертации опубликованы 3 работы.

3

Объем работы. Диссертация содержит iCiT страниц машинописного текста, 27 рисунков, 31 таблицу и состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 61 источник, приложений, включающих акт о вводе в эксплуатацию модернизированного газоанализатора и инструкцию по его эксплуатации, 2 таблицы, содержащие результаты механических испытаний толстолистового проката стали 0УГ2С опытных и контрольных партий текущего производства.

ОСНОВНОЕ СОДШШИЕ РАБОТЫ Материалы и методика исследований

Материалом лабораторных исследований служили промышленные конструкционные стали массового производства 09Г2БГ, 09Г2С, I4TS и 30ХМА в состоянии поставки (лист 09Г2Б1 был получен контролируемой прокаткол, листы 09Г2С и 141'ф - горячекатаные, пруток ЗОХЫА -термически улучшенный)„ Химический состав и исходное содержание водорода в сталях приведены в табл. I.

Таблица 1 Химический состав исследуемых сталей

Ыатаа__ма£совые^ааи элементов ___________ Нх,

стали С Лп Si Ov Ас у Тс M S Р см3/100 г

09Г2БГ~0709 7,54~О736 Ô,Ô3~ ~ ~ V ~оТо7 Ô,Ô5~o7oÔo_o7o2o"" 4,4-4,6 09Г2С 0,09 1,52 0,6о 0,04 - - 0,02- 0,012 0,016 4,5-6,0 14ГФ 0,15 0,90 0,31 0,06 - 0,09 0,01 - 0,024 0,028 8,7-9,1 3QXMA 0,23 0,45 0,27 0,90 0,18 - 0,01 - 0,015 0,016 6,3-6,7

В качестве КПЗ использовали гидридообразующие реагенты (титановую стружку, молотый силикокальций) и окислители (натриевую селитру, перманганат калия). Перед опытами гидридообразующие Ю1В подвергали активации путем выдержки в вакууме 0,01 На при температуре 800 °С в течение I ч. Окислители предварительной подготовке не подвергали.

Идея применения солей в качестве КПВ состояла в том, что образующийся при разложении соли в температурной области замедленного

4

охлаждения атомарный кислород окисляет выделяющийся из стали атомарный водород на поверхности обрабатываемого металла. Таким образом в присутствии КЛВ, как гидридообразувщего, так и окислителя, процесс обезводороживания стали сокращается на две последние стадии: рекомбинацию атомов водорода на поверхности и отвод молекул водорода с поверхности в газовую фазу.

При проведении опытов на дно алундовых тиглей насыпали КПВ, на него помещали образцы стали размером 14x14x14 мм и затем тигли накрывали крышками. Сравнительные образцы помещали в тигли без КПВ. В каждом опыте одновременно обрабатывали 5 образцов. Все тигли на одном поддоне помещали в электрическую лабораторную печь, нагретую до 600 °С. После прогрева образцов печь выключали и металл охлаждался 24 ч вместе с печью до комнатной температуры. Режим охлаждения имитировал температурно-временные условия замедленного охлаждения стальных заготовок. В таком ке режиме проводили опыты в вакууме. По окончании опытов образцы разрезали на пробы размером 4x4x4 мл и подвергали газовому анализу восстановительным плавлением на газоанализаторе ¡¿СО типа ЕН-1. Параллельно определяли содержание водорода в исходном металле до опыта.

Для исследования кинетики выделения водорода из стали были разработаны специальные газоанализаторы, обеспечивающие непрерывную регистрацию выделения водорода во время анализа, проводимого по заданной программе нагрева или замедленного охлаждения. Один из анализаторов был установлен на участке непрерывной разливки ККП, ЫК "Азовсталь", что позволило изучать кинетику выделения водорода непосредственно после отбора проб в промышленных условиях. Таким образом, в промышленных опытах были сведены к минимуму потери водорода и изменения его фракционного состава, неизбежные при хранении проб. Акт промышленного опробования прибора прилагается к диссертации.

Принцип действия прибора основан на периодическом отборе проб

газа из реакционной камеры. Анализ проводится кондуктометрическим

о

методом с использованием детектора теплопроводности, в качестве газа-носителя применяется аргон. Проведенные метрологические опыты показали следующие характеристики газоанализаторов для проб

3

массой 5-50 г: диапазон измерений 0,01-10 см , чувствительность

о

0,01 см водорода, ошибка измерения 1-5 %.

