автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка экономнолегированных горячекатанных сбалансированных сталей повышенной прочности для строительных конструкций

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУР1ИИ имени И.П.БАРИИНА

На правах рукописи

МОРОЗОВ Юрий Дмитриевич

УДК 669.14.018.292

РАЗРАБОТКА ЖОНОШОЛЕШРОВАННЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ СБАЛАНСИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПОВЫНЕННОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСГРЛЩМЙ

05.16.01 - Металловедение и- термическая обработка металлов.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1990г.

Работа выполнена в Центральном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском Институте черной металлургии имени И.П.Бардина.

Научный руководитель: доктор технических наук Литвиненко Д.А

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Саррак В.И.

кандидат технических наук

Бобылева I.

Ведущее предприятие: металлургический комбинат имени Ильича.

Защита диссертации состоится 28 ноября 1990г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д-141.04.02 при Центральном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследователь ском Институте черной металлургии имени И.П.Бардина по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке Института.

Автореферат разослан 26 октября 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандвдаг технических наук, старший научный __ -

сотрудник Н.М.Александре

з.

,,•7,ГЦ,;-, | I. ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТС

Актуальность работы. Экономия металла является одной из важнейших народнохозяйственных задач. В мировой практике наметились две основные тенденции по экономии металла - повышение прочности и снижение отходов металла на переделах. Интенсивное развитие непрерывной разливки стали в первую очередь объясняется существенной экономией металла на первом металлургическом переделе. Другим традиционным способос экономии на этом переделе является использование полуспокойных сталей вместо спокойных, что позволяет за счет снижения величины головной обрези экономить до 10% металла. Доля производства такой стали достигает 20$. По степени раскислеяности полуспонойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной. При формировании структуры слитка такой стали наряду с углекислым газом участвуют также водород и азот, поэтому правильнее именовать эту категорию сталей -сбалансированной. Няагодаря значительной экономии металла сбалансированная сталь находит все более широкое применение для изготовления проката массового назначения, где роль экономики является ведущей. Повышение прочности сбалансированных сталей позволяет снизить вес" металлических конструкций. Исключительно важно, чтобы повышение прочностных свойств достигалось использованием относительно дешевых и недефицитных элементов. Примененная сбалансированных сталей повышенной прочности достигается экономия металла как за счет увеличения выхода годного на металлургическом заводе и за счет снижения веса металлоконструкций у потребители.

Цель работы: Создание экономичных систем легирования сбалансированных сталей повышенной прочности для эффективных строительных конструкций и экономии металла.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- разработка соотношений между элементами химического состава, определяющих получение такой стали;

- изучение влияния экономичного легирования и микролегаро-вания добавками марганца, углерода, грома, азота, ниобия, ванадия и бора на механические свойства, ударную вязкость и хладо-стойкость стали;

- разработка химических составов сбалансированных сталей на основе экономичного легирования и микролегирования для получения в горячекатаном состоянии предела текучести 400-600 н/м

- разработка критерия для оценки возможности получения сбалансированной стали;

- изучение химической и механической однородности проката экономнолегированных сбалансированных сталей повышенной прочности ;

- реализация разработанных составов сбалансированных сталей в промышленном производстве.

раучна^ новизна. Определены основные закономерности влияния нятридообразущих элементов (ниобия, ванадия, хрома, бора) в различных сочетаниях на комплекс механических свойств, хладо-стойкость, вязкость и микроструктуру сбалансированных марганцовистых горячекатаных сталей, позволившие создать серию эконом-колегированных высокоэффективных конструкционных сталей. Впервые с позиций анализа давления газов при кристаллизации сформулированы требования к химическому составу сбалансированных сталей. Разработана математическая модель расчета газовыделения, определены критические для получения сбалансированных сталей параметры давления газов цри кристаллизации. Определены количественные взаимосвязи мевду элементами химического состава, обеспечивающие формирование литой заготовки с характерной макроструктурой сбалансированной стали и требуемый комплекс механических свойств. На основе выявленных закономерностей в системе состав-структура-свойства определено сочетание механизмов упрочнения, олоообствугацих повышению предела текучести сбалансированных сталей с 290 до 600 н/мм2.

Апробация работы. Результаты работы долонены на Научно-технической конференции "Развитие технологии производства углеродистых, низколегированных полуспокойных сталей", г.Краков(ПНР) 1977г.; на семинаре: "Легирование и свойства сталей и сплавов", г.Киев,I984г.; на научно-технических советах "Металлургического института им. Х.Бркича", г. Зеница (СФРЮ) ,1980г.; Коммунарского (1976г.) и Череповецкого(1977г.) металлургических комбинатах.

