автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства крупнотоннажных стальных отливок

РОЛЬНыи

ЭКЗЕМПЛЯР

• г <Р\ 5 }

К ^ П

На правах рукописи

Феоктистов Николай Александрович

Совершенствование технологии производства крупнотоннажных стальных отливок

Специальность 05.16.04-Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2013

1 о ПАП ¿013

005058981

005058981

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Вдовин Константин Николаевич.

Дубровин Виталий Константинович,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), профессор кафедры «Литейное производство»;

Коток Алексей Петрович, кандидат технических наук, ЗАО «Механоре-монтный комплекс», главный инженер.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.

Защита состоится 21 мая 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова».

Автореферат разослан апреля 2013 года.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Ученый секретарь I /

диссертационного совета Селиванов

\ Валентин Николаевич

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Первостепенной задачей литейного производства является обеспечение надёжности и долговечности узлов металлургических агрегатов, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Значительная доля отливок, применяющихся в узлах металлургических агрегатов, изготавливается из различных сплавов методом литья. Как правило, узлы металлургических агрегатов работают в условиях действия высоких температур, больших нагрузок.

Использование в качестве материала отливки только жаропрочных сплавов приведёт к резкому удорожанию продукции, что недопустимо в условиях финансовой обстановки, сложившейся в настоящее время. Кроме того, литые заготовки для узлов металлургических агрегатов в большинстве случаев относятся к третьей и четвёртой группам отливок по массе (крупные, очень крупные), в силу чего на их поверхности часто образуются горячие трещины. Предотвращение процесса трещинообразования крупных отливок является актуальной задачей.

Одной из деталей, работающих в подобных условиях, является шлаковая чаша. Жидкий шлак из плавильного агрегата сливают в неё при температуре выше 1200 °С. После транспортировки чаши со шлаком на отвал, производят её выбивку при помощи копра весом более 5 т. В литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» (МРК) шлаковые чаши отливают для кислородно-конвертерного, доменного и элекгросталеплавильного цехов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК).

Детали, применяющиеся в агрегатах металлургической промышленности, значительно отличаются показателями эксплуатационной стойкости, несмотря на то, что изготовлены в одном цехе, из одного сплава, по одной технологии. К примеру, эксплуатационная стойкость шлаковых чаш, отлитых из углеродистой стали, в среднем колеблется от 320 до 650 наливов в кислородно-конвертерном и электросталеплавильном цехах и от 1200 до 1850 — в доменном.

Между технологическим процессом изготовления литых деталей и показателями эксплуатационной стойкости существует зависимость. На каждом этапе технологической цепочки производства отливки действуют внешние и внутренние факторы, которые оказывают прямое или косвенное влияние на эксплуатационную стойкость. Выплавка металла, литейная технология оказывают влияние на механические свойства литой заготовки, появление литых дефектов, которые, в свою очередь, предопределяют эксплуатационную стойкость деталей. Чтобы нивелировать эти факторы, необходимо исследовать их и научиться преодолевать.

В процессе производства чаш механические свойства углеродистой стали являются нестабильными, кроме того, на поверхности часто образуются горячие трещины. Заваренные литые трещины, при дальнейшей эксплуатации чаши в металлургическом цикле, являются зонами образования дефекта, а также причинами снижения эксплуатационной стойкости.

В связи с этим, совершенствование технологии производства отливок и выплавки металла с целью повышения качества стальных отливок из углероди-

стой стали, а также предотвращение образования горячих трещин на крупногабаритных отливках, образующихся в процессе кристаллизации, являются актуальными задачами литейного производства.

Цель работы: повышение качества крупных стальных отливок путём совершенствования технологии производства отливки и выплавки стали.

Для достижения этой цели решали следующие задачи:

1. Анализ существующей технологии производства крупных стальных отливок.

2. Совершенствование литниковой системы, применяющейся для заливки форм шлаковых чаш.

3. Расчёт показателя трещиноустойчивости, позволяющий оценить деформационно-напряжённое состояние отливки в период кристаллизации.

4. Изучение влияния химического состава стали на морфологию и количественные характеристики неметаллических включения (НВ), а также механические свойства литой заготовки.

5. Совершенствование технологии проведения восстановительного периода при выплавке стали в дуговой электропечи путём использования тонкодисперсных раскислительных смесей.

Научная новизна работы:

1. На основе экспериментальных исследований и компьютерного моделирования предложен и определён показатель трещиноустойчивости металла отливки в температурном интервале хрупкости, позволяющий оценивать деформационно-напряженное состояние в период кристаллизации и прогнозировать возможность возникновения горячих трещин.

2. Путём компьютерного моделирования и теоретических расчётов установлен критический градиент температур в металле отливки, равный 98 °С, приводящий к образованию горячих трещин на отливках из стали марки 25Л в процессе кристаллизации.

2. Экспериментально установлены рациональные пределы изменения соотношения остаточных концентраций кальция к алюминию для стали марки 25Л. При отношении концентраций кальция и алюминия в интервале 0,02 - 0,04 в сплаве образуются включения, близкие по составу к 12Са0-7А1203 в жидком виде, которые жряш удаляются на поверхность металла, что приводит к повышению свойств стали на 6—13%и снижению загрязненности неметаллическими включениями.

Практическая ценность работы:

1. Усовершенствована существующая литниковая система, применяющаяся в литейном цехе для заливки форм шлаковых чаш.

2. Получены и уточнены значения физико-механических свойств (предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, относительное удлинение, относительное сужение) углеродистой стали марки 25Л до и после обработки порошковой проволокой с кальцийсодержащим наполнителем.

3. Получены значения степени десульфурации до и после обработки стали раскислительными смесями в восстановительный период плавки.

4. Сформулированы рекомендации для определения расхода кальцийсо-держащего материала в зависимости от содержания серы и алюминия в сплаве.

Производственное опробование

В литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» изготовили опытную партию шлаковых чаш с применением рекомендаций, разработанных в ходе выполнения работы. На шлаковых чашах опытной партии отсутствуют поверхностные литые дефекты в виде горячих трещин. Величины механических свойств полученных деталей превышают средние значения заготовок, отлитых по существующей технологии, на 6 - 13 %. В настоящей момент экспериментальные чаши находятся в эксплуатации в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 68, 69, 70й научно-технических конференциях, г. Магнитогорск, 2010, 2011, 2012 гг.; 2-х международных научно-технических конференциях: молодых специалистов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск, 2010, 2011 гг.; на конференции молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс», г. Магнитогорск, 2010, 2011 гг.; «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.; на Всероссийской научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства», г. Самара, 2012 г.; XII конгрессе сталеплавильщиков, г. Выкса, 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных статей, из них 6 — в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

На защиту выносятся:

1. Конструкция усовершенствованной литниковой системы, применяющейся для заливки шлаковых чаш.

