CC BY
57
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 29
ISSN 2225-6733
3. Development of lance’s apparatus and technology of gas-powder slagging of the 160t converters’ lining JSC «Arselor Mittal Kryvyi Rih» / E.N. Sigaryov [and others] // Metallurgic and metal mining industry. - 2010. - №7. - Р. 134-137. (Rus.)
4. Theory and practice of flare shotcreting of the 160t oxygen converters’ lining / P.S. Kharlashin, A.A. Larionov, A.K. Kharin, N.O. Chemeris // New refractory materials. - 2010. - №7. - Р. 5-9. (Rus.)
5. Mehaelidis E.E. Particles movement in the gas flow. Middle velocity and pressure losses / E.E. Mehaelidis // Theoretical basis of engineer calculations. - 1988. - №1. - Р. 276-288. (Rus.)
Reviewer: V.A. Maslov
Dr. tech. of sciences, Prof., Priazovskyi State Technical University
Received 26.11.2014
УДК 669.187.2
© Скребцов А.М.1, Хлестов В.М.2, Качиков А.С.3,
Секачев А.О.4, Терзи В.В.5
СТРУКТУРА ЗАТВЕРДЕВШЕГО МЕТАЛЛА КАК НАСЛЕДСТВЕННОЕ СВОЙСТВО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЖИДКОГО РАСПЛАВА
Обнаружено, что при плавке стали в электропечи действие компонентов расплава на наследственную структуру затвердевшего металла зависит от химического состава металла. Разработан показатель стабильности ферритной структуры стали с использованием электроотрицательности элементов.
Ключевые слова: жидкая сталь, наследственная структура твердого, неравновесность структуры, феррит, перлит.
Скребцов О.М., Хлестов В.М., Качіков О.С., Секачов О.О., Терзі В.В. Структура затверділого металу як спадкове властивість хімічного складу рідкого розплаву.
Виявлено, що при плавці сталі в електропечі дію компонентів розплаву на спадкову структуру затверділого металу залежить від хімічного складу металу. Розроблено показник стабільності ферритной структури сталі з використанням електро-негативності елементів.
Ключові слова: рідка сталь, спадкова структура твердого, неравновесность структури, ферит, перліт.
O.M. Skrebtsov, V.M. Khlestov, O.S. Kachikov, O.O. Sekachev, V.V. Terzi. The structure of the solidified metal as an inherited property of the chemical composition of the liquid melt. It is found that when melting steel in an electric furnace to melt components acting upon the inherited structure of the solidified metal depends on its chemical composition. The experiments were performed in a 20 - ton electric arc furnace for smelting peritectic steel of the following composition: 0.17 - 0.25 С%; 0,90 - 1,4 Mn%; 0,30 -0,50 Si%; < 0,030 S%; < 0,040 P%; < 0,30 Cr%; < 0,30 Ni%; < 0,60 Cu%; 0,07-0,13 V%. For metallographic studies all samples were subjected to standard metal annealing to eliminate the influence of microstructure on inherited sufficiently rapid cooling from the liquid state. From annealed samples prepared Micro-sections that etched in a 4% solution of nitric acid. With an increase from 100 to 500-fold sections were examined on an
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь
3 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, aleksej. sergeevich@,mail. ru
4 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
5 ст. лаборант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
15
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 29
ISSN 2225-6733
optical binocular microscope brands Axio Imagez A2m (production of the German company Zeis AG). The microscope is equipped with a computer, which allows for solving metallurgical problems with the help of a special program Thixomet Pro from thin sections to determine its metal phase composition by percentage of ferrite and pearlite. This paper considers the deviations we obtained from the equilibrium state structures. Develop indicators of stability of ferrites steel structure using the electro negativity of elements. First developed an indicator of stability structure of mild steel in content offerrite in it. It can be used in controlling the metal structure in the desired direction within the grade composition.
Keywords: liquid steel, inherited structure of a solid, non-equilibrium structures, ferrite, pearlite.
Постановка проблемы. В литературе имеются работы, в которых изучают свойства твердого металла в зависимости от условий получения его в плавильном агрегате. Однако в литературе очень мало работ, где изучали бы структуру твердого металла как наследственное свойство жидкого расплава.
Анализ последних исследований и публикаций. Температурный режим выплавки и химический состав металлических расплавов влияет на микроструктуру твердого и качество металлопродукции. Этим вопросом уделено большое внимание в монографии Б.А. Баум с соавторами [1], в работе А.М. Скребцова [2], и в более ранних публикациях [3, 4]. Однако экспериментальных данных явно недостаточно для обобщающих выводов по этому вопросу.