Пу бликами. По теме диссертации опубликовано 6 статей и получено 7 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы из наименований, приложения, содержит страниц машинописного текста, рисунков, таблиц.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования служили плавки стали, содержащие 0,15-0,40$ углерода, 0,5-1,9^ марганца, в качестве добавок, вводили xpOiЧ до 0,6$, ванадий до 0,15$, ниобий до 0,02$, азот до 0,03$ и бор до 0,006$. Регулирование структуры слитков осуществляли добавками кремния, алюминия и азота. Опытные плавки изготавливали в лабораторных условиях в открытых печах и в промышленных условиях в мартеновских печах Коммунарского и Череповецкого металлургических комбинатов.

Из плавок лабораторной выплавки были изготовлены прутки диаметром 16мм, а в промышленных условиях сортовой прокат в виде арматурных стержней и спецпрофилей крепи горных выработок.

Механические свойства изучали в горячекатаном состоянии на продольных образцах. Испытание на статическое растяжение проводили на пятикратных образцах по ГОСТ 1497-73 на машине ИМ-4Р. Ударную вязкость определяли на образцах I и II типа с радиусом надреза I и 0,25мм по ГОСТ 9454-78 в интервале температур от +20 до -60°С на копре МК-30. В изломе ударных образцов определяли долю вязкой составляющей.

Для построения термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустекита использовали дифференциальный термический метод с применением дилатометра типа "ИМЕГ-ДБ". Исследование микроструктуры, неметаллических включений ж топографии изломов образцов производили с помощью оптической (Неофот-21), электронной (тесла БС-613) и растровой (Стереоскан-ЮО) микроскопии.

Для количественной металлографии использовали оптический микроскоп Квантимен-720.

Фазовый состав сталей изучали методом физико-химического анализа изолированного анодного осадка и рентгеноструктурного анализа на установке УРС-2,0.

Содержание тазов, кислорода и азота определяли методом вакуум-плавления на автоматических установках ЕАН-202 фирмы Баль-церс. Содержание водорода определяли, как сумму диффузионно-подвижного и остаточного. Для определения количества диффузионно-подвижного водорода закаленную пробу помещали в эвдиометр, а остаточный водород определяли методом вакуум-плавления на газоанализаторе ГН-1 фирмы Леко.

3. ШадЖНО-ДОПУСЛИШЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОСНОВНЫХ И ЛЕ1И-РУЩ1Х ЭЛЕМЕНТОВ ДНЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕШНСИР0В.ШН0Й СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ

Основной задачей технологии производства сбалансированной стали является получение слитков, в которых усадка компенсируется выделявшимися в период кристаллизации газами. Введение в такую сталь тахналогических добавок предполагает получение строго определенной концентрации остаточного кислорода. Сбалансированные стали обычно содержат марганец, определяющий уровень механических свойств; регулирование степени раскисленное-га осуществляется кремнием. Бри этом в результате реакции окисления образуются в основном жидкие, ненасыщенные кремнеземом шлаки.

Уравнения реакций и констант равновесия между марганцем, кремнием, железом и кислородом недостаточны для установления условий образования сбалансированных сталей; необходимо знание активностей компонентов тройного шлака - окислов железа, марганца и кремния.

Для расчетов с использованием метода предложенного В.А.Ко-жеуровым получено простое выражение, связывапцее активности окиси марганца и двуокиси кремния в жидком ненасыщенном кремнеземом шлаке

а = _ 0 дд5 (1)

2 я

аМпО

&го уравнение вместе с уравнениями реакций окисления марганца и крегаия позволяет рассчитать состав металла, находящегося в равновесии с жидким ненасыщенным кремнеземом шлаком.

Для опубликованных в литературе и экспериментально полученных в настоящей работе составов сбалансированных слитнов рассчитали равновесные концентрации кислорода и углерода и приняли их как определяющие для получения сбалансированной углеродистой стали с кремнием и марганцем.

Для некоторых содержаний углерода рассчитали соотношения между марганцем и кремнием, обеспечивающие оптимальное содержание кислорода в стали (рис.1). Оптимальные концентрации кремния в сбалансированной конверторной стали ниже, чем в мартеновской, что объясняется более низким содержанием в ней газов -водорода и азота.

Полученные практические данные для промышленных слитков сбалансированной стали хорошо согласуются о расчетными кривыми (рис,1). Поэтому следует рассматривать данные рис.1 в качестве основы определения содержания вводимого кремния и марганца при заданном углероде.

Для установления количественных зависимостей влияния концентрации азота на оптимальное содержание кремния в сбалансированной стали о 0,15-0,30$ углерода провели расчеты, которые основывались на методе, предложенном Туркдоганом для расчета микроликвации в замкнутом объеш медцендритного пространства. Чтобы применить данный метод к сталям, содержащим 0,15-0,30$ углерода, необходимо было учесть перетектическое превращение <5~ -железа в ^ -железо, отклонение растворов легирующих элементов от идеальных и изменение температуры расплава в процессе его затвердевания. Установлено, что ликвация растворенных примесей становится заметной на последних стадиях затвердевания, поэтому при вычислениях использовали коэффициенты распределения для ^ -железа. Для учета степени отклонения растворов легирующих элементов от идеальных использовали их активности, коэффициенты которых определяли через параметры взаимодействия Вагнера.