2. Результаты исследований влияния температуры металла на физико-механические свойства (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительно сужение) углеродистой стали.

3. Результаты исследований по комплексному влиянию алюминия и кальция на тип и морфологию неметаллических включений, а также на механические свойства литых заготовок, отлитых из углеродистой стали.

4. Результаты исследований влияния различного соотношения остаточного содержания кальция к алюминию в металле на тип, морфологию и количественные характеристики неметаллических включений в металле.

5. Результаты исследования влияния раскислительных смесей МКрс 19 и МКрс 21 на процесс десульфурации углеродистой стали марки 25Л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 117 наименований, 1 приложения. Текст диссертационной работы изложен на 137 страницах машинописного текста, иллюстрирован 34 рисунками, 25 таблицами.

Личный вклад автора. Все представленные в работе экспериментальные результаты получены автором самостоятельно. Исследования проводились в ла-

бораторных и промышленных условиях, были разработаны методы и методики проведения экспериментов.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, апробация работы и публикации.

В первой главе проведён обзор отечественной и зарубежной литературы, рассмотрены внешние и внутренние факторы, влияющие на качество крупных стальных отливок из углеродистой стали, работающих в сложных условиях.

Установлено, что среди внешнйх • факторов, предопределяющих качество крупных стальных отливок и их эксплуатационную стойкость, наиболее значимыми являются технология выплавки сплава и наличие литых дефектов в отливке, внутренний фактор - химический состав сплава.

Рассмотренные способы выплавки стали в литейных цехах показали, что решающую роль в получении отливок с максимальными механических свойствами играет соблюдение теоретических предпосылок (основность шлака, качественное проведение периодов плавки и др.), что не всегда достижимо в действующем литейном цехе. Добиться должного технологического уровня проведения плавки можно путём применения новых материалов в процессе выплавки сплава.

Наиболее часто встречающимся дефектом на крупных стальных отливках являются горячие трещины. Выявлено, что комплексное действие литейных напряжений, образующихся в процессе кристаллизации сплава, и вредных примесей, находящихся в нём, является возможной причиной образования трещин.

Мощным внутренним фактором, влияющим на величины механических свойств литых заготовок, является химический состав сплава. Рассмотрено влияние основных элементов (С, 81, Мп, 8, Р), входящих в состав углеродистых сталей. Особое внимание уделено алюминию. В работах Симса и Даля, Явойского В. И., Шульте Ю. А, Ефимова В. А., Бельченко Г. И., Вихлещук В. А., Виноград М. И. говорится о существенной роли алюминия в формировании НВ и, как следствие этого, влиянии его на величины механических свойств. Причём влияние алюминия на количественные характеристики НВ изучено мало.

Наиболее перспективным способом борьбы с НВ является внепечная обработка сплава кальцийсодержащими материалами. В настоящее время среди исследователей нет единого мнения о необходимом количестве остаточного кальция в металле.

. На основе изучения состояния вопроса были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы и методики исследований. Объектом исследования является углеродистая сталь марки 25Л с содержанием алюминия в пределах от 0,02 до 0,11 % до и после обработки стали кальцийсодержащими материалами.

Выплавка сплавов производилась в дуговой сталеплавильной печи ДСП-25 с основной футеровкой и заливали в сухие песчано-глинистые формы. Обработка сплава производилась на двухручъевом трайб-аппарате в ковше ёмкостью 25 т.

Содержание кислорода в металле, его механические свойства при температуре 20 °С определяли в соответствии с ГОСТ 17745 - 90, 1497 - 87, 9454 - 78.

Изучение НВ проводилось при помощи оптического микроскопа Meiji Techno и сканирующего электронного микроскопа JSM - 6490 LV при увеличениях от 100 до 5000 крат. Количественный металлографический анализ проведён с использованием системы компьютерного анализа изображений Tixomet Pro. При этом были использованы методики, адаптированные в соответствии с требованиями ГОСТ 5639-82 и 8233-82.

Изучение полного спектра НВ в исследуемых образцах осуществлялось при помощи рентгенографического фазового анализа, проводившегося на дифрак-тометре ДРОН-3. Идентификация НВ была проведена по данным таблиц межплоскостных расстояний.

Изучение механических свойств углеродистой стали в интервале температур от 20 до 1450 °С проводилось в соответствии с ГОСТ 1497 - 87 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» на высокотемпературной высоковакуумной экспериментальной установке по исследованию изменения микроструктуры и физико-механических свойств металлов и сплавов при деформационно-напряженном состоянии АЛА-ТОО (ИМАШ - 20 - 75).

Для моделирования протекания литейных процессов было использовано специализированное лицензионное программное обеспечение TWMFlow.

В третьей главе проведён анализ действующей технологии литья шлаковых чаш. Наряду с этим исследована динамика изменения физико-механических свойств и структурных превращений углеродистой стали марки 25JI в зависимости от изменения температуры.

Разработаны мероприятия по предотвращению поверхностного дефекта -горячей трещины путём совершенствования действующей литниковой системы, применяющейся в цехе для заливки формы шлаковой чаши (рис. 1).

Проведенные топографические исследования дефектных шлаковых чаш показали, что размер зоны поражения трещинами может достигать 1055 мм. Количество трещин может быть 25 шт. общей протяжённостью 7200 мм.

Рис. 1. Горячие трещины на отливке «Шлаковая чаша» 7

При помощи программного обеспечения ЬУМР1о\\'_СУ4.2г2 было проведено моделирование процесса заливки через сужающуюся литниковую систему и кристаллизации отливки «Шлаковая чаша» по существующей технологии, определив возможные причины образования трещин:

- наличие усадочной пористости в местах образования трещин;

- неравномерное распределение температурных полей с резким переходом от одной температуры к другой в трёх зонах отливки при заливке (рис. 2).

Установлено, что на поверхности отливки явно выражены три температурные зоны. В первой трещин не бывает, так как рядом с ней располагается прибыль, металла которой достаточно, чтобы пропитать близлежайшие части отливки. Во второй распределение температурных полей на теле отливки имеет резко волнообразный характер с градиентом температур 115 °С по высоте. Одна из причин — наличие расстояния между питателями (890 мм). В области, где находится питатель, образуется самая разогретая зона. Следовательно, за счёт действия вынужденной конвекции слои металла, находящиеся над питателем, имеют более высокую температуру на расстоянии, равном половине высоты чаши. В той части отливки, где питатели отсутствуют, слои металла нагреваются за счёт соседних сло-ёв, располагающихся над питателями. Поэтому в этой области металл нагрет до той же условной температуры лишь на треть от высоты чаши.

