Исследование рафинирования стали и сплавов для спецотливок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

« //лггттггн г: п^тгмтгтта

11 1 (29). 2004-

* ПРОИЗВОДСТВО

There is shown, that it's possible to deoxidize steel for special castings under the scheme silicon-manganese-aluminium-cerium in the furnaces of small capacity.

С. К ПЕРЕБОРЩИКОВ, ФГУП«ГНПП«Сплав», Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ РАФИНИРОВАНИЯ СТАЛИ И СПЛАВОВ ДЛЯ СПЕЦОТЛИВОК

УДК 621.74

В ходе плавки стали и сплавы «загрязняются» избыточными продуктами взаимодействия легирующих и модифицирующих элементов, а также в процессе их взаимодействия с кислородом, серой и фосфором. С помощью оптической металлографии исследованы состав, форма и расположение неметаллических включений в стали 45ХЛ. Дана качественная оценка «загрязненности» стали. Типичными являются следующие виды неметаллических включений: силикаты и силикатные стекла 2РеО • 8Ю2 (фаялит); силикатные стекла с Се; сульфиды железа и марганца Ре8 • МпБ; оксисульфиды типа РеБ • Мп8(Ре,Мп)0 или РеБ • Мп8(Ре,Мп)0 • Сг203; сложные включения, содержащие сульфид РеБ • МпБ и силикатные включения; оксиды алюминия А1203; соединения типа т(¥е • А1203) • п&\02 и (РеО • МпО • А1203) • л8Ю2, кристаллизующиеся в виде тонких призм и игл. Сульфиды железа и марганца располагаются группами по границам зерен, из-за чего очень опасны.

Количество образовавшихся неметаллических включений связано в большой степени с содержанием в стали кислорода. Исходное содержание кислорода в нераскисленном расплаве стали достигает 0,05-0,06 мае. %. Коэффициент активности кислорода до раскисления стали равен [1]:

lgy0 =— 0,20 [%02] = - 0,01, а после введения в расплав раскислителей Si, Mn, AI [1]:

lg Уо =e00[%02]+eSi0[%Si]+eMn0[%Mn]+eA10[%Al],

lgYo =-0,2 • 0,005-0,14 • 0,3-0,025 • 0,7—0,94 • 0,1=—0,1635.

Коэффициент активности кислорода уменьшается, что свидетельствует об образовании оксидов, понижающих активность кислорода. При этом равновесие реакции раскисления сдвигается в сторону увеличения количества оксидов и уменьшения концентрации кислорода в стали.

На рис. 1 показана компьютерная версия раскисления стали 45XJI элементами Mn, Si, Al, Ce, СК. Эти данные хорошо согласуются с результатами экспериментов [2], приведенными на рис. 2.

При открытой плавке в малых индукционных печах отсутствуют реакции между шлаком и металлом. Раскисление осуществляется благодаря диффузии элементов-раскислителей.

Расчетное содержание кислорода в стали 11ЮА составляет 0,001 %, в стали 45XJI - 0,0043, в стали СП28 - 0,002 %.

Вводя в расплав Се, можно добиться эффективного раскисления стали. Присадка Се способ-

2? W 27 30 О 2, моль

Рис. 1. Компьютерная версия раскисления стали 45XJI

-1 (29). 20041

[О ],%

0,05

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

[ Ме ], %

Рис. 2. Изменение содержания кислорода в стали 45ХЛ при раскислении Мп, 81, А1, Се, СК

ствует измельчению неметаллических включений. Кроме того, благодаря большому сродству Се и Б возможна десульфурация стали. На рис. 3 приведен график десульфурирующей способности Се в стали 45ХЛ с первоначальным содержанием серы 0,037%.

Э.о/о

0,037

0,028

0,020

0,018

0,010

0,1 0,2 0,3 Се, %

Рис. 3. Десульфурирующее воздействие Се

Однако десульфурирующая способность Се нестабильна. После введения модификатора содержание серы уменьшается, но затем снова может возрасти. Это связано с тем, что Се имеет большее сродство к кислороду, чем к сере, и на поверхности модифицированного металла может протекать реакция восстановления серы: 4СеБ + 302 = 2Се203 + 4Б.

Образующиеся в процессе плавки неметаллические включения частично удаляются из металла в шлак, а частично остаются в нем. Всплывание неметаллических включений или их перемещение к стенкам при плавке стали в малых индукционных плавильных печах происходит со скорос-

БЬ

тью[2]: п = п0 ехр[—где п - убыль частиц

данного размера; л0 - исходное количество частиц; Ь — коэффициент, зависящий от интенсивности и характера перемешивания; х — время;

г — продолжительность релаксации, необходимой для приобретения частицей скорости потока перемешиваемого металла; 5 и V — площадь и объем тигля. Даже в условиях интенсивного перемешивания в индукционных печах достаточно большое количество неметаллических включений остается в металле. Кроме того, имеется опасность увеличения содержания кислорода и неметаллических включений в стали при выдержке уже раскисленного металла. На рис. 4 показано изменение содержания кислорода в стали 45ХЛ при раскислении и последующей выдержке в тигле печи ИСТ-0,16.

