автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Влияние раскисления стали на химическую неоднородность крупных кузнечных слитков

НДУЧаО-ДРайВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕййНШЕ ДО ХЕШ0Л01Ш ШШЮСПШШ

- ИВДШШЬ -

На правах рукописи Для служебного пользования

экз. Л I ^ 'ч

КРАСКОСЛОБОДЦЕВ Иван Алексеевич

УДК 663.18-252

ВЛИЯНИЕ РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ НА Х1КИЧЕСКУВ НЕОДНОРОДНОСТЬ КРУПНЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ

Специальность 05 15.02 - "Металлургля черних

металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени юндадата техгспеси"-: .чг-ук

Москва - 1991

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНИИТМАШ"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Дуб B.C.

Официальные оппоненты -доктор технических наук, профессор

Краковский D.B. кандидат технических наук,

Х.,1р/лкоь И-А.

Ведущее предприятие - ПО "Эдектростальтяжмао"

Защита состоится " II " ноября 1991 г. в 15 часов 30 мин. на заседании специализированного совета Д 145.03.01 при Научно-производственном объединении по технологии машиностроения ЦНИИТМАШ по адресу: IG9Q88, Москва, Еарикоподашиковская, 4, ШО ЦНШТНАШ.

С диссертацией мозно ознакомиться в научно-технической бай лиотеке ШО ЦНИИТМАШ.

Автореферат разослан * /О*1991 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, /)

кандидат технических наук ^^Q ^¿Щ^ ^'^'®аспльева

Актуальность работы. Производство современных изделий для энергетического и тяжелого машиностроения зависит от решения проблемы изготовления высококачественных крупных слитков. Как известно, с увеличением массы слитков увеличивается время их затвердевания, что приводит к более сильному развитии дефектов кристаллизационного характера. Современный уровень технологии производства крупных слитков зачастую не отвечает требованиям к качеству стали по загрязненности неметаллическими вклЕчекпями и степени развития внецентренной химической неоднородности. Скопление неметаллических включений и особенно шнуры внецентренной ликвации значительно сниглют качество изделий и могут привести к их разрушению. Решение этой проблемы требует углубленного изучения механизма их образования и изыскания более действенных и приемлемых методов воздействия на процессы формирования дефектов, связанных с этими явлениями.

Большой вклад в разработку механизмов развития макро- и микрохимической неоднородности и способов их подавления внесль В.А.Ефимов, В.И.Явойскяй, Б.Б.Тагеев, В.Т.Борисов, Б.Чалмерс, Симе, Даль, М.Флеминге, Ю.Б.Кряковский, Б.С.Дуб и др. Однако исследования в этой области не привели к созданию единой концепции образования в слитке мккроликвации, развитие которой в большой мере характеризуется образованием неметаллических включений, и макроллкващш, одним из наиболее опасных проявлений которой являются ликвационнне шнуры.

Общим для всех гипотез образования немрт&тлических включений, в том числе сульфидов, является признание существенной роли кислорода, растворенного ь стали. Накопленные экспериментальные данные по образованию и развитию шнуров наиболее полно описываются теорией их образования по механизму зонной плавки с температурным градиентом (ЗПТГ).

С учетом этих положений наиболее существенным представляется разработка комплексного подхода к изучению влияния раскисления стали на процессы формирования макро- и микрохимической неоднородности в слитке и их взаимосвязи.

Изучение указанных вопросов необходимо для создания технологических приемов, обеспечивающих уменьшение степени развития в слитке дефектов микро- и макрохимической ликвации, что определяет актуальность работы.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния раскисления на формирование сульфидных включений и развитие шнуров внецентренной ликвации и разработка на основе установленных зависимостей технологии производства крупных кузнечных слитков повышенного качества.

Научная новизна. Предложен механизм влияния активности кислорода на формирование и тип сульфидных включений, основанный на том, что кислород является более поверхностно активным элементом, чем сера. Б связи с этим динамика накопления серы в дендритной ячейке в процессе кристаллизации слитка зависит от активности кислорода в ней.

Разработана новая методика моделирования процесса развития шнуров, позволяющая исследовать условия образования шнуров, скорость продвижения начальной зоны, влияние теплофизических, структурных и химических факторов на эти процессы. Впервые в лабораторных условиях на небдльших массах металла получены ликва-ционные образования идентичные по своим морфологическим признакам шнурам внецентренной ликвации в промышленных слитках.

