автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Развитие теории и технологии управления свойствами стали регламентированием в ней содержания примесей и микродобавок с целью повышения качества

^ ^АП0Р13ЬКИИ ДЕРЖАВНИИ ТЕХН1ЧНИИ УН1ВЕРСИТЕТ

2 3 ^

Маняк Микола Олександровш

УДК 620. 22:669.02.002

РОЗВИТОК ТЕОРПI ТЕХНОЛОГИ УПРАВЛ1ННЯ ВЛАСТИВОСТЯМИ СТАЛ1РЕГЛАМЕНТУВАННЯМ В Н1Й ВМ1СТУ ДОМ1ШОК ТА М1КРОДОБАВОК 3 МЕТОЮ П1ДВИЩЕННЯ ЯКОСТ1

Спец1альшсть 05.02.01 " Матер1алознавство "

Автореферат дисертацп на здобуття паукового ступепя доктора техшчних наук

Запор1жжя - 1998

Дисертацк е рукописом

Робота виконана в Донецъкому державному техничному ушверснтегп, Мшкяерств осв1Ти УкраТни. ОфщШш опоненти:

доктор техшчних наук, доцент Ольшанецький Вадим Юхимович, Запор1зьки державний техшчний университет, професор;

доктор техшчних наук, старший науковий ствробггник Кондратю Станислав Свгеновнч, Ф1зико-технолопчний шститут металш I сплав1в НА! УкраТни. завщувач вцццлом лиття та структуроугворення стали

доктор техн1чних наук, професор Колесник Микола Федорович. ЗапорЬьк, державна ¡нженерна акаде\ия, проректор з науковоТ роботи.

Провдаа установа - Донбаська державна машшобущвна академия, кафедр; металознавства. технологи та тер.М1чноГ обробки метал1в, Мш1стерство освш Украши, ы. Краматорськ Донецько! обл. <

Захист вибудеться " " (X 1998р. о { Ц годит на засщанн спец1ал!зовано1 вченоГ ради Д. 17.052.01 Запор1зького державного техшчногс ушверситету за адресою: 330063, м. Запор1жжя, вул. Жуковського, 64.

3 дисертащею можна ознайомитись у б1бдютещ ЗапорЬького державногс техничного ушверситету, 330063, м. Запор1жжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розкланий" ¡Л " Н _ 1998р.

Вчений секретар спещщшованоТ вчено!

ради, доктор техшчних наук, професор

1.П. Волчок

Загальна характеристика робота

Актузльшсть проблеми. Найважлившшм напрямко.м в ршенш задач удоско-налення конструкций машин, зниження 1х мегалоемносл при одночасному збьтьшенш надшносп i довгов1чносп с гидвищення якосп металу. У той же час ка-зати про гадвищення р1вня якосп металу можна лише за умови, яйцо стутннь тдвищсння його службових характеристик, що реалЬ\тоться в процес! споживан-ня, буде вище Мфи витрат на його виробництво.

Одним ¡з найб1льш економ1чних засоб1в пщвигцення якосп констр>хц1йник матер1ал\в е регламентування у них 3MÍcrry домшок.

Зросле розумшня важливо!, а школи i визначально! poai чистоти, а точшше М1кроксладу сплатв у формуванш íx властивостей, особливо для екстремальних умов застосування, привело до розвитку нових технолопчшгх npouecÍB íx вироб-ництва, застосування переплавних рафшуточих процест, позашчно! обробки, вико-ристання чисто! по дом1Шкам шихги та ¡н.

Yci ni процеси по p¡3HOMy впливають на мжросклад сплав1в ¡ у зв'язку з цим на багато мехатчних, технолопчних та службових властивостей матер!алу.

При цьому пщ мкроскладом сплаву треба розумгти не титьки bmíct у ньому арки, фосфору i ra3¡b, але i ряду шших е л е м е htí в -до м i шо к, випадково або навмис-но внесених в розплав, & також склад i морфолопю створених ними xímÍ4Hhx асо-ш'ащй.

Тому принципова рЬниця мЬк мжроскладом i макроскладом по ля гас у тому, шо мжросклад визначаеться i залежить не вщ марки сплаву, а вщ умов його вироб-ництва.

Саме мкросклад сплаву визначае Níipy його чистоти, часто íctotho впливаючи на характер кристал1зацй, форму та склад неметалевих включень, склад i будову меж зерен i примежних зон, вид злому, прогартовашсть, обробку ртнням, спро-можшсть до пластично! деформацп, корозшну стшюсть, схильшстъ до крихкого руйнування, тобто на шлу гаму технолопчних i службових властивостей. Ь ycix за-:o6íb управлшня мжроскладом найб1льш ефективним як з економ1чного, так i з гехнолопчного боку е використання чисто! по домшкам шихги та р13номаштних [ЮМ1Ш0К, незначна гальтасть яких (не бшьш 0,1%) у ряД1 випадюв забезпечуе те, що ríe може бути досягнуто при легувант сплаву достатньо великою тльгастю легую-зих елеменпв, застосуванням p¡3HOMaHÍTHoro типу позагцчно! обробки чи ра-|ннуючих переплав!в.

Праге, незважаючи на видиму простоту використання мжродомшок, цей про цес базуеться на складних ф!зико-х!м!чних явшцах, що мають м!сце у розплавах т; на стад!! кристалшца, як! приводить до розвитку р^зноманггних фазових та стр\тс турних перетворювань при наступних персробках металу. Завдяки роботам Арха рова В.1., Брауна М.П., Гольдштейна Я.Ю., Вшокура Б.Б., Коваля А.Д.. Ольшанець кого В.Ю., Кондратюка С.£. та багатьох шших дослщниюв до тепсршнього час; сугтево розвинуто уявлення про вплив шкроскладу стал! на и властивосп. Але не завершешсть розробки теорп 1 практики регулювання мжроскладу стал! та сплави 1стотно стримуе темпи та обсяг впровадження цього прогресивного засобу дл: пщвищення якосп конструкщйних матер1ал!в.

Зв'язок теми дисертаци з планом основних робгг утверситету

Робота е шдсумком дослщжень, проведених в Донецькому пол!техшчно\г шституп (зараз Донецький державний техшчний ушверситет) за перюд ¡з 1977 п> 1995р. (Номери держреестрацй: 79312343, 81030216, 81030217, 01827049095 01830057635, 01840030956, 01840081627, 0185006078, 01870031190, 01890029323 0193Ш14003) вщповщно до плашв мшютерств чорно! металурп! СРСР та УРСР мшстерства освгги Украши, а також виконання щ'льовоТ комплексно! програ.\п "Металоемшсть", що була затверджена мшктерсгвом м а ш ино буду в а н ня СРСР (на каз № 373 вщ 1.09.1987р.) та комплексно! науково-те.чшчно! програми "Мета лоемтсть" (постанова Презид!ума АН УРСР № 251 вщ 23.05.1984р.).

У проведених дослщженнях автор приймав безпссередню участь Я1 вщповщальний виконавець до 1984р., а дал! як науковий кер1вник.

Метою роботи е розвиток теорп управлшня властивостями стал! на основ вивчення впливу домшок, яга не пщлягають контролю, та м1кродобаво р13номан!Гних елеменпв на властивост! стал! 1 розробка на цш основ! нових мате р!ал!в 1 технолопчних основ по 1х використанню при виробництв! стал! з дыш пщвищення якосп металопродукцн.

1дея роботи полягае у визначенш 1МОв!рних особливостей та законо.чп'рносте формування властивостей стал! у продео п виробництва.

Засоби дослщження. Для досягнення ще! мети у робот1 використано теоре тичн! 1 експериментальш засоби дослщження, що базуються на основних положен нях теорп металургшних процес!в; термодща.чпчний анал!з; дослщження поверхне вого натягу засобом кап.ш, що лежить; засоби рентгеноспектрального анал!зу, Оже спектроскоп!!, вн>тр1шнього тертя та високотемпературно! металографп; матема

тичне моделювання та планування експерименту; лабораторш досл1оження та про-мислова перев!рка результатов теоретичного анализу.

Основю ндуков! положения, шо виносяться на захист. та Гх новизна

1. Розвинуто мехашзм впливу поверхнсво-активних елеменпв на процес фор-мування дендритноГ структури затзовуглецевих сплав1в, що полягае у гальмувант процесу зростання дендритного скелету при незмшшй дисперсносп дендритно! бу-дови. Збиьшення обсягу рщкого метал)', що кристалпусться у промпкосних дитьницях, при кезмшному Х1!.пчному склад! осей забезпечуе биьш р!вно.чирний розподш домшюк у М1крооб'емах.

2. Розроблено адсорбшйну модель поведшки поверхнево-активних елемента у процесс кристалЬацп сплав1в, шо дае можливкть не титьки яюсно, але 1 юльюсно оцшювати 1х поверхневу активтсть. На основ! шсТ модел1 встановлено ряд по-верхнево! актив ност1 елемеетпв щодо за л ¡за (по м1р1 зменшення): сурма, бор, с!рка, кальцш, титан, церш, олово, фосфор.

3. Вперше теоретично та експериментально дослижено юнетику процесу пе-рерозподЬу м1кродом1шок у зерномежевш зош з урахуванням 1х масовоТ частки, темперагури 1 розмлру аустештного зерна. Експериментально пщтверджено, що у присутност1 поверхнево-активних елемецтш виб)-ваггься змша х1.\пчного складу зернограничноГ зони.