£ 0,05

я 0,04 «в

I 0,03 о

и

0,02

0,01

\ 1

\

\

1 —

1111 1111 1111

0 15 30 45

Выдержка Т, мин

Рис. 4. Изменение содержания кислорода в стали 45ХЛ при раскислении и последующей выдержке в тигле: 1 — без СК;

2-е СК

Исследовали влияние режимов охлаждения расплава на количество и распределение неметаллических включений в стали 45ХЛ, которую нагревали и охлаждали в соответствии с графиком, приведенным на рис. 5. После охлаждения все образцы разрезали вдоль оси на три равные части и под микроскопом (х450) определяли площадь, занимаемую неметаллическими включениями в каждой части, и число включений. Полученные результаты приведены в табл. 1.

°с 1600.

1400

1200

0 1 т, ч

Рис. 5. График нагрева и охлаждения стали 45ХЛ со скоростью: 7-70 К/мин; 2 — 35; 3 — ступенчатый - 35 К/мин с тремя остановками по 15 мин

Наиболее благоприятным с точки зрения чистоты металла и распределения неметаллических включений является ступенчатый режим охлаждения. Это связано с тем, что отливки более продолжительное время находятся в области жидкого состояния и включения успевают скоагули-ровать и частично всплыть в верхнюю часть отливки.

100 /? Ем

Таблица 1.

Скорость охлаждения расплава, К/мин Число включений на 1 мм2 образца

низ середина верх

70 4,2 4,8 6,8

35 6,0 4,0 3,6

Ступенчатое 9,5 1,1 1,15

Расходуемые электроды

При производстве отливок применяют открытые плавильные печи, наибольшая температура стали в которых 1650 °С. Провести в таких печах десульфурацию и дефосфоризацию невозможно ни в кислых, ни в основных тиглях. Рафинирование стали и сплавов позволяет осуществлять перспективный технологический процесс электрошлакового литья. На рис. 6 показана схема рафинирования сталей в кристаллизаторе.

Кристаллизатор заполнен жидким синтетическим шлаком, через который непрерывным потоком падают капли жидкого металла с торцов расплавляющихся расходуемых электродов.

Для рафинирования применяли шлаки Никопольского завода, химический состав (мае. %) которых приведен ниже.

Температура плавления шлака АНФ29 и АНФ32 соответственно 1345 и 1370 °С, плотность - 2540 и 2730 кг/м3, электрическое сопротивление - 0,4 и 0,9 (Омсм)1.

Шлак предварительно расплавляли в плавильной одноэлектродной дуговой печи-ковше с графитовым тиглем. Для удаления влаги шлак перед расплавлением прокаливали при температуре 750—800 °С в течение 2,5—3,0 ч. Масса шлака составляет ~ 10% от массы полученной отливки.

О полноте раскисления сталей судили с помощью физической характеристики — модуля упругости Е, измерение которого проводили динамическим методом по методике и на установке Тульского государственного университета. Модуль упругости колеблется у немодифицированной стали от 1400 до 1850 МПа, у модифицированной - от 1800 до 2050 МПа.

Таким образом, в печах малой емкости возможно раскислять сталь для спецотливок по схеме

Рис. 6. Схема рафинирования стали синтетическим шлаком

Особенностью процесса является то, что шлак полностью обволакивает капли металла. Десульфура-ция осуществляется путем перехода серы в сульфиды, нерастворимые в металле, но растворимые в шлаке. Сера обладает большой поверхностной активностью, благодаря чему десульфурация осуществляется на поверхностях раздела металл - шлак. Дефосфоризация стали также происходит на поверхностях раздела капель металл — шлак.

Рафинировали сталь следующих составов (табл. 2).

кремний — марганец - алюминий - церий. Глубокое рафинирование достигается в печах электрошлакового литья синтетическими шлаками.

Литература

1. Теплицкий Б.В., Владимиров Л.П. Термодинамика раскисленной стали сильнодействующими раскис-лителями // Изв. АН СССР. Металлы. 1972. № 4. С.76.

2. Переборщиков С.И. Некоторые вопросы теории и практики получения отливок специального назначения // Материалы I Междунар. науч.-техн. конф. «Генезис, теория и технология литых материалов». Владимир, 2002. С. 141-143.

Шлак СаР2 А1203 СаО вЮ2 1^0

АНФ29 37-35 13-17 24-30 11 - 15 2-6

АНФ32 34-42 24-30 20-27 5-9 2-6

Таблица 2.

Сталь Содержание элементов, мае. %

Ре с Мп 81 Сг Мо N1 V XV А1 введ. Р I 8 Р | 8

в исходном состоянии после обработки

11ЮА осн. 0,12 0,32 0,05 0,08 - - - - - 0,1 0,02 0,02 0,006 0,005

45ХЛ осн. 0,45 0,6 0,3 1,3 - - - - - 0,1 0,06 0,05 0,02 0,015

СП28 осн. 0,28 0,7 1,1 2,9 0,4 0,9 0,15 0,9 - - 0,02 0,015 0,006 0,005