Цель статьи - изучение влияния химического состава стали на наследственную микроструктуру металла в зависимости от условий его плавки (окислительный и восстановительный периоды в электропечи).
Изложение основного материала. Опыты проводили в 20 - т дуговой электропечи при выплавке перитектической стали следующего химического состава: 0,17-0,25 С %; 0,901,4 Mn %; 0,30-0,50 Si %; <0,030 S %; <0,040 P %; <0,30 Cr %; <0,30 Ni %; <0,60 Cu %; 0,070,13 V%. Технология плавки металла была стандартной, она достаточно подробно описана в работе [5].
Всего было проведено 5 опытных плавок. Во время плавки, с помощью ложки сталевара, отбирали пробы жидкого металла, которые заливали в массивные чугунные пробницы. Размеры проб: высота 70 мм, диаметр 38 мм, масса проб - 500 - 560 г. Схема отбора проб по периодам плавки была следующей: плавление - 1 , 2 , 3 ; окисление - 4 , 5 , 6 ; восстановление - 7 , 8ая, 9ая и 10ая - из ковша. Для всех проб металла выполнили их химический анализ и изучили микроструктуру.
Химический анализ проб металла проводили на оптико-эмиссионном спектрометре GS -1000 из модельного ряда OBLE. Кроме обычных легирующих элементов стали (Mn, Si, Cu, Ni, и др.) прибор позволяет провести анализ на содержание в металле углерода, фосфора, серы.
Для металлографического исследования все пробы метала подвергали стандартному отжигу, чтобы исключить влияние на наследственную микроструктуру достаточно быстрого их охлаждения из жидкого состояния. Из отожженных проб приготовили микрошлифы, которые протравили в 4% растворе азотной кислоты. При увеличении от 100 до 500 крат шлифы исследовали на оптическом бинокулярном микроскопе марки Axio Imagez A2m (производство германской фирмы Zeis AG). Микроскоп оснащен компьютером, который позволяет при решении металлургических задач с помощью специальной программы Thixomet Pro определять по шлифу металла его фазовый состав по проценту феррита и перлита.
Неравновесность наследственной структуры твердого металла. В литературе принято пользоваться «равновесными» диаграммами состояния бинарных и отдельными их элементами многокомпонентных сплавов (см. напр. [6]). Они построены, как правило, по результатам аномалий температурных кривых охлаждения металлов. При этом молчаливо предполагается, что скорости охлаждения металла какие - то обычные или средние. Между тем, известно, что скорости охлаждения определяют температуры структурных превращений и величину переохлаждения жидких металлов [7, 8]. Поэтому при сравнении каких - либо экспериментальных данных с «равновесной» диаграммой состояния сплава надо иметь в виду, что она построена при определенной скорости охлаждения металла.
16
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 29
ISSN 2225-6733
Далее в нашей работе рассматривали отклонения полученных нами структур от равновесного состояния. По правилу отрезков, для содержания углерода в стали от 0 до 0,8%, по диаграмме состояния Fe - C из работы [6], вычислили для каждого шлифа процент феррита (линия А на рис. 1). Эти значения сравнили с экспериментальными величинами процента феррита в пробах всех 5-ти плавок металла (значки для разных плавок на рис. 1). На этом рисунке по оси ординат приведены номера проб металла и средние значения содержания углерода в них для проб всех пяти плавок.
Рис. 1 - Процент феррита в пробах металла, отобранных по ходу плавки стали: кривая А - равновесное значение процента феррита, вычисленное по правилу отрезков из диаграммы Fe-C; х - плавка №1, • - плавка №2, ▲ - плавка №3, Ж -плавка №4, ■ - плавка №5
Как видно из рис. 1, опытные значения процента феррита на шлифах, как правило, меньше вычисленных по правилу отрезков, по всем периодам плавки. Это означает, что структурные превращения в металле не достигают равновесного состояния.
Влияние химического состава металла на содержание феррита в наследственной структуре. В работе [9, 10] утверждается, что для наследственной структуры затвердевших перитектических сталей есть компоненты а - стабилизирующие, - это Si, Al, Cr, Mo и у - стабилизирующие, - это Mn, Си, Ni, C. Для более четкой оценки различных зависимостей массовые проценты содержания элементов всех проб металла были пересчитаны в атомные.
В период плавления шихты (пробы 1, 2, 3) содержание феррита в наследственной структуре малое и от одной к другой пробе оно быстро меняется. Поэтому анализу влияние химического состава металла на количество феррита в пробе провели для периодов окислительного (пробы № 4, 5, 6) и восстановительного (пробы № 7, 8, 9). Рассматривали также пробу №10 взятую из ковша.
Для пяти опытных плавок и одинакового порядка отбора проб рассмотрели разность содержания феррита в металле. Результаты анализа представлены в таблице.