Волнообразный характер распределения тепловых полей в третьей зоне отливки, обусловленный этими же причинами, не приводит к образованию горячих трещин, так как в этой части отливки имеются упоры для кольца шлаковоза, которые затвердевают быстрее, являясь ребрами жесткости и препятствуя действию растягивающих напряжений, образующихся в результате усадки сплава.

а б

Рис. 2. Литниковая система (а) и распределение температурных полей (б) на отливке «Шлаковая чаша» в начальный момент после заливки

Для выявления роли фазовых превращений в образовании трещин проведены дилатометрический и термический анализы углеродистой литой стали марки 25Л. При охлаждении стали от температуры солидус идёт выделение феррита из ау-стенита при температуре 736,6 °С. Кроме этого, происходит перлитное превраще-

8

Лишшпель

ние в интервале температур 675,7 — 636,1 °С. Изменяются линейные размеры образцов от 7,5 • 10"3 до 8,8 ■ 10 3 единиц в момент начала выделения феррита из ау-стенита и от 8,8-Ю"3 до 9,2Т0"6 при перлитном превращении. Дальнейшее охлаждение происходит при равномерно уменьшающемся линейном размере образца.

Для расчёта критического градиента температур, который приводит к образованию горячих трещин во второй зоне отливки, были определены переделы прочности и текучести стали при температурах от 20 до 1450 °С (рис. 3).

Температура, °С

Рис. 3. Влияние температуры на предел прочности (-) и

предел текучести (—--)

После проведённых исследований физико-механических свойств углеродистой стали установлено, что фазовые превращения происходят при температурах, значительно ниже температуры образования горячих трещин. Поэтому фазовые напряжения, образующиеся в отливке, не влияют на образование горячих трещин.

Учитывая исследованные физико-механические свойства сплава, был рассчитан градиент температур на поверхности отливки, при котором термические напряжения имеют величины, превышающие предел прочности стали, с последующим образованием горячих трещин. Эта величина составила 98 °С. Путём моделирования было установлено, что градиент температур в зоне образования горячих трещин составляет 115 °С, что хорошо согласуется с расчётным, следовательно, градиент температур может способствовать образованию горячих трещин.

Из литературных источников известно, что крупные стальные отливки рекомендуют заливать через расширяющуюся литниковую систему.

Для снижения скорости истечения металла в полость формы и более равномерного распределения тепловых полей в отливке предложено изменить сужающуюся литниковую систему на расширяющуюся. Соотношение суммарной площади питателей к площади литникового хода в существующей сужающейся литниковой системе составляет ЕРпит : Рл.х. = 1,0 : 1,05.

В предложенной нами расширяющейся литниковой системе соотношение площади литникового хода к суммарной площади питателей составляет

ЕРпит : Рл.х. = 2,5 : 1,0. Изменили размеры существующих цилиндрических питателей, сделав их эллиптическими, расширяющимися кверху.

Установили, что применение новой литниковой системы (рис. 4, а) способствует равномерному распределению тепловых полей в отливке (рис. 4, б) в начале кристаллизации из-за снижения скорости заполнения расплавом формы и более рассредоточенного подвода тепла.

Заполнение полости формы будет осуществляться сифонным подводом металла, который обеспечит её заполнение под затопленный уровень и полное заполнение питателей и литников.

Рис. 4. Усовершенствованная литниковая система (а) и распределение температурных полей (б) на отливке «Шлаковая чаша» в начальный момент после заливки через предложенную литниковую систему

Для оценки деформационно-напряжённого состояния в температурном интервале хрупкости предложили ввести показатель трещиноустойчивости

min

Щ = (1)

где пт - показатель трещиноустойчивости, МПа; erBmm — минимальный предел прочности при определённой температуре, МПа; s - относительная суммарная деформация.

Относительную суммарную деформацию стенки шлаковой чаши рассчитывали по выражению

е= i/0LAT(x)a(t)dx, (2)

где s - относительная суммарная деформация сечения стенки шлаковой чаши; L — длина отливки, мм; ДТ - изменение температуры с момента начала кристаллизации отливки (Тсол - Тср по а*), °С; a(t) - коэффициент термического расширения при средней температуре (tcp, °С) условного участка dx, 1/°С; dx - длина условного участка, мм.

Данные, полученные после расчёта показателя трещиноустойчивости в интервале температур от 1000 до 1450 °С для шлаковых чаш, процесс заливки кото-

рых через существующую и предложенную литниковые системы смоделирован в ЬУМР1о\у, графически представлены на рис. 5.

Температура, °С

Рис. 5. Кинетика изменения параметра трещиноустойчивости при

заливке шлаковых чаш через существующую (__) и

изменённую (---) литниковые системы

Чем больше величина показателя трещиноустойчивости при определённой средней температуре, тем меньше вероятность образования кристаллизационных трещин на теле отливки. Более высокое значение показателя трещиноустойчивости для измененной литниковой системы при определённой средней температуре (например, 1400 °С) свидетельствует о том, что в этом случае (заливка через расширяющуюся литниковую систему) при постоянном значении предела прочности относительная суммарная деформация имеет меньшую величину, чем для шлаковой чаши, залитой через сужающуюся литниковую систему.

После заливки партии шлаковых чаш через изменённую литниковую систему количество отливок, поражённых горячими трещинами, сократилось вдвое. Дальнейшее предотвращение процесса трещинообразования отливок может быть достигнуто путём совершенствования технологии выплавки стали.

В четвёртой главе изложены результаты комплексного исследования НВ опытных плавок углеродистой стали марки 25Л.

После исследования химический состав сталей (100 плавок), установлено, что, наряду с другими элементами, концентрация алюминия в металле является нестабильной и колеблется в широких пределах (0,02 -0,11 %). Проанализировав тип НВ, встречающихся в металле, в зависимости от содержания алюминия, было установлено, что: при [А1]<0,02 % в металле встречаются прерывистые цепочки сульфидов марганца и железа, а также мелкодисперсные оксиды алюминия - корунд (рис. 6, а); при содержании алюминия в пределах 0,04 - 0,08 % НВ в стали в основном представлены оксисульфидами (рис. 6, б); при [А1]>0,08 % обнаружены оксисульфиды, а также оксиды алюминия в чистом виде (рис. 6, в).

х2000 х5000 х2000

а б в

Рис. 6. Неметаллические включения в стали марки 25Л при концентрации алюминия в металле, %: 0,02 - 0,03 (а); 0,04 - 0,08 (б); 0,08 - ОД 1 (в)

Из работ Шульте Ю. А. известно, что в металле при малых (критических) присадках алюминия происходит снижение содержания кислорода, в результате чего увеличивается растворимость сульфидов, и они выделяются после образования скелетов дендритов, располагаясь по границам зерен в форме прерывистых цепочек (рис. 6, а), что подтвердили проведённые исследования.