4. Запропоновано 1 експериментально тдтверджено мехашзм впливу поверхнево-активних елеменпв на характер руйнування низьколегованоТ сталь Визначе-но, що ш елементи забезпечують зниження м1кронапружень у литш стал!. ГПсля прокатки такого металу при фазовому у —> а перетворенш формуеться ферит з битьш однорщним ступенем змщнення. Енерпя руйнування при цьому пщвищуеться.

5. Запропоновано та досл!джено новий вид шихти для електроплавки - шихто-ва заготака на основ1 чавуну з наповнювачем 1з матер!ал1В, що мютятъ в соб! зал1зо або утворюють шлак. Показано можгошсть використання тепла чавуну, що кри-сталпуеться, для часткового вщновлення оксид'т задаа. яш кпстяться у наповню-вачи Виксрисгання цк5 заготовки забезпечуе достатньо висоху м^ру вщновлення оксидгв зал1за, шдвищення техтко-економ1чних показниюв електроплавки 1 дае змогу отримувати сталь з низьким вм1стом домшюк кольорових метал^в.

Наукове значения роботи полягае у розкритт! механпму- впливу поверхнево-акгивних елемент на характер формування струкгури ¡ властивостей с тал i та i розробц! засобу KlibKicHoí oixíhku íx впливу.

Практичне значения роботи полягае у тому, що на ochobí отриманих науковю результатов розроблено hobí матер1али i засоби виробництва конструкщйних тг шетруменгальних сталей пщвшцено! якосп, а також устаткування для виробництве останшх. Особливе значения ця робота мае для народного господарства УкраГнн. тому що впровадження ií результата у металурги та машинобудуванш дозволить отримувати металопродукщ ю пщвищено! якосп, яка зможе конкурувати на световому ринку. Матер^али. засоби та устаткування захищено 14 авторськими евщоцтвами на винаходи.

Реалпащя bhchobkíb i рекомендаций роботи. Результата роботи використано при розробщ та впровадженш:

-ново! технологи виробництва товстолистового прокату' пщвищено! якост! для зварних конструкций на п/с Р-6896, А-3700;

-ново! технологИ виробництва прокату для судобудування вщповщно до правил Репстру СРСР на Донецькому металурпйному завод1*;

-ново! технологи виробництва пружинно! стал1 для сгльгоспмашинобудування Í3 шдвищеною втомною мщшетю на Донецькому металурпйному завод!;

-ново! технологи виплавки електростал! з малим bmíctom домшок кольорових мет ал i в на Донецькому металурпйному завод!;

-кр13но! технологи виробництва прошивного шетрументу пщвищено! роз-м!рно! стшкосп в умовах ДПО "Точмаш ";

HayKOBi i прикладш результата роботи використовуються у навчальному прочее! при шдготовщ фаивщв матер1алознавчого профьио.

Фактичний р1чний економ!чний ефект в1д впровадження розроблених заход!в склав 1,94 млн. крб. (в цшахдо 1991р.). Частка автора - 814000 крб. / рж.

Апробашя роботи. Ochobhí науков! положения i прикладн! результати роботи були обговорен! i одержали схвалення на Щ Всесоюзн!й науков!й конференц!! по сучасним проблемам електрометалурп! стал! (Челябшськ, 1977р.); VIII Всесоюзшй конференци по фЬико-х1м!чним основам виробництва стал; (Москва 1978р.); Все-союзнш науково-техшчнш конференц!! "Сучасш проблеми щдвищення якосп ме-талу" (Донецьк, 1978р.); Перцпй респу&пкансьмй науково-техшчнш конференц)! "Пщвищення якост! i ефективност! виробництва стал! в електропечах" (Дшпропетровськ, 1979р.); IV Всесоюзшй науковш конференц!! по сучасним про-

блемам електрометалурш стал! (Челябшськ. 1980р.); Всесоюзна ка\-ково-техшчн1й конференци "Сучасш проблеми утворення високояисних сталей i зменшення виход1в у чорнш металурпГ' (Москва, 1981р.); П'ятш Всесоюзнш конференци по сучасним проблемам електрометалурги стал1 (Челябшськ, 1984р.); Всесоюзнш нау-ково-техшчшй конференци 'Чнтеркристалева ламюсть стал1 та сплав!в" (Ькевськ, 1984р.); Всесоюзшй науково-техшчнш конференци "Проблеми пивищення тех-шчного ршня виробництва чорних металш i полшшення якосп мегаловироб1в" (Тула, 1985р.); Науково-техшчнш конференщГ "Ефектившсть виробництва i засто-сування нових модиф1катор1в, розкислювач1в та л1гатур у металургп та машинобу-дуванш" (Челябшськ, 1988р.); Псршш Всесоюзшй науково-техшчнш конференци "Вдосконалення металурпйноГ технологи у машинобудлт.ашп" (Волгоград, 1990р.); на науково-техшчних.конференщях професорсько-викладацького склад.' Донець-кого державного техничного >"н"шерситету (1985-91р.).

Пубд1каш1. По тем1 дисертацн опублковано 58 наукових po6iT.

Ochobhi положения дисерташйно! робота викладено у 37 публкашях, у тому числ1 однш монографита 14 авторських свщоцтвах на винаходи.

Структура та обсяг дисергацп. Дисергашя складаеться 3i вступу, п'яти роз-дшв i висновка, викладена на 172 сторшках машинописного тексту, М1стить в co6i 53 малюнки, 37 таблиць, список джерел, що використовувалися, п 221 наймену-вання та 7 додатгав. Загальний обсяг роботи 254 сторшки.

Основний зм1ст роботи

Перший роздит роботи присвячено аналпу сучасного стану практики викори-стання домниок та первориноГ шихти при виробництв1 стал! з метою пщвишення ii якосп. У цьому роздш проанал!зовано ¡снуюч! в науково-техшчнш Л1тератур1 вщомосп про сучасш проблеми п'щвищення якост1 сталь Показано, що сучасним розв'язанням проблеми якосп металопродукци е: легування, глибоке рафпгувашш вщ шкщдивих домшюк, використання модиф!куючих i м1кролегуючих добавок та перворщно! шихти. переплавш процеси, термнша та хшико-терм1Чна обробка та ¡н. Щодо легування! то, не зменшуючи його значения, треба визначити, що можли-bocti цього засобу е практично вичерпаш, чого не можна сказати про використання рпномаштних мкродобавок. Достатньо визначити, що при вмюп бору у стал! на piBHi Ю^Ю"4 його вплив на прогартоватсть та в'язисть низько- та середньоле-

гованих сталей вщповщае результату, яши можна одержати .при легуванш хрс мом, марганцем, мошбдсном або нкелем, тьтьки в 100-300 paaiB вище юлькост бору. Кр1м того, використання р'вномаштних домшкж при виробництв1 crani, я. правило, не вимагае додаткового устагкування i не потребуе додаткових ка штальних витрат. В1до\п засоби позатчно! обробки та переплавш процеси в цьом; вшношенш значно програють, хоча на якгсть стал1 впливають позитивно.

Засоби шдвищення якосгп стал! значною Niipoio залежать вщ ii складу-, призна чення, наступних вид1в обробки i обираються з урахуванням конкретних виробни чих.умов. Проте основним з них е регулювання мкроскладу. Для того, щоб пра вильно регулювати мкросклад та розробляти вщповщну технологию, шо дозво лить у пов1пй Niipi реал!зувати цей 3aci6, необхино ч1тко уявляти вплш р13номант»гс домшок на формування структура i властивостей стал!.

До числа основних шыдливих домшок, що знижують майже Bci корисш вла-стивост! сталь ваносяться cipKa 1 фосфор.

CipKa практично необмежено розчиняеться у ракому та дуже мало розчи-няеться у твердому залЫ поблизу температуря його плавления. Цим пояснюетьс* як висока схилыпсть стрки до лкваца, так i поява ламкосп металу при температурах, близьких до y-Fe-» ct-fe перетворення'(¡накше кажучи, поява "червоноламкостГ сталО-

Фосфор у стал!, за винятком окремих рщких випадюв, коли його вводять для придания стал; спещальних властивостей, грае негативну роль. KpiM загаль-нов!Домого негативного впливу фосфору, що проявляеться у зростанш холодно-ламкосп, особливо гпд впливом динам1чних навалтажень, встановлено, щс збшьшення його вмкту приводить до попршення мехашчних характеристик катано! стал1, сприяе збьтьшенню водененасиченосгп та флокеночутливост! рейково! сталь зниженню пластичносп та скороченню виходу одного у ряД1 шших сталей.

Процес розчинення газ1В в рщких металах дослщжено достатньо докладно.

Мшь. шкель, мол!бден. олово, миш'як та сурма. що надходять у сталепла-вильш ne4i разом 13 металошихтою, не окислюються за ходом плавки i залишають-ся у меташ. Це полегшуе виготовлення стал!, леговано! м!ддю, нкелем та мо-Л1бденом, бо Гх залишков1 концентрацц у металi теля розплавлення можна угоч-нити анализом i скорегувати легуючими добавками. Проте наявшеть цих "випадко-вих" або залишкових домшок у метал! може викликати певн! ускладнення у тих випадках, коли вони небажаш внаслхдок негативного впливу на властивоеп сталь

Отже, проблема пщвищення якост1 стал! невщ'емно пов'язана з наявшстю у нш шк!дливих та залишкових домшок - тобто яюсть сталь головним чином, вгана-чаеться ¡1 мжроскладом.