Для определения содержания кислорода, доступного для реакции образования окиси углерода [0.1риз уравнения баланса кислорода с учетом уравнения (I) получюш следующее выражение:

ж

А.

ад

0.09

0.53

в

о,аг

--- 0.15 < у. С <0,14

■ ■ я ■ \ о г • 3

г О " га/, ч,

о 3 С'О.ВДч о4^ ш^

о

0.5

0.7 0,9 4.1 1,3

Содержание марганца, %

Б.

Рис.1. Зависимость между содержанием марганца, рода в сбалансированной стали:

а - выплавка в кислородном конвертора; б - выплавка в мартеновской печи.

1 - нормальнораскисленные плавки,

2 - недораскисленные плавки,

3 - перераскисленные плавки.

кремния и угле-

[О]4 + [0] 3 ( [0]а )+0,095 К $; [0 ] р =

= о,082

28 [Мп]д

где [^¿Зд» [Мп]^ , [0]3 - содержание кремния, марганца и кислорода на (| -этапе затвердевания.

Расчеты производили с применением ЭВМ по разработанной программе. Алгоритм расчета представлен на рис.2. Для каждого этапа затвердевания, следующего один за другим с приращением 5$, рассчитывали обогащение жидкой фазы растворенными элементами, температуру затвердевания и определяли парциальные давления растворенных в стали газов.

Критические значения давления газовыделения, необходимые для получения количественной оценки влияния азота и водорода на оптимальную раскисленность сбалансированной стали получили путем расчета давлений газовыделения на этапах кристаллизации 15кг опытных слитков. Химический состав исследуемых слитков варьировали в оледумцих пределах: углерод 0,16-0,30$, марганец 0,81,5%, азот 0,005-0,030/1, водород 0,00035-0,0007$, хром 0,0-0,5$, кремний 0,01-0,30$. По результатам визуальной оценки продольных осевых тешлетов выделили группу слитков с небольшой усадочной раковиной и пористостью; их оценили как слитки сбалансированной стали.

У сталей с повышенным содержанием азота наблюдается интенсивное нарастание давления газовыделения на последних этапах затвердевания. Удельный вклад парциального давления азота в общее давление газовыделения увеличивается с повышением его концентраций в стали. Для всех составов стали суммарное давление газовыделения увеличивается с повышением степени затвердевания и при 80-90$ затвердевания для всех слитков этой группы их величины находятся в хорошем соответствии между собой в интервале от 1,15 до 1,30 ат (рис.3). Среднее значение суммарного давления газовыделения при 90$ затвердевания составляет 1,20 ат, а среднее квадратичное отклонение - 0,05ат.

Поскольку общее давление газовыделения при 90$ затвердевания является критерием, показывающим тенденцию к образованию структуры слитка, то для интервала давлений 1,15-1,25ат были

10.

£

sï «S»

Kl

>г

«s

Рис.2

rmusinm m тшпищии и ттттщт am пттиа тттттт тппя штш-ния таент

до ru здперцтнм,'/.

os V оз 1.1 1.3 is о от ш m m ш m

Рис.3.

построены зависимости для различных составов сталей, предсказывающие получение сбалансированных слитков (рис.3). Видно, что по мере увеличения содержания азота, необходимые концентрации кремния и марганца в сталях увеличиваются. Сопоставление данных расчета с результатами, полученными для конверторной оба--лансированной стали (рис.1), показывает их хорошее соответствие для содержаний азота 0,005$ и большое расхождение при высоком содержании, так как эти результаты получены для слитков углеродистой сбалансированной стали с учетом образования пузырей только из углекислого газа.

Диапазон концентраций кремния для получения сбалансированных слитков должен выдерживаться в узких пределах, особенно при высоком содержании марганца. Повышение содержания азота в стали позволяет этот диапазон расширить. Сопоставление зависимостей, полученных расчетным путем на основании исследования лабораторных слитков, с результатами изучения слитков стали 23ГАХпс весом Ют, позволяет считать их применимыми и для промышленных слиткое.

4. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И гЖРОДОЕАВОК НА ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МИКРОСТРЖТУРЫ. РАЗРАБОТКА СБАЛАНСИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ.

Сбалансированная сталь относится к сталям массового назначения, при производстве которых роль экономики является определяющей, поэтому при разработке низколегированных сбалансированных сталей нельзя .ориентироваться на применение дорогостоящих и дефицитных ферросплавов. Другой отличительной чертой сбалансированной стали является невозможность использования для легирования сравнительно недорогих и доступных элементов, имещих сильное средство к кислороду (алкшний, титан и др.).

