автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологии получения непрерывнолитых сортовых заготовок из коррозионностойкой стали с заданным содержанием титана

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи УДК 669.14.018.8:621.746.047

КУБЕРСКИИ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ С ЗАДАННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ТИТАНА

Специальность 05.16.02 — Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов, на Московском металлургическом заводе «Серп и молот» и Волгоградском заводе «Красный Октябрь».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент НЕЧКИН 10. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ПАДЕРИН С. Н. кандидат технических наук, старший научный сотрудник КАН Ю. Е.

Ведущее предприятие: Донецкий металлургический завод

Защита состоится /$ Феяраля в & часов на заседании специализированного совета К-053.08.01 по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «/2 1993 г.

Справки по телефону: 237-84-45

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук И. Ф. КУРУНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Непрерывный рост химического машиностроения и ряда других отраслей промышленности требует дальнейшего расширения объема производства коррозионностойких сталей и сплавов. Особое место среди них занимают хромоникелевые стали аустенитного класса легированные титаном.

В настоящее время нержавеющие и кислотостойкие стали выплавляют в открытых электродуговых и индукционных печах. Основная масса металла разливается в изложницы, однако как за рубежом,так и в нашей стране проводятся многочисленные исследования и разрабатываются технологические схемы для получения непрерывнолитого металла из нержавеющих сталей.

Непрерывная- разливка предъявляет повышенные требования к • подготовке металла, а именно,к его химическому составу, температуре, содержанию газов и загрязненности неметаллическими включениями.

Многие работы исследовавшие влияние концентраций Сг, N1, Т1 и С, содержания газов и неметаллических включений на качество стали посвящены в основном металлу, разливаемому в изложницы, а. влияние отмеченных элементов на деформируемость, качество поверхности и внутренней структуры непрерывнолитого сортового металла изучено недостаточно.

На основании изложенного в работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния химического состава на пораженность различного рода дефектами непрерывнолитого' металла и получаемого из него проката.

2. Выявление причин нестабильного угара титана при легировании им коррозионностойкой стали и разработка технологии обеспечивающей получение его содержания в металле в узких пределах требуемого состава.

3. Исследование существующей технологии непрерывной разливки и определение факторов вызывающих различного рода дефекты поверхности и внутренней структуры металла.

4. Усовершенствование, на основании проведенных исследований, технологии внепечной подготовки и непрерывной разливки коррозионностойкой титансодержащей стали.

Научная новизна.

- выявлен механизм угара титана при непрерывной разливке коррозионностойкой стали, а также установлено, что около 85% этих потерь обусловлены взаимодействием титана с азотом содержащимся в металле и поглощенным струей в результате контакта с атмоферой;

- установлений, что интенсивность процессов нитридообразова-ния в значительной степени зависит от величины активности кислорода в металле перед разливкой;

- появление оксидной фазы в расплаве в виде оксидов алюминия и титана обуславливает выделение на ней нитридов титана, как за счет азота содержащегося в металле, так и поглощенного из атмосферы, поэтому факторы способствующие повышению активности кислорода в металле интенсифицируют не только реакцию окисления титана, но и благоприятствуют его более значительным потерям в виде нитридов.

Практическая значимость. На основании результатов лабораторных и промышленных исследований скорректированы концентрации хрома, никеля и титана в металле подготовленном для непрерывной разливки.

Разработана технология легирования стали титаном с использованием датчиков УКОС-1, позволяющая стабилизировать угар титана, получать концентрацию его в готовой стали в более узких пределах, ближе к нижней границе химического состава (ГОСТ 5632-72) и практически исключить отбраковку металла из-за непопадания в анализ по содержанию этого элемента.

Для снижения интенсивности взаимодействия элементов расплава с кислородом и азотом атмосферы, при непрерывной разливке усовершенствована защита стали на участке сталеразливочный-промежуточ-ный ковш. Вдувание.аргона в место соединения сталеразливочного стакана и защитной трубы с расходом ' О,ОТ - 0,014 мэ/мин позволяет значительно снизить содержание азота, кислорода и неметаллических включений в непрерывнолитом сортовом металле, повысить качество проката.

Серия опытных плавок, проведенная по предложенной технологии характеризовалась значительным улучшением экономических и технологических показателей.

Внедрение усовершенствованной технологии позволяет снизить

Общий угар титана на 8 расход 65 Ж-ного ферротитана на 33 % *

(за счет лучшего усвоения и более рационального легирования Олиже к нишей границе), повысить выход годного при прокатке в среднем на 2,3 %.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит около 200 руб/т по ценам 1-го квартала 1992г.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на республиканской межотраслевой конференции "Повышение качества непрерывнолитых заготовок и эффективности процесса" (г.Могилев, 1990 г.),Х Всесоюзной конференции по физико-химическим основам металлургических процессов (г.Москва. 1991г.), I конгрессе сталеплавильщиков (г.Москва, 1992г.).

Публикация. Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных работах.

Объем работы. Диссертация изложена яъА/^страййЦах Машинописного текста, состоит из введения,^" глав, общих выводов й списка литературы42& наименований, включает22. таблиц, 36 рисунков.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

2.1. Исследование технологических характеристик" заготовок и проката из стали Х18Н10Т разлитой в изложницы и непрерывным способом

В 1987 году на Московском- МетаАйУ^гйЧесйоМ заводе "Серп и Молот" вступила в промышленную эксплуатацию сооружейная итальянской фирмой "Данйели" радиальная УНРС, один йз ручьев которой предназначен для отливки сортовых заготовок сечением 140 х 140 Мм. В настоящее время освоена технология непрерывной разливки углеродистых сталей и ряда нержавеющих (08-40X13, 08Х18Н9-НЮ).