На цей час ¡снуе досить велика юлыасть засоб!в та технологш по регулюванню мжроскладу стал!. Так, враховуючи велику споринешсть фосфору до кисню, його достатньо повно можна вилучати безпосередньо у сталеплавильному агрегать Що-до арки та газа'в, то ¡снуе багато засоб1в Гх виллчення як безпосередньо у сталеплавильному агрегап, так I поза нього. Для зменшення негативного впливу залишко-вих домшок, я и не вилучаються з металу у процеа плавки, у цей час ¡снуе титьки два засоби: використання чисто! по ним дом'шжам шихти або легування (мжролегування) спещальними елементами.

Вцсутшсть домшок, однор!дшсть Х1М1Чного складу та стабьтынсть властиво-стей перворщно! шихти забезпечують одержання чисто! високояккно! стал! 31 ста-бьтьними експлуаташйними характеристиками.

На сьогодш ¡снуе багато публ!кащй по впливу на ямсть стал таких домшок, як алюмшш, бор, кальцш, шобш, титан, церш. цирконш та ¡н. Проте наведен! у науково-техшчнш л!тератур! результата не в повнш м!р! вшбивають вплив цих добавок на яисть стал! та дуже часто мають суперечливий характер.

Тому виникда потреба узагальнити та частково екстраполювати ¡сную'п дан! щодо впливу домшок на характер кристал!зацп, формування неметалевих вклю-чень, зменшення дп шюдливих, "випадкових" та залишкових домшюк !, як на-слиок, вплив на мехатчш \ технолопчш властивост! сталь

Алтомшш. Вплив алюхпшю у конструкцшних сталях зумовлено великою спордаешстю до кисню та азоту, тобто сильною д!ею, що позбавляе ви кисню та сприяе утворенню нитридш, чим регулюе розм!р аустештного зерна.

Бор. Вплив бору на яюсть консгрукцшноГ стал!, головним чином, пов'язують з! зб!льшенням прогартованость Проте дан! про вплив бору на мехашчш властивост! стал! у термообробленому стан! носять суперечливий характер. Питания щодо впливу бору на властивост! горячокатано! стал! у техшчнш ттератур! практично не освплено. Вщзначаеться, що на непрогартованих сталях бор або не виявляе спри-ятливого впливу, або, навпаки, впливае шюдливо.

Кальщй- Ефективна Д1Я кальц!ю на властивост! стал'| виявлясться т!льки при його певному залишковому вм1ст! у стал!. Проте п-за його високоУ реакшйноТ спроможност!, низькоГ температури кип!ння в пор1'внянш з р!дкою сталлю, обме-

жсноТ розчинносп у нш та високого угар}' одержат необхщний вмкгг кальцпо стал1 дуже важко.

Титан. Д!ю титану як мжролегуючо! домшнси у стал! зв'язують, передуам, його великою спорщнешстю до кисню, азоту; ефектами подроблення зерна, ст; бшзащею субструктури та подавлениям вщпускно! ламкосп. Але даш про ошл мальну його кшьк!сть е досить суперечлиешми.

Узагальнюючи проведений анализ повсдшки малих юлькостей деяких ел« мента в стал!, можна стверджувати, що так званий лнкросклад стал! докоршн впливае на и як!сть. У той же час треба визначити, що дан! про впли р!зноман!тних домшок на яюсть стал! с розр!зненими, а ¡нколи ! суперечливим! Кр!м того, до цього часу вщсутш б!льш чи менш економ!чно та технолопчно обу мовлен! засоби виплавки стал! з регламентованим м!кроскладом.

У зв'язку з цим у цш робот! треба було вир!шити так! основш задач!: -систематизувати законо.чирносп впливу поверхнево-активних елеменпв н. процес формування сруктури та властивостей конструхцШних та шструментальни; сталей;

- визначити ефективш елемснти-модиф1катори, як для спокшних, так ! нероз кислен их сталей, Гх оптимальну юльюсть та вивчити Гх вплив на характер форму вання структури! властивостей стал! в процес! фазових. перетворень;

-розробити на основ! одержаних законом!рностей нов! конструкцшш ма тер!али,яга забезпечують пивишення службових властивостей вироб!в, та ма тер!али, я и забезпечують оптимальний засгб переробш першорщно! шихти в елек-тричних печах;

- развинути теоретичн! основи та розробити конструктивне оформления про-цес!в з використанням знайдених ршень, здШснити промислове випробування 1 впровадження розроблених заход!в.

Другий розд!л присвячено розробщ теоретичних основ процесу регулюванш мкроскладу стал!.

Вивчено особливост! поведшки домшок при кристал!зац!1 стал!. Показано, що яйцо збагачена дом!шками до критично! концентраци рщина знаходиться в замкнутому сусщшми г!лками дендрит!в об'ем!, зростання граш дендриту не вщбуваеться. а рицина, що залишилася, при зниженн! температури кристалхзуется у м!ждендригних д!лянках та мае ¡нший характер кристал!зацй.

Об'ем металу, зайнятий осям) дендриту, складае десь 60-70%. Таким чином, в процесс дендритно! кристал!защГ виникае перерозпода дом!'шок М1Ж осями дендрита 1 м1ждендритними дшнками, тобто мае «¡сне так звана дендритна л1квашя, що призводить до попршення мехашчних властивостей литих вироб!в.

Визначено, що при наявносп у розплав! поверхнево-активних елемента вщбуваеться перерозподт об'ему метал}', що кристал1зусться у виглядх дендритного скелету, та у самих мЬкдендритних дьтянках Сгпвв1дношення вццювйших об'ем1й у цьому випадку знаходиться на р1вш 50:50.

Автором вперше визначено, що, незалежно вщ того, сюльки металу криста-Л1зуеться дендритним скелетом, Х1м1чний склад осей дендр;тв не змшюсться. Отже, при збшьшенш юлькосп металу, що кристал1зуюсться у м1жосних дьтянках, вщкосна концентрация лквуточого елементу у них буде меншою. Прн незмшному х1М1Чному склад1 осей дендрит зниження концентраца до.\пшок у ьиждендритних дЬтянках призводить до бьтьш р!вном1рного !х розподьту у об'ем! зливка або виливка. Огже, поверхнево-активт елементи ¡стотно впливаготь на характер формування структур» 1 властивостей литого металу.

До цього часу ¡снувало багато методов аналяичного розрахунку поверхнево! актив носп р1зноман'шшх елемент'т щодо зал1за. Т1роте жоден з них не давав мож-ливост! юльюсно оцшити М1ру впливу цих елемент на процес кристалпацн сплав'т. Понад того, навпъ ягасну ошнку за допомогою цих метсадв часто зробити неможливо.

В данШ робот! запропоновано адсорбцшну модель, що найбЬтьш повно харак-теризуе поверхневу активность елемент щодо зал1за. Вщповщно уявам ф13ично! Х1мп на межфазнш поверхн! 1сиуе обмежена юльисть незалежних адсорбцшних М1сць. Тому загальна адсорбц1я може бути знайдена шдсумком величин адсорбци для певних груп М!сць. При цьому чаегка М(сць, що можуть б}ти зайнятими атомами певного елемента на межф&зшй поверхш визначаеться таким чином:

е^ь^/а-Еь^), (1>

де Ь^ - коефвдент, що залежить вщ природи до.\пшки, що адсорбуеться;

С; - концентращя домпики.

Використовувати равнения (1) для розрахунюв можливо т'ыыси за умови, якщо зщома величина Ь,.

Величину цього коефщкнту можна визначити. користуючись ртнянням Шишковського:

а = ац - ¿ЯТ1п (1 + Ьс). (2)

де а та а0 - поверхневий натяг розчину 4 чистого розчинника (визначаеться експериментально); Ъ - илыасть незалежних адсорбцшних мкць: Я - утверсальна газова стала; Т - абсолютна температура.

Для визначення Ъ використусмо формула':

г=1(8ЫА), (3)

де Б - розм^р плоил, що займае ¡он ¡-того компоненту на поверхш; ИА = 6,02» 10"3 моль"1 - число Авогадро.

Пшставляючи (3 ) у (2 ) {розв'язуючи це ршняння щодо Ь^, будемо мати:

Ъ=(е&С8Ма/ИТ-О, (4)

де - Да-змша поверхневого натягу розчину при введены ¡-того компонента.

Експери.менталышми дослщженнями методом лежачоГ каши було визначено вплив елеменш на зм!ну поверхневого натягу зал!за, результати якого наведено на малюнку1.

Значения коеф'нцента Ь,, яю обчислеш для деяких елемеыпв за формулою (4), наведено у табл.1. Ошночт розрахунки, яю виконано за (I), показують, що при вве-деши у розплав бор}' або кальцда у оптимальшй млькосп, частка адсорбцшних м1сць для таких шыдливих домшок, як фосфор, арка 1 олово зменшуеться у серед-ньому на 25% (табл. 2 13). Отже меж! кристал1в будуть значно чисвшими по цим домшкам, що позитивно вплине на властивосп сташ. Експериментальна перев1рка шдтвердила це припущення. Наприклад, така чуглива до чистоти меж зерен характеристика, як ударна в'язюсть при введенш в низьколеговану сталь кальщю збьтьшилася у два рази. Анадопчш результати одержано I у випадку бору.

