CC BY
45
УДК 669.187.36
ВЛИЯНИЕ РОДА ТОКА И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ РАСХОДУЕМОГО ЭЛЕКТРОДА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО МЕТАЛЛА
Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов
EFFECT OF CURRENT TYPE AND SPEED
OF THE CONSUMABLE ELECTRODE ON THE MECHANICAL
PROPERTIES OF ELECTROSLAG METAL
D.A. Pyatygîn, I.V. Chumanov
Рассмотрено влияние постоянного тока и вращения расходуемого электрода при электрошлаковом переплаве на механические свойства выплавляемого металла как в литом, так и в деформированном состоянии. Показано, что ведение электрошлакового переплава на постоянном токе с вращением расходуемого электрода не снижает механических характеристик полученного металла, несмотря на достаточно значительное увеличение производительности процесса без подведения дополнительной мощности.
Ключевые слова: электрошлаковый переплав, вращение электрода, постоянный ток, механические свойства.
In this paper we consider the effect of direct current and the rotation of the consumable electrode in electroslag remelting on the mechanical properties of melted metal in both as-cast and deformed state. It is shown that keeping the electroslag remelting on the direct current with rotation of the consumable electrode does not reduce the mechanical properties of the resulting metal, in spite of the fairly significant increase in productivity of the process without summing up extra power.
Keywords: electroslag remelting, rotation of the electrode, direct current, mechanical properties.
В работах авторов [1—3] показано положительное влияние постоянного тока и вращения расходуемого электрода вокруг своей оси при электрошлаковом переплаве (ЭШП) на технико-экономические показатели переплава, структуру электрошлакового слитка и рафинирующую способность процесса от неметаллических включений. Также одним из критериев качества металла являются механические свойства, которые в свою очередь зависят в достаточно большой степени от технологии выплавки стали. В данной работе про-
Технологические паг
анализировано влияние рода тока и скорости вращения расходуемого электрода на механические свойства электрошлакового металла как в литом, так и в деформируемом состоянии.
Переплаву были подвергнуты электроды из стали марки 30X13 и 30ХМА на полупромышленной установке А-550. Технологические параметры плавок представлены в табл. 1. Переплав осуществляли твердым стартом на флюсе АНФ-6. Ток и напряжение во всех случаях поддерживались постоянными (I - 0,8 кА; и = 46 В). По разработан-
Таблица 1
ры опытных плавок
№ плавки Марка стали Род тока Кол-во оборотов, об/мин Массовая скорость переплава, кг/ч Расход эл. эн., кВтч/кг Толщина гарнисажа, мм
10 30X13 Пост. 0 10,62 1670,63 2,0
11 30X13 Пост. 90 14,70 1037,81 1,6
12 30X13 Пост. 120 14,21 1112,42 1,7
13 30ХМА Перемен. 0 8,43 1680,00 2,4
14 30ХМА Перемен. 120 10,84 898,23 1,6
15 ЗОХМА Пост. 0 11,42 1638,65 2,2
16 30ХМА Пост. 60 12,12 1318,92 2,0
17 ЗОХМА Пост. 90 12,58 1125,00 1,6
18 ЗОХМА Пост. 120 14,40 803,71 1,4
Пятыгин Д.А., Чуманов И.В.
Влияние рода тока и скорости вращения расходуемого электрода на механические свойства...
ным ранее аналитическим зависимостям [4] была определена оптимальная скорость вращения расходуемого электрода с позиций производительности и качества. Для электрода диаметром 40 мм она составила 90 об/мин. Экспериментальные плавки проводили как с рекомендованной (рассчитанной)
скоростью вращения, так и со скоростями ниже и выше оптимальной.
Средние значения механических свойств литой заготовки диаметром 90 мм стали 30Х13-Ш представлены на рис. 1, а деформированной заготовки (квадрат 25) стали 30ХМА - на рис. 2.