Пробы жидкого металла отбирали путем всасывания в кварцевые трубки внутренним диаметром 4-6 мм с последующей закалкой в воде. При отборе проб из слябов принимали меры, предотвращающие нагрев металла. Порядок отбора проб включал газовую резку (отрезали "первичную" пробу размером 100x100x300 мм), Фрезеровку с охлаждением для удаления металла зон термического влияния (получали "конечную" пробу размером 10x10x300 мм). Разрезая "конечную" пробу на части, изучали распределение водорода по толщине сляба. Пробы из листов проката вырезали так же, как и "конечные" пробы из слябов.

Изучение динамики изменения содержания водорода по типичному циклу металлургического производства низколегированных конструкционных сталей проводили в ККЦ МК "Азовсталь". С целью оценки вклада различных присадок (шлакообразующих, ферросплавов, раскис-лителей) в изменение содержания водорода при обработке стали на установке доводки металла (УДМ) отбирали пробы из ковша 350 т с одновременным замером температуры металла. При отборе проб из кристаллизатора МНЛЗ в цроцессе разливки регистрировали длину непрерывного сляба. Затем отбирали пробы от слябов и листов, соответствующих той длине непрерывного сляба, с которой были отобраны пробы жидкого металла.

Промышленные опыты с применением КПВ проводили на непреривно-литых слябах сталей 09Г2БГ и 09Г2С без изменения существующей технологии. Для измерения температуры поверхности слябов в процессе их замедленного охлаждения после разливки применяли хромель-алюмелевые термопары, которые вставляли между слябами при укладке

штабеля. Влияние обработки К1ТВ оценивали по содержанию водорода в слябах и листах, распределению водорода по сечению слябов и листов, фракционному составу водорода в листах, макро- и микроструктуре листов, микротвердости бейнита в зоне осевой химической неоднородности листов, механическим свойствам листов, по их стабильности в течение месяца после прокатки. Экспериментальные данные газового анализа и механических свойств обрабатывали методами математической статистики.

Оценку макроструктуры проводили согласно ОСТ 14-4-73, микроструктуры - согласно ГОСТ 5639-82, отбор проб проката для определения механических свойств проводили по ГОСТ 7564-75, механические испытания проводили по ГОСТ 1497-73, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78. Загрязненность неметаллическими включениями оценивали по ГОСТ 1778-70, величину действительного зерна - по ГОСТ 5639-82. Микротвердость центральной сегрегационной зоны толстого листа измеряли на приборе ШТ-3. Ультразвуковой контроль (УЗК) листов осуществляли на установке ДУЭТ-4 по I классу (ГОСТ 22727-68).

Выплавку, внепечную обработку и разливку стали проводили в ККД МК "Азовсталь" в соответствии с ТИ 232-143-89. Нагрев перед прокаткой проводили по ТИ 232-95-90, прокатку - по ТИ 232-93-89, нормализацию - по ТИ 232-98-84.

Разливку опытных плавок вели открытой струей, чтобы иметь возможность оценить эффективность действия КПВ в условиях повышенного содержания водорода в стали.

В качестве КПВ в промышленных опытах использовали неактивированную титановую стружку, расход которой составлял 1,5 кг/т стали. Обрабатывали поверхности отдельных слябов в штабеле с двух сторон (рис. 1а, 16) или часть сляба с двух сторон (рис. 1в). Собственная тяжесть слябов обеспечивала плотный контакт Ш1В с обрабатываемой поверхностью и предохраняла реагент от взаимодействия

7

о

а )

У/У / / / >/ / I ! I ! ) 7 / / / / / / / / / / / / П Ш ) > > Г/ I И

ч\хХУУ\ХлУУЧХХУУ->

У УУ / У У ///////// /////// ^ / ^

б)

/ 7 /V V У7 ^ / V /"> 7/;/;;//;/ / / /

в )

- опытный металл

/у/// - сравнительный металл

Рис.1. Схемы размещения КПВ при обработке елябов в промышленных опытах.

с атмосферными газами.