3 використанням розробленоГ модел! визначено ряд пойерхневоГ активносп елементш щодо зал1за (по М1р1 п зменшення ): сурма, бор, арка, кальцШ, титан, церй, олово та фосфор.

Таблиця 1- Значения коеф1щенту Ь[ для деяких елементш

Елемент В Са Се | Бп Р

2590 2440 1673 | 1055 916

Аст, МДж

о

м~

1-0,0014%БЬ;

2-0,0062%В;

3-0,014%5;

4-0,0048%Са;

5-0,0092%Зп;

6-0,04% Се;

7-0,035%"П;

8-0,31 %С;

9-0,05%Р.

123456789

Малюнок 1 - Вплив ликродомшок на величину- зниження поверхневого натягу залпа

Враховуючи, що сурма, арка, олово I фосфор виявляють негативний вплив на яюсть сталй а титан мае достатньо велику розчиншсть у :галЫ, активними мо-

дифжаторами структури для стал! Ь елемента, що дослщжувалися, можуть бути бор, кальшй та церш.

Таблиця 2- Вплив бору на частку адсорбцшних шсць

Концентрацш елемент1В,% еР е3 03, ... ев

Р Б Бп В

0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.004 0.008 0.006 0.608 0.453 0.350 0.261 0.256

Таблиця 3- Вплив кальцио на частку адсорбцшних шсць

Концентращя елемен™, 9 о 0р е3 03п 6Са

Р Б Бп Са

0.2 0.008 0.01 - 0.012 0.383 0.552 -

0.2 0.008 0.01 0.003 0.009 0.277 0.399 0.277

Було проведено термодинам!чний ана/из процесу розчинення твердих еле-менпв у рикому зал!з1 в штервал! концентраций (Чо мае.): бор - 0,001...0,1; титан -0,001...0,2; ванадш - 0,01 ...0,3; алюмшш - 0,001...0,1; цер!й -0,001...0,01.

Показано, що процес розчинення цих елсмент)в у редкому залЫ супровод-жусться великим тепловим ефектом ! вщ'емною змшою енергп Пббса. 1з цього видно, що введения домшгак ¡стотно не впливае на теплозбереження розчину, що дае привщ припустити Тх повну розчиншегь та р'щном1рний розподьч по об'ему ме-талу не тьтьки при введенн! у к!вш, але 1 при п!зньому модифпсувашп.

Анал!з результат1в розрахунгав показав, що вщ'емна зм!на енергп Пббса при розчиненш у рщкому зал!з! вищенаведених елемента спостериаеться до певноГ 1х концентрат. Зокрема, при розчиненш бору зменшення енергп практично припи-нясться вже при вм!ст! 0,20% (ал.). Проте, у практищ модифкування таку велику юльюсть бору застосовувати недощльно. В силу свое!" поверхнево! активност! бор в процес! кристал!заци буде зосередж)ватися, головним чином, у примежових шарах зерен твердого металу. Надм'фний його вм1ст приводить до угворення фази, що м!стить бор, по межам зерен та, як наслиок, до ламкосп стал!.

3 .метою визначення оптимально! юлькост! бору, введеного у р!дку сталь для забезпечення ефекту модиф!кування, по експериментальнш i30Tep.\ii повсрхневого натягу графоаналгшчним засобом визначено величину адсорбщ! бору, яка при температур! 1873 К складае всього 0, 024°о (ат.) або 0,0048°о (мае.). Тому бор можна вводити у центрову або виливницю при розлив!. Розчинення та р1Вном1рний роз-под1л його по об'ему металу при цьому до трудноинв не прнзподить.

До цього часу у ряд! робпг робилися спроби передбачити ловед!нку мкродомшок у примежов!й зот з використанням к!нетичного р!вняння Мак-Jlina. При цьому р!вноважна концентрацш дом!шок визначалася титьки ¡з розгля-ду ентропи положения без урахування чинника po3Mipy зерна, що в ряд! випадгав давало невиправдано завишений р!вень р!вноважно! cerperaui! дом!шок. 3 ц!с! причини було проведено теоретичн! та експериментальш дослиження к!нетики процесу перерозпод!лу м!кродо.\ишок у примежов!й зон! з урахуванням !х масово! частки, температури i роз.\ару аустештного зерна. Термодинам!чний аналп, вико-наний з урахуванням цих фактор!в, дозволяе отримати р!вняння р!вноважно! сегре-rauii дом!шок на межах зерен, яке вцрпняеться вш виомих paHiuie i мае такий ви-гляд:

- = expC-Age/kT), (5)

(1+ Хв)(аХо-аХи)

a=d/3(Va)1/3>

де Хм - р!вноважна концентрац!я дом!шки;

Хо -початкова однорина концентрац!я дом!шки;

Age -енерг!я взаемод!! атома домшжи з межею зерна;

к -стала Больцмана;

Т -абсолютна температура;

d -середн!й д!аметр первинного аустен!тного зерна;

Va -об'ем KONripKH кристал!чно! градки.

На основ! того, що перех!д домшки ¡з об'ему на меж! зерен е процесом. що тер.\пчно активуеться i шдкоряеться р!внянню Аррешуса, виведено диференц!альне р1вняння, яке описуе кшетику зерномежно! cerperaui! домшжи:

dx/dT=C(cxXo-X)[l-f (X^)/f(X)]. (6)'

C=D'(72a Va20),

де f(X) - дробово-Л!!лйпа функщя;

D - коефщ1снт дифузидом1Шки.

Якщо в початковий момент зерномежова концентрация доминки не вщрЬняеться в!д загальноТ концентрацц uieï домцпки у метгин, що мае Micqe теля гартування, розв'язання р^вняння (б) при T=const буде таким: (1/С) В-Хо Хл-Х0

Т=-[(B-l)Ln-+(1- X,x.)Ln- ], (7)

В-Хоо В-Х Х.л-Х

де В= aXaf Хх - стали.

Результата розрахуиив щодо кшетики cerperaqiï олова, виконаиих по (7), наведено на малюнках 2.3.

Для оцшки адекватности розробленоГ >годел1 було проведено експериментальне дослщження дифузшного перерозподшу домииок у процесс ¡зогерм1чного вщпалу. Оо'ектом дослщження була сталь 55С2. Як шгадлив! домшки були oopani сурма, олово та мщь; як м1кролегуюч1 елементи - алюмшй i титан. Клльость дом1шок на межах зерен визначали за допомогою поточкового мшрорентгеноспектрального аналпу. Результати дослщжень наведено на малюнку 4.

Необхщно вщзначити, що р!зне ор!ентування аустештних зерен спричиняе неминучому розкиду експериментальних даних при визначенш атомно! частки до.\пшок на межах зерен, Це вщбуваеться тому, що неоднаково ор1ентоваш зерна мають рпну вшьну енерпю поверхш подьту. Тому треба критично ставитися до графшв, наведених на малюнках 2,3, у тому розумшш, що теоретичш крив! вщображують середньостатистичну атомну частку домшюк на межах зерен. Експериментальт залежност! такого роду мають вигляд смут кшцевоТ щирини, я и назвемо "смугами cerperauif. Проте, результати теоретичних дослщжень сшвпадають ¡з експериментальними даними з точтстю до постишого множника (близького до одинищ ), що вщбивае невраховаш чинники.

Третш роздьт присвячено питанию пщвищення якост1 ста ai за рахунок вико-ристання мкродомшок.

Х„ ат. часток

Малюнок 2 - В пли в температуря витрнмки при встал-! па кюегику зерномежево!

сегрсгапп олова у серсдньовуглецевш стал! (0.02°ъ5п: середнш Д1амегр аустештних зерен 20 мкм)

Х^ ат. часток

Час витримки, г

Малюнок 3 - Вплив розм1ру аустештного зерна на кшетику зерномежевоГ

сегрегацп олова у середньовуглецевш стал! V процеа вшпалу при 400°С (0.001° о Эп)

0.06 0,05 0.04 0.03 0,02 0,01 0

0 2 4 6 8 Ю 12 Час витринки, г

а - без мисродомшок; 6-0,09 ?Ыг, 0,12% А1

Малюнок 4 - Вплив мкролегуючих домшок на юнетику зерномежево! сегрепшп сурми, олова та мш

Серед елеменпв, що використовують у вигляш мисродомшок на велику увагу заслуговуе бор, бо виомо, що присутшсть тьтьки одного атома бору на 25 тис. атом'т зал за ¡стотно змшюе властивосп стали

Внаслщок ошнки макроструетури лито! конструкцшноГ сташ було встанов-лено, що як у метал", який ластить бор, так 1 у метал! без бору перевар,- мае структура 31 слабковираженою осевою лйсващею, поруватютю 1 точковою неод-норщшстю.

Треба визначити, що 31 збшьшенням вмкггу бору понад 0,006°о на зливках з'являлися р1зномаштш за характером тр^щини. Було визначено, що при такому 1 биьщому вдистов! бору вщбуваеться утворення надлишково! фази, що мостить бор, котра належить до борвд!В залпа. Бона розташовуеться у вигляд! замкнених лан-цюжмв аба окремо розмшених частинок. В мкцях розташування цих фаз 1 зарод-жувалися М1ждендритн1 трицини. яга розвивалися внаслщок терм!чних напружень при кристалпацп та охолоджувашн зливгав.