Исследовано влияние раскисления на образование начальной зоны шнура и ее продвижение. Установлены факторы, определяющие устойчивость и скорость развития шнуров: термодинамический (¡актор, определяемый соотношением .истинности элементов, кинетичес-

шй фактор, определяемый коэффициентами ыассопереноса в осях и леюсных участках, и структурный фактор, определяемый соотношением доли осей и мекосных участков.

Выявлена взаимосвязь мевду развитием мшдзонеоднородности (количеством и типом сульфидов) и макронеоднородаости (развитием пнуров). Условия образования начальных зон шнуров и их развития с гочки зрения термодинамики аналогичны условиям образования суль-Идов второго типа. С увеличением количества, размеров и доли зульфщов второго типа возрастает вероятность образования шнура и устойчивость его развития.

Определена роль алюминия а кремния в процессе образования зульфидов и шнуров. При этом показано, что эти раскислители воздействуя на термовременные параметры кристаллизации стали в активность кислорода в ней, оказывает существенное влияние на формирование первичной кристаллической структуры, морфологию, тип и количество сульфидов и образование пнуров, определяя скорость их роста.

Экспериментально определены в стали 25Х2НШ>А с различным содержанием серы и степенью раскнсленноста скорости продвикения начальной зоны шнура, рассчитаны коэффициенты массоперекоса в шнуре и определен порядок толщины диффузионного слоя на границе шаур-иатрица. Возрастание содержания серы в стали и степени ее раскис-ленности приводит к увеличению скорости продвижения начальной зоны шнура.

Практическая значимость. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований влияния раскисления на формирование сульфидов и ллкЕадионшх шнуров разработана комплексная сталеплавильная технология производства крупных кузнечных слитков дои роторных сталей, обеспечивающая минимальное развитие микро- и махрсхимической неоднородности в металле. Ключевым эле-

ментом этой технологии является обеспечение в затвердевающем металле оптимального уровня активности кислорода путем вакуумного углеродного раскисления стала с регламентируемым содержанием в ней раскислителей (кремния не более 0,Т£, алюминия менее 0,QI%).

Внедрение технологии на заводе "Энергомаиспецсталь" позволило существенно повысить качество стали 25Х2НМ5А для производства роторов и турбин модностью до IGOC iiBT на ПО ХТЗ. Изготовлены диски, хвостовика для роторов турбин, металл которых характеризуется равномерный распределением сульфидов благоприятной формы и низкой степенью развития внецентренпой ликвации. Материал изделий отличается высокими физико-механическими свойствами и большой степенью их изотропности.

На ПО "Ижорский завод" результаты работы позволила оптимизировать технологию производства слитков массой свыше 200 т и повысить качество заготовок из них.

Суммарный долевой экономический эйсект от внедрения результатов работы на ПО "Ижорский завод" и на заводе "Энергомасспец-стглль" составил 350 тыс.руб/год.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 235 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 147 наименований и приложения, содержит 22 таблицы и 71 рисунок.

Апробация работы.Основные результаты работы доложены на:

- Всесоюзной научно-технической конференции по применению вакуума в черной и цветной металлургии (Москва, 1979);

- 1У и У Всесоюзной научно-технической конференции по современным проблемам электрометаллургии стали (Челябинск, 1980, 1981);

- П республиканской научно-технической конференции по рациональному использованию легирующих элементов и улучшению каче-

ства металла при электроплавке стал: (Днепропетровск, 1983);

- Всесоюзной научно-технической конференции по теории и практике вкспечноМ обработке стали (Москва, 1&Ь5);

- У республиканской научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейкых сплавах" (Запорожье, 1988);

- Межреспубликанской научно-технической конференции "Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных заготовок" (Волгоград, 1989).

Содегжание работы.

Исследования макро- и шкроликвации проводили на железоуглеродистом расплаве, модельных сплавах и стали 25Х2ШШ, прп этом варьировали содержание серы в пределах 0,01-0,05$, кре&зшя 0,04-0,05«, алюминия 0,ОТ-0,08£, активность кислорода 5-50 ррм, скорость охлаждения 1-60оСДаш. Для более углубленного изучения влияния раскисления на условия формирования сульфидов, разработан комплексный метод, включапций в себя изучение влияния раскис-лителей на термовреиенные параметры затвердевания стали, изменения акткгности кислорода в ней и дендритную структуру. Эксперименты проводили на установке, позволяющей осуществлять направленное затвердевание образца с определенными скоростями массой 0,5 кг. Для изучения термовременных параметров затвердевания стата применяли метод проникающего излучения. Изменения активности кислорода в стали осуществляли датчиками окисленности металла.