Эти отличительные особенности сбалансированной стали ограничивают возмозшости выбора легирующих элементов. Для повышения механических свойств сбалансированных сталей исследовали влияние основных элементов химического состава (углерод, марганец) и микролэгарувдих добавок азота, хрома, ванадия, ниобия и бора. Марганец является наиболее распространенным элементом, приме-

няешм для улучшения свойств сбалансированных сталей. Влияние марганца и углерода на механические свойства носит линейный характер и описывается следующими уравнениями множественной регрессии, приведенными на рис.4.

Эти уравнения в области концентраций углерода 0,2-0,42$ и 0,8-2,0$ марганца статистически значимы с уровнем значимости 0,01.

Равное увеличение прочности за счет повышения содержания углерода или марганца практически одинаково влияет на снижение относительного удлинения. Однако, влияние их на величину ударной вязкости различно (рис.5). Марганец измельчает зерно феррита и повышает вязкость твердого ферритного раствора. Увеличение содержания марганца с 0,54$ до 1,52$ привело к снижению средней величины зерна феррита с 39 до 22 мкм. При этом ударная вязкость (КСИ) увеличилась на 70 дк/см^. Такое же увеличение прочности за счет повышения содержания углерода с 0,20 до 0,30$ привело к снижению ударной вязкости на 60 дж/см^. Доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов при повышении содержания марганца увеличивается, а при увеличении содержания углерода -снижается. Введение хрома совместно с азотом (0,023$) уже при его содержании 0,°15 повышает временное сопротивление горячекатаной стали (около 0,2% С и 1,2% Мп) на 65 Н/мм^, а предел текучести на 50 н/м!^ (рис.6). При дальнейшем повышении содержания хрома (до 0,6$) временное сопротивление увеличивается линейно с интенсивностью 20 н/мв^ на 0,1$ хрома'. Зависимость предела текучести от содержания хрома носит нелинейный характер. До содержания хрома 0,4$ интенсивность роста предела текучести составляет 12 н/мм2 на 0,1$ хрома, а при содержании хрома выше 0,4$, она увеличивается. Зависимость относительного удлинения от количества введенного хрома имеет по отношению к зависимости предела текучести негативный характер. Введение в сталь, содержащую азот (0,017$) и хром (0,32$) микродобавок ниобия и ванадия повышает предел текучести в большей мере, чем временное сопротивление. Причем с увеличением величины добавки интенсивность роста механических свойств при растяжении падает. При введении 0,02$ ванадия временное сопротивление и предел текучести увеличиваются на 50 к/т?, при введении 0,06$ ванадия временное

¿паяние вщ&ршнт иттяаытщс ни mm-шчтш mûtm стшштвит emu

бг.

Ш 122 m 133 Ш US

содержание у тещи, '/.

6т •249 * 4В0[%В] * М['Шп] R-B.74

6„ - 253 * 9Bí[%t] ♦ 103[7Мп] Я-ОМ

ñ-BM

Рио.4.

зпзиеимввп виши тйетв вьмпнвиттын вита от щвр-

Рис.5.

s » se

i *

§ g

aa

§ .

С i

ь -î

'S *

э Ч)

—«—jS—я—»—« - w / / 1

I

i s» •

i I

* и u u s

s i «

sí

n I

Ç ?

¿r s И ^

РИ0.6.

сопротивление увеличивается на 60 н/мм^, а предел текучести -на НО н/мм2. Особенно благоприятна добавка 0,015? ниобия. Увеличение предела текучести и временного сопротивления составляет 45 н/мм2 при практически неизменном относительном удлинении. Ударная вязкость всех сталей при добавлении в них хрома, ванадия, ниобия совместно с азотом, снижается во всем интервале температур испытаний. Доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов стали, содержащей добавки хрома и азота, снижается, а переходная температура (Т^) повышается. Введение в эту сталь добавок ванадия и ниобия увеличивает количество вязкой составляющей и понижает температуру перехода (Т50).

. Микроструктура всех сталей феррито-перлитная. Добавки хрома, ниобия и ванадия совместно с азотом вызывают образование мелких нитридов и карбонитридов. Размер карбонитридов ниобия составляет 10-30нм, а карбонитридов ванадия - 5-10нм. Карбони-триды ванадия имеют переменный состав, который зависит от содержания в стали ванадия. С его увеличением повышается доля углерода в карбонитриде и увеличивается количество частиц. Нитриды хрома, в которых растворены железо и марганец, имеют вид тонких пластин длиной до 0,2мкм и толщиной 5-10нм. Основным местом их выделения является границы зерен. Внутри ферритного зерна нитриды хрома выделяются в форме очень мелких (до Юнм) частиц округлой формы с тенденцией выстраивания в нить. Область» преимущественного выделения нитридов хрома является температура 700-600°с.

