Исследования влияния параметров производства слитков конветерной стали на качество их внутренней структуры Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (28), 2019 УДК 669.184

А.А. Уманский, Я.В. Денисов Сибирский государственный индустриальный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ КОНВЕРТЕРНОЙ СТАЛИ НА КАЧЕСТВО ИХ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ

Процесс производства и обработки стали является многостадийным, что предопределяет сложный и неоднозначный характер влияния отдельных технологических параметров на показатели качества стальных слитков [1, 2]. Указанный факт обуславливает необходимость комплексного подхода к анализу процессов формирования качества стальных слитков с применением современных методов статистической обработки данных [3, 4].

С целью определения закономерностей влияния параметров выплавки, внепечной обработки и разливки конвертерной стали на величину отбраковки слитков в условиях АО «ЕВРАЗ - Западно-Сибирский металлургический комбинат» («ЕВРАЗ ЗСМК») проведены статистические исследования с использованием методики множественного регрессионного анализа. В качестве параметра оптимизации использовали величину дополнительной обрези слитков по внутренним дефектам.

Базой для проведения анализа явились 200 плавок стали марки 3пс текущего производства ксилородно-конвертерных цехов № 1 и № 2 (ККЦ-1 и ККЦ-2 соответственно).

В результате установлено значимое влияние следующих параметров на количество брака по внутренним дефектам слитков: температура разливки стали (в интервале 1533 - 1550 и 1536 -1557 °С для плавок ККЦ-1 и ККЦ-2); продолжительность разливки плавки (в интервале 18 - 45 и 17 - 45 мин для плавок ККЦ-1 и ККЦ-2); длительность «искрения» (газовыделения) слитков при разливке (в интервале 6 - 60 и 4 - 38 с для плавок ККЦ-1 и ККЦ-2).

Уравнения регрессии в натуральном масштабе для плавок ККЦ-1 и ККЦ-2 со значащими коэффициентами имеют вид:

Дв = 73,425 - 0,047/разЛ + 0,0377^ - 0,021ТИС1ф;

Дв = 54, 232-0, 035/^ + 0, 0437^ -0,0197;^,

где Дв - количество дополнительной обрези слитков по внутренним дефектам, т/плавка; ¿раш - температура разливки стали, С; Тразл - продолжительность раз-

ливки плавки, мин; 7Искр - длительность «искрения» (газовыделения) слитков при разливке, с.

Из полученных уравнений регрессии следует, что повышение температуры разливки слитков и продолжительности «искрения» (газовыделения) слитков в рассматриваемых интервалах изменения этих параметров снижают количество дополнительной обрези слитков по внутренним дефектам, а увеличение продолжительности разливки плавки способствуют увеличению дополнительной обрези со слитков.

Механизм влияния температуры разливки на количество дополнительной обрези слитков заключается в следующем: при пониженной температуре разливки повышается вязкость стали, в результате затрудняется процесс всплывания неметаллических включений и последующего их удаления при технологической обрези головной части слитка. В соответствии с известными закономерностями затвердевания стали неметаллические включения концентрируются в образующихся внутренних несплошностях слитка, которые в слитках полуспокойной стали расположены до уровня 35 - 45 % высоты слитка. Как правило, неметаллические включения представляют собой сложные оксиды с низкой температурой плавления и при температурах прокатки слитков находятся в жидкой фазе. В результате при технологической обрези слитков после прокатки на блюминге обнаруживается так называемый «жидкий шлак», представляющий собой скопление неметаллических включений в расплавленном состоянии. В ряде случаев неметаллические включения находятся в твердой фазе: тогда причина дополнительной об-рези фиксируется как расслой или рыхлость. При отсутствии значительных скоплений неметаллических включений расслой и рыхлость в процессе прокатки на блюминге полностью завариваются и необходимость дополнительной обрези не возникает. Механизм влияния продолжительности разливки на количество дополнительной обрези аналогичен влиянию вышерассмотренного параметра с той разницей, что длительность разливки определяет не начальную, а конечную температуру разливки стали (то есть температуру разливки последних слитков).