При содержании алюминия в металле в интервале от 0,04 до 0,08 % в исследуемых сплавах обнаружены оксисульфиды алюминия. Установлено, что вначале образуется более тугоплавкое ядро (А120з, Тщ, = 2055 °С). Поверхность корунда плакируется сульфидом марганца, менее тугоплавким соединением (рис. 6, б). Аналогичные включения обнаружили при концентрации алюминия в стали в пределах 0,08 - 0,11 %, а также значительное количество корунда в свободном виде.

После изучения количественных характеристик НВ в стали марки 25Л установлено, что увеличение концентрации алюминия в металле от 0,02 до 0,11 % способствует увеличению объёмной доли неметаллических включений в 8 раз, количества включений на 1 мм2 - в 2,9 раза, средней площади - в 2,8 раза. Среднее расстояние между включениями уменьшается в 3,5 раза.

Исследование влияния содержания алюминия в металле на механические свойства, показало, что максимальные значения предела прочности, текучести и ударной вязкости имеет сталь, с содержанием алюминия в интервале 0,04 — 0,08 % (<тв=540 МПа, ат=320 МПа, КС11=80 Дж/см2). При концентрации алюминия в ме-

талле менее 0,04 и более 0,08 % значения механических свойств ниже на 15 - 17 %. Снижение прочностных свойств сплава при содержании алюминия в металле менее 0,04 % обусловлено наличием цепочек сульфидов, располагающихся по границам зёрен и ослабляющих межкристаллитные связи. Повышение концентрации алюминия до предела 0,04 - 0,08 % способствует выделению сульфидов в качестве плакированного слоя на ранее выделившихся оксидах алюминия, что повышает механические свойства. Дальнейшее повышение содержания алюминия приводит к выделению значительного количества неметаллических включений, в том числе и корунда в чистом виде, следствием чего является снижение механических свойств стали.

Чтобы минимизировать вредное влияние НВ, была проведена обработка стали на трайб-аппарате порошковой проволокой с кальцийсодержащим наполнителем. Проведён пассивный эксперимент по обработке порошковыми проволоками марок: Бо^ее! - 12, СКБа - 10, ГЫБТЕЬЬ. Выявлено, что остаточная концентрация кальция в металле не зависит от марки применяемой проволоки, а определяется её расходом, содержанием кальция в наполнителе и коэффициентом её заполнения.

Для обработки полученного в ходе эксперимента массива, состоящего из 650 плавок, была использована нейросетевая программа «Модель», из неё получены весовые коэффициенты влияния химических элементов, присутствующих в сплаве, на механические свойства.

Установлено, что наряду с другими элементами наибольше влияние на механические свойства оказывает соотношение остаточной концентрации кальция в металле к алюминию (Са/А1). Было определено, что рациональным, с точки зрения получения максимально возможных механических свойств стали, является отношение Са/А1 в пределах 0,02 - 0,04.

Влияние различного отношения концентраций кальция и алюминия в металле на объёмную долю включений представлено на рис. 7.

О.&О 0.01 0.02 0,03 0,05 3,06

Отношение Са к А1 в металле Рис.7. Зависимость объёмной доли включений от соотношения Са/А1 : 1 - [А1] = 0,02; 2 - [А1] = 0,04; 3 - [А1] = 0,08

После проведения количественного металлографического анализа, установлено, что наибольшее количество включений (20 - 30 %) удаляется из металла

при отношении концентрации остаточного кальция к алюминию в интервале 0,02 - 0,04. При отношении кальция к алюминию в металле до 0,02 из металла удаляется приблизительно от 2 до 11 % включений от их первоначального количества. Дальнейшее увеличение отношения кальция к алюминию в металле (>0,04) не привело к значительному снижению величин их концентрации и объёмной доли.

Установлено, что средняя площадь включений уменьшается на 11 - 22 % при соотношении Са/А1, находящимся в пределах 0,02 - 0,04. При отношении Са/А1<0,02 средняя площадь снижается на 3 - 7 %, а при Са/А1 > 0,04, наряду с незначительным уменьшением средней площади, наблюдали её увеличение на 5 — 9 %, связанное с образованием включений Са8.

Средняя длина включений, как и среднее расстояние между ними, увеличивается до отношения концентрации кальция к алюминию в пределах 0,02 — 0,04 включительно. Вероятно, именно это вызвало более интенсивное всплывание включений и снижение величин их количества и объёмной доли.

Путём рентгенографического фазового анализа установлено, что при отношении концентрации кальция в металле к алюминию, находящимся в пределах 0,00 - 0,02, образуются включения корунда (А1203) и сульфида марганца (Мп8). Кроме указанных включений, также образуются включения типа СаО • 8Ю2 (силикат кальция) и СаО • А1203 (однокальциевый алюминат). Включения корунда в сплаве обуславливает низкие механические свойства отливки (ав<510 МПа).

В случае отношения остаточной концентрации кальция к алюминию в металле в пределах 0,02 - 0,04 также образуется силикат кальция, включения близкие по составу к 2СаО • А1203 (двухкальциевый алюминат), 4СаО • ЗА1203 (четы-рёхкальциевый триалюминат), 12СаО • 7А1203 (двенадцатикальциевый алюминат).

При отношении Са/А1 более 0,04 в опытных образцах обнаружили следующие включения: СаО • А12Оэ • 28Ю2 (однокальциевый алюмосиликат), СаБ (сульфид кальция), СаО (оксид кальция), 4СаО • ЗА1203 (четырёхкальциевый алюминат) и сложное соединение типа ЮСаО • 4А1203 • Са8.

На рис. 8 представлены фотографии некоторых обнаруженных включений.

На основании полученных данных количественного и рентгенографического фазового анализов был сделан вывод, что при Са/А1<0,02 кальция недостаточно для того, чтобы полностью исключить присутствие корунда в свободном виде. Кроме того, выделяются сульфиды марганца, которые в процессе затвердевания металла остаются в отливке. При отношении, находящимся в интервале 0,02 — 0,04, в образцах указанные включения не обнаружены. Вместо корунда образуются соединения двухкальциевого алюмината и четырёхкальциевого триа-люмината. Кроме того, обнаружены НВ, по составу близкие к 12СаО • 7А1203, которые в расплаве находятся в жидком состоянии.

При образовании включений в жидком агрегатном состоянии происходит их коалесценция, укрупнение и более интенсивное всплывание на зеркало металла. В случае отношения Са/А1 более 0,04 происходит более глубокая десульфура-ция металла, что подтверждается наличием в опытных образцах оксидов и сульфидов кальция. Кроме того, сульфид кальция начинает обволакивать алюминаты

кальция, что препятствует образованию наиболее благоприятных с точки зрения удаления включений типа 12СаО • 7А1203. Вместо этого образуются включения типа ЮСаО • 4А1203 • Са8, которые, вероятно, всплывают менее интенсивно.