Исходя из теоретических представлений об образовании шнуров -внецентренной ликвации по механизму 31ГЕГ, разработали новую методику, позволяющую моделировать процессы развития шнура на небольших массах металла в контролируемых условиях.

Установка для проведения эксперимента позволяла выдержи-

вать образец из стали 25X2JC.SA с начальной искусственной зоной (чугун) в поле постоянного температурного градиента в течение определенного времени. Металлографические исследования образца после выдержки выявляли образование с четкими границами, вытянутое в направлении температурного градиента. По морфологическим признакам его можно идентифицировать как шнур. Микроструктура шнура мельче, чем в основном металле. В материала пшура в большом количестве присутствует сульфидные включения второго типа, вытянутые в направлении его роста, встречаются поры.

Б тех работах, где изучались морфологические признаки кнуров, как правило, рассматривались боковые границы. Торцевые г.е границы, которые с точки зрения многих гипотез являются местом, где происходят процессы развития шнура, не исследовались, по-ви-димоцу, из-за трудностей фиксации на шлифе. Разработанная наш методика предоставляет возможность для непосредственного исследования торцевой границы, что открывает новые возможности для изучения развития шнуров в ключевом месте происходящих процессов, Результаты экспериментов обрабатывали с применением статистического анализа.

Исследования влияния содержания серы, скорости охлаждения и раскисления на образование сульфидов и развитие шнуров вне-центренной ликвации показали, что количество сульфидов и доля плоцади, занимаемая ими, пропорциональны содержанию серы в расплаве. Так, с увеличением концентрации серы с 0,01$ до 0,05/2 железоуглеродистого расплава при его охлавдении со скоростью 60°С/мин количество сульфидов и площадь, занимаемая ^^увеличились в 5,2 раза.

Результаты анализа влияния элементов-раскислителей, скорости затвердевания стали на количественные характеристики неметаллических включений предетавлены в виде регрессионных уравне-

ней.

= 0,024 + 0,068 ГО.] + 0,031 /"¿У7 + 0,142 /А17 -- 1,761 аГс7 - 0,00017 V ; 1

=г 3731,74 - 10288,4 /"С/3 + 19,48 fS¿Г1 - 3,8 А1 + + 0,18-Ю"12 - 15,58 V

где: и - доля площади, занимаемая сульфидами, и их

общее количество соответственно, [Ъ], £], [А1 7 - содержание элементов, активность кислорода в металле, V -скорость охлаждения стали, °С/шн.

Уменьшение скорости •затвердевания стали способствует более полному выделении серы в виде включений. Алюминий и кремний так-' ае способствуют увеличению площади, занимаемой сульфидами, при этом в случае раскисления кремнием увеличение происходит, в основном, за счет укрупнения сульфидов, ь при раскислении алюминием - за счет роста их количества.

Наряду с этим раскисление оказывает существенное влияние на морфологию сульфидных включений. При снижении окисленности стали и увеличении в ней содержания кремния и алюминия тип сульфидов меняется от первого ко второму и далее к третьему.

Исследования влияния элементов-раскислителей на активность кислорода, термовременные параметры затвердевания стали и ее дендритную структуру позволили выявить существенную их роль при формировании микро- и макрохнмической неоднородности. .

Результаты блшдия раскисления на термовременные параметры затвердевания и дендритную структуру стали представлены в таблице I.

Анализ влияния раскисления стали на термодинамические и кинетические условия формирования сульфидных включений показал,

Таблица I

Влияние раскисления на термовременные параметры затвердевания и дендритную структуру стали 25Х2НМЗД (скорость охлаждения 1сС/мин)

Раскисление Активность кислорода, ррм Продолжительность затвердевания, с Температура солидус Расстояние между осями второго порядка, мм Толщина осей первого порядка мм

Раскисление углеродом в вакууме (кремния не более 0,1%, алюминия не более 0,013) 37 510 1441 0,79 0,5

Раскисление кремнием (кремния 0,5%, алюминия менее 0,01%) 16 720 1416 1,36 о.г

Раскисление алюминием (алюминия 0,05$, кремния менее 0,1%) 9 540 1436 1,16 0,2

что кремний и алюминий в исследуемых пределах активно воздействует на тэрмовремендае параметры затвердевания расплава и активность кислорода в нем. При этом кремний преимущественно воздействует на процесс формирования сульфидов за счет снижения температуры солидус распласа и увеличивая объемы меадендритных ячеек. Роль алюминия проявляется главным образом в существенном снижении активности кислорода в расплаве при его затвердевании. Совместное раскисление металла алюминием и кремнием усиливает отрицательное воздействие каждого из них.