Результаты металлографических исследований проб стали 3пс на выпуске из конвертера

Образец Загрязненность неметаллическими включениями по видам, максимальный балл

Силикаты недеформирующиеся Силикаты пластичные Оксиды точечные Оксиды строчечные

1 3а, 3б - 2а -

2 3а - 2а -

3 5а - 3а -

4 2б 3а 4а -

5 3б - 4а 4а

6 3б - 4а -

7 2б - 2а -

8 3а - 1а -

9 1а; 1б - 2а -

10 2б - 2а -

11 4а; 4б - 1а -

12 2б 1а 1а -

Влияние длительности «искрения» (газовыделения) при разливке слитков полуспокойной стали на количество дополнительной обрези объясняется тем фактом, что этот параметр служит показателем оптимальной степени раскисленности стали. В свою очередь от степени раскисленности полуспокойной стали напрямую зависит расположение усадочных пустот в слитке. При нормальной рас-кисленности, когда интенсивность газовыделения достаточна, над усадочной раковиной формируется «мост» пузыристого металла толщиной, достаточной для надежной изоляции раковины от атмосферы, благодаря чему последняя заваривается при прокатке. В случае перераскисления, показателем которого служит незначительная длительность «искрения» металла в изложнице, в слитках наблюдаются незначительная толщина «моста» и недостаточно изолированная усадочная раковина, что ведет к появлению дополнительной обрези.

С целью определения вида и количественного состава неметаллических включений в стали на выпуске из конвертера и в деформированных слитках проведены металлографические исследования. Для проведения исследований использовали оборудование Центра коллективного пользования «Материаловедение» ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет», в частности металлографический микроскоп OLIMPUS GX-51, оснащенный цифровой металлографической камерой и предназначенный для получения в отраженном свете светлопольных изображений микроструктуры, а также изображений в поляризованном свете и рентгенофлюоресцентный волнодисперсионный спектрометр Shimadzu ХКР-1800. Отбор проб жидкого металла для проведения исследований проводили после окончания продувки с использованием одноразовых погружных пробоотборников. Анализ неметаллических включений в пробах проводили по стандартной методике по-

луколичественного анализа по ГОСТ 1778 - 70 (увеличение 100 крат.). Сущность указанной методики заключается в сравнении наблюдаемых в нетравленом микрошлифе включений со стандартными эталонными пятибалльными шкалами. При этом шкалы охватывают неметаллические включения нескольких видов, наиболее часто встречающихся в стали (оксиды строчечные, оксиды точечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформирующиеся, сульфиды, нитриды и карбонитриды строчечные, нитриды и карбонитриды точечные, нитриды алюминия). Применяемые для оценки шкалы являются пятибалльными. При этом наименее загрязненный металл оценивается баллом 1, а наиболее загрязненный - баллом 5. В основу первого балла положена определенная площадь, занимаемая включениями и возрастающая при переходе к последующим баллам в геометрической прогрессии с множителем 2.

По полученным в результате металлографического анализа данным наиболее распространенными видами неметаллических включений в стали марки 3пс являются силикаты недеформи-рующиеся и оксиды точечные: указанные виды неметаллических включений зафиксированы во всех анализируемых пробах (см. таблицу).

При этом загрязненность включениями существенно отличается от балла 1а (единичные включения минимально фиксируемого размера) до баллов 4б (множественные крупные включения) и 5а (наиболее крупные единичные включения) (рис. 1 ).

Силикаты пластичные в виде единичных включений присутствуют только в двух пробах, оксид строчечный выявлен только в одной пробе. С целью анализа влияния химического состава стали на загрязненность неметаллическими включениями проведены дополнительные исследования. По полученным данным повышение со-

100 мкм

100 мкм

Рис. 1. Неметаллические включения в конвертерной стали: а - силикаты недеформирующиеся и оксиды точечные, балл 1а; б - силикаты недеформирующиеся, балл 5а, и оксиды

точечные, балл 2а

держания углерода на выпуске от 0,04 до 0,09 % и марганца от 0,07 до 0,15 % обуславливает значимое снижение загрязненности неметаллическими включениями (рис. 2). Влияние углерода на содержание и активность кислорода в конвертерной стали очевидно и не требует пояснений, а влияние марганца обусловлено замедлением процесса кипения в конце продувки при низком (менее 0,08 - 0,10 %) содержании углерода, что подтверждается данными работ [5 - 7].

Повышение концентрации марганца в стали в конце продувки приводит к снижению содержания кислорода, что объясняется обратной зависимостью между активностью закиси железа в шлаке и содержанием марганца в металле [8 - 11].