-

%

й 4 /г» ш 1 1 РФ

амш^ШШМ» ХЩШ¡Й№А..................

_ 1 *

§ 1 ! 1 "5 СШ® * 1 ........_.....Лх

| е 1 1 1 ! ! 1 1? 1 1| л 1 йс Уи?__и\ д.____и

» * « Г ' * !■

. - .

Рис. 8. Неметаллические включения в стали марки 25Л после обработки порошковой проволокой с кальцийсодержащем наполнителем: а) СаО • А1203; б) А1203; в) Мпв; г) ЮСаО • 4А1203 ■ Сав; д) 12СаО • 7А1203

Обработка углеродистой стали порошковой проволокой с кальцийсодер-жащим наполнителем способствует повышению величины предела прочности на 6 - 13 % (рис. 9), при отношении остаточной концентрации кальция в металле к алюминия в интервале 0,02 - 0,04. Аналогичная зависимость наблюдалась для ударной вязкости и предела текучести.

610

0,04 0,06 0,08 0,1 Содержание алюминия в металле, мае. %

Рис. 9. Зависимость предела прочности от содержания алюминия в стали марки 25Л до (_) и после (___) проведения внепечной обработки

Для определения необходимого количества кальция, в условиях литейного цеха, разработаны рекомендации, позволяющие определять расход порошковой проволоки (м/т) с целью получения наиболее рационального соотношения кальция и алюминия в металле (0,02 - 0,04) для более полного удаления НВ из него.

В пятой главе представлены результаты исследований по применению дисперсных раскислительных смесей в восстановительный период плавки углеродистой стали в дуговой сталеплавильной печи и влияние их на механические свойства и качество отливок из углеродистой стали.

На первом этапе провели статистический анализ показателей качества углеродистой стали, выплавленной в литейном цехе за год его работы. Статистический анализ начали с вычисления общих характеристик полученных данных.

О стабильности свойств судили по величине вариаций (V, %), характеризующей однородность свойств и показывающей относительную меру колебаний признака. Наиболее стабильны температуры выпуска и заливки стали. Они не могут оказать существенного влияния на свойства и трещиноустойчивость отливок, поэтому при проведении регрессионного анализа не учитывались. Содержание углерода в стали наиболее стабильное по сравнению со всеми другими элементами (V = 8,15 %) и находится в допустимых рамках. Концентрации фосфора в стали низкие, следовательно, технологическая дисциплина при проведении окисли-

тельного периода находится на должном уровне, и здесь не следует искать возможностей повышения механических свойств и трещиноустойчивости стали.

Концентрации серы колеблются в широких пределах (0,008 - 0,027 %, V = 22,93 %), поэтому необходимо стабилизировать её содержание в металле и принимать меры, способствующие десульфурации стали. Наиболее полная десульфу-рация стали осуществляется в процессе диффузионного раскисления.

Статистический анализ шлаков показал, что средние значения концентраций оксидов (FeO) и (МпО) в шлаке высокие (7,3 и 6,1 % соответственно), следовательно, диффузионное раскисление стали в цехе проводится неэффективно.

Проведя пошаговый регрессионный анализ, получили уравнения регрессии ударной вязкости, как наиболее структурно-чувствительного свойства, от химического состава металл (3)

KCU = 84,97 - 869,268[S] + 17,10[Мп]. (3)

Анализ уравнений показал, что для повышения ударной вязкости необходимо снижать содержание серы и повышать концентрацию марганца в металле.

Из литературных источников установлено, что для интенсификации процесса десульфурации металла в шлаке необходимо снижать количество оксидов железа, повышать его основность.

Существующая технология диффузионного раскисления в цехе на базе молотого кокса и комплексного раскислителя (KP) обладает рядом недостатков, основным из которых является высокая конечная окисленность шлака (содержание оксида железа в большинстве случаев превышает 7,3 %). Это приводит к снижению степени десульфурации металла. Достижение высокой основности шлака и низкой его окисленности являются главными задачами восстановительного периода при выплавке стали, для выполнения которых применялись раскислитель-ные смеси МКрс19 и МКрс21.

Смесь МКрс19 предназначена для повышения основности шлака. Основу смеси составляет кальций-стронциевый карбонат, в котором содержится до 90 % СаС03. Последний, за счет дисперсности, мгновенно разлагается на СаО и С02. СаО повышает основность и сульфидоемкость шлака. СОг при температурах 1600 °С не устойчив и в присутствии входящего в состав смеси графита начинает реагировать с ним по реакции С + С02=2С0 и тем самым создает восстановительную атмосферу в печи.

МКрс21 предназначена для раскисления диффузионным способом углеродистых и высоколегированных сталей и представляет смесь порошков углерода (57,9 %), кремния (7,4 %) и кальция (10,4). Остальное железо.

Проводили диффузионное раскисление стали с одновременным контролем химического состава металла и шлака. Химический состав шлака был нестабильным, в силу чего невозможно применить метод математического планирования эксперимента. Расход раскислительных смесей принимали, исходя из предыдущего опыта применения этих смесей производителем на таких заводах, как Осколь-ский завод металлургического машиностроения (г. Старый Оскол), Промтрактор - Промлит (г. Чебоксары), Литейно — прокатный завод (г. Москва).

Практические данные по изменению концентрации оксидов Мп, 81, и Бе в зависимости от расхода раскислительных смесей приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав шлака восстановительного периода до и после обработки раскислительными смесями МКрс19 и МКрс 21

Расход смеси, кг/т Изменение концентрации оксидов, %

МКрс 19 МКрс21 (РеО) (МпО) (БЮг)

до после до после до после

3 3 22,9 9,2 6,1 2,7 18,9 17,9

4 3 9,9 5,6 3,4 3,2 13,6 12,1

5 5 3,2 2,2 14,6 5,24 45,2 41,3

Было установлено, что расход раскислительных смесей, необходимый для восстановления оксидов марганца и железа из шлака, зависит от первоначальной концентрации этих оксидов в шлаке, а также от его основности.

В зависимости от расхода смеси, снижение концентрации оксида железа в шлаке в восстановительный период происходило от 30 до 60 %, что не всегда достигается проведением восстановительного периода по действующей технологии. Происходит восстановление оксида марганца из шлака от 5 до 65 %, кремния от 5 до 10 %. Варьирование количества восстановившихся оксидов из шлака в процентном отношении зависит от расхода раскислительных смесей и основности шлака.

В процессе работы исследовали влияние раскислительных смесей МКрс 19 и МКрс 21 на процесс десульфурации металла.

