Delist.ru

Создание интегральной технологии изготовления крупных слитков и поковок из них для повышения ресурса и конкурентоспособности ответственных изделий (07.09.2007)

Автор: Дурынин Виктор Алексеевич

в стали 35Х2Н4МДФА, выплавленной в ОМП и ОМП-УВРВ

выплавки О2 ,%

Содержание неметаллических

включений, % по объему

оксиды сульфиды

ОМП 0,0021 0,004 0,015 0,010

ОМП-УВРВ 0,005-0,009 0,01-0,02 0,052 0,045

Обработка на УВРВ позволяет существенно уменьшить содержание вредных примесей, газов и неметаллических включений, что благоприятно влияет на уровень механических свойств стали, прежде всего ее вязкости и пластичности.

Глава 2. Аналитический обзор технологии производства крупных слитков ответственного назначения.

В условиях ОАО Ижорские заводы (ныне ООО «ОМЗ-Спецсталь») металл крупных слитков массой более 200т из сталей для изготовления роторов мощных энергоустановок и установок гидрокрекинга проходил внепечную обработку с вакуумированием. Технологическая схема обработки стали предусматривала расплавление металла, дефосфорацию, обезуглероживание в сталеплавильных агрегатах и выпуск в промежуточный ковш (ПК) металла вместе со шлаком. На стенде перелива металл из ПК переливали в ковш УВРВ с отсечением печного шлака. Ковш УВРВ устанавливали на ковшевоз и подавали на стенд подогрева, где наводили шлак и частично легировали.Все операции на УВРВ проводили при включенном электромагнитном перемешивании (ЭМП) и продувке аргоном. Затем ковш подавали на стенд вакуумирования. После окончания вакуумирования ковш вновь подавали на стенд нагрева, где подогревали до необходимой температуры, проводили раскисление, десульфурацию, легирование, после чего ковш отправляли на разливку в изложницу, установленную в вакуумной камере.

Таким образом, процесс обработки металла в УВРВ состоял из трех этапов: перелива из сталеплавильного агрегата в ковш УВРВ и подготовки его к вакуумированию; собственно вакуумирования; легирования и рафинировки.

При вакуумировании слабо раскисленого металла продувка аргоном создает дополнительную поверхность раздела металл-газ, увеличивает коэффициент массопереноса кислорода на этой поверхности, что должно приводить к возрастанию скорости вакуумного углеродного раскисления. Установлено, что соотношение между количеством выгорающего углерода при вакуумировании стали и концентрацией в металле кремния выражается уравнением: lg ?C = 1,01 lg Si – 2,64.

Из приведенной зависимости следует, что при уменьшении концентрации в металле кремния с 0,10 до 0,03% количество окисляющегося углерода возрастает с 0,023 до 0,076%. На увеличение количества окисляющегося при вакуумировании углерода в случае обработки стали без предварительного раскисления указывается и в ряде других работ.

Установлено, что уже через 5-10 минут после раскисления металла алюминием концентрация в стали кислорода достигает минимальных значений, определяемых содержанием в расплаве алюминия. Из полученных данных следует, что при концентрации в металле растворенного алюминия больше, чем 0,02% конечное содержание в нем свободного кислорода составляет 5-25ррm. При меньшем содержании алюминия концентрация кислорода в стали существенно возрастает.

Скорость удаления оксидных включений при электромагнитном перемешивании металла больше, чем при продувке расплава аргоном. При одновременном электромагнитном перемешивании металла и продувке аргоном получены наибольшие значения скорости удаления неметаллических включений и наименьший конечный уровень концентрации в стали общего кислорода.

Для проведения глубокой десульфурации стали (ниже 0,010%) присаживаются РЗМ. Термодинамические расчеты показывают, что для эффективного удаления серы с помощью РЗМ необходимо понижение концентрации в металле кислорода до значений. меньших 5ррm. В связи с этим РЗМ вводятся в период повторного подогрева в хорошо раскисленный металл.