Образующиеся мелкие частицы карбонитридов и нитридов способствуют измельчению ферритного зерна и вызывают дисперсионное упрочнение стали. При микролегировании ниобием до 0,02$ и ванадием до 0,12$ размер ферритного зерна составляют около 5 мкм. Расчет вклада различных механизмов упрочнения проведен по модифицированному уравнению Петча-Холла:

<от = б о гбц +6 а - б 9,1 •+ <5 3 ^

где 6с - сопротивление'трения решетки железа; б7.Р- упрочнение твердого раствора; 6п - упрочнение перлитом;

6о.г - упрочнение дисперсными частицами; - упрочнение границами зерен.

Вклад в повышение предела текучести микролегированной сбалансированной стали за счет измельчения зерна достигает 35% и за счет дисперсионного твердения - до 25$.

Микролегирование вызывает также изменение структуры перлита особенно в стали с ванадием. Так, межпластинчатое расстояние в стали при введении ванадия 0,12$ уменьшает с 0,35мкм до 0,15 мкм, что служит дополнительным источником повышения прочности. Введение в сталь добавок бора в количестве 0,002-0,005$, бла-? годаря связыванию азота, улучшает свариваемость стали и повышает ее ударную вязкость (рис.5).

Полученные результаты были использованы при разработке экономнолещрованных сбалансированных сталей повышенной прочности (таблица). При разработке новых составов стали использовали математические методы планирования экстремальных экспериментов - полный факторный анализ ж крутое восхождение по поверхности отклика. Для формализации подхода при выборе обобщенного параметра оптимизации в случае поиска оптимума душ двух поверхностей отклика применяли функцию желательности Харрингтона. Так был разработан состав стали 32ГА1пс с пределом текучести 450 Н/мм* и относительным удлинением 18%,упрочненной азотом (до 0,025$) и хромом (до 0,6%). Для улучшения свариваемости и хяадостойкосги стали такой не прочности рекомендована сталь с меньшим содержанием утлерода марки 23ГА1пс, в которую в качестве технологической добавки вводится или 0,01$ ниобия, или 0,03$ ванадия. В качестве материала с пределом текучести 600 цЛ'л^ (относительное удлинение 18%) разработана сталь 23ХЕМпс, содержащая 0,080,12$ ванадия. Для материала с пределом текучести 400 к/ъ%? разработана сталь 32Г2Рпс, содержащая шкролегирутацую добавку бора (0,002-0,005$).

Обобщая результаты выполненных исследований, на основании современных представлений о механизмах упрочнения сделаны рекомендации по получении экономнолещрованных сбалансированных сталей с различным пределом текучести. Для получения предела текучести 400 н/мм2 у сбалансированных сталей массового назначения целесообразно.использовать упрочнение перлитом, за счет твердого раствора и границами зерен. Для получения текучести свыше 400 н/мм2 дополнительно требуется дисперсионное упрочнение.

Таблица

, Химический состав, %

Назначение, техниче-.¡———|-¡-¡-

, ские условия с ; ш ; N

í i I i f

Марка стали

другие"55! «то | бе р \А j элементы \в/шг { Н/гдГ ¡ J

Механические

свойства —i-

-¡Степень внед-{рения(заводы)

32Г2Рпс свариваемая арматурв класса А-Ш ГОСТ 5781-82

23ГА&1С спецпрофиль крепи горных выработок I4-I-I272-75

32ГАХпс спеццрофиль креш горных выработок

23ХГАФПС спецпрофиль креш горных выработок

0,28- 1,30- -0,37 1,75

В 390 0,001-0,007

0,20- 1,10- 0,30- 0,015- Nb 440 0,27 1,50 0,60 0,030 (те2Н.добавка)

0,005-0,02 (расчет)_

У

0,03-0,05

0,28- 1,00- 0,35- 0,0150,3? 1,40 0,65 0,030

440

0,21- 1,10- 0,35- 0,015- У 590

0,28 1,50 0,60 0,030 Q 08-0,12

590

640

640 790

14

18

18 18

внедрена ЧерМК.ЧМК

внедрена Кой

внедрена МК"Азовсталь"

х)

Содержание фосфора не более 0,04$; серы не более 0,05$; кремния не более 0,17$.

м

ю

Для получения цредела текучести свыше 600 и/т? необходимо получение более дисперсных структур таких, как йейшт и мартенсит.

5. МАКРХТРУШТА, ХИМИЧЕСКАЯ И МЕХМйЛЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СЖТКА, ЗАГОТОВКИ И ГОТОВОГО ПРОКАТА

Слитки шкролегированной сбалансированной стали имеют характерное для углеродистой .сбалансированной стали строение, Рассредоточенная усадочная раковина протяженностью до 19-22$ от верха слитка надежно изолирована от атмосферы пузыристым металлическим "мостом" голщной от 140 до 175ым. Осевая рыхлость распространяется на глубину до 40$ от верха слитка. По всей высоте слитка имеется зона подкорковых пузырей шириной 4-8мм, в головной части она принимают вид сотовых и распространяются внутрь до 50мм. На серном отпечатке в плоскости продольного осевого разреза каблвдается четко выраженная внеосе-вая сегрегация ("усы"), а в осевой зоне слабо выраженная осевая неоднородность.