Установлено, что для получения наименьшей степени загряз-

ненносги стали неметаллическими включениями и выделения сульфидов благоприятной формы необходимо снизить активность кислорода до уровня 35 ррм. Оптимальным вариантом получения данной активности кислорода является раскисление стали углеродом в вакууме с регламентируемым содержанием кремния Сне более 0,1$) и алюминия '(менее 0,01$). В этом случае условия образования сульфидов, тер-ыовреыенные характеристики и активность кислорода определяются содержанием углерода. Дальнейшее снижение активности кислорода в стали, а.также повышение остаточных концентраций кремния и алюминия приводит к образованию сульфидов второго и дендритного типа, их огрублению и увеличению доли занимаемой ими площади.

На основании полученных данных и анализа литературы предложен механизм влияния активности кислорода на формирование и тип сульфидов, основанный'на том, что кислород является более поверхностно активным элементом, чем сера.

В связи с этим, при высокой активности кислорода в затвердевающей стали (выше 30 ррм) поверхность растущих дендритов блокируется кислородом, и сера более интенсивно накапливается на ранних стадиях кристаллизации, образуя в нем вторую жидкую фазу в виде капель, из которых по монотектической реакции происходит выделение сульфвдов первого типа.

ПошгаеШ1е активности кислорода в стали (30-10 ррм) приводит к снижению интенсивности накопления серн в жидкой части дендритной ячейки и при определенном ее уровне образуется эвтектика, из которой на последних стадиях затвердевания стали выделяются сульфида второго типа.

•• Дальнейшее снижение активности кислорода (ниже 10 ррм). приводит к взаимодействию серь с осями растущих дендритов на ранних стадиях кристаллизации с образованием зародышей сульфидов треть-

его типа по перитектической реакции. Рост включения происходит по диффузионному механизму путем присоединения атомов непосредственно из расплава. Данный механизм возможен лишь при достаточно длительном временном промежутке существования жидкого расплава в меядендригных объемах, чему способствует повышение концентрации в стали алюминия и кремния.

Механизм образования микрохимической неоднородности (сульфидов) тесно связан с механизмом развития ыакрохшлической неоднородности (лихвационных шнуров).

Согласно пшотезе о , формировании шнуров по ЗПТГ механизму, шнур образуется из начальных зон, которыми являются наиболее крупные дендритные ячейки, то есть образование начальных зон шнуров и сульфидов определяются одними и теми не условиями. Следовательно, раскисление стали оказывает аналогичное влияние на формирование начальных зон, в значительной мере определяя ее термодинамический потенциал.

Образование шнуров тем вероятнее, чем выше вероятность рао-творения матричного металла жидкой зоной, обогащенной примесями. Термодинамически это можно оценить следующим образом:

. д ^ 4 С*./.+ 4 (I)

где: 4 изменение свободной энергии в объеме шну-

ра, в исходной зоне и в матрице соответственно. Полная оценка термодинамического потенциала такой системы, как сталь, чрезвычайно затруднена.

Анализ проведенный в работе показал, что наибольший вклад в развитие шнуров вносят углерод, сера, фосфор. Однако с учетом того, что концентрация углерода в конструкционных сталях существенно выше, чем содержание серы и фосфора, предположили дая

упрощения задачи, °то термодинамический потенциал частей системы определяется в основной активностью углерода.

Тогда выражение ( I ) записей для бинарного раствора хеле-зо-углерод

^ + (2)

где: - парциальный термодинамический потенциал углерода в

шнуре, исходной зоне и матрице соответственно. В качестве второго допущения предположили, что на Фронте кристаллизации существует локальное квазиравновесное состояние.

При движении зоны происходит растворение как осей, так и меяосных участков. Очевидно, что скорость растворения осей значительно медыае, чем межосных участков. Анализ теоретических положений позволил вывести формулу скорости роста шнура в зависимости от термодинамических, кинетических и структурных факторов.

* А ("г/г - Ф ] <3)

где: Ц - скорость роста шнура, м/с;

- доля меяосных участков;

у - доля жидкой фазы в межосных участках;

уЗ - коэффициент массопереноса углерода, ц/с;

С - содержание углерода, %\

К - коэффициент распределения углерода;

^ - коэффициент активности углерода;

индексы: I - ось дендрита, 2 - межосный участок, 3 - зона зшура.

Из выражения следует, что повышение , связанное с

увеличением концентрации раскислителей, приводит к увеличению

скорости движения зоны. Скорость зоны повышается также с возрастанием коэффициента. Увеличение содержания кремния и алюминия в металле приводит к повышению и ^ , к возрастанию .

