CC BY
32
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип.№14
УДК 669.18.046.546.2
Макуров С. Л.1, Казачков Е.А.2, Епишев М.В.3, Мильчев В.В.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСПЛАВОВ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Методом регистрации параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом исследована температурная зависимость вязкости расплавов инструментальных сталей с различным содержанием ванадия
Развитие металлургической промышленности Украины в условиях рыночной экономики и свободной конкуренции предъявляет высокие требования к качеству продукции, которые рассматриваются в тесной связи со снижением ее себестоимости на всех стадиях производства. Тем не менее, в настоящее время в нашей стране наблюдается высокий уровень потребления сырья, огнеупоров, топлива и энергии (эти показатели больше на 20-25 % по сравнению в с развитыми странами).
В этих условиях эффективность производства может быть улучшена за счет совершенствования технологий изготовления дорогостоящих сталей специального назначения. В ОАО «Днепроспецсталь» освоено производство ряда новых марок инструментальной быстрорежущей стали методом порошковой металлургии с последующей горячей деформацией заготовок на прессах, молотах или прокатных станах. Порошок сложнолегированной стали получали распылением струи жидкого металла при истечении из дозаторного стакана с диаметром выходного канала 6 мм (в качестве газа-распылителя используют азот). Однако, средний выход годной продукции составляет 60-65 %. Причиной низкого выхода готового порошка является "затягивание" дозаторного стакана при распылении металла. Это увеличивает длительность плавки, ведет к угару легирующих элементов и дополнительному расходу электроэнергии.
Из практики разливки стали известно, что в результате длительного контакта жидкого металла с огнеупорным материалом протекают физико-химические процессы, которые могут вызывать "затягивание" или размывание стакана [1,2]. При прочих равных условиях образование металлических кристаллов и рост на них настыли могут начаться на поверхности канала с температурой, меньшей температуры плавления стали. Наиболее низкую температуру наблюдали в нижней части стакана. Образование и рост металлических кристаллов на выходе из стакана приводит к повышению теплопроводности вдоль его канала и более интенсивному отводу тепла, что способствует росту настыли. При этом приток горячей стали уменьшается из-за увеличения ее вязкости при понижении температуры. Эти процессы приводят к "затягиванию" стакана.
В наибольшей мере вредное влияние "затягивания" стакана проявляется для сложнолегированных сталей с высоким содержанием ванадия (4-10 %). Поэтому исследование вязкости расплавов таких сталей является практически важной задачей. В работах [3-6] опубликованы противоречивые экспериментальные данные по влиянию содержания ванадия на вязкость чистого железа. Так, в публикациях [3,4] утверждается , что с увеличением содержания ванадия в железе вязкость расплавов увеличивается. С другой стороны, в работах [5,6] приведены данные, согласно которым изотермы вязкости расплавов с содержанием ванадия до 3 % (мае.) имеют сложный осциллирующий характер. Однако, с увеличением содержания ванадия амплитуда осцилляций уменьшается, а в целом вязкость расплавов уменьшается.
В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по влиянию содержания ванадия на вязкость сложнолегированных сталей с высоким (2-3 %) содержанием углерода.
Цель настоящей работы - экспериментальное исследование вязкости расплавов сложнолегированных инструментальных сталей с содержанием ванадия 4-10 % в интервале
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ГТГТУ, аспирант
4 ОАО «Днепроспецсталь», инж.
температур 1450-1520 иС. Такие данные необходимы для совершенствования режимов распыления указанных сталей и увеличения выхода годного порошка.
Исследование вязкости расплавов проводили на высокотемпературном вискозиметре методом регистрации параметров затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом. Конструкция установки подробно описана в работе [7].
Величину динамической вязкости определяли из уравнения:
ё-ё0=К^р, (1)
где 30 ,3 - логарифмический декремент затухания колебаний системы соответственно с пустым и заполненным тиглем; К - константа прибора, определяемая градуировкой; р -плотность металла, кг/м3; г| - динамическая вязкость, Пас.
Расчет логарифмического декремента затухания проводили по серии из десяти проходов светового пятна, отражаемого от колебательной системы на радиальную линейку. Каждое измерение проводили пять раз, после чего рассчитывали среднее значение декремента затухания:
5 = 1 1п (Р0(Р,(Р2(Рз(Р4 (2)
25 (р5(р6(р7(р,(рд '
где сро -<Рч - амплитуды соответствующих колебаний, град.