Таблица
Анализ определения разности содержания феррита в шлифах твердого металла от проб одного периода при отборе их из печи (пять опытных плавок)
Столбец № проб 4 5, 6 7 8, 9 10
1 Разность в содержаниях феррита фактическая (max - min), % 23 16 9 6 2
2 Разность в содержаниях феррита относительная, % 100, 70,0 39,0 26,0 8,7
17
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 29
ISSN 2225-6733
Из таблицы видно, что степень неоднородности наследственной структуры затвердевшего металла сильно меняется от начала окислительного периода (проба № 4, 100% отн.) после выпуска металла из печи (проба № 10; 8,7 % отн.).
Все процессы в металле проходят в среде жидкого расплава железа. Поэтому электроотрицательность всех элементов вычислили по отношению к железу по формуле:
8(У 3
г Ft'
*Ft
* 100%
(1)
где Ео.э. - относительная электроотрицательность каждого элемента, %
sFe, еэ. - электроотрицательность железа и соответствующего элемента по Полингу [11].
В окислительном периоде плавки присадками, стабилизирующими а - фазу железа считали Cr, P, а у - фазу - C, Mn, Cu Ni. В восстановительный период плавки в качестве стабилизатора а - фазы добавляли также Si.
При анализе опытных данных учитывали, что действие каждого элемента на стабилизацию а - фазы структуры пропорционально произведению его содержания в сплаве ai в атомных процентах и абсолютного значения величины |feji|, т.е. а, * | J |,
Суммарное действие элементов в расплаве железа на стабилизацию наследственной структуры вычисляли по выражению:
(2)
.і І’
где ¥ - коэффициент стабилизации, отн. единиц; Z2 - относится к элементам, стабилизирующим у-фазу, а Zi - относится к элементам, стабилизирующим а-фазу.
Величину ¥ можно считать показателем стабильности ферритной фазы в структуре металла. Построение графиков по экспериментальным данным и определение уравнения с достоверности аппроксимации к ним, производилось в программе MS Excel.
Для анализа влияния химического состава стали на количество феррита в наследственной структуре стали использовали явление электроотрицательности элементов [11]. Оно «характеризует химическое сродство разнородных атомов». При этом, чем больше отстоят друг от друга два элемента на шкале электроотрицательностей [11], тем прочнее меж атомная связь между ними.
На рис. 2 показан процент феррита в пробах металла в зависимости от показателя ¥ в окислительном периоде плавки, а рис. 3 приведена аналогичная зависимость для восстановительного периода. На рис. 3 приведены также опытные точки для величины ¥ по пробе № 10, взятой из ковша. Из рис. 2 и 3 видно, что с увеличением значения ¥ процент феррита в структуре металла уменьшается. При этом наиболее сильная зависимость наблюдается для окислительного периода (рис. 2), а более слабая - для проб взятых из ковша.
Рис. 2 - Процент феррита в наследственной структуре металла в окислительном периоде в зависимости от величины показателя стабильности ферритовой фазы ¥: ▲ - пробы №5, ■ - пробы №6
18
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 29
ISSN 2225-6733
Рис. 3 - Процент феррита в наследственной структуре металла в восстановительном периоде (линия 1) и в ковше (линия 2) в зависимости от величины показателя стабильности ферритовой фазы Ч*: х - пробы №8, • - пробы № 9, Ж - пробы №10
Полученные зависимости могут быть использованы при регулировании структуры малоуглеродистых сталей в пределах их марочного состава в желательном направлении.
Выводы
1. Разработана методика отбора проб жидкого металлического расплава во время его плавки в дуговой 20 - т электропечи и количественного анализа наследственной микроструктуры затвердевшей стали (феррита и перлита).
2. По сравнению с классической диаграммой состояния сплавов Fe - C наблюдаемая наследственная структура шлифов стали, не достигает равновесного состояния.
3. Впервые разработан показатель стабильности структуры малоуглеродистой стали по содержанию в ней феррита. Он может быть использован при регулировании структуры металла в желательном направлении в пределах марочного состава.
Список использованных источников:
1. Жидкая сталь / Б.А. Баум [и др]. - М. : Металлургия, 1991. - 158 с.
2. Скребцов А.М. Жидкие металлы, их свойства и строение / А.М. Скребцов. - Мариуполь: ПГТУ, 2010. - 252 с.
3. Таран Ю.Н. Влияние термоскоросной обработки жидкого сплава АЛ2 на свойства отливок / Ю.Н. Таран, И.А. Новохатский, В.И. Мазур // Литейное производство. - 1985. - №7. - С. 8.