Установлено, что среднее значение конечного содержания серы в металле в опытных плавках ниже, чем в рядовых на 18 %. Следует отметить, что содержание серы в металле после расплавления, наоборот, было выше в опытных плавках. Минимальное содержание серы в опытных плавках снизилось до 0,009 %. Повысилась также степень десульфурации с 37,9 до 45,4 %. Степень десульфурации металла приблизилась к нормальному закону распределения.

Проведя исследование химического состава шлака после использования раскислительных смесей, было выявлено, что в зависимости от основности шлака количество перешедшей в шлак серы увеличивается в 3 раза. При этом также установлено, что использование раскислительных смесей способствует снижению температуры плавления шлака на 50 °С, что делает его более жидкоподвижным.

Экономический эффект от замены КР дисперсными смесями МКрс 19 и МКрс 21 составил 8255 руб. за одну плавку (имеется акт внедрения).

Выводы

1. Научно обоснована и внедрена расширяющаяся литниковая система для заливки форм шлаковых чаш, что привело к уменьшению количества отливок, пораженных горячими трещинами.

2. Предложен показатель трещиноустойчивости, позволяющий оценить деформационно-напряженное состояние отливки в период кристаллизации, а также вероятность образования горячих трещин на теле отливки.

3. Экспериментально установлено, что при повышении концентрации алюминия в углеродистой стали марки 25JI с 0,02 до 0,11 % происходит повышение объёмной доли включений в 8 раз. Количество неметаллических включений на 1 мм2 увеличивается в 2,9 раза, а средняя площадь - в 2,8 раза. Среднее расстояние между ними уменьшается в 3,5 раза.

4. Экспериментально установлено соотношение остаточной концентрации кальция к алюминию (0,02 - 0,04), при котором в металле наблюдается наименьшее количество включений по сравнению с другими соотношениями этих же элементов.

При отношении остаточных концентраций [Ca] и [AI] менее 0,02 удаляется не более 11 % включений от их первоначального значения, при соотношении этих элементов 0,02 - 0,04 удаляется от 20 до 30 % включений. Дальнейшая обработка металла кальцийсодержащими материалами до соотношения [Ca] и [AI] > 0,04 не приводит к существенному снижению содержания включений в металле.

Механические свойства отливок после внепечной обработки увеличились на 6 - 13 %.

5. Разработаны рекомендации по определению расхода порошковой проволоки с кальцийсодержащим наполнителем для внепечной обработки.

6. Разработаны рекомендации проведения восстановительного периода плавки углеродистой стали в дуговой сталеплавильной печи с применением дисперсных раскислительных смесей МКрс 19 и МКрс 21, где определили порядок подачи и количество смеси, позволяющее снизить содержание в шлаке оксидов Fe и Мп на 60 %, улучшая при этом рафинирующую способность шлака.

7. В производственных условиях установлено, что использование раскислительных смесей МКрс 19 и МКрс 21 для диффузионного раскисления металла и шлака увеличивает сульфидоёмкость шлака, результатом чего является увеличение средней степени десульфурации металла с 37 % (в плавках без использования раскислительных смесей) до 45 % (с применением МКрс 19 и МКрс 21).

8. Экономический эффект при использовании раскислительных смесей МКрс 19 и МКрс 21 составляет около 8255 руб. на одну плавку углеродистой стали в 25-тонной дуговой сталеплавильной печи.

Основные результаты работ представлены в публикациях:

1. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Стойкость шлаковых чаш в условиях ОАО «ММК» // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр.; под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. Вып. 9. С. 163-167.

2. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Применения трайб-аппарата в литейном производстве // Теория и технология металлургического производства: межреги-

он. сб. науч. тр.; под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. Вып. 9. С. 114-117.

3. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Технология изготовления шлаковых чаш // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. № 2 (30). С. 27 - 30.

4. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Влияния серы, кальция, алюминия на пластические свойства металла // Теория и технология металлургического производства: межрегион, сб. науч. тр.; под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. Вып. 10. С. 107 - 113.

5. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки шлаковая чаша //Литейщик России. 2012. № 3. С. 12-14.

6. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки шлаковая чаша (продолжение) // Литейщик России. 2012. №7. С. 11-12.

7. Повышение качества стали 25Л с применением методов математической статистики / Бердников С.Н., Авдиенко A.B., Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. // Сталь. 2011. № 2. С. 37 - 39.

8. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Влияние обработки стали марки 25Л си-ликокальцием на неметаллические включения и механические свойства литой заготовки // Технология металлов. 2012. №12. С. 21 — 26.

9. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Модернизация литниковой системы отливки «Шлаковая чаша» // Литейное производство сегодня и завтра: труды 9-й Всерос. науч.-практ. конф. СПб: Изд. СПб политехи, ин.-та, 2012. С.510 - 518.

10. Рафинирование сталей и чугунов дисперсными модификаторами при выплавке в дуговых и индукционных электропечах / Чайкин В. А., Чайкин А. В., Журавлёв В. А., Феоктистов H.A. // Литейное производство сегодня и завтра: труды 9-й Всерос. науч.-практ. конф. СПб: Изд. СПб политехи, ин.-та, 2012. С. 235 -242.

11. Чайкин В.А., Чайкин A.B., Феоктистов H.A. Повышение эффективности диффузионного раскисления при выплавки стали в кислых и основных дуговых электропечах // Литейщик России. 2012. № 8. С. 40 - 42.

12. Vdovin K.N., Feoktistov N.A. Researching of hot cracks formation reasons on the casting "slag chalice" by modeling of potting and crystallization process. Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012. Вып. 2. Т. 8. Одесса: Куприенко, 2012 . С.32 - 38.

Подписано в печать 15.04.2013 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. - Заказ 210.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова»

На правах рукописи

0420135 $3*52

Феоктистов Николай Александрович

Совершенствование технологии производства крупнотоннажных стальных отливок

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Вдовин К.Н.