Дослщження дендритноГ структури безперервновилитого металу показало, що й дисперсность при введенш бору практично не змшюеться! Проте, спостеркасться ¡стотна р!зниця у розм1рах елеменпв дендритноГ будови - зменшуеться товщина осей дендритного скелету та збьтьшуеться довжина м)°жосних дшьниць. Стввщношення об'ем)'в, що займаються дендритними 1 мгжосними дьтьницями, стабгазуеться на р1вш 50:50. Це призводить до того, що слементи, для яких характерно пряма л1квац!Я, будуть розподьтятися у бшьшому об'емц при цьому IX вщносна концентрация у м1Жосних дьтянках зменшиться ¡, отже, зменшиться м1ра дендритноГ лисвацн. Визначення М1ри дендритноГ л^кваца у споыб вим1ру мкрогвердосп показало, що дендритна лтаацш у литому сляб! без бору ощнюеться на ртш 30?о, а наявшсть мжродомшюк бору у млькосп до 0,004% за-безпечуготь ¡Г зниження до ршня 20° о, як у стовбчастш так I у р1ВНоостй зонах. Дослщження стал109Г2 мкрорентгеноспектральним методом, результати якого наведено у табл. 4, теж питверджують зниження м!ри дендритноГ лисваци при введенш бору.

Про бшьш р'шномфний розподш елеменпв у мкрооб'емах металу, що «¡стать бор, свщчать I результати з визначення внутршнього тертя.

1з цього можна достати висновку. що бор сприяе бьтьш однородному розпод!лу зом1Шок -га зниженню мкронапружень. Все це забезпечуе одержання лито! струк-гури з бьтьш низькою лирою дендритноГ л1квацй. При прокатт такого металу про-деси, що е характерными при деформаци, вщбуваються практично одночасно, а це тризводить до того, що за умов и фазового у —> а переходу формуеться однорино 1М1цнений ферит.

Таблиця 4- Розподш елемент!В у мкрооб'емах дендритного кристалгта

Елемент Концентращя елеметтв,% М!ра лжвацп

Вкь дендриту М1жосна дьтянка

Марганець Кремшй 1,36/1,37 0,2510,24 1,76/1,63 0,40/0,33 1,29/1,19 1,60 /1,32

Примата: у чисельнику - метал без бору, в знаменнику - 0,004% бору.

В аналопчний споаб бор впливае! на структуру злитка стал!, що кнпить.

Встановлено, що бор не впливае на тип 1 склад неметалевих включень, проте мгра забрудненосп стал! оксидними включениями при введенш бора збйтьшуеться.

Будь-якого ¡стопгаго впливу бору при оптимальному його вмкт! у стал1 на Д1Йсну структуру встановлено не було, хоча пор1г холодноламкоеп гарячекатаноТ стал! 09Г2 при введенш бору знизився на 30 град. Для одержання додатковоГ шформацц щодо впливу бору на характер руйнування стал! було проведено фрак-тографшш дослщження. Вивчення характеру зла\пв ударних зразюв, що дослщжувалися при -20 °С, показало, що частка м1жзереного зламу у метали який мостить бор, е значно меншою (табл.5).

Таблиця 5- Результата статистичного анализу електронографнших

дослщжень стал! 09Г2

Частка Частка

Юлыасть мкродомшок,% мшзереного внутршньозереного

зламу,'% зламу,'%

Т\ В крихк. в'язкий

0.01-0,02 - 18 70 12

0.01-0,02 0.003-0,004 7 46 47

0.03-0,05 0.005-0,008 28 69 3

Способом Оже- с п е ктрос ко пп було встановлено, що бор локал1зуеться на межах зерен. Иого присугностт на поверх!» внутршньозереного зламу виявлено не було. При цьому при введенш бору на межах зерен спостер!гает1>ся перерозподш

певних домшюк. Визначено, що в цьому випадку на межах зерен рвко змен-шугться концентращя арки, марганцго, азоту \ тану. Щодо вуглецю, фосфору 1 кисню, то зменшення Гх вм!сту на межах в прис>тност1 бору е значно слабмшим.

Очищения меж зерен 1 биьш р!Вном!рний розподи домшюк у обои зерна при введенш оптимально! кьтькост! бору забезпечують пивищення конструкцшно! мщностт стал!.

Аналопчне дослщження було проведено на штамповш ста.п 4Х5МФС. Внзначено, що вплив бору на характер формування структури склад ноле го в а! гоГ шструмепталъноТ стал! с такий же, як ! у конструкцшних низьколегованих. Зни-ження м!ри дендритно! лжваш! у штампов!й стал! призводить до того, що в м!жосних дьтянках ¡стотно зменшуеться к!льк!сть карбьтв. ! вони при цьому с бьтьш дисперсними. При нагр!в1 стал! шд гарт, так! карб!ди розчнняються в биышй \iipi, тому твердый розчин стае баьш летованим, ¡, як насл!док, шдвищуеться твердость загартовано! стал!. Збктьшена к!льк!сть легуючих еле-мента в твердому розчиш гальмуе зниження мщиосп ! при вщпуску (табл. 6).

Таблиця 6- Тверд!сть зраз и а стал! 4Х5МФСШ теля терлпчно! обробки

Вид терм!чно! обробки Твердють. Н11С

без бору | 0.0027% В

Гартування в!д 1020°,С 47-50 1 52-52

48,6 ■ | 52

Вщпуск 580°, С 41.5-43.0 | 44-45

2 год. 42,3 | 44,5

Примгтка: чисельник - розкид значень, знаменник - середне значения.

Запропонований мехатзм впливу мкродомшок, зокрема бору, на тверд!сть стал! шсля тсрм!чно! обробки пштверджуеться результатами рентгеноструктур-ного анал!зу. Розрахунок величини мкронапружень методом апрок^мацп показав, що уширення дифракц!йних максимум!в зумовлено т!льки наявшстю мкродеформашй кристал!чно! гратки. При цьому виносна мкродеформашя грат-ки (Да'а) у метал! без бору складае 0,00145. а з бором 0,00191, тобто с вищою на 0,00046. Враховуючи, що метал з бором бшьш однорцний у мкрооб'смах, а з цього повинен би мати ! мепип м!кродеформац!! при терм!чшй обробш. можна д'ютати

висновку, що збьтъшення мкродеформашй гратки е насликом додагкового легу-вання твердого розчину. 3 иЫ причини стшысть шстрч'менту, виготовленого ¡з стал! з мкродобавками бору, у два рази вище стшкосп ¡нструменту, виготовленого 13 стал1 без бору.

Проведено дослщження по визначенню в п лив у кальцш на мкронеоднорщшсть низьколегованоТ сталь Знайдено, що в мк-ромодифкованому кальщем злитку скорочуеться зона оркнтованих до центру дендрипв 1 зменшусться товщина ¡X осей. Спостериасться р1зниця 1 у будов! дендри-пв в зон! ро-зоргентованих криспинв. В немодиф!кованому злитку можна спостеркати дендрити ¡з Ч1тко визначеними осями вищих порядгав. Кальцш, як поверхнево-активний еле-мент, ускладнюе зростання дендрилв. тому при кристалпацк оа вищих порядюв практично не розвиваються I дендрити мають глобулярну форму.

Ьальгасне дослиження структурного ефекту модифкування показало, що мкродобавки кальшю, як 1 бору, практично не впливаюгь на дисперсшсть денд-ритно! структури, але призводять до чималого зниження П Щ!Льност1 тобто до збьзьшення об'ему м1жосних дьчянок, а це, у свою чергу, забезпечуе зменшення х1.М1Чно1 мкронеоднорщност! готового прокату ¡. як наслщок, пщвищення йога

У

пластичносп 1 в' язкосп (табл. 7).

Проведено дослщження по комплексному мкролегуванню та модифкуванню шзьколегованоГ стал! 10ХСНД алюмшкм. ванад1ем, кальщем, бором I титаном.

Таблиця 7- Вплив калы ию на мехашчш власл ивосп ста.п 10ХСНД у

горячекатаному сташ

Вмют о. От, 5, кси, КСУ, Дж'см", при

калышо.% МПа МПа % Дж'см" 0°С -20°С

- 535 395 27,5 7 5 3 1 20

0,004 545 410 32,0 120 45 40

Примака. Наведет середа! значения по результатам випробування трьох поперечних взфшв.

На основI розв'язання компромкноГ задач! з внкористанням функц» сприягливосп Харршгтона по результатам мехашчних випробувань стал5 дослижених плавок визначили, що найбыьш сприятливим е сумкне модифкування I мкролегуваиня

ншьколеговано! судостал1 титаном, ванадгем та бором в юлько<гп 0,015. 0,06 \ 0,003°-о виповино. Це забезпечило виробниотво сортового прокату на основ1 стал! 10ХСНД кат'егорн Д40 виповцно до правил Репстру СРСР. На пиетав1 проведе-них доел¡джень було розроблено, випробувано в промислових умовах 1 завпровад-жено у виробництво технологию розкислення та модифкування сталь При обробщ результате плавок за розробленою технолопею визначено, шо ¡стотнс зннження порога хододноламкосп прокату ¡з горячекатаних сталей марок 10ХСНД, 09Г2 (категори А40, Д40, Д32 ) \ шдвищення стшкосп шетрументу п стал! 4Х5МФС спостер1гаеться при стввииошенш киькосп введеного титану до юлькосп бору, яке становить 6-8.