В первом опыте обработке КПВ подвергали сляб стали 09Г2Б1 в штабеле из девяти слябов, накрытом теплоизолирующими колпаками (рис. 1а). После вылеживания в течение 48 ч слябы сечением 300x1850 мм прокатывали на стане 3000 на лист толщиной 16,8 мм. Механические свойства опытного и сравнительного металла определяли на поперечных плоских образцах в день прокатки.

Во втором опыте обработке КПВ подвергали сляб стали 09Г2С в открытом штабеле из восьми слябов сечением 300x1850 мм (рис. 16). После вылеживания в течение 48-ч слябы прокатывали на стане 3600 на лист толщиной 40 мм, температура конца прокатки составляла 940 °С. Механические свойства опытного и сравнительного металла определяли на образцах, вырезанных по толщине листа (в -направлении) ,

В третьем опыте обработке КПВ подвергали часть сляба стали 09Г2С в открытом штабеле из одиннадцати слябов сечением 250 х 1550,мм (рис. 1в). После вылеживания в течение 48 ч слябы прокатывали на стане 3600 на лист толщиной 50 мм, температура конца прокатки составляла 850 °С, Оценку механических свойств в 2 -направлении опытных и сравнительных листов проводили в течение 36 суток после прокатки, первые 15 суток ежедневно, затем каждые третьи сутки. Разрывные 2. -образцы вырезали из заготовленных карт в день испытаний.

С целью подтверждения водородного механизма нестабильности механических свойств толстолистового проката 2 -образцы опытного металла, отличавшегося стабильностью свойств, подвергали электрохимическому наводороживанию при комнатной температуре (в 0,1 Н растворе серной кислоты с добавлением 0,5 г/л тиомочевины) при плотности тока 50 мА/см*". Механические испытания проводили в течение восьми суток ежедневно при скорости движения захвата раз-

9

рывной машины 2 мм/мин.

Обоснование возможности интенсификации обезводороживания стали путем воздействия на поверхностные процессы

Процесс удаления растворенного в железе водорода в вакуум или в объем, заполненный инертным газом, состоит из четырех последовательных стадий: I) диффузии атомов водорода в объеме металла; 2) перехода атомов из растворенного в адсорбированное состояние на поверхности; 3) образования молекул водорода на поверхности; 4) удаления адсорбированных молекул.

Известно, что состав среды и состояние поверхности стали оказывают заметное влияние на скорость дегазации. При непрерывном охлаждении стали с температуры происходит смена лимитирую-

щих стадий процесса обезводороживания» Диффузионный контроль в области высоких температур переходит в смешанный, а затем в кипе-

А'

тический. Эффективность обезводороживания непрерывно уменьшается за счет усиления роли поверхностных реакций. Ускорение поверхностных процессов обезводороживания, особенно в области кинетического контроля, является резервом для интенсификации обезводороживания стали.

&сли при охлаждении стали имеет место контакт ее поверхности с гидридообразующим металлом, то адсорбирующийся на поверхности стали атомарный водород вступает с этим металлом в реакцию, что приводит к ускорению процесса обезводороживания стали. Таким образом ликвидируется стадия молизации атомарного водорода на поверхности и следующая за ней стадия отвода молекул водорода с поверхности стали, неизбежные при обезводороживающих обработках в вакууме или на воздухе. Увеличение растворимости водорода в гид-ридообразуюших металлах при понижении температуры способствует

эффективному применению гидридообразующих КПВ в режиме замедленного охлаждения, поскольку в этом случае возрастает градиент химического потенциала водорода между'сталью и К1ТВ, обусловленный большим различием в способности этих металлов к абсорбции водорода.

Влияние обработки КШ на эффективность обезводороживания стали

Влияние КНВ-обработки изучали при замедленном охлаждении стали 09Г2БТ в вакууме и на воздухе. Оказалось, что обезводороживание в вакууме ненамного эффективнее, чем на воздухе: содержание водорода уменьшается от 4,4-4,6 (исходное) до 3,5-3,8 и 3,8-4,1 см^/ЮОг, соответственно. В то же время взаимодействие поверхности стали с гидридообразуюшими ШШ привело к более заметному уменьшению содержания водорода: до 2,6-3,0 и 2,4-2,9 см /100 г при обработке сили-кокальцием и титаном, соответственно.