4. Влияние температуры нагрева жидкого алюминиевого сплава на микроструктуру затвердевшего металла / А.М. Скребцов, Г.А. Иванов, Ю.Д. Кузьмин, А.С. Качиков, Е.В. Золото-рева // Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія Технічні науки: Зб. наук. пр. - Маріуполь, 2011. - Вип. 23. - С. 138-142.
5. Крамаров А.В. Производство стали в электропечах / А.В. Крамаров. - М. : Металлургиздат, 1969. - 440 с.
6. Гуляев А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М. : Металлургия, 1986. - 542 с.
7. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния / И.С. Мирошниченко. - М. : Металлургия, 1982. - 168 с.
8. Influence of the cooling rate on the restructuring of metal melt / A.M. Skrebtsov, G.A. Ivanov, Yu.D. Kusmin, E.G. Bozkova // Steel in Translation. - Vol. 39. - №1. - 2009. - PP. 1-3.
9. Яценко А.И. Первичная структура перитектических сталей / А.И. Яценко, Н.И. Репина, П.Д. Гришко // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1988. - №1. - С. 9-11.
19
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 29
ISSN 2225-6733
10. Гольдштейн М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. -М. : Металлургия, 1985. - 408 с.
11. Свидунович Н.А. Взаимодействие компонентов в сплавах / Н.А. Свидунович, В.П. Глыбин, Л.К. Свирко. - М. : Металлургия, 1989. - 158 с.
Bibliography:
1. Liquid steel / B.A. Baum [and others]. - Moscow : Metallurgiya, 1991. - 158 p. (Rus.)
2. Skrebtsov A.M. Liquid metals, their properties and structure / A.M. Skrebtsov. - Mariupol : PSTU, 2010. - 252 p. (Rus.)
3. Taran J.N. Effect thermo-speed processing liquid alloy castings AL2 on property / J.N. Taran,
I.A. Novokhatsky, V.I. Mazur // Foundry. - 1985. - №7. - P. 8. (Rus.)
4. Effect of heating temperature of molten aluminum alloy microstructure solidified metal / A.M. Skrebtsov, G.A. Ivanov, Y.D. Kuzmin, A.S. Kachikov, E.V. Zolotareva // Reporter of the priazovskyi state technical university. Section Technical sciences: collection of scientific works. -Mariupol, 2011. - Issue 23. - P. 138-142. (Rus.)
5. Kramarov A.V. Production of steel in electric furnaces / A.V. Kramarov. - M. : Metallurgiya, 1969. - 440 p. (Rus.)
6. Gulyaev A.P. Metallography. - M. : Metallurgiya, - 1986. - 542 p. (Rus.)
7. Miroshnichenko I.S. Quenching from the liquid state. - M. : Metallurgiya, 1982. - 168 с. (Rus.)
8. Influence of the cooling rate on the restructuring of metal melt / A.M. Skrebtsov, G.A. Ivanov, Yu.D. Kusmin, E.G. Bozkova // Steel in Translation. - Vol. 39. - №1. - 2009 - PP. 1-3.
9. Yatsenko A.I. The primary structure of peritectic steels / A.I. Yatsenko, N.I. Repin, P.D. Grishko // Metallurgy and heat treatment of metals. - 1988. - №1. - P. 9-11. (Rus.)
10. Goldstein M.I. Special steel / M.I. Goldstein, S.V. Grachev, Y.G. Wexler. - M. : Metallurgy, 1985. - 408 p. (Rus.)
11. Svidunovich N.A. Interaction of the components in the alloys / N.A. Svidunovich, V.P. Glybina, L.K. Svirko. - M. : Metallurgiya, 1989. - 158 p. (Rus.)
Рецензент: В.Г. Ефременко
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 29.10.2014
УДК 669.184.244
© Сущенко А.В.1, Чернятевич А.Г.2, Гриценко А.С.3
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ФУРМЕННЫХ НАКОНЕЧНИКОВ С ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ СОПЕЛ
Выполнено численное моделирование течения охлаждающей воды в фурменных наконечниках с тангенциальным расположением сопел для цельноточеной, литой и сварной конструкций. Предложены технические решения, направленные на повышение технологичности изготовления, а также стойкости и надежности работы головок кислородных фурм с тангенциальным расположением сопел сварной конструкции. Ключевые слова: конвертер, кислородная фурма, наконечник, система охлаждения, гидродинамика, численное моделирование, сварные швы, конструкция сопел, технологичность изготовления, повышение стойкости.
1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь, Sushchenko. andrei@gmail. com
2 д-р техн. наук, профессор, Институт черной металлургии НАН Украины, г. Днепропетровск, agchern@ua. fm
3 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь, Gritcenko.a.s@mail.ru
20