Магнитогорск - 2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА............................................................................7

1.1. Анализ способов выплавки стали для фасонного литья...............................7

1.1.1. Выплавка стали в мартеновской печи......................................................7

1.1.2. Выплавка стали в дуговых электропечах.................................................8

1.1.3. Выплавка стали в индукционных печах.................................................11

1.2. Анализ технологических факторов, влияющих на образование горячих трещин в отливках.....................................................................................................14

1.3 Влияние химического - состава на механические свойства и трещиноустойчивость углеродистой стали............................................................20

1.4. Влияние неметаллических включений на механические свойства стали и трещиноустойчивость............................................................................................26

1.5. Влияние обработки расплава кальцием на механические свойства сталей, морфологию и удаление неметаллических включений........................................31

1.6 Анализ условий работы шлаковых чаш.........................................................36

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ........................................................................................................39

2.1. Шихтовые материалы и выплавка сплавов..................................................39

2.2. Оборудование, использованное в работе......................................................40

2.3. Метод компьютерного моделирования и анализ литейных процессов.....42

2.4 Методика построения математических моделей, определение долей

влияния вводимых добавок.........!............................................................................43

Глава 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ «ШЛАКОВАЯ ЧАША».......................................45

3.1. Анализ условий работы отливки «Шлаковая чаша»...................................45

3.2 Исследование физико-механических свойств углеродистой стали марки 25Л..............................................................................................................................49

3.3. Моделирование процессов заливки и кристаллизации отливки-представителя «Шлаковая чаша»............................................................................55

Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПАВКИ И ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ МАРКИ 25Л........................................................................68

4.1. Исследование влияния алюминия на образование неметаллических включений и содержание кислорода в металле.....................................................70

4.2. Исследование влияния алюминия на механические свойства литой заготовки из углеродистой стали.............................................................................80

4.3. Исследование влияния обработки расплава порошковой проволокой с различными наполнителями на природу неметаллических включений...........83

4.4. Разработка рекомендаций для определения необходимого количества

кальция в зависимости от содержания алюминия и серы в металле...................99

Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

5.1. Анализ существующей технологии выплавки углеродистых сталей......103

5.2. Разработка технологии диффузионного раскисления стали в восстановительный период плавки.....................................................................112

5.3. Опытно-промышленное опробование результатов работы......................123

5.4. Выводы по работе.........................................................................................125

Библиографический список....................................................................................127

Приложение.............................................................................................................137

Введение

Актуальность работы. Первостепенной задачей машиностроения является обеспечение надёжности и долговечности узлов металлургических агрегатов, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Значительная доля отливок, применяющихся в узлах металлургических агрегатов, изготавливается из различных сплавов методом литья. Как правило, узлы металлургических агрегатов работают в условиях действия высоких температур, больших нагрузок.

Использование в качестве материала отливки только жаропрочных и высоколегированных сплавов приведёт к резкому удорожанию, что недопустимо в трудных условиях финансовой обстановки. Кроме того, литые заготовки для узлов металлургических агрегатов в большинстве случаев относятся к третьей и четвёртой группам отливок по массе (крупные, очень крупные), в силу чего на их поверхности часто образуются горячие трещины, предотвращение процесса образования которых является актуальной задачей.

Представителем деталей, работающих в подобных условиях, является шлаковая чаша. В литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» (МРК) шлаковые чаши отливают для кислородно-конвертерного, доменного и сталеплавильного цехов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК). Жидкий шлак из плавильного агрегата сливают в неё при температуре выше 1200 °С. После транспортировки чаши со шлаком на отвал производят её выбивку при помощи копра весом более 5 т. Следовательно, литые шлаковые чаши должны обладать значительным запасом прочности и пластичности, которые определяются такими механическими свойствами стали, как предел прочности (ав), предел текучести (ат), ударная вязкость (КСи) и др. Кроме того, важным фактором является отсутствие литых дефектов.

Детали, применяющиеся в агрегатах металлургической промышленности, значительно отличаются показателями эксплуатационной стойкости, несмотря на то, что изготовлены в одном цехе, из одного сплава, по одной технологии.

Между технологическим процессом изготовления литых деталей и показателями эксплуатационной стойкости существует зависимость. На каждом этапе технологической цепочки производства отливки действуют внешние и внутренние факторы, которые оказывают прямое или косвенное влияние на эксплуатационную стойкость. Выплавка металла, литейная технология оказывают влияние на механические свойства литой заготовки, появление литых дефектов, которые, в свою очередь, предопределяют качество отливки и дальнейшую эксплуатационную стойкость. Чтобы нивелировать эти факторы, необходимо исследовать их и научиться преодолевать.

В процессе производства крупногабаритных отливок механические свойства углеродистой стали являются нестабильными, кроме того, на поверхности часто образуются горячие трещины. Заваренные литые трещины, при дальнейшей эксплуатации детали в металлургическом цикле, являются зонами образования эксплуатационных трещин, а также причинами снижения эксплуатационной стойкости.

В связи с этим, совершенствование технологии производства отливок и выплавки металла, с целью повышения качества стальных отливок из углеродистой стали, а также предотвращения образования горячих трещин на крупногабаритных отливках, появляющихся в процессе кристаллизации, являются актуальными задачами литейного производства.

Цель работы. Повышение качества крупных стальных отливок путём совершенствования технологии производства отливки и выплавки стали.

Научная новизна работы:

1. На основе экспериментальных исследований и компьютерного моделирования предложен и определён показатель трещиноустойчивости металла отливки в температурном интервале хрупкости, позволяющий оценивать деформационно-напряженное состояние в период кристаллизации и прогнозировать возможность возникновения горячих трещин.

2. Путём компьютерного моделирования и теоретических расчётов установлен критический градиент температур в металле отливки, равный 98 "С,

5

приводящий к образованию горячих трещин на отливках из стали марки 25Л в процессе кристаллизации.

3. Экспериментально установлены рациональные пределы изменения соотношения остаточных концентраций кальция к алюминию для стали марки 25Л. При отношении концентраций кальция и алюминия в интервале 0,02 - 0,04 в сплаве образуются включения, близкие по составу к 12Са0-7А1203 в жидком виде, которые хорошо удаляются на поверхность металла, что приводит к повышению свойств стали на 6 - 13 % и снижению загрязнённости неметаллическими включениями.

Практическая ценность работы:

1. Усовершенствована существующая литниковая система, применяющаяся в литейном цехе для заливки форм шлаковых чаш.

2. Получены и уточнены значения физико-механических свойств (предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, относительное удлинение, относительное сужение) углеродистой стали марки 25Л до и после обработки порошковой проволокой с кальцийсодержащим наполнителем.

3. Получены значения степени десульфурации до и после обработки стали раскислительными смесями в восстановительный период плавки.

4. Сформулированы рекомендации для определения расхода кальцийсо-держащего материала в зависимости от содержания серы и алюминия в сплаве.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Анализ способов выплавки стали для фасонного литья

В настоящее время известно большое множество типов плавильных агрегатов. Выбор метода плавки и тип плавильного агрегата определяются составом и свойствами стали, объёмом производства, массой отливок, требованиями к их качеству, технико-экономическими показателями процесса [1].

В литейных цехах для выплавки стали используют дуговые и индукционные тигельные печи, реже - мартеновские печи и конвертеры. Для производства стали с особыми свойствами и высокими требованиями к качеству применяются электрошлаковые, вакуумно-дуговые, плазменно-дуговые, электроннолучевые, индукционные вакуумные печи [1]. Каждый из вышеуказанных плавильных агрегатов позволяет проводить в той или иной мере металлургические процессы (десульфурацию, дефосфорацию), отражающиеся в конечном итоге на качестве выплавленного металла.