Основные моменты,технологии включают выплавку металла методом переплава отходов в 8 -тонной дуговой электропечи, продувку стали аргоном в сталеразливочном ковше в течение 3-7 минут и непрерывную разливку в сортовые заготовки.

-Для защиты зеркала металла, в промежуточном ковше используют шлак феррохромового производства, (310а~29$, МбО—Ш, Са0~51%),

а в кристалллизаторе отечественные шлакообразующие смеси (310г~40% М§0~ 10%, СаО~31Ж, С~ 3-5%) .При разливке нержавеющих сталей, для снижения интенсивности взаимодействия с атмосферой на участке сталеразливочный ковш - промежуточный ковш, применяют защитные шамотно-трафитовые трубы. Подвод металла в кристаллизатор при разливке всех марок осуществляют под уровень через погружные шамотнографитовые стаканы.

Несмотря на широкий сортамент освоенных марок, попытки получения качественных непрерывнолитых заготовок из коррозионностой-ких сталей, содержащих титан, не увенчались успехом. Заготовки и получаемый из них прокат содержали большое число разнообразных грубых дефектов (трещин, плен и т.д.), что приводило к повышенной отбраковке металла, большим потерям при абразивной зачистке, а часто целые плавки сдавались заказчику вторым сортом или полностью переводились в брак.

Поэтому была поставлена задача освоить технологию подготовки металла к непрерывной разливке с целью удовлетворения имеющегося на заводе спроса непрерывнолитыми сортовыми заготовками из стали 03 - 12Х18Н10Т.

Для выявления путей улучшения качества горячекатанного сортового проката и подката, идущего на производство листа на первом этапе проведено сравнительное исследование химического состава, уровня загразненности металла неметаллическими включениями и газами путем отбора проб проката, полученного из привозных катанных, и собственных непрерывнолитых заготовок.

Исследуемый массив состоял из 65 плавок привозного металла и 50 плавок непрерывнолитого.

Пробы отбирались из сутунки (20 х 190 х 700 мм), химический состав которых контролировали методом эмиссионной спектроскопии на квантометре АЙЬ - 72000, содержание кислорода и азота на газоанализаторе фирмы "Ьеко", а оценка характера загрязненности неметаллическими включениями производилась по ГОСТ 1778-70.

В результате проведенного анализа установлено, что металлу разлитому на УНРС в условиях завода "Серп и Молот" свойственно более высокое содержание хрома и титана (табл.1) и меньшая концентрация никеля. Особенно значительны эти отличия для плавок характеризуемых повышенным расходным коэффициентом, либо вообще попашим в брак. Известно, что повышенное отношение Сг/Н1 и Т1/С отрицательно сказывается на качестве металла. Это объясняется

л

ростом количества а - фазы и загрязненности стали неметаллическими включениями вследствие взаимодействия избыточного, по отношению к углероду, титана с кислородом и азотом.

Таблица 1.

Результаты химического анализа исследованного металла

! Массовая доля элементов %, для заводов

Симво-!---------------------------------------------------------

лы I "Днегфо- ! Златоустов- ! "Серп и молот"

элеме-1 спецсталь" ! ский метал- !-------------------------:—

нтов ! I лургический I нормальный 1 повышенный

! 1 ! расходный ( расходный

I I 1 коэффициент | коэффициент

N1 9,48 - 10,65 9,43 - 10,75 9,50 - 10,45 9.01 - 10.30

10,28 10,36 - 10,04 9.81

Сг 17,46 - 18,46 17,25 - 18,80 17,35 - 18,91 17.53 - 18.97

17,87 18,01 18,10 18.35

Т1 0,38 .- 0,70 0,27 - 0,75 0.45 - 0.70 0,35 - 0,80

0,51 0,56 0,61 0,67

Сг 1,70 - 1,82 1,65 - 1,84 1,65 - 1,87 .1,78 - 1,90'

N1 1.74 1.73 1.80 1.85

Т1 5,00 - 7,60 ' . 5,00 - 7,50 5,10 - 8,00 5,10 - 11,00

С 6,00 6,30 6,35 7,40

N 0,0055-0,014 0,0048-0,015- 0,011-0,017 ' 0,0152-0,024

0,0098 0,0093 0,0124 0,0172

0 0,0013-0,006 0,0017-0,0072 . й.003-0.009 0,004-0,022

0,0040 0,0041 0.0070 0,0155

Это нашло подтверждение и в нашем исследовании. Так для случая металла разлитого на УНРС характерно не только более высокая концентрация титана и отношения Т1/С , но и повышенное содержание азота, кислорода и неметаллических включений.

Включения представляют собой, в основном, нитриды и карбо-нитриды титана и если для привозного металла загрязненность находится в пределах 1,5 - 2,5 балла, то в непрерывнолитом металле

г

наблюдаются грубые скопления неметаллических включений 3,0 - 4,5 балла, что в большей степени способствует образованию различного рода дефектов.

Особое внимание при исследовании микрошлифов было уделено деффектным местам. Состав вюочений изучен на микрозонде МБ - 46 (фирма "Намека"). Обнаружены грубые газовые поры, сопровождающиеся скоплениями нитридов титана. Наряду с глобулярными включениями присутствуют; пленочные, располагающиеся по границам зерен в виде оксидов титана и алюминия.