Предел ттучшсти
Временное сопротитвнт
Отнжиттьнт у&пинтш
НМм"'
т
400 200
9
%
45 40 ЭЙ 20
10
- 0 1 «я * та ё
ё.
1 яг
«
С
Относительное
Н/ым-
800
600 400
т о
45
40 30 20 10
Ударная вязкость
16 10 3 о
нв
270
гт
250
240 230
220
Твердеешь
Рис. 1. Механические свойства стали 30X13-Ш в литом состоянии (горизонтальная линия - свойства деформированной стали 30X13 после термической обработки [5])
МПл'шг
то
600 МПа/мм*
1050
950
850
750
то
Дж/см
120
100
Предел даюдичееян»
60 40
Времеявре сопротитзни®
Ударная вчж ость
Р "1
а 5:
1
Ж
Р
с С,'
57 53 49 45
ОтносипшАыюв сушнт
П
7
ИВ 316 314
310 Ж
Отткиттьпое удгынбные
Твёрдость
к ю
* § * §
* *
1 С: | с с с
-
сз i ж 52 мам за
14»
5 «г» «а Р й ЗЕ
в? Ст © ф
ё 6 е О
— Фз I 5 г 3 с
N.
« '■О
« 5
¡8
ё £
Рис. 2. Механические свойства стали ЗОХМА-Ш в деформированном состоянии (горизонтальная линия - значения по ГОСТ 4543-71)
Сталь марки 30X13 в литом состоянии, полученная электрошлаковым переплавом на постоянном токе с различной скоростью вращения расходуемого электрода, исследовалась на механические свойства по нижеприведенной методике. Перед испытаниями, в соответствии с ГОСТ 5949-75 «Сталь сортовая и калиброванная коррозионно-стойкая жаростойкая и жаропрочная» коррозион-ностойкую сталь 30X13 подвергли термической обработке по режиму: закалка с 950-1050 °С, охлаждение в масле, отпуск при 200-300 °С, охлаждение на воздухе или в масле. Такая термообработка проводится только для определения твёрдости ИКС (не менее 48 ед.). Все полученные образцы удовлетворяли требованиям ГОСТа. Режим термической обработки и нормы механических свойств при испытании стали 30X13 на растяжение и на ударный изгиб в ГОСТ 5949-75 отсутствуют. Однако имеются справочные данные по механическим свойствам для деформированной стали 30X13 после термической обработки по режиму: закалка+высокий отпуск [5]. Данные для деформированного металла
(пруток) приведены в табл. 2, при этом следует отметить, что отсутствуют сведения: к пруткам какого размера относятся эти данные; неизвестны твёрдость и ударная вязкость.
Для определения механических свойств путём растяжения и на ударный изгиб для литой стали 30Х13-Ш из опытных слитков были вырезаны образцы и подвергнуты термической обработке в соответствии с режимом, указанным в табл. 2. После термической обработки были проведены испытания механических свойств. Результаты испытания прочностных и пластических свойств опытных плавок литой стали 30X13-Ш различных вариантов ЭШП приведены в табл. 3. Анализ результатов испытания механических свойств показал, что нормам механических свойств, представленным в табл. 2, не соответствуют все три плавки (табл. 4). Поплавочно количество результатов, не удовлетворяющих нормам по каждой характеристике механических свойств, приведены в табл. 4.