Оптимальный с точки зрения десульфурации состав шлака в конце периода рафинирования 50-60% СаО, 25-35% Al2O3, 10-15% SiO2 позволяет получать содержание серы не более 50ррm. Повторное вакуумирование под таким шлаком, а также дополнительное применение РЗМ при содержании алюминия боле 0,03% позволяет получать концентрацию в стали кислорода менее 20ррm, а содержание серы не более 20ррm.

Использование предложенных режимов раскисления обеспечивает не только повышение качества металла и технологичность процесса обработки, но и дает возможность увеличить степень усвоения легирующих элементов. Усвоение кремния при этом повышается до 95-98%, а марганца и хрома до 96-100%.

Исследования качества стали, прошедшей внепечную обработку, показали, что содержание в ней кислорода и неметаллических включений меньше, чем в стали, выплавленной в традиционных агрегатах. Уменьшается размер включений, имеет место более равномерное их распределение. Сталь, прошедшая обработку на УВРВ практически не содержит неметаллических включений размером более 75мкм.

На ОАО «Ижорские заводы» (ныне ООО «ОМЗ-Спецсталь») разработаны основные положения технологии производства слитков из хромоникелевых конструкционных сталей для крупных изделий энергомашиностроения с использованием УВРВ. Основной задачей выплавки металла в обычных сталеплавильных печах является проведение процесса дефосфорации и нагрев металла. Специальное обезуглероживание металла с целью его дегазации не проводится.

Металл из сталеплавильной печи выпускается в промежуточный ковш без раскисления. Для предохранения от выбросов переокисленного металла и шлака из ковша на шлак перед выпуском из печи или в конце перелива в ковш дается ферросилиций из расчета содержания в стали кремния не более 0,10%.

При переливе металла из промежуточного ковша в ковш УВРВ шлак, содержащий до 0,15% P2O5 во избежание рефосфорации отсекается. Новый шлак наводится известью и плавиковым шпатом и раскисляется молотым коксом и силикокальцием. Сразу после перелива в ковш УВРВ металл интенсивно перемешивается за счет аргонной продувки и ЭМП.

Перед вакуумированием металл нагревается до 1600-1610?С. Желательное содержание углерода при этом должно быть не менее, чем на 0,02% выше верхнего предела выплавляемой стали, кремния не более 0,03%. Содержание ? (FeO + MnO) в пределах 15-20%. Продолжительность вакуумирования 20-30мин. Последние 10мин. вакуумирования металл интенсивно продувается аргоном и перемешивается ЭМП с максимальной мощностью. К концу вакуумирования содержание в металле кислорода лежит в пределах 40-80ррm и водорода 1,5ррm.

После окончания вакуумирования шлак раскисляется ферросилицием из расчета 0,10% по кремнию и порошком алюминия. В ковше наводится десульфирующий шлак следующего состава: СаО 50-60%, Al2O3 25-35%, SiO2 10-15% и проводится корректировка химического состава металла. Продолжительность периода составляет 30-40мин. При этом содержание водорода повышается до 2,0-3,0ррm. Металл вновь подогревается до 1620-1640?С и подвергается повторному вакуумированию. Интенсивное перемешивание металла со шлаком аргоном и ЭМП в течение 20мин. приводит к снижению содержания кислорода до 20-40ррm, серы до 20ррm и водорода до 1,5ррm. В соответствии с температурой металла после второго вакуумирования он либо подогревается к разливке до 1600?С, либо подается на разливку без подогрева. Оптимальное содержание кислорода во время разливки в вакууме составляет 40-60ррm. Металл разливается в вакуумной камере.

Глава 3. Исследование влияния технологии плавки на качество крупных слитков ответственного назначения.

В разделе приведены результаты исследований процессов модифицирования, поведения водорода при обработке в агрегатах печь-ковш, влияние режима раскисления на состав и морфологию неметаллических включений в стали.