Для расчета динамической вязкости исследуемых образцов необходимо знать константу прибора К, которую необходимо определять с возможно большей точностью. Эту константу нашли экспериментально с помощью калибровочных материалов.
Главным условием, предъявляемым к калибровочным материалам, является линейность уравнения (1), по которому рассчитывается константа К. В работе [8] показано, что эта зависимость будет линейной в том случае, если г|/р<10. Последнее соотношение зависит от температуры расплава и концентрации примесей в нем. Для железа и его сплавов с невысоким содержанием легирующих элементов оно колеблется в пределах 0,7-1,0.
Градуировку вискозиметра провели по водному раствору сахарозы (40 %), жидким легкоплавким металлам (свинец, олово) и расплаву стали 08Х18Н10Т, для которых величина динамической вязкости, определяемая по описанной методике опубликована в литературе [9-11].
Определение параметров колебаний производили при двух навесках калибровочных материалов с последующей экстраполяцией на эквивалентную навеску, т.е. навеску, которая соответствует постоянному уровню жидкости в тигле.
Положение уровня поверхности жидкости в тигле зависит от плотности материала, которая существенно зависит от температуры. За стандартный уровень поверхности металла эквивалентной навески приняли высоту поверхности образца цинка массой 0,2 кг при температуре 600 °С.
Массу эквивалентной навески любой другой жидкости определяли по уравнению:
(3)
где Сэкв - масса эквивалентной навески, кг; р( - плотность образца при температуре 1;,
кг/м3; 6,7Ы03- плотность цинка при 600 иС.
Полученные данные обработали методом наименьших квадратов. Калибровочная кривая приведена на рис. 1. Полученная по ней константа вискозиметра равна: К=8,7923-103.
Точность определения вязкости сталей в интервале температур от ликвидуса до 1600 °С составила 5-8 %.
На экспериментальной установке по отработанной методике провели исследование вязкости расплавов сталей Х12МФ4, Х18МФ6, Р6М5Ф4, РОМ2СФЮ. Химический состав сталей приведен в табл.1.
Рис. 1 - Градуировочный график вискозиметра: о - свинец, х - олово, - сталь 08Х18Н10Т при температуре 1500 "С
O.S5 абв 0.5? 0.58 0.59 O.S iOOO/T
Рис.2 - Зависимость логарифма вязкости стали Р0М2СФ10 - МП от обратной температуры
Таблица 1 - Химический состав образцов исследованных сталей
Марка Содержание элементов, % (масс.)
стали С Мп Si Сг Ni W Mo V
Х12МФ4 2,34 0,39 0,44 12,61 0,25 0,19 1,05 3,94
Х18МФ6 1,88 0,41 0,38 17,20 0,35 0,14 0,48 5,58
Р6М5Ф4 1,74 0,37 0,28 4,0 0,19 5,62 5,06 3,94
Р0М2СФ10 2,90 0,51 1,09 7,84 0,23 0,51 1,25 9.65
Температуру ликвидус исследуемых сталей предварительно определили на установке термического анализа по методике, описанной в работе [12].
Результаты определения вязкости исследуемых сталей для трех температур сведены в табл.2, здесь же приведены для них значения температуры ликвидус.
Таблица 2 -Динамическая вязкость расплавов исследованных сталей
Температура, °С Вязкость стали, мГ а-с
Х12МФ4 t =1310 °с LH[KI; 1 - 1 w ^ Х18МФ6 t =1340 "С Р6М5Ф4 t =1395 "С Чгшкв 1 ^ Р0М2СФ10 t =1350°С
1450 1500 1520 39,9 34,7 25,1 31,3 28,3 21,1 17,6 17,4 14,4 7,09 5,62 3,17
Наибольшее практическое значение имеют данные по вязкости расплавов стали Р0М2СФ10 - МП. Величина температуры ликвидус этой стали, в зависимости от колебаний ее химсостава, составляет 1300-1310 "С. Результаты определений вязкости расплавов стали Р0М2СФ10 - МП представлены на рис.2 в координатах логарифм динамической вязкости и 1/Т. Эти данные обобщили уравнением:
29412
1п77 = —--15,15. (4)
Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что с увеличением содержания ванадия в высокоуглеродистой стали с 3,9 до 9,7 % (мае.) вязкость расплавов уменьшается. Причем резкое понижение вязкости наблюдается при температуре выше 1500 °С.