По прочностным характеристикам минимальное количество неудовлетворительных результа-
Таблица 2
Механические свойства стали 30X13 в деформированном состоянии [5]
Режим термической обработки Механические свойства
стт, Н/мм2 ств, Н/мм2 5,% ц/,% кси, Дж/см2
Нормализация с 1000 °С, 1 ч, охлаждение на воздухе; отпуск 650 °С, 2,5 ч, охлаждение на воздухе 690 920 16 52 53
Таблица 3
Механические свойства литой стали 30X13-Ш
№ плавки Номер образца Механические свойства
ст, Н/мм2 ств, Н/мм2 §,% у ,% КСи, Дж/см2 НВ
10 1А 708 929 16,4 45,7 43 269
1А 737 949 16,4 41,5 46 269
1У 751 948 13,2 38,1 69 269
1У 762 933 14,8 41,5 52 269
и 2А 629 842 17,6 41,8 57 255
2А 618 832 18,4 39,4 60 255
2У 563 833 16,4 38,9 53 255
2У 706 864 17,2 42,0 46 255
12 ЗА 675 840 18,0 50,4 58 241
ЗА 623 802 21,6 48,0 69 241
ЗУ 591 806 17,2 48,0 83 241
ЗУ 606 782 20,8 47,7 60 241
Таблица 4
Количество неудовлетворительных результатов механических свойств в литой стали 30X13-Ш
№ плавки Всего результатов Количество неудовлетворительных результатов, шт. (%) Механические свойства
стт , Н/мм2 ав> Н/мм2 8, % V , % кси, Дж/см2 НВ
10 20 10(50) - 1 2 4 3 269
11 20 12 (60) 3 4 - 4 1 255
12 20 12(60) 4 4 - 4 - 241
ПятыгинД.А., Чуманов И.В.
Влияние рода тока и скорости вращения расходуемого электрода на механические свойства...
тов имеет плавка № 10 при твёрдости 269; плавки № 11 и 12 имеют соответственно 7 и 8 неудовлетворительных результатов при твёрдости 255 HB и 241 HB, т. е. чем мягче образцы после термообработки, тем больше отклонение от норм - плавка №10: сВср= 930,5 Н/мм2 при норме 940 Н/мм2;
плавка № 11 - 860 Н/мм2; плавка № 12 - 824 Н/мм2.
Из характеристик пластичности наиболее благоприятной является относительное удлинение -всего 2 неудовлетворительных результата; по относительному сужению все 3 плавки (12 образцов) имеют неудовлетворительные результаты: при норме не менее 52 % значения цг меняются в пределах 38,1 - 50,4 %. В зависимости от твёрдости значения изменяются в плавке № 10 от 38,1 до 45,7 % при твёрдости 269 HB; в плавке № 11 от 38,9 до 42,0 % при твёрдости 255 HB; в плавке № 12 - от 47,7 до 50,4 % при твёрдости 241 HB. Ударная вязкость также возрастает с уменьшением твёрдости, причём на плавке № 12 при твёрдости 241 HB все значения KCU положительные и имеют запас от 5 до 30 KCU, Дж/см2 при среднем значении 67,2 KCU, Дж/см2.
Таким образом, исследование механических свойств в литом металле стали марки 30X13-Ш показало, что свойства электрошлакового металла сравнимы со свойствами деформированного металла. Следует отметить, что с увеличением скорости вращения электрода происходит повышение пластических и понижение прочностных свойств металла.
Важной характеристикой литого металла является его удельная плотность. Для анализа влияния условий переплава на плотность стали были проведены измерения удельной плотности методом гидростатического взвешивания. В качестве рабочей жидкости применяли тетробромэтан. Плотность тетробромэтана и его температурная зависимость достаточно известны. С помощью термостата температуру в процессе измерения плотности поддерживали постоянной и измеряли термометром с точностью ±0,1 град. Относительная ошибка в определении плотности составила 7 • 10-3 %,
Усреднённые по шести образцам значения плотности приведены в табл. 5. Из полученных результатов видно, что плотность стали возрастает от центра к периферии. Понижение плотности
центральной области обычных слитков объясняется тем, что при движении фронта кристаллизации от периферии к центру слитка оттесняются примеси, неметаллические включения. На границах стыка дендритов возникают микропоры и микротрещины. В условиях ЭШП с вращением электрода фронт кристаллизации выравнивается и превращается в плоскость, перпендикулярную оси слитка [1]. Отмечено, что с увеличением скорости вращения электрода плотность как отдельных частей слитка, так и средняя по сечению несколько снижается. Относительное уменьшение плотности, связанное с вращением расходуемого электрода, не превышает 0,04 % и сравнимо по величине с изменением плотности по сечению слитка. Уменьшение плотности после переплава с вращением электрода можно объяснить либо наличием микроскопических нарушений плотности металла, образование которых связано с возникновением центробежных сил в зоне расплавленного металла, либо с уменьшением блоков мозаичной структуры и ростом микронапряжений II рода вследствие ускорения процессов кристаллизации.