При замедленном охлаждении стали ЗОХМА на воздухе с исходным

о

содержанием водорода 6,3-6,7 см /100 г обработка ее поверхности окислителями приводит к значительному повышению эффективности обезводороживания (табл. 2).

Таблица 2

Эффективность обезводороживания стали ЗОХМА с помощью окислителей

Окислитель Температура начала опыта, 0 г Содержание„водорода„после опытасм_у100 г ____

без КШ с КНВ

мт3 600 2,9-3,0 50 1,2-1,4 80

300 4,2-4,5 30 2,5-2,7 60

В знаменателе - эффективность уменьшения содержания водорода

{%) относительно исходного содержания.

Л

Эффективность контактного обезводороживания для разных марок конструкционных сталей

Проверена способность к обезводороживанию сталей различного способа производства. Серия опытов, проведенных в режиме замедленного охлаждения на воздухе, предусматривала оценку влияния состава стали и структуры на эффективность обезводороживания. Обработке КПВ подвергалась сталь 09Г2ЕГ, полученная контролируемой прокаткой, горячекатаные стали 09Г2С и 14ГФ, термически улучшенная сталь ЗОХМА. В качестве КПВ использовали активированную титановую стружку. Полученные результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Эффективность обезводороживающей обработки разных сталей

Исходная хх) „Содержание во^оро^а^^^£___

структура исход- после обработки после обработки нов без КПВ с КПВ

09Г2Ш'(КП) ¿6 + 11 , 4,4-4,6 3,8-4,1 20 2,4-^,9 30

09Г2С ЦК) Ф + 11 4,5-5,0 3,3-3,6 30 2,3-2,5 50

14ГФ (ГК) <£ + Л 8,7-9,1 0,6-6,7 30 3,4-3,9 50

ЗОХМА (У) С 6,3-6,7 2,9-3,0 ЬО 1,2-1,4 80

В скобках указано состояние сталей: КП - после контролируемой

прокатки; ГК - горячекатаное; У - термически улучшенное (закалка + высокий отпуск).

Ф - феррит; П - перлит; С - сорбит.

ххх^ В.. знаменателе - эффективность уменьшения содержания водорода (55) относительно исходного содержания.

'Большая эффективность удаления водорода из стали ЗОХМА при обработке с поглотителем и без него связана с высокой дисперсностью

структуры сорбита и пониженным уровнем внутренних напряжений. По ниженный уровень обеэводороживания стали 09Г2БТ, полученной методом контролируемой прокатки, по-видимому, связан с повышенной эффективностью захвата водорода ловушками (сульфидами и другими структурными составляющими), обусловленной прокаткой 'металла в промежуточной ( ^")-области.

Влияние титана на кинетику выделения водорода из стали

Исследовали влияние контакта стали с титаном на кинетику выделения водорода из стали 14ГЗ при замедленном охлаждении от 700 °С до комнатной температуры. Лрк охлаждении без контакта суммарный объем водорода, выделившегося, в газосбсрник анализатора, составил

о

¡¿,6-2,7 см /100 г и выделение.,прекратилось через 4 ч после начала

опыта (рис. 2). При охлаждении стали в контакте с титаном суммар-

2

ный объем выделившегося водорода уменьшился до 0,3 см /100 г, выделение прекратилось через 1,5 ч.

Анализ содержания водорода в стали и титане до и после опытов показал, что несмотря на уменьшение объема выделяющегося водорода при наличии контакта стали с титаном эффективность обеэводороживания стали повышается (табл. 4).

Таблица 4

Содержание водорода в исследуемых материалах

к ~ ~" ~ ~ I ~"" ~ ~ ~ !°!1мМ¥1д!р!д1'_ I ~

1 Сталь 14Ш до опыта 6,7-9,1

2 Титан до опыта 38,0

3 Сталь 14ГФ после опыта без титана ~ 6,3-6,7

4 Сталь 14Г<5 после опыта с титаном 3,8-4,0

5 Титан после опыуа со сталью 230-240

Эффект уменьшения выделения водорода обусловлен католитичес-ким действием контакта сталь-титан. Такой контакт приводит к появлению участков энергетической неоднородности на поверхности стали

°С Н2, см3/Ю0 г

700 1,4

600 - 1,2 ■

500 - 1,0 •

400 • 0,8 .