. Следует отметать, что скопления нитридов и оксидов обнаружены не только у поверхдости,. но и встречаются в центре сутунки. При этом и остальные, объемы металла значительно загрязнены точечными нитридами и оксидами. В ряде случаев в дефектных местах обнаружены скопления оксикарбонитридов.

Сравнение механических характеристик, определенных на большом количестве образцов показало, что уровень свойств удовлетворяет требованиям ГОСТ 5949 -75. Однако, удалось заметить что с ростом концентрации, никеля имеется тенденция снижения пределов прочности и текучести, а относительное удленение и сужение увеличиваются. /

При повышении концентрации титана и отношения Т1/С пределы прочности и текучести повышаются, а сужение, удленение и ударная вязкость определенные при комнатной температуре снижаются. Дляч плавок с повышенным содержанием титана имеется тенденция роста потерь металла'ца. зачистку-и строжку (рис.1).

Проведенный анализ позволил заключить, что для снижения склонности нещюрырнолитого металла к образованию дефектов, повышения качества, заготовок и- проката необходимо :

1. Ограничить концентрацию хрома в стали на уровне 17,0 - 18,0 %.

2. Легирование стали"никелем производить на верхнюю границу для, обеспечения его концентрации на уровне 10,0 - 11,0 Ж.

3. Отношение концентрации хрома к никелю не должно превышать 1„8.

4. Стабилизацию стали титаном осуществлять ближе к нижней, ■границе требуемого химического состава для обеспечения отношенця Т1/С в пределах 5,0 - 6,0.

5. Разработать мероприятия способствующие снижению содержания азота,л кислорода и неметаллических включений в непрерывно-

литых заготовках и прокате.

Зависимость потерь металла на зачисткуи строжку от массовой доли титана в стали 12Х18Н10Т

Потери металла,%

10 9

8 7

Рис. 1

Обеспечение требуемых концентраций хрома и никеля возможно без изменения существующей технологической схемы. Угар хрома и никеля колеблется незначительно, поэтому регулируя расход ферросплавов получить требуемые содержания не представляет больших трудностей. Сложнее представляется задача получения стабильных концентраций титана, ближе к нижней границе заданного состава.

Легирование титаном коррозионностойкой стали в условиях завода "Серп и Молот", производится в сталеразливочном ковше, в,процессе выпуска металла. Однако такая технология не обеспечивает стабильного усвоения титана и оно колеблется от 30 до ТО %, поэтому попытки легирования на нижний предел, по существующей технологии нередко приводят к браку из-за непопадания в анализ.

2.2. Разработка технологии, обеспечивающей получение концентрации титана в узких пределах

Потери титана при легировании обусловлены взаимодействием его с кислородом, содержащимся в метвлла, атмосфере, шлаке.',

0,3 0,5 0,7 [Т13. %

с- ю -

Контроль окисленности металла датчиками УКОС на опытных плавках стали Х18Н10Т позволил установить тесную связь между усвоением титана и активностью кислорода перед выпуском из печи.

Представленная на рисунке 2 кривая (2) имеет характер гиперболы свойственной для реакций раскисления стали, и описывается

уравнением регрессии:

У = 0,029 / X + 29,6 , И = 0,92 (1)

Зависимость усвоения титана от активности кислорода в печи перед выпуском

Усвоение титана,%

70

60 50

0.001 0,003 а«д

1 - Завод "Красный Октябрь", 2 - завод "Серп и Молот" Рис.. 2

Анализ химического состава и-окисленности шлака показал незначительные отклонения от плавки к плавке, причем перед выпуском из печи система очень близка к равновесию. Это подтверждается сравнением рассчетных (полученных по теории регулярных ионных растворов) и фактических значений активности оксида железа (a(Feo)p = 0,068, acFeoi* = 0,069) и распределения кислорода между металлом и шлаком в результате которого расчетная ([0]. = = 0,0193) и фактическая концентрация кислорода ([0] = 0,0191) отличаются незначительно.

Отклонения фактического угара от экспериментальных значений могут быть вызваны колебанием массы печного шлака. Для условий завода "Серп и Молот" установлено, что масса шлака в печи перед выпуском не должна превышать 400 кг или 5 Ж от массы металла. В этом случае шлак обеспечивает достаточную изоляцию расплава от взаимодействия с атмосферой. Увеличение массы шлака в ковше на 100 кг может способствовать увеличению угара титана на 2-4 Ж.

На основании установленной зависимости была разработана новая технология легирования стали титаном, основные моменты которой заключаются в следующем:

- перед выпуском расплава из печи сменными блоками УКОС-1 и термопарами ПР-ЗО/б определяли э.д.с. и температуру ;

- по известным значениям рассчитывали активность кислорода в стали, используя уравнение :

(ахо*2Ё_2_«ао +1.,4а) (- мха . 2,98) а. = [10 т - 10 т ]а (2)

- установленная зависимость усвоения титана от активности кислорода перед выпуском из печи, позволила предложить формулу:

« Мм • [Т11-100 .•

ф = Т070297ао~+"29757ГР (3)

где : Ф - масса титансодержащего материала, требуемая для обеспечения заданного содержания титана в готовой стали, кг ; Мм - масса легируемого металла, кг ; . (Т1] - заданное содержание титана в готовой стали, да вычетом имеющегося в металле к моменту легирования, % :

ао - активность кислорода в стали перед выпуском из печи, Ж ;

Р - процентное содержание титана в титансодержащем' материале, , Ж.