Исследование поперечных тешшетов, вырезанных из промежуточной заготовки показало, что усадочная раковина, рыхлость и пузыри, как правило, завариваются уже в промежуточном прокате. Темшсеты готового проката во всех исследованных профилях (арматура толщиной до 20мм и фасонный прокат толщиной до 25мм) имеют плотную макроструктуру без нарушений сплошности, аналогичную прокату из спокойной стали.

Распределение ликвирукщих элементов изучали в слитке, в промежуточной заготовке и в готовом прокате. Характер распределения серы, углерода и фосфора в плоскости продольного осевого разреза слитка позволяет построить общую схему сегрегации. В слитке можно выделить зону сильной положительной сегрегации, расположенной в середине слитка вокруг усадочной раковины, кроме того, положительная сегрегация существует в виде V -образной и Л -образной сегрегации. Максимальная положительная сегрегация находится на уровне 20-25$ от верха слитка. Имеются три зоны отрицательной сегрегации: в центре слитка около его основания, в области пузыристого моста и в корковой зоне вдоль боковой поверхности слитка. Этой же схеме подчиня-

зтся распределение марганца, но выражено это менее отчетливо.

Исследование распределения азота, хрома и ниобия не позволило обнаружить в них закономерности. Значения их содержаний в плоскости плиты имеют небольше различия, сравнимые по своей величине с ошибкой анализа. Можно только отметить, что среднее содержание азота, хрома и ниобия в верхней половине слитка больше, чем в нижней.

Максимальная ликвация серы, фосфора и углерода составляет 337,260,128$ соответственно. Такое высокое обогащение металла ликвирущими элементами не является характерным, для всего объема слитка, область повышенной сегрегации занимает только небольшую зону, которую при прокатке раскатывают в продольном и поперечном направлении. В. готовом прокате не обнаруживается такого высокого содержания ликвирующих элементов. В готовом прокате распределение элементов в основном равномерное. Небольшое повышение содержания углерода и серы наблюдается на горизонтах, соответствующих 16-32^ от верха слитка.

Распределение механических свойств по дайне раската слитка показывает однородность всего проката сбалансированной стали, небольшое увеличение прочности-наблюдается лишь на уровне 30$ от верха слитка и небольшое снижение в донной части.

Сравнение распределений отклонений механических свойств от их среднего значения в слитке спокойной стали 35ГС и заменяющей ее сбалансированной стали 3212Рпо, выполненное на большом количестве образцов арматуры класса А-Ш периодического профиля номеров 10-16, не выявило преимуществ спокойной стали. Все распределения отклонений имеют идентичный характер.

6. ОСВОЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ СБАЛАНСИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Промышленное освоение новых экономнолегированных сбалансированных сталей производили на Коммунарском и Череповецком металлургических комбинатах с выплавкой в большегрузных (600-тн) мартеновских печах. Сталь 23ГАХпс с пределом текучести

440 н/ш^ использовали для изготовления спецпрофилей горных выработок типа СВП взамен ранее применявшейся для этих целей стали Стбпс и пределом текучести 290 Для изготовления стали разработана оригинальная технология раскисления и легирования, которая включала присадку в печь перед выпуском углеродистого ферромарганца и использование для ввода хрома и азота азотированного феррохрома.

Для лучшей растворимости технологическую добавку ниобия вводили феррониобием с повышенным содержанием алюминия и кремния.

■ Такой способ раскисления и легирования позволил получить требуемый химический состав и значительно снизить потери металла из-за холодной разливки (с 8,6 до 2,3 кг/ч).

Прокатку слитков осуществляли на блшы размером 300x300мм и затем на полунепрерывном стане "600" на готовый сорт. Спецпрофили шахтной крепи из стали 23ГАХпс удовлетворяли всем требованиям, предъявляемым потребителем (<3Т? 440 н/мг^;6/640 н/та£;

и обладали следующим комплексом механических свойств: предел текучести 440-580 н/мм2 (среднее значение 488 н/мм2), временное сопротивление 640-780 н/ш^ (среднее значение 697 н/мь£), относительное удлинение 18,0-29,0% (среднее значение 21,8/0. Расходные коэффициенты у стали 23ГАХпе от слитка к блшу и от блша к готовому сорту аналогичны таковым для стали Стбпс. Такая замена позволяет экономить около 20$ металла. Кроме того, по способности к мнгократному деформированию спецпрофили из стали 23ГАХпс почта в два раза превосходят такие же профили из стали Стбпс. Экономический эффект от замены стали Стбпс сталью 23ГАХпс при годовом объеме производства 16 тыс.т составил 288 тыс.руб.

Сталь 23ГАХпс с технологической добавкой ниобия внедрена на Коммунарском комбинате, а с технологической добавкой ванадия - на комбинате "Азовсталь".