300 ■ 0,6 "

200 1 0,4 '

100 0,2 ■

0 0

О - сталь

- контактная пара сталь-титан

12 3 4

Продолжительность экстракции, ч

Рис.2. Кинетика ввделения водорода при замедленном охлаждении

из стали 14Г§ и контактной пары сталь-титан.

« ЕГ

а

о сС О я

о и о

£ о

ей И О

о 0)

8/8

I- с

о £ О О

Рмс.З.

7,0 •

6,0

5,0 ■

4,0 ■

3,0 "

2,0 '

1,0 •

-1-!-1-

0 10 20 10 0 Расстояние от поверхности, т

Распределение водорода по толщине листа стали 09Г2С:

в - без КПВ-обработки, Д. - после КПВ-обработки.

и титана. По-видимому, на поверхности раздела сталь-титан связи между атомами водорода и поверхностью деформируются, и атомы водорода становятся более реакционноспособными. Абсорбция атомарного водорода титаном приводит к интенсификации обезводороживания стали; так эффективность обезводороживания стали при обработке титановым КПВ на 35-40 % выше по сравнению с обработкой в том же режиме без КПВ (табл. 4).

Изменение содержания водорода в низколегированной конструкционной стали на разных стадиях металлургического производства

Изменение содержания водорода изучали на МК "Азовсталь". При разливке серийных плавок стали 09Г2БГ открытой струей отбирали пробы жидкого металла из кристаллизатора ШИЗ.Пробы твердого металла отбирали от слябов до прокатного нагрева и от готовых листов в день прокатки. Сразу после отбора пробы помещали в газосборник анализатора диффузионно-подвижного водорода (ДПВ) с целью регистрации количества выделяющейся низкотемпературной фракции ДпВ, далее проводили анализ остаточнного водорода методом восстановительного плавления. Содержание водорода в металле определяли как сумму ДПВ и остаточного водорода. Всего исследовали четыре плавки.

Содержание водорода в жидком металле из кристаллизатора МНЛЗ 3

составляло 8,2-8,8 см /100 г. После замедленного охлаждения в шта-

^

беле оно снизилось до 7,6-8,0 см /1Ш г, что свидетельствует о невысокой эффективности замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов как обезводороживающей обработки. После прокатки содержание

о

водорода в стали составило 6,4-6,5 см /100 г.

Сдаточные механические испытания листов отдельных партий показали пониженный уровень пластических свойств; в частности, относительное удлинение <ГГ колебалось в пределах 18,5-20,5 % при требо-Ь

ваниях ТУ не менее 22 %.

Температурные режимы охлаждения стали изучали в открытых и закрытых штабелях, измеряя температуру поверхности слябов на выходе из бункера МНЛЗ и в процессе замедленного охлаждения. Температура поверхности слябов на выходе из бункера МНЛЗ составляла 800 -820 °С, к началу штабелирования она снижалась до 770-790 °С. Средние скорости охлаждения составляли 0,3 °С/мин. в открытом штабеле и 0,2 °С/мин в закрытом. При этом за регламентируемое время операции замедленного охлаждения, равное 46 ч, температура поверхности слябов снижалась до 120 °С и 300 °С соответственно.

Промышленное опробование технологии замедленного охлаждения непрерывнолитых заготовок с использованием КПВ

Для промышленного опробования в качестве КПВ использовали отходы титановых сплавов в виде стружки. Опыты проводили в ККЦ МК "Азовсталь", КПВ наносили на поверхность горячих слябов в процессе их штабелирования.

Цель первого опыта состояла в определении возможности применения КГБ в условиях металлургического производства. Обработке подвергали слябы стали 09Г2БГ толщиной 300 мм в закрытом штабеле (рис. 1а). Слябы затем прокатывали на толщину 16,8 мм. Химический состав исследованной стали (массовые доли элементов, %): 0,09 С; 1,58ЛЬ ; 0,32 Я ; 0,03 О^ ; 0,07 П ; 0,05Ж*? ; О,ООО $ ; 0,018 Р .