- уравнение (3) позволяет с высокой точностью рассчитать требуемую для легирования массу титансодержащего материала:

- при массе шлака значительно (более 10 %) превышающей тех-

■ нологически необходимое количество требуется учитывать его влияние на угар титана используя полученную рассчетным путем поправку, которая имеет вид : •

\г -

ЛУТ1 = ( МШ^Я- 5 ). в (4)

где : дУп - изменение угара титана, % ;

Мм, Мш - масса металла и шлака, кг ;

В - поправка усвоения, %. Поправка (В) получена расчетным путем для средних значений опытных плавок и ее величина,в интервале изменения массы шлака от 300 до 600 кг находится в пределах 4,4 - 2,0.

Проварку разработанного способа легирования проводили на Волгоградском заводе "Красный Октябрь". В результате проведения большой серии опытных плавок была установлена аналогичная зависимость усвоения титана от активности кислорода, которая представлена на рисунке 2,(кривая I).

Результаты внедрения разработанной технологии иллюстрируются таблицей 2, из которой видно, что отклонения расчетных значений усвоения от фактических не превышают 3 %, а расчетная концентрация титана отличается от фактической на 0,01 - 0,04 %.

Таблица 2

Показатели легирования стали титаном по разработанной технологии

Перед выпуском из печи!Задан-¡Расход! Усвоение !Массо-10тно-

---------------------¡ное !ферро-! титана !вая до!шение

Масса!Тем-!ЭДС 1 Актив-(содор-!титана!-----------1ля ти-!тита-

мста-!пера! !ность !иание !на !рас- !фак- !тана в!на к уг-лла !тура1 Iкисло-1 титана!плавкуНет- !тиче-!гото- 1лероду

1 ! !рода ! ! !ное !ское !вой !------—

> I !»(0* ! I I I !стали !расч!Факт

Т I мВ ! % ! % ! КГ ! Ж ! % I % ! - ! -

Для завода "Красный Октябрь"

19,3 1560 395 208 0,39 190 56,5 53,6 0,37 5,5 5,2

28,7 1600 460 100 0,33 196 69,2 71,2 0,34 5,5 5,7

19,0 1560 450 93 0,50 191 71,0 72,3 0,51 5,5 5,6

Для завода "Серп и Молот"

8,0 1620 460 110 0,55 112 56,0 58,0 0,57 5,5 5.7

8,4 1625 430 180 0,61 170 43,2 40,5 0,58 5,5 5.2

8,5 1650 380 420 0,61 203 36,5 37,0 0,62 5,5 5,6

Отношение титана к углероду на плавках легированных по новой технологии имеет значительно меньшие значения, чем при работе по базовому способу и очень близки к требуемым значениям (5,0 - 6,0) установленным в результате сравнительного анализа.

2.3. Исследование потерь титана в процессе разливки

Как следует из рисунка 2 угар титана при одних и тех же значениях активности кислорода для завода "Серп и Молот" на 6 - 14 % (в среднем 12,5) больше, чем для завода "Красный Октябрь". Изучение причин этого явления позволило установить, что это связано с различиями в технологии разливки. На основании этого была сделана попытка уточнения механизма удаления титана при непрерывной ра'з-ливке.

Титан,(рис.3) теряется на всех этапах технологического процесса производства непрерывнолитой коррозионностойкой стали. Угар титана в процессе непрерывной разливки достигает иногда 40% от общего угара легирующего элемента.

Основная доля потерь титана, как отмечалось выше,обусловлена взаимодействием его с кислородом и азотом, поэтому определегашй интерес представляет анализ поведения этих элементов на рассматриваемых технологических участках.

Как видно из данных рисунка 3, фактическая окисленность металла значительно ниже, чем равновесная с титаном активность кислорода, рассчитанная по уравнению:

lg Kti= - 17.2 (5)

По-видимому активность кислорода в металле определяется наличием в нем алшиния, попадающего с ферросплавами. По мере окисления фактическая окисленность металла и равновесная с титаном сближается и в промежуточном ковше возможно окисление титана;

В то же время фактическая концентрация азота в металла значительно выше равновесной с титаном ([Tl] + 1N3 = TIN тв., lg Kti= -¡¡I-- - 6,21 ) и снижение концентрации титана возможно за счет образования и удаления нитридов титана. На возможность этого процесса указывает параллельное снижение концентраций азота и титана в металле по ходу разливки. Для уточнения возможности удаления титана в виде нитридов была проведена оценка ве--

Изменение массовой доли титана [Т.] , азота и активности кислорода<£» по ходу техяологического процесса производства непрерывнолитой сортовой заготовки из стали Х18Н10Т

1.1

0.9 0.7

оп .*

0.07" 0,05

0.03

0,01

а»,%

0,00150

0,00100 0,00050

I»

I I

12345 2345 2345

— — — — — равновесные значения концентрации азота и активности кислорода с титаном (I) и алюминием (2) I - расчетная концентрация титана; 2 - сталеразливочный ковш до продувки аргоном; 3 - после продувки аргоном; 4 - промежуточный ковш; 5 - кристаллизатор.