Ключевым местом процессов, происходчщих при движении зоны является "горячая" граница мезду зоной и матричным металлом. Область перехода матричного металла в зону, обогащенную примесями, характеризуется перераспределением элементов. Изучение границы искусственный шнур-матрица показало, что растворение матрицы происходит в нашем случае за счет опережающей диффузии углерода в матрицу.

Результаты экспериментов по изучению влияния раскисления на характеристики развития шнура представлены в табл. 2.

Таблица 2

Зависимость характеристик массопереноса от раскисления

Вариант раскисления Характеристики массопереноса

О-Со7, ррм 8с, 'и

Раскисление алюминием 8 э.о.пг5 1.0 4.3.КГ5 Ю"4

Раскисление кремнием 17 6,0'Ю-5 1,2 3,8-Ю"5 Ю"4

Раскисление углеродом в вакууме 30 3,7'Ю-5 1.3 2,7-Ю"5 Ю"4

Как видно, чем выше, степень раскисленности металла, тем больше скорость продвижения исходной зоны.

Учитывая, что скорость движения зоны прямо пропорциональна коэффициенту массопереноса, и допуская, что активность углерода в шнуре и матрице равна его концентрации, определили коэффициен-

ты массоперёноса ( уЗс ) и порядок толщины пограничного слоя ( ). Порядок определенных величин согласуется с оценкам,

сделанными другими методами, что подтверждает адекватность модели.

Скорости продвижения границы искусственного шкура близки по своим значениям с характерными линейными скоростями затвердевания стали в промышленных слитках.

В связи с этим, наличие, количество и топография шнуров определяются соотношением скоростей продзижения исходной зоны и линейных скоростей затвердевания металла слитка.

АЕзлизируя полученные данные, можно предположить следующий механизм влияния раскисления на скорость продвижения шнура.

Добавки кремния и алкшния сникают активное» кислорода в кристаллизующейся ячейке, что приводит с одной стороны к повышению активности углерода и серы, контакт которых с осями дендри-тсв приводит к их растворению. С другой стороны при низких значениях активности кислорода образуются эвтектические соединения серы, затвердевающие лишь на последних стадиях затвердевания, что также способствует продвижению шнура.

Раскисление металла в вакуума обеспечивает достаточно оптимальную активность кислорода и дисперсность структуры в затвердевающем металле, что приводит к образованию сульфидов первого типа, выделяющихся на ранних стадиях затвердевангл и понижающих активность серы в жидкой части шнура, способствуя его остановке.

Предложенный механизм влияния раскисления на формирование микро- и макроликвации в слитках позволил сформулировать основные принципы разработки промышленной технологии:

- сталь раскисляется углеродом при.-ее вакуумпровании;

- активность кислорода в металле для эффективного проведе-

ния вакуумного рафинирования должна составлять не менее ICO ррм;

- конечная активность кислорода в стали определяется требованиями, предъявляемыми к качеству стали и находится в пределах 20-40 ррц;

- содержание сильны. раскислитедей регламентируется в зависимости от марки стали таким образом, чтобы обеспечить требуемые начальную и конечную активность кислорода.

Исследования основных характеристик вакуумной обработки стали на установке циркуляционного вакууыирования (УНЕС) и при разливке ее в вакуумной камере, позволили определить основные требования к жидкой заготовке, предназначенной для вакуумного рафинирования.

Исходя из результатов лабораторных исследований и имеющихся на заводе "Энергомалспецсггль" агрегатов разработали основные положения производства крушшх слитков, включающие выплавку стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с ограничениями по содержаниям серы и фосфора менее 0,0I5¡«¿ каждого, коемния менее 0,1$ и алшинкя менее 0,07/S, последующую внепечную обработку металла с вакуумным углеродным раскислением (БУР) в ковше установки циркуляционного вакууыирования стали или в процессе разливки в вакуумной камере.

Были исследованы наиболее перспективные технологические варианты; i

1. Выплавка в ДСП стали с регламентируемым содержанием раскислит елей, отливка слитков в вакуумной камере.

2. Выплавка в ДСП стали с регламентируемым содержанием ряски слигел ей, обработка на УИВС с БУР и раскислением добавками кретхя и алюминия, разливка в атмосфере аргона.

3. Вьшлавка в ДСП стали с регламентируемым содержанием рас-кислителей, обработка на УПВС о БУР и раскислением только алши-

¡тем, разливка в атмосфере аргона.

4. Выплавка стали в ДСП под "белым влахом" с раскислением кремнием, разливка в вакуугаой камере.