Для оценки влияния изменения технологии на механические свойства в деформированном состоянии слитки стали марки ЗОХМА-Ш подвергли ковке. После деформации на квадрат 25 мм металл был отожжен по режиму: 720 °С, выдержка 5 часов, охлаждение до 500 °С с печью, дальнейшее охлаждение на воздухе.
В соответствии с ГОСТ 4543-71 «Сталь легированная, конструкционная» механические свойства контролируют после термической обработки по режиму: закалка с 880 °С, охлаждение в масле, отпуск при 540 °С, охлаждение в воде или масле. Перед закалкой ГОСТ разрешает производить нормализацию; при проведении термической обработки допускаются следующие отклонения по температуре нагрева: при закалке ±15 °С; при высоком отпуске ±50 °С; с учётом допусков ободранные до круга 15 мм заготовки были обработаны термически следующим образом: нормализация 910 °С, 1 ч, охлаждение на воздухе; закалка с 890 °С, 1 ч, охлаждение в масле; отпуск 540 °С, 45 мин, охлаждение в воде. После термообработки все шесть плавок были переданы на изготовление образцов и в последующем испытаны на растяжение и ударный изгиб. Результаты испытаний представлены на рис. 2.
Таблица 5
Изменение удельной плотности стали марки 30X13-Ш при различных скоростях вращения расходуемого электрода
Удельная плотность, г/см"' Скорость вращения электрода, об/мин
0 90 120
Край 7,7338 7,7326 7,7316
'/г радиуса 7,7329 7,7316 7,7293
Центр 7,7329 7,7307 7,7297
Среднее значение 7,7330 7,7316 7,7302
Анализ механических свойств показал, что металл, выплавленный по всем схемам переплава, удовлетворяет требованиям ГОСТ 4543-71.
Заключение
Исследование электрошлакового металла показало, что применение постоянного тока и вращения расходуемого электрода не снижает механических характеристик полученного металла, несмотря на достаточно значительное увеличение производительности процесса без подведения дополнительной мощности. Следует отметить, что применение при электрошлаковом переплаве на постоянном токе с вращением расходуемого электрода вокруг своей оси происходит выравнивание плотности слитка по сечению.
Работа выполнена в рамках целевой программы АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» № 2.1.2/657 и Госконтракта № П316.
Литература
1. Чуманов, И.В. Особенности ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода / И.В. Чуманов, Д.А. Пятыгин // Известия вузов. Черная металлургия. — 2006. — КзЗ. — С. 22—25.
2. Пятыгин, Д.А. Удаление неметачлическш включений при ЭШП на постоянном токе / Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов // Известия вузов. Черная металлургия. — 2006. — № 7. — С. 25—26.
3. Селиверстов, Д.А. К вопросу экономической целесообразности перевода печей ВДП в печи ЭШП на постоянном токе / Д.А. Селиверстов, Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов // Известия вузов. Черная металлургия. — 2007. — № 1. — С. 24—26.
4. Пятыгин, Д.А. К вопросу оценки электромагнитных сил, возникающих при ЭШП на постоянном токе / Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов // Известия вузов. Черная металлургия. — 2007. —№7.—С. 19-22.
5. Металловедение и термическая обработка / под. ред. акад. М.Л. Бернштейна, к.т.н. А.Г. Рах-штадта. — М.: Метажургиздат, 1956. — 1204 с.
Поступила в редакцию 9 марта 2011 г.