Рис* 3

роятности гомогенного и гетерогенного образования и выделения зародышей оксида и нитрида титана в жидкой стали с использованием известных уравнений теории зарождения новой фазы:

Л =-- Н-ехр ( - до* / к-Т) (6)

Изменение энергии Гиббса. (да*) при образовании сферического зародыша критического размера описывается уравнением:

до* = -и--------- , (7)

^ р?й3- Та (1п с.)3

При числе зародышей (.1), возникающих в единице объема расплава за единицу времени, равном 1 см"эс"1, оценивали возможность гомогенного выделения неметаллических включений^ в объеме жидкой стали, по величине степени химического пересыщения расплава реагентами (а), необходимой для образования включения йп Хт, которая рассчитывалась по формуле:

_ 2,7М . , а3м-в «1/а /о,

1п а - ( К7ТТ1ЙЯ) (8)

Гетерогенное зародышеобразование (на готовых подложках) требует, как правило, меньших энергетических затрат.-' Изменение энергии Гиббса при образовании частицы можно выразить через степень пересыщения :

ДО* = - И-Т-Ш а , (9)

тогда

1п огон / 1п агет = Д0*гом / дв*гет (10)

Для расчета приняты следующие данные :

рт1N = 5,4 • 10э кг/м3, Рт1аоэ= 4,6 • 10э кг/м3, РА1а°э = 1оЭ кг/мЭ ' поверхностное натяжение стали

12Х18Н10Т аст = 1200 ^ , меафазное натяжение на границе оксид

М тт

титана - расплав им.-п,о = 1200 М® , ан.-А1 о„= 1670 т«? .

2 3 М 33 ма

Межфазное натяжение на границе нитрид титана - расплав находим из уравнения Неймана :

аст - т!н = апм - аст-созе (11)

откуда, аст-пн =2660 - 1200 • соз 100° = 2870 Щ;-

м3

16П сгё-в • Ма

© 16 -

Остальные параметры используемые в расчете представлены в таблице 3.

Таблица 3

Сбдержание элементов, температура и коэффициенты активности на различных этапах технологии

И IТемпе-1 Массовая доля,% ! Коэффициенты активности

п/п ! ратура!--------------------------!--------------------------

! °С ! Т1 ! А1 1 0 ! N ! /п ! /*1 ! . /о ! /н !_I_!_!_!_!

1 1630 0,90 0,06 0,0135 0,0515 1,69 2,23 0,078 0,044

2 1600 0,82 0,04 0,0081 0,0409 1,70 2,19 0,086 0,048

3 1500 0,62 0,03 0,0096 0,0265 1.71 2,08 0,107 0,060

4 1450 0,48 0,02 О.ООТ6 0,0202 1,72 2,06 0,128 0,072

1. Сталеразливочный ковш до продувки аргоном; 2. Сталераз-ливочный ковш после продувки аргоном; 3. Промежуточный ковш. 4. Кристаллизатор.

Результаты раочетов представлены в таблице 4 из которых следует, что на всех рассмотренных стадиях возможно гомогенное образование оксида А1а0з и гетерогенное образование оксида Т1г0з на готовых подложках оксида алюминия, и на неметаллических включениях, содержащихся в раскислителях и ферросплавах.

В процессе разливки металла создаются условия для окисления титана и потерь его в виде нитридов, выделяющихся на готовых подложках оксидов алюминия и титана.

В ряде работ приводится очень схожий механизм выделения нитрида титана при производстве непрерывнолитых титансодержащих сталей. В центре исследуемых под микроскопом частиц нитрида титана часто наблюдается темная точка. Микроанализом установлено, что она представляет собой оксид алюминия.

Результаты проведенных расчетов хорошо согласуются с полученной в ходе экспериментов зависимостью угара титана в промежуточном ковше и доли его потерь с азотом содержащимся в металле от активности кислорода перед непрерывной разливкой (Рис.4).

Таблица 4

Результаты расчета степеней химического пересыщения, концентраций азота и кислорода для гомогенного в гетерогенного выделения включений

! Тип Гомогенное ! Гетерогенное

Стадии (включений выделение 1 выделение

процесса ! ----- -------- ------ ! -------------

а I [01,* ПШ.Х! а ! 101.,» ! ЕК1 .Ж

! » г ! ! 1

Сталеразливоч- Т1И 846 60 2,32 0,1300

ный ковш до А1г0э 830 0,0123 - - - -

продувки ар- Т1г0з 144 0,0650 - 1,86 0,0055 -

гоном

Сталеразливоч- 994 _ 45 2,37 0,0780

ный ковш после А1г0з 976 0,0080 - - - —

продувки ар- • Т1а0э 162 0,0480 - 1,90 0,00164 -

гоном

Промежуточный Т1И 1794 - 28 2,55 0,0261

ковш АЬОз 1757 0,00238 - — - —

Т1а0э 252 0,0195 - 1,99 0,00050 -

Кристаллизатор Т1Н 2507 - 28 2,66 0,0166

А1а0з 2440 0,00120 — — — —

ТЬОз 320 0,0099 - 2,06 0.00017 -

Влияние активности кислорода перед непрерывной разливкой на угар титана в промежуточном ковше ' и долю его потерь с азотом содержащемся в металле

Угар "•итана.Я

15

Потери титана р азотом,*

5 15 25 а,-10*,%

1 - угар титана: 2 - потери титана' с азотом.

Рис. 4

Установлено, что повышение активности кислорода перед разливкой вызывает увеличение не только суммарного угара титана в промежуточном ковше, но и доли его потерь с азотом, содержащемся в металле перед разливкой, что подтверждает преимущественное удаление титана в виде ИМ, которые выделяются на подложках, оксидов алюминия и титана.