Таким образом, можно констатировать, что повышение содержания углерода и марганца в стали на выпуске из конвертера способствует снижению загрязненности стали неметаллическими включениями в виде силикатов недефор-мирующихся и оксидов точечных.

Проведенными исследованиями образцов подтверждено наличие значительного количества неметаллических включений в заготовках

стали марки 3пс, прокатанных из разлитых в изложницы слитков (рис. 3): силикаты недеформирующиеся (балл до 3а); оксиды точечные (балл до 2а); силикаты пластичные (балл до 2а). Также обнаружено незначительное количество сульфидов (балл 1а).

Выводы. По результатам проведенных в условиях АО «ЕВРАЗ ЗСМК» исследований установлено значимое влияние на количество дополнительной обрези слитков стали марки 3пс параметров их разливки. Так, повышение температуры разливки слитков и продолжительности «искрения» (газовыделения) слитков снижают количество дополнительной обрези слитков по внутренним дефектам, а увеличение продолжительности разливки плавки способствует увеличению количества дополнительной обрези со слитков. По полученным в результате металлографического анализа данным наиболее распространенными видами неметаллических включений в стали марки 3пс на выпуске из конвертера и в деформированных слитках являются силикаты недеформи-рующиеся и оксиды точечные.

3 ж л

3 0

0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Содержание углерода, %

0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 Содержание марганца, %

Рис. 2. Влияние содержания углерода (а) и марганца (б) в стали на выпуске из конвертера на загрязненность

неметаллическими включениями: ◊ - силикаты недеформирующиеся; □ - оксиды точечные; --- - линейный (силикаты недеформирующиеся); - - - - линейный (оксиды точечные)

б

а

б

а

2 з-

II

2-- , 1

X

\ •

X

V.

X'

100 мкм

б

1

Ч 2

• 2 -»/

Чу

100 мкм

Рис. 3. Микроструктура слитков стали марки 3пс после деформации: 1 - силикаты недеформирующиеся; 2 - оксиды точечные; 3 - силикаты пластичные; 4 - сульфиды

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Уманский А.А. Исследование процессов формирования качества металлопродукции ответственного назначения на переделе сталь-прокат // Фундаментальные исследования. 2014. № 8-2. С. 335 - 339.

2. Кадыков В.Н., Уманский А.А. Применение статистических моделей для оптимизации технологии производства заготовок из слитков // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 6. С. 20 - 22.

3. Кадыков В.Н., Уманский А.А., Протопопов Е.В.Формирование качества стальных заготовок. - Новокузнецк: изд. Сибирского государственного индустриального университета, 2012. - 220 с.

4. Кузнецов И.С., Прахов А.Е., Уманский А.А., Рубцов Ю.Т. Влияние технологических факторов на качество поверхности заготовок конструкционных сталей // Сталь. 2008. № 4. С. 43 - 46.

5. Казачков Е.А., Климанчук В.В. Окисленность конвертерной ванны в конце плавки низкоуглеродистой стали // Вестник Приазовского государственного технического университета. 2008. Вып. 18. С. 41 - 43.

6. Назюта Л.Ю., Денисенко В.С. Анализ окис-ленности конечного металла при выплавке стали в большегрузных конвертерах // Вестник Приазовского государственного технического университета. 2011. Вып. 22. С. 68 - 76.

7. Гальперин Г.С., Бученков А.К., Александров А.И., Болотников В.В. Исследование окис-ленности стали в 350-т конвертерах // Сталь. 1996. № 1. С. 28 - 29.

8. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. - М.: Металлургия, 1975. - 376 с.

9. Баптизманский В.И., Охотский В.Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. - Киев; Донецк: Вища школа, 1981. - 184 с.

10. Бойченко Б.М., Охотский В.Б., Харлашин П.С. Конвертерное производство стали: теория, технология, качество стали, конструкции агрегатов, рециркуляция материалов и экология: учебник. - Днепропетровск: Днепр-ВАЛ, 2006. - 454 с.

11. Шишкин Ю.И., Торговец А.К., Григорова О.А. Теория и технология конвертерных процессов. - Алматы: Fbrnbrn, 2013. - 192 с.

© 2019 г. А.А. Уманский, Я.В. Денисов Поступила 27 апреля 2019 г.