Основными задачами, ресае^ьш при вакуушрованаг, являются снижение активности кислорода в металле путем ВТ?, удаление газов и усреднение хгдмческзго состава.

1ля контроля интенсивности кипения металла в период ВУР и фнксащщ момента его завершения разработали и изготовили автоматическое устройство, в котором использован способ электрохимического измерения окислительного потенциала газозой фазы в вакуумной камере. В&шчина "¿С характеризует интенсивности протекания процесса углеродного раскисления, а ее падение свидетельствует о заверпенки ВУР, что является отправнкм моменте :л для проведения последующих технологических операций.

Таким образом, разработанная технология вакуумной обработки стали с регламентируемым содержанием расквслителей обеспечивает эффективную дегазацию (водорода :.:енее 2,5 см3/ТОО г, азота менее 8 ррм, кислорода ке более 50 ррм), высокую чистоту по неметаллическим включениям и равномерное распределение элементов по ооъему металла. При этом ВУР позволяет регулировать уровень окисленности стали без добавок сильных раскислителей.

Показано, что углеродное раскисление стали с регламентируешь: содержанием раскислателей приводит к более равномерному распределению химических элементов ло сечению поковок, при этом в металле практически отсутствуют ликвапиокные и туры. Металл, раскисленный алюминием и кремнием (вариант 2), характеризуется наиболее нестабильным химическим составом по сечению темплета вразброс величины содержания углерода в некоторых случаях превышает интервал, предусмотренный технически условиями) значительными скопленная: сульфидов и высокой степенью развития вне-

це:-;трекной лиьаци!.

Включения, сульфзд: а скисл;, типичны дал исследуемого состава и применяемое раскислэтеяей.

Каибольсую загрязненность сульфидными включениями (0,0853£) наблвдала в металле, раскисленном кремнием и алвмингем (вариант 2), Еатленьлув (0,052) - в металле вариантов I и »Металл, раскисленный алвглжием, по содержанию сульфидов занимает промежуточное значение. Количество кислородных включекиг: практически одинаков? (0,0082) в металле вариантов Т, 2 и 3 и почти е 3 раза (0,0252) выие в металле варианта 4. Следует отметить, что в металле, выплавленном до варианту I содержание включений размером более 5 мкм составляло в 2-3 раза меньше, чзм в металле других вариантов.

Загрязненность металла неметаллическими включениями, их йорьа, расположение и степень развития шнуров внецентренной ликвации ь значительной степени определяет физико-механические свойства изделий. Результаты исследований физико-механически:; свойств металла представлены в табл. 3.

Металл варианта I обладает садами высоки;.!;: к стабильными значениями пластических свойств, ударной вязкости, минимальной переходной теглпературней хрупкости иинус 38-45°, которая свидетельствует о высокой эксплуатационной надежности стали. В остальных вариантах эти характерно тики ниже. Значительно уступает всем вариантам металл, раскисленный кремнием и алюминием. Кроме того, в этих вариантах наблюдается анизотропия физико-механических свойств по сечению изделий. Результаты расширенного штатного контроля металла плавок, выплавленных по данным технологическим вариантам, подтверждают данные исследований опытной партии.

Проведенные исследования опытных поковок и расширенные штатные испытания свидетельствуют о тем, что вакуумное углерод-

Таблица 3

Мзхшшческпе свойства металла но сечению турбинных заготовок, шплаьленного с ВУР и разной технологией раскисления

вариант технологии Содержание кремния алшляпя Вид заготовки Место взятия проб Механические свойства

6?.7 Па-10' ^ о,г п Па' ТО % "И V )1ж/;,Г 0(;ТБО'

I 0,02 0,01 Диск 4 ст. Центр Периферия 72-75 71-74 73-77 72-76 62-65 60-64 63-67 61-63 19-22 15-15 20-21 19-23 73-75 61-64 73-74 73-76 24-27 19-23 24-26 26-29 - за - 45

2 0.30 0,014 Диск 1-3 ст. Центр Периферия ' 73-77 72-74 74-79 72-76 а'.-гл 61-65 61-62 61-63 18-[9 19-21 18-19 17-22 61-66 58-63 63-64 57-65 15-1Н 5-16 16-17 10-16 + 10 - 14

3 0,04 0,015 Хвостовик Центр Периферия 72-74 72-74 73-74 '/■¿-Го 62-63 62-64 62-65 63-66 16-10 16-19 18-19 17-19 62-74 68-69 67-69 69-74 15-18 20-24 19-20 22-25 0 - 20

4 0,26 0,01 Хвостовик Образец душ штатного контроля 73-77 72-74 62-63 61-65 18-1У 19-21 61-66 53-63 15-18 8-16 - 4

Примечание: в числителе - результаты испытаний тангенциальных образцов; в знаменателе -осевых образцов

ное раскисление стали с регламентируемым содержанием кремния к алюминия обеспечивает значительное повышение равномерности распределения химических элементов, минимальное загрязнение неметаллическими включениями благоприятной формы, уменьшение степени развития шнуров внецентренной ликващс:. Металл характеризуется наиболее высокими и стабильными физико-механическими свойствами, высокой эксплуатационной надежностью.