• Одним из факторов способствующих повышению активности кислорода может быть контакт расплава с атмосферой. Существующая схема непрерывной разливки не предотвращает взаимодействия металла с ^воздухом ввиду подсоса его в место соединения сталеразливочного стакана и защитной трубы. Это лодтверждается рядом факторов, повышением концентраций азота и кислорода при переливе в промежуточный ковш, образованием корок на поверхности расплава ь кристаллизаторе и характером изменения активности кислорода (рис.3).

Кроме того, анализ потерь титана при разливке показал, что , они могут достигать 0,3% (абс). Однако в соответствии с балансом, присутствующих в металле кислорода и азота явно недостаточно для удаления таких количеств титана. Поэтому, одним из источников кислорода и азота в процессе разливки может быть взаимодействие расплава с окружающей атмосферой.

Для оценки количества кислорода, поглощенного из окружающей атмосферы поверхностью потока металла, использовали уровнепиа, выведенное на основании законов диффузии в газовых турбулентных . потоках и теплопередачи конвекцией которое имеет вид:

О = МхОШ.— (С° — )■ Р (12)

' Ие°'а

где: в - количество кислорода, поглощенного из окружающей атмосферы, поверхностью потока металла;

V - скорость потока;

Яе - критерий Рейнольдса;

С° и 0? - средние концентрации вещества соответственно в :• потоке и на поверхности раздела фаз;

. Р -.поверхность потока.

Оценку количества кислорода и азота, поглощенных из воздуха 'производили для следующих параметров процесса: длина струи металла -1м, температура металла 1773 К, высота металла в ковше 2,0 м, диаметр сталеразливочного стакана 40 и 60 мм, скорость истечения струи на выходе из стакана ковша 4 - 7 м/с, а при входе в зеркало

металла в промежуточном ковше 11,4 м/с, кинематическая вязкость газа при стандартных условиях принята 1,34«10_,сма/с.

В результате проведенных расчетов установленно, что количество кислорода и азота, поглощенных из атмосферы в процессе разливки возрастает с ростом длины струи, снижением диаметра разливочного стакана, скорости вытягивания заготовки и уровня стали в разливочном ковше.

При диаметре разливочного стакана 60 мм количество кислорода и азота, которое может поглотить струя из атмосферы составляет 0,00457 - 0,0659 %' (среднее 0,00533) и 0,0151 - 0,0217« (0,0176) в начале и в конце разливки соответственно.

Исходя из стехиометрии образования оксида (Т1а0з) и нитрида (TIN) титана следует, что на долю кислорода воздуха приходится 0,03 - 0.04% абсолютного угара титана при непрерывной разливке, а в результате взаимодействия струи с азотом атмосферы теряется в среднем 0,13 - 0,23%.

Исследование результатов опытных плавок показало, что в промежуточном ковше концентрация кислорода возрастает на 0,00262 -0,00490%, а содержание азота и.титана снижается на 0,005-0,028* (0,015) и 0,13 - 0,25% (0,17) соответсвенно. В кристаллизаторе снижение концентрации азота и титана составило 0,001 - 0,013* (0,006) и 0,01 - 0,19% (0,12), а кислород изменяется незначитель- 1 но. Анализ суммарных потерь титана показывает, что за период непрерывной разливки потери титана составляют 0,14 - 0,44% (0,29) и обусловлены они в основном удалением титана в виде TIN. На долю азота содержащегося в металле перд разливкой приходится 0,03-0,15% (О,efe) потерь титана, а с азотом поглощаемым струей из атмосферы уходит 0,12 - 0,29% (0,21) титана. Таким образом, расчетные и фактические потери титана очень близки.

На участке промежуточный ковш - кристаллизатор окисление титана и выделение его нитридов сопровождается образованием шлаковой корки на поверхности металла. Заворот этой корки приводит к грубым дефектам и увеличивает вероятность прорыва металла под кристаллизатор. Поэтому при разливке корка уделяется специальными 1фюкакш, что усложняет процесс разливки.

Сравнительный анализ состава стали в шлаковых корок, отобранных из кристаллизатора представлен в таблице 5. В образцах корки содержится больше углерода, титана и азота, что указывает на возможные потери титана в виде нитридов и карбонитридов.

- го -

Результаты исследования еще раз подтверждают, что существующая схема защиты металла не предотвращает контакта расплава с атмосферой, который способствует увеличению активности кислорода при переливе в промежуточный ковш, смещению равновесия в сторону окисления титана и возможному выделению нитридов титана на подложках, образующихся окислов.

• Основные потери титана обусловлены удалением его с азотом и для снижения их необходимо усовершенствование существующей схемы .защиты металла от взаимодействия с атмосферой.

Таблица 5

Химический состав корок и проб стали Х18Н10Т, отодранных из кристаллизатора при непрерывной разливке

Массовая доля элементов, %

Г

N I

И/п! _I

3 —

С ! МП 1 ! 1 Б1 1 ' 1 Р ! ! N1 1 Сг 1 1 1 Т1 1 1 I N I

0,27* 1,34 0,60 0,018 9,85 17,63 0,64 0,025

0,12 1,31 0,52 0,018 9,90 17,72 0,57 0,019

0,21 1,10 0,63 0,019 10,15 18,41 0,60 0,085

0,12 1,15 0.58 0,017 10,20 18,35 0,50 0,045

0,19 1.20 0,70 0,015 10,32 '18,20 0,72 0,070

0,10 1,17 0,65 0,015 10,41 18,09 0,61 0,039

* - в числителе химический состав корок, в знаменателе проб металла отобранных из кристаллизатора.