В пезультате обработки К1В содержание водорода в металле опытных слябов снизилось в 2 раза по сравнению с металлом сравнительных слябов (табл. 5). Это привело к снижению содержания водорода в листах, прокатанных из опытного сляба, и соответствующему повышению пластических свойств листов (табл. 5).

16

Таблица 5

Содержание водорода в слябах, листах и механические свойства листов из стали 09Г2БГ

Содержание водо-Пробы _рода, см^/ЮО г сляТ) — лист- ¿и, Н/мм^ <г5, % и с Т »

сравнительный металл 8,0-9,0 4,2-4,6 560-570 22,0-22,5 41-52

опытный металл 4,2-4,6 3,0-3,5 560-570 24,0-24,5 .58-65

Визуальное иссле,давание поверхности опытного сляба при разборке штабеля показало, что титановая стружка нарушала сплошность окалины и находилась в непосредственном контакте со сталью. Качество поверхности сляба при этом оставалось неизменным.

Цель второго опыта состояла в опробовании технологии КШ-обра-ботки применительно к производству толстолистового проката. Особенности листового проката из непрерывнолитых слябов заключаются в повышенном влиянии осевой химической неоднородности, свойственной непрерывнолитому металлу. Наследование неоднородности толстым листом отрицательно сказывается на его сплошности и механических свойствах, особенно по толщине листа (в Ъ -направлении), способствует образованию необратимых водородных дефектов, приводит к нестабильности свойств во времени.

КЩ-обработке подвергали слябы из стали 09Г2С толщиной 300 мм в открытом штабеле (рис. 16), которые затем прокатывали на лист толщиной 40 мм. Химический состав полученной стали (массовые доли элементов, %): 0,09 С; 1,56Л* \ 0,б9& ; 0,005£ ; 0,019 Р ; 0,03 Оь ; 0,04 № ; 0,04Ссс ; 0,009^1 ; 0,03оЖ ; 0,02Т£ ; 0,0и8/V . Влияние КПВ-обработки на качество толстолистового проката оценивали по содержанию водорода с учетом его распределения по сечению листа, микротвердости бейнитной зоны, механическим свойствам.

В результате КПВ-обработки слябов было достигнуто снижение

17

г- 3

содержания водорода в толстом листе с 3,6 до 2,Р см /100 г вблизи

о

поверхности и с 6,6 до 4,0 см /100 г в зоне осевой химической неоднородности (рис. 3). В осевой зоне как опытных, так и сравнительных листов присутствовали участки со структурами промежуточного превращения. Однако, микротвердость этих участков в листах, прокатанных из обработанных ШШ слябов, оказалась существенно ниже, чем в сравнительных и составила, соответственно, 2X0-260 и

зоо-зю н50.

Механические испытания £ -образцов показали, что положительный эффект применения К11В выразился в повышении У с 46-50 до 59-63 % (в среднем на 13 %) при приблизительном равенстве значений

¿вг' ^г *

В третьем опыте исследовали влияние КПВ-обработки на стабильность механических свойств толстого листа из стали 09Г2С. Обработке подвергали слябы толщиной 250 мм в открытом штабеле (рис. 1в). Слябы прокатывали на.-лист толщиной 50 мм. Химический состав исследованной стали (массовые доли элементов, %): 0,06 С; 1,43Лп ; 0,60 А ; 0,017 £ ; 0,015 Р ; 0,04 Со, ; 0,0бЛ£ ; 0,0оСи. ; 0,00бМ ; 0,033М ; 0,003 7с .

Для оценки качества опытного и сравнительного металла проводили фракционный анализ водорода и исследовали стабильность механических свойств толстого листа в 2. -направлении на протяжении 36 суток. Фракционный анализ водорода проводили по следующей схеме: эвдиометрический (25 °С) - экстракционный (650 °С) - восстановительное плавление (2000 °С).

В результате ШШ-обработки существенно снизилось общее содержание водорода в опытных листах (табл. 6).

Важно, что воздействие КПВ распространяется на все анализируемые формы водорода, причем после КЛВ-обработки в стали отсутствует низкотемпературная фракция диффузионно-подвижного водорода (ДИВ),

ответственная как за обратимые виды водородного охрупчивания, так

и за образование необратимых водородных дефектов.