Промышленное производство сбалансированной стали 32Г2Рпс организовано на Череповецком металлургическом комбинате. Ее использовали для изготовления свариваемой стеркневой арматуры

класса А-Ш вместо спокойной стали 35ГС(2512С). Для выплавки стали использовали технологию раскисления и легирования, принятую для стали 23ГАХпс. Прокатку производили сначала на блюмы, потом на заготовку квадрат 80 и затем на стержневую арматуру диаметром 12-18мм. Все расходные коэффициенты находились на уровне коэффициентов для стали СтБпс. Стержневая арматура диаметром 12-18мм из стали 32Г2Рпс удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к свариваемой арматуре класса А-Ш из спокойных марок сталай 35ГС й 25Г2С, но за счет снижения головной обрези у слитков позволяет экономить 7-10$ металла. Сталь 32Г2Рпс обладает следутащш комплексом механических свойств: предел текучести 425-595 н/мм2 (ореднео значение 507 н/мм2, временное сопротивление 615-800 к/т? (среднее значение 712 н/мм2), относительное удлинение 14,5-30,0$ (среднее значение 20,6$).

Переработка стержневой арматуры периодического профиля из стали 32Г2Рпс на железобетонных заводах свидетельствует о высо-ной ее технологичности. Желэзобетошше изделия, армированные сталью 32Г2Рпс, выдержали все контрольные нагрузки, предусмотренные стандартами. Сталь 32Г2Рпс характеризуется хорошей свариваемостью при всех опробованных видах сварки: контактной, точечной, стыковой, ручной дуговой. Разупрочнение в зоне термического влияния на «Зыло. Все образцы разрушались вдали от места сварки. Металл швов обладал достаточно высокой стабильностью против образования горячих трещин. На Череповецком комбинате кроме стержневой арматуры внедрено промышленное производство бунтовой арматуры периодического профиля класса А-Ш. С выплавкой в кислородном конверторе производство стержневой арматуры из стали 32Г2Рпс освоено на Челябинском металлургическом комбинате. Экономический эффект при производстве стержневой арматуры из стали 32Г2Рпс вместо стали 35ГС в объеме 50 тыс.т составил 371 тыс.руб. (7,42 руб/т.).

ВЫВОДЫ

I. Исследовано влияние легирования (углеродом до 0,4$, марганцем до 2,0$) и микролегирование нарбонитридообразующими

элементами (ниобием, ванадием, бором, хромом) на формирование слитка сбалансированной стали и комплекса механических свойств; установлены граничные условия легирования, обеспечивающие требуемое строение лигой заготовки и высокие качественные характеристики полученного из нее горячекатаного сортового проката при высоком выходе годного на первом переделе (свыше 91$).

2. Установлено, что давление газов при кристаллизации металла является комплексным параметром, определяющим формирование литой структуры. Разработана математическая модель расчета давления газовыделения, определено его критическое значение и получены зависимости между содержанием основных легирующих элементов (углерода, марганца, кремния) и газов (азота, водорода), обеспечивающие получение литой структуры сбалансированной стали. Показано, что наличие в стали, содержащей 0,2$ углерода, более 0,03$ свободного азота приводит к образованию полностью неуспокоенной литой структуры слитка независимо от содержания

в ней несвязанного кислорода и водорода; в стали, содержащей 0,1$ углерода полностью неуспокоенная литая структура формируется уже цри содержании азота 0,02%.

3. Показана практическая возможность повышения предела текучести горячекатаных сбалансированных сталей до 600 н/мм^ путем легирования марганцем (до 1,5$), хромом (0,6$) ванадием (до 0,12$) и азотом (до 0,03$), причем упрочнение достигается за счет комбинации различных механизмов: твердораство-ренного 15$, второй фазой (перлит) 25$, зернограничного 35$ и дисперсионного 25$.

4. Микролещрование марганцовистой сбалансированной стали совместными добавками азота (0,02-0,25$) и хрома (до 0,6) приводит к повышению прочности (интенсивность 20 н/мм^ на 0,1$ хрома) и текучести (интенсивность 12 к/т? на 0,1$ хрома), снижению пластичности, ударной вязкости и хладостойкости. С применением методом математического планирования экстремальных экспериментов - полного факторного анализа и крутого восхождения, показана возможность достижения у сортовой горячекатаной стали, микролегированной добавками азота и хрома, высокой прочности (650 н/мг/') при хорошей пластичности (18$).

5. Микролегирование сбалансированной стали, содержащей хром (0,3-0,4$) и азот (0,02-0,025$) ниобием (до 0,02$) или ванадием (до 0,12$) повышает прочность (интенсивность 36 н/мм2 на 0,01$ ниобия и 12 на 0,01$ ванадия), текучесть (интенсивность 45 н/мм2 на 0,01$ ниобия и 20 н/мм2 на 0,1 ванадия) при незначительном снижении пластичности и вязкости; микролегирование ниобием и ванадием сопровождается измельчением ферритного зерна (до 5 мхм) и, как следствие, снижением температуры вязко-:зфупкого перехода (на 20-30°С).