2.4. Усовершенствование технологии непрерывной

разливки коррозионностойких сталей

- . ■

,С целью предотвращения подсоса воздуха и улучшения защиты металла от взаимодействия с атмосферой при непрерывной разливке, была выбрана конструкция, представленная на рисунке 5..По впрес-_сованной в защитную трубу втулке подавался аргон с целью обдува места соединения стакана и защитной трубы и увеличения давления в нем.

- 2J -

Конструкция устройства для защиты от вторичного окисления на участке сталеразливочный -промежуточный ковш

1 - Защитная труба; 2 - кольцо с противовесом для крепления устройства; 3 - канал для подачи аргона; 4 - разливочный стакан.

Рис. 5

Отладку режимов подачи аргона производили на опытных плавках стали 08Х18НЮ. Расход аргона изменяли от 0,003 до 0,016 м3/мин.

На рисунке 6 представлены изменения активности кислорода, определяемой в сталеразливочном ковше перед разливкой и -в промежуточном ковше по ходу процесса наиболее характерные для исследованного массива опытных плавок.

Отмечено, что при разливке стаж по базовой технологии, без дополнительной защиты аргоном, активность кислорода в промежуточном ковше в конце разливки почти в два раза выше, чем в сталеразливочном ковше.' .

При разливке с дополнительной защитой аргоном, вдуваемым в место соединения стйкана и *рубы с расходом 0,0t - 0,t3 мэ/мин, активность кислорода практически не изменяетсй или несколько снижается. При расстыковке места соединения .(плавка £} наблюдается резкое повышение уровня активности кислорода. При низком расходе аргона (0,005 мэ/мин) наблюдается повышение уровня активно-

Активность кислорода ( а») в ст^леразливочном (С/К) и промежуточной (П/К) ковшах при. разливка стаги Х18Ш0 (I) и XI8HI0T (II) по базовой (А,Б) и .усовершенствованной (В<Г) технологиям

I ' II

О 20 ,мин 0 20 ,мин

С/К П/К С/К П/К

Рис.б

сти (конец плавки 5). Повышение расхода аргона более 0,014 мэ/мин вызывало оголение поверхности металла в промежуточном ковше и про-булышвание пузырьков аргона в кристаллизаторе, что значительно снижает эффективность процесса и затрудняет его ведение.

В связи с выше сказанным для защиты металла использовался расход аргона 0,007 - 0,014 мэ/мин.

Опробование предложенного способа защиты при производстве титансодержащей стали, позволило значительно улучшить 'технологические показатели. На плавках без дополнительной защиты-аргоном активность кислорода (pic.6) возрастает по ходу всего процесса, а усовершенствованный способ разливки позволяет не только избежать скачкообразного изменения активности кислорода, но и добиться незначительного снижения значений, что связано с уменьшением температуры разливаемой стали, а значит и активности кислорода. Кроме того, защита металла приводит к заметному снижению потерь титана в промежуточным ковше (рис.7), которые почти в два раза ниже чем при разливке по базовой технологии. Имеющий место угар титана даже при таком способе разливки обусловлен протеканием реакций взаимодействия азота и титана, присутствующих в металле перед разливкой. Требуется отметить, что дополнительная защита позволяет практически исключить образование грубых корок в кристаллизаторе, однако снижение расхода аргона ниже 0,007 мэ/ мин не ' предотвращает их появления на поверхности расплава.

Исследование шлифов, отобранных от проката, полученного из разлитых по усовершенствованной технологии заготовок, показало, что количество неметаллических включений в них значительно меньше, расположены они равномерно по всему полю шлифов и отсутствуют грубые скопления в виде гроздьев. Загрязненность по включениям, для металла разлитого с аргонной защитой, не превышало балла 2,0 и находилась в интервале 0,5 - 2,0 балла по пяти-балыюй шкале ГОСТ 1778 - 70, тогда как для металла разлитого по базовой технологии 'загрязненность составляла 3,0 - 4,5 балла.

Заготовки, разлитые по усовершенствованной технологии и получаемый из них прокат имели значительно меньшее количество грубых поверхностных дефектов, хотя мелкие дефекты присутствовали лаже лри таком способе разливки, однако, они легко удалялись путем ' местной абразивной зачистки в 1 - 2 прохода. '

Потери титана в промежуточном ковше (П/К) кристаллизаторе (Кр-р) и суммарные (£ ) за период непрерывной разливки

П/К ' Кр-р £

О - разливка по базовой технологии;

а - разливка по усовершенствованной технологии;

Рио.7 ■

3. Общие выводы.

1. Подтверждено, что для снижения склонности заготовок и щхжата к образованию трещин, рванин, плен и т.д. необходимо осуществлять легирование металла никелем ближе к верхней границе требуемого химического состава для обеспечения его концентрации в готовой стали в пределах 10,0 - 11,0 X. Легирование стали хромом и титаном должно осуществляться на нижний предел, чтобы отношение Сг/Ы1 я Т1/С Ье превышало значений 1,8 и 6,0 соответственно.' • 2. Разработана новая технология легирования коррозионностой-кой стали титаном, обеспечивающая получение титана в узких пределах ближе к нижней границе требуемого химического.состава, исклю-

чавдая получение брака из-за непопадания в анализ, которая заключается в том, что перед легированием определяется активность кислорода и содержание углерода в металле, оценивается количество шлака в печи и по предложенному уравнению с учетом поправки на шлак и требуемого соотношения Т1/С рассчитывается количество ферросплава.