ОБЩЕ вывода

I. Изучено влияние раскисления металла алюминием, кремнием и углеродом в вакууме (БУТ) на формирование сульфидов и шнуров внецентренной ликвации в низколегировшных хромоникельмолибдено-вых сталях с содержанием углерода 0,15-0,4/2. Раскисление стали оказывает существенное влияние на термодинамические и кинетические условия образования сульфидов и развития ликвационных шнуров. Степень развитая этих процессов в значительной мере зависит от элементов-раскислителей в связи с неравноценным их влиянием на активность кислорода, гермэзременные (продолжительность, температурный интервал кристаллизации) и структурные параметры затвердевания.

1.1. При уменьшении активности кислорода от 40 до 8 ррм тип сульфидов меняется от первого ко второму и затем к дендритному, при этом температура юс выделения снижается, а процент занятой ими площади увеличивается в 1,7 раза.

Предложен механизм-влияния раскислзтелей на образование сульфидоь, основанный на том, что кислород,более поверхностно активный элемент, чем сера, препятствует присоединению атомов серы к поверхности растущих дендритов, способствуя более интенсивному ее накоплению в лпзате дендритных ячеек. Механизм поз-

валяет объяснить образование сульфидов разннх типов.

1.2. Раскисление алхминием (0,05£) и кремнием (G.5/J) приводит к увеличению продолжительности затвердевания стали, по сравнению со сталью, раскисленной углеродом в вакууме в 1,06 и 1,4 раза, а температурный интервал в 1,05 и 1,3 раза соответственно, в основном за счет снижения температуры солидус.

Цра этом расстояния между осями первого порядка увеличиваются в 1,1 раз, второго в 1,5 и 1,7 раза, а толщина осей первого порядка уменьшается в 2,5 и 5 раз соответственно.

Кремний уменьшает скорость кристаллизации на протяжении всего процесса затвердевания стали, а алюминий существенно снижает ее при затвердевании мездендритных объемов, т.е. на последней стадии кристаллизации.

1.3. Экспериментально подтверждена гипотеза развития шнуров по механизму зонной плавки с температурным градиентом, для чего разработана оригиначьная методика моделирования процесса развития ликвацасмного шнура в контролируемых условиях. Впервые получены искусственные образования в небольшие объемах стали, которые по своим морфологическим признакам соответствуют шнурам, образующимся в крупных слитках.

Определены скорости роста шнуров в стали 25Х2КМ2А с содержанием серы 0.GI5JI в зависимости от степени ее окисленности, которая составляет 3,7« 10"®; 6,0-10"® и 9,0-10"® ¡л/c при раскислении углеродом в вакууме ( ¡2^0j = 30 ррм), кремнием ррм) и алюминием ( И^ = 8 ррм) соответственно.

Увеличение концентрации соры в стали с 0,015 до G.C3/1 приводит к повышению скорости роста шнура с 3,7-10"® до 9,1'Ю"Э м/с при раскислении es углеродом в вакууме. Показано, что условия, характерные для выделения сульфидов второго типа, являются благоприятными для образования и устойчивого развития кнуров

внедентренной ликвации.

2. Мя повышения однородности, уменьшения опасности выделения сульфидов второго типа и развития шнуров внедентренной ликвации предложен новый методический подход к конструированию технологии раскисления низколегированных конструкционных сталей для энергомашиностроения в зависимости от марки, размеров изделий и предъявляемых к ним требований.

Метод заключается в определении оптимального соотношения окисленности стали и остаточных содержание раскислителей в ней.

Наиболее благоприятным технологическим вариантом достижения этого соотношения для хромонижельмолибденовых сталей является снижение активности кислорода в металле с регламентируемым содержанием кремния и алюминия методом ЗУР прл разливке в вакуумной камере или БУР металла и стабилизация активности кислорода добавками алюминия с последующей разливкой в среде аргона.

