УДК 621.74.046
ОБРАБОТКА РАСПЛАВА АРГОНОМ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И КАЧЕСТВО ПОЛУНЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ
© 2015 В.В. Аникеев
Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 23.11.2015
Приведены результаты освоения технологии полунепрерывного литья стальных слитков с продувкой аргоном при разливке и кристаллизации. Показаны конструктивные и технологические особенности литья. Приведены данные по качеству слитков.
Ключевые слова: полунепрерывное литье, сталь, слиток, технология, аргон, продувка, качество
Непрерывная и полунепрерывная разливка стали получила широкое применение благодаря высокой степени механизации производства слитков. В настоящее время имеется тенденция увеличения массы и сечения непрерывно- и по-лунепрерывнолитых слитков, предназначенных для прокатного и кузнечного производства, электрошлакового и вакуумнодугового переплава, при общем повышении требований к качеству металла. Широкое развитие непрерывной и полунепрерывной разливки легированной стали сдерживается специфическими особенностями затвердевания, при которых наличие осевой пористости и осевой ликвации, особенно при высоком содержании углерода, приводит к несоответствию качества получаемых заготовок предъявляемым требованиям. Варьирование традиционными параметрами выплавки и разливки (температурой металла, скоростью разливки, интенсивностью вторичного охлаждения) не улучшает макроструктуры литых заготовок из легированной и высокоуглеродистой стали.
Дефекты литого металла связаны с особенностями кристаллизации слитков и вызваны следующими причинами:
- малой скоростью охлаждения стали при переходе жидкого в твердое состояние, которая приводит к развитию диффузии и зональной ликвации;
- наличием температурного градиента по сечению слитков, вызывающим образование различных кристаллических зон и различных видов физической и структурной неоднородности литого металла;
- интенсивностью теплоотвода, оказывающего влияние на градиент температур по сечению слитка.
Основными направлениями активного
Аникеев Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии». E-mail: tlp@samgtu.ru
воздействия на формирование структуры слитков являются: интенсификация тепло- и массо-обмена в объеме затвердевающего металла, выравнивание градиента температур и усреднение химического состава внутри слитков, интенсификация теплообмена с окружающей средой, разрушение фронта кристаллизации. Указанные цели могут быть достигнуты с помощью внешних воздействий на кристаллизующийся металл: механическое и электромагнитное перемешивание, продувка кристаллизующегося металла инертными газами, низкочастотная и ультразвуковая вибрация, электроимпульсная обработка и др. [15]. Среди простых и эффективных способов воздействия на кристаллизующийся непрерывно- и полунепрерывнолитой слиток находит применение способ продувки металла инертным газом (аргоном) в процессе разливки и кристаллизации стали.
Цель работы: исследование влияния продувки аргоном при разливке и кристаллизации на качество полунепрерывнолитых стальных слитков.
При выполнении работы решались следующие задачи: разработано и изготовлено устройство для подачи аргона в кристаллизатор машины полунепрерывного литья, исследовано влияние продувки аргоном на качество получаемых слитков (геометрические размеры, качество поверхности, макроструктура, ликвация элементов, содержание неметаллических и газовых включений, плотность) и качество поковок.
Исследования выполняли на промышленных полунепрерывнолитых слитках диаметром 500 мм массой 3,0-3,2 т стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ в Краматорском НИИПТмаш.
Продувку аргоном осуществляли с помощью специально изготовленного устройства (рис. 1), состоящего из баллона 1 с аргоном марки «А» ГОСТ 10157-79), редуктора высокого давления 2, магистрального провода 3, запорного крана 4, редуктора низкого давления 5, игольчатого
клапана 6, ротаметра 7 и погружного устройства -фурмы 8. Подачу аргона регулировали редуктором низкого давления 5 и игольчатым клапаном 6 так, чтобы обеспечить максимально возможный расход газа, при котором шлаковый покров поверхности металла не разрывался. Расход газа контролировали ротаметром РМ063.