Четвертий роздьт присвячено питанию пшвищення якосп стал; за рахунок ви-користання першор!Дио'1 шихти.

Вивчено особливосп використання метал1зованих окатшшв у зверхпотужних дутових печах емнютю 100т.

Визначено, шо пивищення ефективносп роботи дугових печей серн ДСП100НЗА з використанням метал1зованих окатииив може бути досягнуто лише при використанш спешального устагкування, що дозволить збЬьшити Ь: частку у шихп, або при вщповщному компактуванш цих окагацнв.

Безутхинна подача окатинпв у дугову тч через а склепшня хоча 1 сприяла по-лшшеншо техшко-еконошчних показнигав роботи у поргвнянт п завантаженням [х контейнером сшльно з мегалошихтою, але менш ця технолопя не спроможна конкурувати з традшшною технолопею плавки на металевому брухп.

Найо1Льш оптимальни.м способом переробки першорино! шихти у зверхпо-гужних дуто в их печах е спос'т плавки стал! з використанням спешальнсн шихговоТ заготовки, яка мае в своему склад] першорщну шихту.

Шихтова заготшка для електроплавки являе собою зливок, що складаеться з «вуну та наповнювача з матер1а.и'в. що мктять залзо, утворюють шлак або шш. наприклад, коксу, оксидов легуючих елеменпв. що легко вщновлюються 1 т.п.). Эдержували загсгпЕку заливкою чавуном виливнииь, у яга заздалел'дь був заван-гажений наповнювач - металповаш (МО) ( з мфою металззацн Ч/=76-92%). •,ал13орудш (ЗРО) (б0,0°о Реобщ) та рудно-вутлецев! (РВО) (64,8°о Реойц. 4,6° о С) окатит.

Процес безпосереднього одержання шихтовоТ запгпвки може бути представ-гений таким, що складаеться ¡з наступних основних етатв:

-заповнення форми розплавленнм чавуном I його взаемод!я 31 стшками форми та поверхнею наповнювача;

-кристалтшя та охолодження чавуну при олночасно.\гу нагр'т наповнювача; -сумкне охолодження чавуну та наповнювача.

Кр1.м зазначених процеав. у ход! формування загсгпвки можуть вщбуватися процеси дифузи, вщновлення, газоугворення та шип.

Тривал1сть першого етапу у час! е незначною, 1 залежно вщ температури чавуну, окатиннв I 1х сгнввщношення у заготащ. складас вщ 5 до 30 с. Висока плиншсть чавуну обумовлюс Його проникнення м1ж окатишами та формування монолитного зливка назггь при р!вност1 об'емов чавуну! окатиннв.

Як показали дослщження (дослщження проводили при температур! 1100°С у атмосфер! аргону), час повного прогр1ву метал130ваного окатишу не переб1льшуе 1 хвил.. зал1зорудного - 3 хвил., руднбвуглецевого - 4 хвил. Таким чином, вже в пронес! формування шихтовоГ заптпвки при кристалйацп чавуну створюються умови для вщновлення оксид!в зал!за. 1нтенснвн!сть охолодження загот!вки зростае по М1р1 переходу вщ метал!зовашгх до залпорудних ! в!д зал!зорудних до рудновугле-цевих окатииив, що повязано. мабуть, з вщновними процесами. Це шдтверджують також результати дослщження лпкрострури шихтовоГ заготаки: в поверхневш зон! окатиша (залпорудного та рудно-вуглецевого) € часткововщновлений (здеб!льш до РсО) шар, а в чавуш на межз з окатишем - частково безвуглецевий шар. Разом ¡з тим, внасл!док пор!вняно малого часу перебування окатиш'т при температурах, що забезпечують вщновлення оксщ!в залЬа. м!ра вщновлення Гх також е малою ! складас для залпорудних окатиинв 2-7%, а для рудно-вуглецевих 8-15°о. Проте, сама по соб1 можлив!сть використання тепла та в\тлешо чавуну для в!дновлення оксищв е шкавою, тим бктьше. що техшчш можливост! для скорочування втрат тепла при одержанн! загот!вки та додаткового н нагр!ву за допомогою зовн!шнього джерела ¡снують.

При додатковш терм!чн!й обробц! м!ра вщновлення оксид!в у заголвщ пщвищуеться ! теля и витримки при температур! 1000°С протягом 6 год., .\iipa вщновлення зал!зорудних окатиш!в складае 61 ля 25%. У макроструктур! окатиша при цьому ч!тко вид!ляеться вщновлений (вюст!тний) шар !з зародками фериту, а у чавун! на межах з окатишами з'являеться ферит.

Одшею з причин такс! низъкоГ м1ри вщновлення оксид!в залт у загопвш при нагр!в! може бути недостатнш пщвщ вщновника до зони взаемодц. Враховуючи,

що единим виновником в загопвц! ¡з за.-пзорудних окатиинв- е вуглець чавуну, оцщили його видаток на вановлення оксидов залпа, здшснивши аналп процесу дифузн вуглецю в шар!, що прилягае до окатицпв.

Розрахунки показали, що для умов витримки загопвки в режим! г=-1000°С, т=6г. маса вуглецю, що продифунд\"вав до окатиша д'шметром 12 мм, складае 0,24г. Ьллькдсть же використаного на в!дновлення вуглецю при фактичной М1р! вщновлення 25°о склада всього лише 0,06г. Таким чином, причиною низько! м!ри зиновлення залпорудних окатиш!в в загогшш е не дефшит виновника, а анетичний процес в середин! самого окатиша.

Найважлившими характеристиками електрошчноГ шихти е насипна 1устина, гепло- та електропровщшсть. Портняння цих характеристик для шихтовоГ заго-лвки та шших в ид ¡в електрошчноГ шихги наведено у табл. 8.

Таблиця 8. Характеристика електротчно! шихти

Видима Насипна Коефвдент Пнтомий

истина, густина. теплопров.. електроогпр.

Вид шихги кг'м3 кт7м3 , Вт.'мК Ом.м(25°С)

(200-100°С)

Загот!вка

"чавун-гМО" 4975 3000 21,5 5,0.10'*

Загопвка

"чавун-ЗРО" 5200 3200 14,4 3,4.10"*

Загопвка

'чавун+РВО" 4900 3000 14,1 3,2.10"6

Металевий

брухт - 1900 51,5 21,0.10"8

Метал!зоваш

»катшщ (МО) 3000 1900 1,2 З,4.103

Ь наведених даних видно, що шихтова загопвка вирпняеться б!льш сприят-твими для умов електроплавки теплоф1зичними характеристиками; застосування повинно сприяти пивищенню ефективност! електроплавки.

В промислових умовах шихгову загопвку одержупали на установи!, спроекто-шо! та збудовано! на баз! розливно! машини чавуну. 3 шею метою вона була об-

ладнана системою завантаження 1 дозування окатияпв. Одержанйя яысноо заготовки 13 залозорудними окатишами забезпечувалося при сшввщношенш чавуну та ока-тишов на ровш (3-4 ):1.

Для шдвищення якосто шструментальних сталей, особливо штампових та швидкорЬкучих- зараз широко викорисговують метод ЕШП, електроди для якого одержують способом обробки метал'ш тиском або ливарним виробництвом, що пов'язане з чималими трулнощями та великими внтратами металу,

В робот! вперше було розроблено та випробувано технолопю отримання елек-тродов для ЕШП цих сталей на машинах безупинного лиття загопвок.

Розлив стал! марок Р6М5 та 4Х5МФС. виплавлених з використанням у шихт! металевого брухту, на горизонтально МБЛЗ не дав позитивних результата оз-за постшних розривов зливка по виходо з кристал1затора. При цьому, ш розрнви спо-стер!га."шся незалежно вод температуря металу у ковш!. швидкост1 розливки та ве-личини кроку.

Цолком онша картина була при розлив! стал1. яку виплавили з використанням у шихто 100% металозованих окатишов. BитягyвaíIня зливка з кросталозатора перешкод не викликало. Значно менший вм1ст дрмошок кольорових метатв сприяв фор-муванню здорово! та идьоьно! юрки твердого металу, яка не руйнувалася при витя-гуванш зливка.

На пщстав! проведених дослоджень було розроблено та встановлено на одному з машинобущвних заводш Украони горизонтальну установку для безупшшого лиття електродов для ЕШП шструментальних сталей. Установку та шдукцшну шч смшстоо 400 кг було розташовано так, що злив металу з печ! зд!йснювався безпосе-редньо у металоприймач ГМБЛЗ. Ця установка дозволяе одержувати заготшку (електроди) д1аметром вщ 60 до 150мм. Тягне приладдя забезпечуе витягування заготовки з частотою до 80 циклов у хвилину.

У п'ятолгу розд!л! наведено техноко-економочну ефектившсть результатов робота. Наведено також перелок пщприсмств, де було опробувано або запроваджено розроблено технолог!! та матерЕали. Загальний фактичний рочний сконом'очний ефект становить -1943,2 тис.крб. у цшах до 1991р.