1.1.1. Выплавка стали в мартеновской печи

В литейном производстве используют как стационарные, так и качающиеся печи [2]. В фасонно-сталелитейных цехах машиностроительных заводов применяются мартеновские печи сравнительно небольшой емкости - обычно до 50 т и реже до 100 т. В качестве топлива применяется мазут, генераторный газ, возможно применение природного газа [3]. В рабочем пространстве печи происходит сгорание топлива с образованием факела пламени, имеющего температуру 1800- 1900 °С [4].

Рабочее пространство печи представляет собой ванну, над которой сжигают топливо, а в самой ванне происходит расплавление и перегрев металла. Твёрдые элементы шихты, загруженные в ванну, постепенно расплавляются, а на поверхности её образуется шлак [5].

Мартеновская плавка обычно состоит из нескольких последовательно

проводимых операций. Основными из них являются заправка печи, завалка

7

твёрдой шихты и заливка чугуна, плавление, кипение стали, её раскисление и легирование, а также выпуск продуктов плавки [4].

По составу огнеупорных материалов, используемых для кладки ванны, стен и свода рабочего пространства, мартеновские печи делятся на основные и кислые [4]. Основные преимущества и недостатки плавки литейных сталей в основных и кислых мартеновских печах представлены в табл. 1.1 [1].

Таблица 1.1

Преимущества и недостатки выплавки стали в мартеновской печи

Способ Преимущества Недостатки

1. Основной мартеновский процесс Применение лома, удаление серы и фосфора Низкая производительность, большие затраты на ремонт, невозможность работы с перерывами, низкие санитарно-экологические условия работы

2. Кислый мартеновский процесс Высокое качество стали То же, что и основного процесса; необходимость использования шихты чистой по сере и фосфору

Из-за высокого содержания в мартеновских шлаках оксидов железа процесс десульфурации металла протекает незначительно, в результате чего коэффициент распределения серы (8)/[8] не превышает 3-10 единиц [3]. Присутствие серы в металле является одной из причин образования горячих трещин, особенно в крупных стальных отливках, что привело к более широкому применению в литейных цехах электрических печей, имеющих возможность получения металла с низкой концентрацией серы в нём.

1.1.2. Выплавка стали в дуговых электропечах

В литейном производстве широко применяют электродуговые печи. Их используют для выплавки стали и чугуна из металлического лома. Превращение электрической энергии в тепловую происходит в электрическом разряде, протекающем в газовой среде [5, 6].

По способу нагрева дуговые печи подразделяются на следующие три группы [4]:

1. Печи прямого нагрева загруженных материалов энергией дуг, горящих между каждым электродом и металлом.

2. Печи косвенного нагрева загруженных материалов за счёт излучения дуг, горящих между электродами над металлом и шлаком. Кожух этих печей снабжён устройством для вращения вокруг горизонтальной оси на определённый угол. В торцевые стенки кожуха вставлены графитизированные электроды с электродержателями.

3. Печь комбинированного нагрева с закрытой дугой. Загруженная шихта нагревается за счёт энергии дуг, горящих между электродами и материалами под слоем шихты, и тепла, выделяющегося в шихте при прохождении через неё тока от электрода к электроду.

Дуговые электропечи (ДЭП) имеют высокий КПД по расплавлению (80 -85 %); дают возможность ведения процесса в восстановительной и нейтральной атмосферах; осуществляют быстрый подъём температуры металла; позволяют вести металлургические процессы, которые протекают не так интенсивно в мартеновской печи.

Недостатки ДЭП: низкий КПД при перегреве; шум во время работы; большой угар элементов и значительная неравномерность температуры металла по объёму печи [6].

В литейном производстве используются обычно дуговые печи трехфазного тока (ДСП). В настоящее время есть случаи замены трехфазных печей на электродуговые однофазные печи постоянного тока (ДППТ) [2]. В отличие от ДСП ДППТ имеет один вертикально расположенный сводовый электрод, который расположен в корпусе электродержателя и через отверстие в центре свода введён в плавильное пространство электропечи. Также в подине печи расположен подовый электрод. Это позволяет выполнить печи ДППТ более газоплотными, чем ДСП [4].

Конструктивные и энергетические особенности печей ДППТ малой и средней ёмкости позволяют при плавке стали получать на них следующие преимущества перед ДСП [4]:

- уменьшить расход графитовых электродов до 0,8 - 1,5 кг/т. В ДСП этот показатель составляет 1,0-1,4 кг/т;

- увеличить расход годного металла за счёт снижения его угара на 2 - 4 %;

- уменьшить пылевыбросы в 7 - 10 раз и снизить затраты на газоочистку;

- снизить уровень шума в среднем на 15 дБ;

- стабилизировать электрический режим, уменьшить помехи и толчки тока в питающей энергосистеме;

- организовать эффективное электромагнитное перемешивание металла.

Наибольшее применение для выплавки стали в литейных цехах нашли

кислые и основные дуговые электропечи вместимостью от 3 до 50 т и производительностью от 1,6 до 11, 4 т/ч [1].

В сводах электропечей отечественных металлургических заводов используют преимущественно основные магнезитохромитовые изделия. Реже применяют хромомагнезитовый и периклазошпинелидный кирпич. Кладка стен электропечей также выполняется из штучных магнезитохромитовых и периклазош-пинелидных изделий [7].

Авторы источника [8] свидетельствуют, что для кислых печей широкое применение для наварки футеровок получила масса из кварцевого песка и жидкого стека, так как песок сохраняет прочностные и огнеупорные свойства при весьма высоких температурах. Огнеупорность футеровки, выполненной из кварцевого песка, тем выше, чем больше в ней содержание оксидов кремния.

Электропечи с кислой футеровкой обладают рядом преимуществ перед основными [2]:

1. Нагрев металла осуществляется быстрее. Кислые шлаки менее электро-проводны, часть мощности выделяется в шлаке, ванна глубже. Тепловые потери через кислую кладку меньше, электрические дуги короче, т.е. лучше передают тепло металлу.

2. Меньшая общая длительность плавки и более низкий расход электродов.

3. Низкая стоимость и более высокая стойкость футеровки.

4. Меньшие потери тепла металлом из-за низкой теплопроводности шлака.

Основной недостаток кислой электропечи - невозможность удаления фосфора и серы из металла подобно выплавки стали в мартеновской печи, поэтому надо использовать низкофосфористую и низкосернистую шихту. Плавка ведётся способом переплава [2].

Различают два способа плавки стали в основных электродуговых печах: с окислением и переплавом [2]. Переплавом или плавку без окисления пров