; , Таблица б

Результаты фракционного анализа водорода

Листы Количество водорода данной температуре, 25 ^С , выделившегося си_/100 г___ 6о0 vr при "2000 V X

опытные 0 . 0,6-1,0 2,3-2,4 2,9-3,4

сравнительные 0,5-0,6 1,0-1,6 3,1-3,5 4,6-5,7

Пробы из зоны осевой химической неоднородности.

Существенных различий в структуре опытных и сравнительных листов не обнаружено. Структура в обоих случаях феррито-перлитная с величиной действительного зерна 7, 8. В осевой зоне присутствуют вытянутые е направлении поокатки сульфиды.

Механические свойства всех листов в поперечном направлении были стабильны на протяжении исследования: = 480-490 Н/мм ,

¿flZ= 320-340 Н/мм^; <f = 26-32 %; У = 70-72 %. Из рис. 4а видно, что в первые сутки после прокатки механические характеристики в

-направлении у опытных листов были лучше, чем у сравнительных. На вторые сутки, по мере выхода низкотемпературной Фракции Д11В из сравнительного металла за счет естественной десорбции, его свойства повышались. На пятые сутки у сравнительного металла наблюдалось резкое снижение прочности (на 25-30 % от исходной). Подобные измерения повторились на 15-е и 33-и сутки, причем спад значений уменьшался. В остальные дни результаты испытаний сравнительных листов были близки к опытным. Опытный металл на протяжении 36 суток показал стабильную прочность по толщине листа ( ¿R = 440-450 H/mm¿;

¿ = 280-290 Н/мм*"), что коррелирует с отсутствием низкотемпературной фракции ДПВ (табл. 6). Характеристики пластичности полученного металла отличались большим разбросом значений ( $ = 3-24 %;

У = 8-48 %), характерным для "2. -образцов, однако наблюдалась

19

¿в,, Н/мм2

500

450

400

350

300 250

---„-«-

' . < I / \ /'

' . ' \ / \ /

"Г'

I 2 3 4 5 6 14 15 а,, Н/мм2

оштный металл сравнительный металл

-чн-

18 30 33 36 Сутки

а)

б)

30 25

20 15

10

5 О

' 3 30 60 Минуты

4;^, %

240 I 2 3 4 5 6 7 8

Сутки

в)

3 30 60 Минуты

240 12345678

Сутки

Рис.4. Изменение механических характеристик толстых листов стали 09Г2С в процессе вылёживания после прокатки (а) и после наводорожнвания (б,в).

тенденция их снижения в сравнительном металле одновременно со снижением прочности на Ь, 15 и 33-и сутки после прокатки.

Падение уровня прочности может быть связано с накоплением ДПВ на межфазных границах матрицы с неметаллическими включениями (типа) и переходом его в молекулярную форму. Давление молекулярного водорода в микрополостях в процессе приложения нагрузки приводит к снижению временного сопротивления металла.

Восстановление прочности в отсутствие нагрузки до исходного уровня объясняется тем, что избыточное внутреннее давление водорода приводит к разрыву микрополостей. Это сопровождается релаксацией напряжений и перераспределением водорода между раствором и дефектами. Переход ДПВ из ловушек и коллекторов водорода в матрицу создает предпосылки для появления повторных провалов прочности при механических испытаниях. На реализацию такого механизма расходуется ДПВ, что приводит к уменьшению "глубины провалов" и увеличению интервала между ними (рис. 4а).

С целью подтверждения водородной природы провалов прочности толстого листа провели слектрохимическое наводороживание 2. -образцов опытного металла, у которого провалы прочности отсутствовали. 5то привело к их появлению на 2-е и 6-е сутки после наводоро-живания (рис. 46). Снижение прочности сопровождалось одновременным снижением характеристик пластичности (рис. 4в). В остальное время механические свойства стали были близки к исходным ( = 440 -450 Н/ж/*; сГ2 = 14-17 у = 20-26 %).

Данные опыты показывают, что явление периодических временных провалов механических свойств толстолистового проката не зависит от источника и споооба введения водорода в сталь.