висновок

У дисерташйнш робот! дано наукове обгрунтування га розвиток теоретичних основ методов управления властивостями стал! за рахунок регламентування у нш вм!сту домшок ! мшродобавок, яю полягають у встановленш в1рогшних особливо-стей та законом!рностей формування властивостей стал! у процес! и виробництва.

Основн! науков1 положения I практичш результата робота с такими:

1. На основ! аналву сучасного стану питания управлшня властивостями стал! регламентуванням н \пкроскладу показано, що пайбьтьш повно цей процес ре-ал'вуеться при використанш першорщно! шихти та технологи модиф1кування ! мжролегування. Пщкреслено високу ефектившеть використання м!кродом1шок р!зномаштних елеменп'п для тдвищення якоси' сталей та сплав!«. При цьому показано.. що до тепершнього часу немае едино'/ думкн шодо впливу поверхнево-активних елеменпв (особливо бору) на характер формування структур» 1 властивостей стал! та вщеутш б!льш менш економ!чно 1 технолопчно доц!льн! способи управл!ння властивостями стал! внасл1док регламентування и мшроскладу.

2. Вивчено особливост1 повед!нки домшок при кристалзацн стал!. Визначе-но, що в процес! кристал^зац!! незалежно вит кь'шкост! металу, що кристалЬуеться цендритним скелетом 1 в м!ждендритних делянках, хЬпчний склад осей дендриттв ¡трактично не змщюеться. При цьому мкродомпцки поверхнево-активних еле-чента, таких як бор, кальщ'й та ж. сприяють зб!льшенню об'ему металу, що кри-зталпуеться у м!ждендритних дьтянках, 1 тим самим зменшують микронеод-торщшеть литих сталей та сплав)'в.

3. Запропоновано адсорбцшну модель повед!нки поверхнево-активних еле-•генпв у процес1 кристагпзащ! сплав|"в. що дае можлтшеть не тьтьки ягасно, але ! алькюно ощнювати активн!сть мшродомшюк, що м!стяться у розплав!. На основ! релхдження впливу р!зноман!тних м!кродом!шок на поверхневий натяг зал1за та ;ал!зовуглецевих сплаВ1В \ використання запропоновано! модел! визначено ряд по-:срхневоТ активноси елеменпв щодо залпа ( по Мф! зменшення ): сурма, бор, с!рка, :альц!й, титан, церш, олово, фосфор.

4. Виконано термодшам!чний анализ процесу розчинення микродобавок. Ви-начено, що у обсяз! реальних для практики концентраций досл!джених елеменпв 1роцес розчину !х у рщкому залп! супроводжуеться великим тепловим ефектом та щ'емкого змшою енергп Г!ббса. 1з цього виходить. що введения мжродомннок -лотно не впливае на юльисть тепла розплаву, що забезпечуе повне !х розчинення

та р1Вном1рний розлодйт по об'ему ыеталу не тальки при введенш1х у ивш, але при шзньому модиф!куванш.

5. Запропоновано та експериментально пщтверджено мехашзм впливу поверх нево-активних елеменпв на характер руйнувания стал!. Визначено, шо ш елеметт забезпечують зниження мкронапружень у литому метал!. Пкля прокатки такогс металу при фазовому у —> а переход] формуеться однорано змшнений ферит Енергтя руйнуваиня при цьому пцвищуеться.

6. Вперше теоретично та експериментально дослижено ынетику процесу пе-рерозподиту мкродомшок у зерномежнш зош з урахуванням 1х масовоГ частки, температури та розм!ру аустештного зерна. Експериментально шдтверджено, що у приеутност! поверхнево-активних елеменга вибуваеться змша мм!чного складу зерномежевоГ зони.

7. Запропоновано новий вид шихти для електроплавки - шихтову заготшку на основ! чавуну ¡з наповнювачем з матер!ал!в, що мктять залЬо або угворюють шлак. Показано можлившть використання тепла чавуну. що кристал!зусться, для часткового вщиовлення оксшив залпа, як! мктяться у наповнктачй У пор'тняпт з металвованими окатишамн заготовка в!др1знясться б!лъш високою густикою, тепло- та електропровщшспо та практично не в!др1зшкться в а них змктом дом!шок кольорових металле..

8. На баз! одержаних законом1рностей формування мкрос кладу та його впливу на яюсть ста;п розроблено ряд нових технологий та устаткування для 1х реал!защ1. Розроблено та випробувано у промисловик умовах способ розкислення та мо-диф!куванкя стал!, що забезпечуе зниження порога холодноламкост1 конст-рукц!них сталей на 20...30 град. Розроблено технолопчн! основи електроплавки з використанням у шихт! першорщноТ сировини та склади пружинной штамповоТ, та судобуд'шно! сталей. Обгрунтовано та експериментально доведено можливють одержання електрод1в для ЕШП складнолегованих швидкор^жучих 1 штампових сталей на машинах безупинного лиття загот!вок.

9. Основну частину розроблених технологш завпроваджено у виробництво. Р!чний економ^чний ефект вщ впровадження результата робота склав 1,94 млн.крб./ рис (у щнахдо 1991р.) доля автора - 814000 крб./ рк.

Основний зм!ст дисертаци опуб.дковано в наступних роботах.

1 .Маняк'H.A., Шлемко C.B.. Крикунов Б.П. Сталь с регламентированным шкросоставом,- Донецк: Донбасс, 1995.- 1ббс.

2. Маняк М.О. Про поверхневу актившсть елеменпв у сплавах на ochobï залпа ' МОМ.-1997.-№ 2 с. 53-55.

3. Маняк H.A. О влиянии бора на кинетику роста зерна аустенита низколеги-юванной стали // Придншровський науковий bïchhk: texhimhi науки.- 1998.-&52 (199).-С.19-23.

4. Маняк H.A. Исследование влияния бора и титана на структуру и свойства ттамповой стали И Придншровський науковий bïchhk: Техшчш науки.- 1998.-к. 52 (199).- С.10-14.

5 .Маняк H.A. О влиянии бора на структуру и характер разрушения низколеги-ованной стали //' Информационный листок № 40-96.- Донецк: ДонИнформ.-996,- Зс.

6.Маняк.Н.А.Технологические особенности раскисления и модифицирования изколегированной стали // Информационный листок № 44-96.- Донецк: До-Информ.-1996.- 2 с.

7. Маняк H.A. Повышение стойкости литого штампового инструмента за счет спользования микродобавок /;' Информационный листок № 45-96.- Донецк: До-Информ.- 1996,- Зс.

8. Маняк H.A., Огунлана O.A.. Долженкова Е.Ф. Поверхностное натяжение юплава железо-бор// Изв.вузов. Черная металлургия.-1986,-N° 8,- С. 147-148.

9. Маняк H.A., Маняк Л.К., Акулов В.В. Влияние бора на дендритную струк-фу литого металла,- Изв.вузов. Черная металлургия.-1985.- № 4.- С. 153-154.

10.Влияние бора на структуру низколегированной стали в литом и деформиро-ihhom состоянии и ее связь с характером разрушения / Н.А.Маняк. .А.Белошенко, Л.К.Маняк, В.В.Волкова //' Изв.вузов. Черная метаддургия,-)89.-№ 10.-С.82-85.

11. Причины хрупкого разрушения низколегированной стали и пути ее устранил / Н.А.Маняк, В. А.Харченко, Е.Ф .Долженкова и др. //Изв.вузов. Черная ме-ллургия,-1989,- № 6,- С.79-82.

12. Снижение микронеоднородности низколегированной стали путем молифи-фования кальцием / Н.А.Маняк, Е.Ф.Долженкова, В.А.Харченко и др.

зв.вузов. Черная металлургия .- 1986,- № 6.- С.86-88.

13. Оптимизация механических свойств стали 10ХСНД. "микролегированно! титаном, ванадием и бором / В.А.Харченко. Е.Ф.Долженкова, Н.А.Маняк И.В.Мачикина // Изв.вузов. Черная металлургия,- 1986.- № 10,- С.91-92.

14. Выплавка конструкционной стали с использованием металлизованных ока тышей в индукционных тигельных печах / Н.А.Маняк, Г.АДорофеев

B.И.Деточка, В.Т.Терещенко // Черная металлургия: Бюл.научн.-техн.информ.

1981.- Вып.15,- С. 18-19.

15. Выплавка высокоуглеродистой электростали с применением шихтовой заготовки / С.В.Шлемко, В.Л.Пилюшенко, Б.П.Крикунов, Н.А.Маняк и др./ Черная металлургия: Бюл.научн.-техн.информ,-1982.-Вып.24,-С.22.

16. Маняк H.A., Терещенко В.Т., Лещенко И.П. Литье расходуемых электродов из быстрорежущей стали на МНЛЗ для последующего электрошлакового переплава // Проблемы специальной электрометаллургии.- Киев: Наукова думка,-

1982,- Вып.№ 16.- С.21-23.

17. Качество стали Р6М5Ш, выплавленной с применением в шихте губчатого железа /' Н.А.Маняк, Р.А.Пнлюшенко. Г.А.Дорофеев и др.// Проблемы специальной электрометаллургии.- Киев: Наукова думка,-1980,- Вып.13- С.43-46.

18. Бор и неметаллические включения в низколегированной стали /В.И.Мачикин, Н.А.Маняк, Л.К.Маняк и др.// Металлургическая и горнорудная промышленность.-1986,- № 3.- С.15-16.