3. Установлено, что использование защитной трубы не предотвращает взаимодействие металла с атмосферой и оно происходит вследствие подсоса воздуха в место соединения защитной трубы и сталеразливочного стакана. Рассчетные значения возможного поглощения струей кислорода и азота из атмосферы, а также потерь титана на окисление и нитридообразования достаточно хорошо согласуются с результатами, полученными в ходе опытных плавок.

4. На основании термодинамического анализа показано, что основные потери титана в процессе непрерывной разливки, обусловлены взаимодействием его с азотом и удалением образующихся продуктов в шлаковую фазу. Установлено, что интенсивность процессов нитридообразования в значительной степени зависит от величины активности кислорода в металле перед разливкой. Появление оксидной фазы в расплаве в виде оксидов алюминия и титана обусловливает выделение на ней нитридов титана как за счет азота содержащегося в металле, так и поглощенного из атмосферы. Поэтому факторы способствующие повышению, активности кислорода в металле интенсифицируют не только окисление титана, но и благоприятствуют его более значительным потерям в виде нитридов.

< 5. Усовершенствованная система, защиты металла; в процессе непрерывной разливки, от взаимодействия с атмосферой, посредством вдувания аргона в место соединения трубы и стакана, с расходом 0,007 - 0,014 мэ/мин позволяет зачительно улучшить экономические и технологические показатели процесса. Отмечено отсутствие скачкообразного изменения активности кислорода в промежуточном ковше и некоторое снижение ее значений по ходу 'разливки.

На плавках, разлитых с,дополнительной защитой практически отсутствовало образование грубых корок в кристаллизаторе, концентрации азота и кислорода в готовом металле снижаются в 1,3 .раза •И 2,3 раза соответственно. Практически в два раза уменьшается угэр титана в промежуточном ковше.

- 6. Внедрение усовершенствованной технологии включающей в себя выплавку стали в■электродуговой печи, легирование титаном для

обеспечения отношения титана к углероду 5,0 - 6,0, продувку аргоном в сталеразливочном ковше и защиту струи, при непрерывной разливке- от взаимодействия с атмосферой, вдуванием инертного газа в место соединения стакана и трубы, с расходом 0,007 - 0,014 мэ/мин, позволяет повысить усвоение титана на 8%, снизить расход ферросплавов, на 33%, добиться значительного^снижения количества .неметаллических включений в непрерывнолйтых сортовых заготовках и прокате, снизить количество поверхностных дефектов и увеличить . выход годного металла на 2,3 %.

Содержание'диссертации опубликовано в следующих работах

1. Стабилизация усвоения титана при подготовке коррозионно-стойкой стали к непрерывной разливке / С.В.Куберский, М.А.Филимонов, Ю.М.Нечкин, Н.Н.Перевалов// Повышение качества непрерывнолйтых заготовок и эффективности процесса : Респ. межотрасл.конф.:

* Тез.докладов. - Могилев, J990. - с.83.

2. Заявка N 4887020/02'(115078) от 21.12.90г. Кл С 210,5/52. Способ производства стали. (Куберский C.B., Нечкин D.M., Перевалов H.H. и др.) Решение ВНИИГПЭ (форма 1/9) о выдачи авторского рвидетельства от 23.08.91г.

3. Влияние титана на качество непрерывнолитой коррозионно-стойкой стали /Куберский C.B., Зубрев О.И., Какабадзе Р.В., Нечкин D.M., Колосов А.Ф., Перевалов H.H.// МИСиС.-Москва, 1991î- Деп.в ин-те ЧЕРМЕТИНФОГМАЦИЯ 16.09.91, N 5810.

4. Исследование влияния вторичного окисления и активности кислорода в металле, на угар титана при производстве непрерывно-литой коррозионностойкой стали /Куберский C.B., Зубрев О.И., Какабадзе Р.В., Нечкин Ю..М., Колосов А.Ф., Перевалов H.H.// . ШСиС.-Москва, Г991-Дешв ин-те ЧЕРМЕТИЮОРМАВДЯ 16.09.91, N 5811;

5. Исследование.влияния активности кислорода на угар легирующих элементов при производстве нержавеющих сталей/ Куберский.С.В., Колосов А.Ф., Нечкин D.M., Перевалов H.H.// Научные сообщения Десятой Всесоюзной Конференции. М. г.ЧЕРМЕТИНФОРМАЦИЯ. 1991.

Часть III.-c. 125-127.

,"б. Изменение активности кислорода по ходу разливки стали на _ УНРС./ Куберский C.B., Нечкин D.M., Зубрев О.И., Перевалов H.H.// Научные сообщения Десятой Всесоюзной Конференции. М'. : ЧЕРМЕТИНЮИШЩЯ. 1991. Часть<Ш. -с. 128-129.

7. Использование кислородных зондов при легировании коррози-онноотоймос отелей титаном /Куборокий О.В., Зубров О.И.,

Какабадзе Р.В., Нечкин Ю.М., Колосов А.Ф., Семин В.Е.// Бюл.НТИ. Черная металлургия.- 1992,- N 3.- с. 24-25.

8. Повышение качества непрерывнолитых заготовок коррозионно-стойкой стали /Куберский C.B., Какабадзе Р.В., Колосов А.Ф., Нечкин Ю.М., Перевалов H.H.// Сталь.- 1992- N 3. -с. 29-32.

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЖ И СПЛАВОВ Заказ /т Объем I п.л. Тирад 100 экз. Типография ЭОЗ МИСиС, ул. Орджоникидзе, 8/9