Рис. 1. Устройство подачи аргона в кристаллизатор машины полунепрерывного литья
Продувку аргоном начинали с началом вытягивания слитка из кристаллизатора и продолжали в течение * 0,7 времени затвердевания слитка по окончании разливки. Влияние продувки аргоном при разливке и кристаллизации стали на качество слитков характеризовали геометрическими параметрами поперечного сечения слитков, качеством поверхности, макроструктурой, химической однородностью, содержанием неметаллических, газовых включений и плотностью по высоте и сечению слитков. Анализ полученных результатов показывает, что точность поперечного сечения слитков, независимо от марки разливаемой стали, отлитых с продувкой аргоном, сохраняется по всей их высоте; овальность не превышает 0,2%; изгиб слитков отсутствует. Поверхность слитков, отлитых с продувкой аргоном, также независимо от марки разливаемой стали, характеризуется отсутствием видимых дефектов: заворотов корки, плен и шлаковых включений. Дополнительной обработки поверхности слитков (зачистки, вырубки по дефектам) перед дальнейшими переделами (ковкой, прессованием) не требовалось. Характерная поверхность слитков из стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ, отлитых с продувкой аргоном, представлена на рис. 2.
Рис. 2. Поверхность слитков диаметром 500 мм из стали марок: а - 12ХН3А (справа - поверхность слитка, отлитого по обычной технологии без применения аргона);
б - 9Х2МФ
При переходе с обычной технологии на литьё слитков с продувкой аргоном, качество их поверхности улучшается. Макроструктура слитков и серный отпечаток по Бауману (поперечное сечение) из стали марки 9Х2МФ, отлитого с продувкой аргоном, представлены на рис. 3. Макроструктура слитков, плотная, без видимых дефектов, со слабо выраженной несплошностью в осевой зоне. Ликвация серы на серных отпечатках по Бауману не выявлена. Химический состав по высоте и сечению слитков из стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ по основным элементам: углероду, марганцу, кремнию, хрому, никелю, молибдену, ванадию, однороден.
ОЙЖкШ№ -[ . -
«Щж! I
-- ' " |Щ р
чг^ж а: *■■ '^даШйч»* ш ¿>1 ■'
■ 1Г..ЙЛ ■■%'.■
■; V. "V Л" '■Чг'Ч'.,;;' ' м -
: :■■ ■ / . •
- --
: . ":: * 'л ■::■■; .': - • * ■
Зав
б)
Рис. 3. Макроструктура слитка диаметром 500 мм (а) и серный отпечаток по Бауману (б) слитка диаметром 500 мм из стали марки 9Х2МФ
Основным видом неметаллических включений в слитках из стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ, отлитых с продувкой аргоном, являются оксиды и сульфиды размером до 20 мкм, равномерно распределенные по высоте и сечению слитков. Отмечается некоторое увеличение объемного процента включений в осевой зоне слитков. Включения более крупных размеров в металле практически не встречаются. Данные по содержанию неметаллических, газовых включений и плотности в слитках из стали марки 9Х2МФ приведены в табл. 1.
Таблица 1. Содержание неметаллических включений, газов и плотность по высоте и сечению слитков диаметром 500 мм из стали марки 9Х2МФ, отлитых с продувкой аргоном
Марка Уровень отбора образцов Место отбора образ- Содержание неметаллических включений, % объемн., Содержание газов, % в т.ч. Плотность, г/см3
стали от верха цов по в т.ч.
слитка, сече- оксиды сульфиды кислород азот
мм нию
9Х2МФ 350 край 0,0224 0,0263 0,0029 0,0061 7,767
1/2Я не опр. не опр. 0,0026 0,0054 7,753
центр 0,0387 0,0291 0,0033 0,0110 7,710
1100 край 0,0210 0,0256 0,0031 0,0075 7,771
1/2Я не опр. не опр. 0,0016 0,0077 7,749
центр 0,0355 0,0283 0,0030 0,0136 7.733
Кислород и азот по высоте и сечению слитков, отлитых с продувкой аргоном, распределены равномерно: их общее содержание находится в пределах 0,0016-0,0033% для кислорода и 0,00540,013% для азота. Плотность металла по высоте и сечению слитков, в том числе, в осевой зоне, отлитых с продувкой аргоном, находится в пределах 7,733-7,771 г/см3. Следует отметить, что продувка металла аргоном благотворно влияет на качество отливаемых слитков: при переходе с
обычной технологии на литьё слитков с продувкой аргоном содержание неметаллических включений снижается на 15-25%, содержание газов - в 1,5-2,0 раза, плотность повышается на 10-15%.
Из слитков стали марки 12ХН3А, отлитых с продувкой аргоном, были изготовлены поковки номенклатуры опытного завода НИИПТмаш (плиты УСП - универсальных сборных приспособлений). Данные по переделу (ковке) слитков представлены в табл. 2-4.