19. Маняк H.A., Дорофеев Г.А., Заика В.И. Некоторые особенности выплавки быстрорежущей стали из губчатого железа Н Металлургия и коксохимия - Киев. 1980,- Вып.№69- С.30-34.

20. Влияние технологии раскисления на загрязненность стали ЮХСНД неметаллическими включениями / Б.В.Дегтярев, Р.А.Пилюшенко, Р.М.Лаппа. Н.А.Маняк // Совершенствование технологии производства черных металлов.-Киев: Техника, 1975,- С.50-51.

21.Бор в кипящей стали /'Н.А.Маняк. О.А.Огунлаиа, Е.Ф.Долженкова, Л.М.Лотош.- Рук.деп. в УкрНИИТИ.- № 1568 от 3.07.86.

22. Интенсификация процесса плавления шихты в высокомощных дуговых печах при применении шихтовой заготовки / В.И.Мачикин,

C.В.Шлемко,Н.А.Маняк,С.В.Пильгук.- Рук.деп. в ин-те "Черметинформация".- № 2784 от 19.02.85.

23. Dorofiejvv G.A., Maniak N.A., Piliuszenko RA' Witapianice stali szybkotnacych z gabki zeleza vv piecach indukcvjnych // wiadomosci hutnicze.-Katowice: SlasL 1978,- № 7-8. - c.233-236.

24.A.C. №784351 СССР. Способ выплавки быстрорежущей стали. Н.А.Макяк, Г.А.Дорофеев, A.B.Кодак и др. Опублкування обмежено.

25. A.c. №792948 СССР. Флюс для электрошлакового переплава. Н.А.Маняк, Г.Б.Руднеико. Я.С.Гончар, А.Н.Казимиров. Опублшування обмежено.

26. A.c. №937521 СССР. М. Кл3 С21С 5.'52. Способ выплавки стали и сплавов. Г.А.Дорофеев, Н.А.Маняк, В.И.Деточка и др. Опубл. 23.06.82, бюл№23.

27. А.с.№981381 СССР. М.Кл5 С21С 5/52. Способ получения железа и его ;плавов из железорудных материалов.В.И.Мачикин. H.A. Маняк, С.В.Шлемко, :.А.Горобец. Опубл. 15.12.82, бюл.№46.

28. A.c. №999606 СССР. Способ получения шихты для электроплавки. З.И.Мачикин, С.В.Шлемко,С.П.Ефименко, Н.А.Маняк и др. Опубл1кувания обме-кено.

29. A.c. №999612. Способ получения шихты для электроплавки. З.И.Мачикин, С.В.Шлемко, Н.А.Маняк, А.П.Фоменко. Опублшування обмежено.

30. А.с.№999613 СССР. Способ получения шихты для выплавки высокоуг-юродистых сталей. В.И.Мачикин, С.В.Шлемко, Н.АМаняк и др. Опублжування гамежено.

31. А.с.№1025153 СССР. Способ получения шихты для выплавки высокоут-геродистых сталей. В.И.Мачикин, С.В.Шлемко, Н.А.Маняк, В.Л.Пилюшенко. Зпубл1кування обмежено.

32.А.с.№ 1026454 СССР. Способ получения шихты для электроплавки. З.И.Мачикин, С.В.Шлемко, Н.А.Маняк и др. Опублктвання обмежено..

33. А.с №1222709 СССР. М.Кл. С22С 38/54. Сталь. В.И.Мачикин, Д.Дмитриев, Л.Л.Плеплер, Е.Ф.Долженкова, Н.А.Маняк и др. Опубл. 07.04.86, бюл.№13.

34 A.c. №1031229 СССР. Способ выплавки стали в электропечи Ш.Мачикин,. С.В.Шлемко, Н.А.Маняк и др. Опублткування обмежено.

35-А.с. №1031236. СССР. Шихтовая заготовка для выплавки стали. Ш.Мачикин, С.В.Шлемко, В.Л.Пилюшенко, Н.А.Маняк и др. Опубткування об-[ежено.

36. A.c. №1073293 СССР. М.Кл. С21С 5 52. Способ производства стали п ду-овой печи. В.И.Мачикин. С.В.Шлемко, В.Л.Пилтошенко. Н.А.Маняк и др. )публ. 15.02.84, бгол. №6.

37. А.с. №1341213 СССР. М.Кл. С21С 7/06. Способ раскисления и модифищ рования стали. Н.А.Маняк, М.Л.Плсплер. Е.Ф.Долженкова и др. Оп>'бл. 30.09.8' бюл. №36.

У публикациях, що виконаш у сшвавторств!, дисертантов! належить наступне:

- теоретична постановка та нове рццення завдань оцшки поверхнево! акти) ност1 елемента щодо залпа [1, 8];

- аналп I наукова штерпретащя результат дослщження впливу м!кродом1шс на властивост! стати [1, 9-13,18,21];

- аналп 1 наукова штерпретащя результата дослщження впливу перворщн< шихти на яисть стал! [14,15, 17, 19,23, 34];

-теоретичне та експеримонтальне обгрунтування оптимальних режимов ро кисленнята модифокувашгя стал! [20, 35, 37];

- розробка нових матер!ал1В 1 технологи 1х використання при виробництв! ста. [15, 16,22,25,29-33,35,36];

- теоретичне оформления та практична реалпаиш нових технолопчних ршея у промислових умовах [15,16,22.26,27].

Анотацш

Маняк М.О. Розвиток теорп та технологи управлшня властивостями стал! регламентуваншш в шй в листу дом ¡шок та микродобавок з шллю пивишення

?КОСт!.

Дисертац1Я на здобуття вченого ступеня доктора техничных наук за :пещальтстю 05.02.01,- матер^алознавство, ЗапорЬьшй державний техшчний гтаверситет, Запор1жжя, 1997.

У робот! проаналповано вплив мкроскладу стал! на ¡7 технолопчн! та ме-сашчт властивосп. Особлива увага звертаеться на розгляд особливостей впливу товерхнево-активних елеменлв та дом'инок кольрових метад!в на характер форму-¡ання структуры та властивостей cтaл¡. У робот! наведена одсорбцшна модель по-¡ерхнево) активност! елементт, яка дас можливктъ виконувуати юльюсш аналпн >цшки впливу цих еле мент ¡в. На пщстав1 цього запропоновано ряд поверхневоГ ак-ивност! елемент!в шодо зал!за. Робота мостить науково обгр\тпован! та експери-1ентально доведен! механозми поведонки вуглецю та оксидов залоза под час пере-шву металозованих окатишов.

Запропоновано ! дослщжено новий вид шихти для електроп лавки. - загствка г :авуну 1 матероалов, що мктять в соб1 зашзо або флюси.

У робот! наведет приклади використання теоретичних висновков при роз-юбц! нових технологий виробництва стал! з регламентованим мшроскладом.

Клоочов! слова: сталь, метало юваний окатиш, модифкування, мкродомшоки, юсть.

Аннотация

Маняк НА. Развитие теории и технологии управления свойствами стали регламентированием в ней содержания примесей и микродобавок с целью повышения качества.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение, Запорожский государственный технический университет. Запорожье, 1997.

В работе проанализировано влияние микросостава стали на её технологические и механические свойства. Особое внимание уделяется рассмотрению особенностей влияния поверхностно-активных элементов и примесей цветных металлов на характер формирования структуры и свойств стали. В работе приведена адсорбционная модель поверхностной активности элементов., которая даёт возможность количественно оценивать влияние этих элементов. На основе этого предложен ряд поверхностной активности элементов по отношению к железу. В работе содержится научно обоснованный и экспериментально подтвержденный механизм поведения углерода и оксидов железа при переплаве металлизованных окатышей.

Предложен и исследован новый вид шихты для элекгроплавки - заготовка, состоящая из чугуна и железосодержащих материалов или флюсов.

В работе приведены примеры использования теоретических выводов во время разработки новых технологий производства стали с регламентированным микросоставом.

Ключевые слова: сталь, окатыш, модифицирование, микропримеси, качество.

Summary

ManyakN.A. Development of the theory and the technology of control by property >f the steel by regulation of substance of mikrocomposition for rise its quality.

Thesis of doktor's degree (engineering), specialization - 05.02.01 - materials science, Zaporogie national technical university, Zaporogie, 1997.

The work contains the analysis of influence mikrocomposition of steel to its tech-lological and mechanical property's. A special atention is paid to consideration the pecu-iarity of influense superficially active elements and admixtures of non- ferrouz metals o nature formation of the strukture and property's of steel. The work offers the adsorb-ibillity model of superficially active of elements. This model allow to make the quanti-ative analysis of valuing influence of elemets. There is offer row of superficially active if lements for iron. The work contains scientifically based and experimentally proved nechanismes behaviour of carbon and oxides of iron by smelting of metallized pellets.

The work contains the examples of application the theoretical conclusions for elabo-ation of new technologies production of the steel with regulation of microcompocition.

Key worlds: steeL pellets, modification, microadmixtures, quality.

1одл. к печати 19.10.98 г. Формат 60x84 '/16. Бумага Copy paper, 'изографическая печать. Усл. печ. л. 2,0. Усл. кр.-отг. 1,9.

fa. из. л. 1,98. Тираж 120 экз. Заказ № 143.

Донецкий государственный технический университет Горный институт 340000, г. Донецк, Артема, 58