выводы

1. Изучено изменение содержания водорода в низколегированных конструкционных сталях на разных стадиях металлургического производства листового проката в условиях МК "Азовсталь"; оценены вклады основных источников водорода (Ферросплавы до 2 см^/ЮО г, от-

п

сутствие защиты струи при разливке до 3,5 см /100 г) и обезводоро-живающие эффекты замедленного охлаждения непрерывнолитых заготовок

о о

в штабеле (до 1,5 см /100 г), прокатного нагрева (до 1,5 см /100 г). Установлены фактические температурные режиш замедленного охлаждения слябов в открытых и закрытых штабелях.

2. С целью повышения эффективности удаления водорода из стали при замедленном охлаждении с температуры Ар, и уменьшения вызываемой водородом отбраковки листового проката по механическим свойствам, а также их стабилизации во времени разработана и опробована в промышленных условиях технология замедленного охлаждения непрерывнолитых заготовок с использованием гидридообразующего контактного поглотителя водорода (KiB).

3. Для исследования механизма воздействия KÍÍB различных типов на эффективность обезводороживающих обработок стали разработан и опробован в условиях производства специализированный анализатор водорода и реализована схема фракционного анализа водорода в стали с минимальными потерями диффузионно-способных форм водорода.

4. В модельных лабораторных опытах, имитирующих замедленное охлаждение металла, исследовано влияние вакуумирования и обработки КПВ на эффективность обезводороживания сталей 09Г2БГ, 09Г2С, 14ГФ и ЗОЖА. Опробованы поглотители различных типов: гидридообраэующие (титан, силикокальций) и окисляющие (натриевая селитра, перманганат калия). Благодаря контактному воздействию поглотителей эффективность обезводороживания повышена в 1,5-2 раза независимо от типа

поглотителя.

5. Сравнительное исслеяование кинетики выделения водорода из стали и контактной пары сталь-титан при замедленном охлаждении, нагреве и изотермических выдержках показало, что положительное влияние титана иа обезводороживание стали обусловлено локализацией водорода на поверхности раздела между сталью и титаном.

6. Проведено промышленное опробование разработанного способа контактного обезводороживания непрерывнолитых слябов в закрытых и открытых штабелях и проведена сравнительная оценка качества металла опытных и контрольных партий-листового проката толоишсй от 16,ь до 50 мм. Установлено, что в результате обработки К! 1В:

- содержание водорода в слябах стали 09Г2БГ снижается с 6-9 до 4,2-4,6 см /100 г, что обеспечивает повышение в листе толщиной 16,6 та пластических свойств ¿^ с 22-22,5 до 24-24,5 % и V с 42-62 до 58-65 %;

- содержание водорода в листе толщиной 40 мм из стали 0УГ2С снижается с 3,6 до 2,5 см /100 г вблизи поверхности и с 6,6 до 4,0 см^/ХОО г в осевой зоне, что обеспечивает увеличение относительного сужения в направлении толщины листа ^ на 13 % и уменьшение микротвердости бейнитных участков в осевой зоне в I,5 раза;

- в листе толщиной 50 мм за счет снижения общего содержания

о

водорода с 4,6-5,7 до 2,9-3,4 см /100 г и изменения его фракционного состава достигнута стабилизация механических свойств на регламентируемом уровне, в то.время как в металле контрольных партий имели место периодические провалы прочности на 2о-30 '¡а от исходного уровня. •

7. С целью подтверждения водородной природы периодических обратимых провалов механических свойств толстолистового проката в 2 -направлении осуществлено провоцирование появления провалов

23

путем электрохимического наводороживания стабилизированного по механическим свойствам 1фоката. 11оказано, что механизм обратимых изменений механических свойств обусловлен взаимным перераспределением разных форм водорода и не зависит от источника наводороживания.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Писковец В.М., Сергеева Т.К., Вашин ¡O.A. Применение контактных поглотителей для более эффективного обезводороживания стали // Сталь. - 1994. - № 5. - С. 72.

2. Писковец В.К., Сергеева Т.К., Башнин ¡i.A., Носоченко О.В. Интенсификация обезводороживания стали 09Г2С контактным поглотителем водорода // Сталь. - 1994. - № 7. - С. 60-62.

3. Писковец В.М., Башнин D.h. Применение контактных поглотителей водорода (КПВ) для повышения эффективности обезводороживания стали // П собрание металловедов России, сентябрь 1994 г. : Тез. докл. - пенза, 1994. - С. Бо-86.