3. Проведена проверка вышеуказанных факторов и разработанных технологических схем в промышленных масштабах для стали 25Х2Ш£А. Показано, что наилучшим технологическим вариантом является выплавка стали в дуговой печи с регламентируемым содержанием кремния (менее 0,1%) и алюминия (менее 0,01$) с последующим БУР при разливке з вакуумной камере, обеспечивающая оптимальную активность кислорода на уровне 30-40 ррм. Данные условия характерны для образования к равномерного распределения по объему слитка сульфидов благоприятной формы (оксисульфиды и сульфида первого типа), обеспечивают минимальную загрязненность стали неметаллическими включениями (площадь, занятая оксидами - 0,008$, сульфидами - 0,05$) и определяют минимальную вероятность развития шнуров внедентренной ликвации. Повышены пластические характеристики стали и существенно снижена температура хрупкого перехода (-38 —45°С). При этом металл обладает высокой изотропное-

тьс свойств по всему объему изделий, что значительно повышает та эксплуатационную надежность. Вариант рекомендован для производства ответственных изделий энергетического машиностроения.

Качество металла, выплавленного с Ь7? и стабилизацией актив-кости кислорода добавками алюминия (0,0155!) с последующей разливкой в среде аргона, полностью удовлетворяет требованиям технических условий. При этом площадь, занятая сульфидами составляет 0,054$, температура хрупкого перехода металла находится в диапазоне 0-20°С. Технология применяется при производстве заготовок для энергетического и тяжелого маазяостроения.

4. На основании полученных результатов разработаны и внедрены технологии производства крупных слитков массой до 131 т из стали 25Х2НМ5А. для изготовления поковок роторов турбин К 1000-60/1500, использующие имеющееся на заводе "Знергомашспец-сталь" металлургическое оборудование. По данным технологиям изготовлено более 50 тыс. тонн поковок..

В условиях ПО "Ихорский завод" оптимизирована и внедрена технология выплавки, внепетаой обработки.и отливки сверхкрупных слитков массой до 420 т из стали 26ХНЗЖА, предназначенных для изделий ответственного назначения энергетического и тяжелого машиностроения а произведено более 10 тыс. тонн.

Суммарный долевой экономический -эффект от внедрения результатов работы в промышленность составил 350 тыс. руб/год.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

I. Разработка технологии и исследование процесса циркуляционного вакуумирования стали. М.В.Каракула, А.З.Мищенко, В.С.¿уб, И.А.Краснослободцев и др. В сб. "Применение вакуума в черной и цветной металлургии", изд. ШЕТ АН СССР, М., 1979, с. 10.

. 2. Разработка технологии выплавки бескремнястои хромоннкель-

молибденовой стала и исследование качества крупных кузнечных слитков и поковок. В.С.^б, В.К.Новицкии, В.Г.Зорин, И.А.Красно-слободцьв и др. В сб. "Современные проблемы электрометаллургии стали", ЧПИ, Челябинск, I960.

3. Разработка технологии и исследование процессов выплавки и циркуляционного вахуумирования сталей для крупных слитков.

В.С.Луб, В.Г.Зорин, Е.Ы.Кузнецов, И.А.Краснослободцев и др. В сб. "Современные проблемы электрометаллургии стали", изд. ЧПИ, Челябинск, 1961, с. 74-79.

4. Разработка технологии внепечнои десульфурации стали. Д.Д.Копелиэвич, И.А.Краснослободцев, 3.А.Новиков. В сб. "Новые технологические процессы и исследование свойств материалов для энергетического машиностроения", Груда ЦКИЛГЖ., & 193, М., 1986, с. 13-17.

5. Внепечная вакуумная обработка стали при производстве турбинных заготовок. В.С.Дуб, Е.М.Кузнецов, И.А.Краснослободцев Н.В.Борзых. В сб. "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах". Тезисы доклада на пятой республиканской научно-технической конференции. Запорожье, 1988, с. 17-18.

6. Физическое моделирование процесса образования кнура вне-центренной ликвации. В.С.Дуб, И.А.Краснослободцев, Д.Д.Копелио-вич. В сб. "Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных заготовок". Тезисы доклада на межреспубликанской научно-технической конференции. Волгоград, 1969, с. 17-16.

7. A.c. ä £76268 /СССР/ Способ получения слитков. В.С.Дуб, И.В.Каракула, E.iV..Кузнецов, И.А.Краснослободцев :: , кл. Ъ22 Д 7/СО. Опубл. в Б.И., 1981, & 40.

ШП от ie.Q9.9Ir. .......Заказ^ Тираж 100 экз.

Ipynna -электрогра^м hüO Ц.кют;ыАж ^рикоподаипниковская, 4;1"