6. Экспериментально показано и практически подтверждено, что временное сопротивление разрыву 600 н/мм2 при хорошей пластичности { ¿А 5 не менее 14$) целесообразно осуществлять твердорастворннм упрочнением (содержание марганца 1,3-1,7$ при содержании углерода 0,28-0,37$). Повышение прочности до 650800 н/мм2 требует использование зернограничного.и дисперсионного упрочнения {хикролегированиэ хромом 0,3-0,6$ совместно с азотом 0,015-0,030$, ниобием до 0,02$ или ванадием до 0,12$), которые позволяют сохранять высокую пластичность ( ¿/5 не менее 18$). Для получения прочности выше 800 н/мм2 упрочнение может достигаться за счет получения более дисперсных структур (бей-нита или мартенсита).

7. Микролегирование бором <0,002-0,006$) сбалансированной стали с различным содержанием азота при практически постоянных прочностных характеристиках сопровождается повышением значений ударной вязкости в интервале температур от ч20 до -40°С на 3040 Дж/см^, что связано с очищением твердого раствора от азота и измельчением зерна феррита.

8. Результатами исследования показано, что по химической однородности и разбросу механических свойств сортовой прокат низколегированных сбалансированных сталей в толщинах до 20мм практически не отличается от проката полностью успокоенных кремнием и алюминием сталей аналогичного назначения: отклонение от среднего содержания по сере не превышает 0,003$, по углероду 0,02$, по временному сопротивлению 40 н/миг, пределу текучести 60 н/мм2 и относительному удганению 4$ (абс.).

9. Разработанные основные полодания по условиям получения, легирования и микролегирования сбалансированных сталей реализованы при создании новых акономнолегированных сталей повышенной прочности дош свариваемой арматуры класса А-Ш (32Г2Рпс) и для спецпрофилей крепи горных выработок (23ГАХпс), характеризующихся комплексом высоких прочностных свойств (640 н/шг) и пластичности ( 18%), а также достаточной вязкостью при минусовых температурах и после механического старения. Новые стали внедрены на Череповецком, Челябинском и Комэдунарском металлургических комбинатах. Экономический эффект от внедрения сталей 32Г2Рпс и 23ГАХлс составляет более 500 тыс.руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Морозов Ю.Д., Литвиненко Д.А., Орел Е.И. и др. Экономнолегироваяная сталь для крепи горных выработок//Бшл. ин-та Черметинформация,1976,№3, с.46-48.

2. Морозов Ю.Д., Вышванюк И.М., Литвиненко Д.А. и др.

Сталь 32Г2пс с пределом текучести 40 кг/мм^ для арматурных стержней//Бш:. ин-та Чермеинформация,1978 ,Щ6, с. 47-50.

3. Морозов Ю.Д., Литвиненко Д.А., Орел Е.И., Бабинский В.А. Структура и химическая неоднородность слитка и готового проката стали 23ГАХпс//Качественные стали и сплавы. Тем.сб.научи. тр.ВДЩЧМ.М..Металлургия,I977,Ш , с.50-55.

4. Литвиненко Д.А., Морозов Ю.Д., Вышванюк И.М.

Влияние химического состава и микролегируодих добавок на повышение прочности полуспокойной стали//Качественные стали и сплавы. Тем.сб.научн.тр.ВДЙМЧМ.М..Металлургия, 1978, № 3, с.11-17.

5. Морозов Ю.Д., Вышванюк И.М., Литвиненко Д.А., Козлов Н.П. Сравнение качества арматурных стержней класса А-Ш из полуспокойной и спокойной сталей//Качественные стали и сплавы, Тем.сб.научн.тр.ЦНИИЧМ.М.,Металлургия,1979,М, с.34-36.

6. Морозов Ю.Д., Насибов А.Г. Полуспокойная экономнолегирован-ная сталь с пределом текучести 450 МПа//Металловедение ка-

чественных сталей и сплавов. Тем.сб.научн.тр.ЩИИЧМ.М.,Металлургия, 1982, с.34-47. »

7. А.о.424905, Конструкционная сталь//Б.И.,1974,№15, с.93.

8. А.с.459528, Конструкционная сталь//Б.И.,1975,№5, с.79.

9. А.с.502973, Конструкционная сталь//Б.И.,1976,К, с.69.

10. А.с.522263, Конструкционная сталь//Б.И. ,1976,^7, с.89.

11. А.с.544708, Сталь//Б.И.,1977,№4, с.73.

12. А.с.639961, Арматурная сталь//Б.И.,1978,№48, с.68.

13. А.с.626125, Арматурная полуспокойная сталь//Б.И.,1978,$36,

с. 56.

Черметинформация, зак.902, тир.100, уч.-изд.л.1,2, печ.л.1,75, усл.кр.-отт.2,0,

подписано к печати 12.09.90 г.