Однако, нет объяснения факту весьма высокой вязкости стали Х12МФ4, которая имеет низкую температуру ликвидус. Возможно, это связано с условием отбора проб и недостаточным перегревом металла над ликвидусом при проведении исследований. Это могло привести к появлению в расплаве малоподвижных кластеров, определивших высокую вязкость стали в интервале температур 1450-1520 °С. Поэтому исследование необходимо продолжить с целью получения данных по вязкости расплавов сталей в интервале температур 1520-1600 °С,.
На основании проведенных исследований были предложены рациональные температурные режимы распыления жидких сталей, внедрение которых позволило увеличить выход годного порошка на 10 %. Выводы
1. Разработана методика экспериментального исследования вязкости металлических расплавов в зависимости от температуры, которая позволила с точностью 5-8 % получить значения вязкости расплавов инструментальных сложнолегированных сталей с содержанием ванадия 3,9-9,7 % (мае.).
2. Установлено, что вязкость расплавов высокоуглеродистых сталей уменьшается с увеличением температуры и ростом содержания ванадия. Последнее было учтено при разработке рациональных нормативов распыления порошковых сталей.
3. Исследования необходимо продолжить с целью уточнения полученных данных и проведения измерений вязкости расплавов в области высоких температур (1520-1600 °С).
Перечень ссылок
1. Шевченко В. П. Исследование взаимодействия жидкого металла с огнеупором сталеразливочных стаканов/ В.П. Шевченко, М.В. Самборский // Металлургия: Сб. науч. тр. ДонГТУ,- Донецк, 1999,- Вып.1,- С.91-100.
2. Процессы непрерывной разливки: Монография/ А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, A.A. Минаев и др.- Донецк: ДонНТУ, 2002,- С. 186-199.
3. Ершов Г. С. Свойства металлических расплавов и их взаимодействие в металлургических процессах/Г.С. Ершов, Ю.Б. Бычков - М.: Металлургия, 1983,- С.69-70.
4. Романов A.A. Исследование влияния некоторых элементов на вязкость расплавов железа/ A.A. Романов, В.Г. Кочегаров И ФММ,- 1964,- Т. 18,- №6,- С.869-871.
5. Влияние ванадия на кинематическую вязкость железа/ И.И. Игошин, Б.А. Баум, Ю.А. Базин, Г.А. Распопова И Изв. вузов. Физика,- 1987,- Т.30,- №3,- С. 108-109.
6. Игошин И.И. Кинематическая вязкость жидких сплавов железа со скандием, титаном и ванадием/И.И. Игошин, Ю.А. Базин, Б.А. Баум //Укр. Физ. Журнал.- 1987,- Т.32.- №4-С.585-587.
7. Макуров С.Л. Высокотемпературный вискозиметр с автоматической регистрацией результатов измерений/С.Л. Макуров // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. -Мариуполь, 1997. - Вып. 3. - С. 37-40.
8. Schenk К.Н. Beitrag zur messung der Viskositäl metallischer Schmelzen bei hohen Temperaturen/ K.H. Schenk, M.G. Frehberg, K. Hoffman II Archiv fur das Eisen-hüttenwesen.-1963,- Bd.34 - №2,- S.93-98.
9. Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов / Справочник под ред. академика H.A. Ватолина.-М.: Металлургия, 1995 - С. 147-225.
10. Макуров С.Л. Влияние содержания легирующих элементов на вязкость расплавов нержавеющих сталей / С.Л. Макуров II Изв. вузов. Черная металлургия - 1997 - №8 - С.8-11.
11. Андронов В.Н. Жидкие металлы и шлаки / В.Н. Андронов, Б.В. Чекин, C.B. Нестеренко-М.: Металлургия, 1977 - 127с.
12. Макуров С.Л. Теплофизические свойства сложнолегированных сталей / С.Л. Макуров II Изв. вузов. Черная металлургия,- 2003,- №10,- С.3-6.
Статья поступила 22.04.2004