По классификации П.А.Ребиндера модифицирующие добавки делятся на модификаторы I и II рода. Модификаторы II рода увеличивают число зародышей при кристаллизации и тем самым способствуют получению мелкозернистой структуры. К иннокуляторам относятся оксиды и нитриды алюминия, бериллия, бора, титана, ванадия, циркония и др. элементов.

Роль модификаторов I рода сводится к образованию на поверхности растущих кристаллов адсорбционных пленок, тормозящих их рост. Наиболее активными модификаторами I рода являются РЗМ и ЩЗМ.

Особенно эффективно применение РЗМ и ЩЗМ в виде комплексных сплавов. Опыты показали, что максимальное улучшение свойств стали достигается при совместной обработке ее мишметаллом (1-1,5 кг/т) и силикокальцием (1-2 кг/т). Использование РЗМ и ЩЗМ в виде комплексных сплавов имеет ряд преимуществ по сравнению с применением одного мишметалла или ферроцерия: раскислительная способность комплексных сплавов выше, чем индивидуальных РЗМ и мишметалла; содержащиеся в комплексных сплавах элементы с низкой температурой кипения (кальций, магний) вызывают дополнительное перемешивание и дегазацию расплава; в составе комплексных сплавов более эффективно используются такие активные элементы как РЗМ, кальций и др.; комплексные сплавы позволяют регулировать состав, дисперсность и распределение неметаллических включений; себестоимость единицы РЗМ в комплексных сплавах, получаемых методом восстановления оксидов, значительно ниже, чем в мишметалле, производимым электролизом расплавленных солей.

При отношении [РЗМ]/[S] в пределах 1-2 принципиально меняется состав и форма образующихся неметаллических включений. На основании проведенных совместно с ИПЛ НАН Украины исследований определены рациональные составы комплексных сплавов типа силикомишметалла для модифицирования стали широкого назначения, масс.%: РЗМ 15-25; кальций 4-8; алюминий 3-10; кремний 30-45; магний 1-2; железо – остальное.

Модифицирование комплексными сплавами было применено с целью повышения качества крупных слитков из сталей, идущих на изготовление деталей парогенераторов АЭС и других ответственных изделий энергомашиностроения.

В результате модифицирования происходит принципиальное изменение природы и распределения неметаллических включений в стали.

В стали, модифицированной силикомишметаллом, содержание кислорода уменьшается в среднем на 25%, а серы на 30-40%. Происходит заметное измельчение размера и состава включений, практически полное исчезновение цепочкообразных сульфидов и сульфидов эвтектического типа. При этом произошло перераспределение серы во включениях и соответствующее уменьшение количества сульфидов. Характерными включениями в стали, модифицированной сплавом, являются глобулярные оксисульфиды, представляющие собой оксиды в сульфидных оболочках. Такие включения меньше всего охрупчивают сталь по сравнению с другими типами неметаллических включений. Вследствие взаимодействия активных элементов сплава в первую очередь РЗМ, кальция, магния с кислородом и серой происходит дополнительное глубокое раскисление и десульфурация стали. В результате взаимодействия модификатора с кислородом и серой происходит заметное уменьшение загрязненности стали неметаллическими включениями (табл.2). В процессе охлаждения стали в предкристаллизационный период и особенно в процессе кристализации происходит дальнейшее протекание реакций взаимодействия активных элементов силикомишметалла с серой, что приводит к повышению тугоплавкости сульфидных включений, и они выделяются на более ранней стадии кристаллизации, причем, как правило, на поверхности оксидных фаз, формируя глобулярные оксисульфиды. Последние захватываются растущими кристаллами и более равномерно распределяются в структуре слитка. Микрорентгено-спектральный анализ показал, что активные элементы сплава входят в состав как оксидных, так и сульфидных фаз.

Таблица 2

Влияние модифицирования стали 16ГНМА

силикомишметаллом на загрязненность ее неметаллическими включениями.

Количество сплава кг/т Индекс загрязненности, Jх10-4

сульфидами оксисульфидами оксидами общий

- 10,5 5,7 1,6 17,8

1,4 5,0 6,3 0,8 12,1

загрузка...