Таблица 2. Результаты ковки слитков диаметром 500 мм из стали марки 12ХН3А,
отлитых с продувкой аргоном
Количество проконтролированных слитков, щт Масса слитка, т Отходы, % Выход годного поковок, %
верх низ
47 3,2 13,6-13,9 4,3-4,7 72,0-75,5
Таблица 3. Характеристика макроструктуры поковок из слитков стали марки 12ХН3А,
отлитых с продувкой аргоном
Характеристика макроструктуры Результаты контроля
шт. %
бездефектная 7 21,8
точечная неоднородность 1 - 2 баллов 9 28,1
остатки дендритной структуры 12 37,5
пятно темной травимости в центре 2 6,3
пятно светлой травимости в центре 3 9,4
остатки усадочной раковины 3 9,4
послойная кристаллизация у поверхности 1 3,1
центральная пористость 1 балла 1 3,1
флокены 1 3,1
Анализ представленных данных показывает, что выход годного поковок (плит УСП) из слитков, отлитых с продувкой аргоном, находится в пределах 72,0-75,5%, что в среднем на 10% выше в сравнении со слитками, отлитыми по обычной технологии (без продувки аргоном). Кованый металл стали марки 12ХН3А, отлитых с продувкой аргоном отличается, прежде всего, отсутствием пятнистой ликвации, шлаковых включений по сечению слитков,
резким снижением количества темплетов с пятнами повышенной травимости в центре. Количество слитков с бездефектной макроструктурой возросло на 20%. Результаты механических испытаний кованого металла стали марки 12ХН3А показывают, что уровень механических свойств поковок из слитков, отлитых с продувкой аргоном, превышает на 14-20% свойства поковок из слитков, отлитых по обычной технологии (без продувки аргоном).
Таблица 4. Механические свойства поковок из слитков стали марки 12ХН3А,
отлитых с продувкой аргоном
Механические свойства Среднее значение
предел текучести ат, МПа 389
временное сопротивление разрыву ав, МПа 556
относительное удлинение 5, % 24
относительное сужение у, % 57
ударная вязкость КСИ, кДж/м2 1674
Примечание: вид термической обработки - изотермический (противофлокенный) отжиг; направление образцов - поперечное; место отбора образцов - 1/3 радиуса от поверхности поковки; количество проконтролированных поковок - 18.
Выводы: обработка расплава аргоном при разливке и кристаллизации полунепре-рывнолитых стальных слитков позволяет получать слитки правильной формы, с бездефектной поверхностью, плотной макроструктурой, без ликвации элементов. Содержание неметаллических включений (оксиды, сульфиды) снижается на 15-25%, содержание газов (кислород, азот) - в 1,5-2,0 раза, плотность повышается на 10-15%. Выход годного поковок повышается в среднем на 10% до 72,0-75,5%; кованый металл
по макроструктуре и механическим свойствам удовлетворяет предъявляемым требованиям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефимов, В.А. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов / В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов. - М.: Металлургия, 1995. 272 с.
2. Ефимов, В.А. Технологии современной металлургии / В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов. - М.: Новые технологии, 2004. 784 с.
3. Бровман, М.Я. Непрерывная разливка металлов. - М.: «ЭКОМЕТ», 2007. 484 с.
4. Суворов, В.В. Улучшение качества крупных слитков, отлитых на МПНЛЗ с перемешиванием аргоном / В.В. Суворов, И.К., Марченко, Г.А. Ха-син, Б.Я. Скорняков // Сталь. 1980. №4. С. 288289.
5. Марченко, И.К. Новые технологические процессы в полунепрерывном литье / И.К. Марченко, В.В. Аникеев, М.Я. Бровман и др. // Механизация и автоматизация работ в литейном производстве: сб. науч. тр. - Краматорск: НПО «НИИП-Тмаш», 1988. - С. 25-34.
MELT PROCESSING BY ARGON AT CRYSTALLIZATION AND QUALITY OF SEMI-CONTINUOUS CASTING OF STEEL INGOTS
© 2015 V.V. Anikeev
Samara State Technical University
Results of development the technology of semi-continuous casting of steel ingots with argon blowing during casting and crystallization are given. Design and technological features of casting are shown. Data on ingots quality are provided.
Key words: semi-continuous casting, steel, ingot, technology, argon, blowing, quality
Vladimir Anikeev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Foundry and High Effective TechnologiesE-mail: tlp@samgtu.ru