Обработка стали 110Г13Л барий-стронциевыми карбонатами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

п гтгг^ г кгатгргот] IOQ

-а (58), 2010/ U«

It is shown that modification of steel with bariumstrontium carbonates promotes grinding of carbide impurities and decrease of their quantity in cast condition.

В. А. РОЗУМ С. П. ЗАДРУЦКИЙ, А. П. БЕЖОК, И. И. БАЕШКО, БНТУ, Г. П. ГОРЕЦКИЙ, ФТИ НАН Беларуси, Р. Н. ЧАЙЧИЦ, В. С. ГАЙКЕВИЧ, ОАО «БЭЗ»

УДК 621.74

ОБРАБОТКА СТАЛИ 110Г13Л БАРИй-СТРОНЦИЕВЫМИ КАРБОНАТАМИ

В последнее время при изготовлении стальных отливок большое внимание уделяется модифицированию жидких расплавов. При модифицировании происходит улучшение стали, которое включает измельчение структуры зерна; уменьшение количества неметаллических включений и изменение их морфологии; дополнительное раскисление и рафинирование стали.

В процессе модифицирования также изменяются и технологические свойства стали, повышаются жидкотекучесть, трещиноустойчивость отливок и снижается склонность стали к образованию дефектов газоусадочного характера.

Изменение структуры зерна, уменьшение количества неметаллических включений и придание им более благоприятной формы способствуют повышению пластических свойств металла. Модифицирование стали снижает ликвацию, тем самым, повышает равномерность распределения в отливке углерода, серы и фосфора. Для модифицирования сталей чаще всего используются алюминий, магний, щелочноземельные и редкоземельные металлы. Применение активных элементов для обработки сталей в виде лигатур снижает упругость пара этих элементов, что позволяет значительно повысить их растворимость. Обработка стали комплексными присадками повышает эффект модифицирования. Термодинамический анализ показывает, что кальций, барий, стронций и церий могут образовывать соединения с примесями, находящимися в стали (фосфор, сера, свинец, олово), т. е. они являются сильными дефосфораторами и десульфу-раторами и нейтрализуют вредное влияние цветных металлов.

В настоящее время ферросплавными заводами России и Украины для модифицирования сталей выпускается широкая гамма модификаторов, в том

числе силикокальций СК30, содержащий до 30% кальция, силикобарий SiBa с содержанием бария до 4%, ферросиликостронций с содержанием стронция до 11,4% и лигатуру ФС30РЗМ30 с содержанием РЗМ > 30%.

Однако кремнистые модификаторы не всегда могут быть использованы при выплавке сталей. Наличие кремния в модификаторах особенно нежелательно при обработке низкокремнистых сталей, в том числе для слитков и слябов, а также изделий ответственного назначения.

В связи с этим представляет интерес применение для модифицирования природного барий-кальций-стронциевого минерала, содержащего щелочноземельные элементы в полном наборе. Технологические свойства карбонатов позволяют использовать их в металлургических процессах для производства высококачественных сталей. Преимущество этого материала перед другими модификаторами заключается в том, что он одновременно рафинирует расплав от газов и неметаллических включений и оказывает модифицирующее действие на металл. Вследствие этого повышаются механические и литейные свойства металла и улучшаются литейные характеристики расплава.

Введение в расплав сталей барий-стронциевых карбонатов сопровождается интенсивным выделением СО2 в виде мелких пузырьков по всему объему металла, что обеспечивает удаление неметаллических включений и газов из расплава.

Адсорбция вредных примесей и газов повышает жидкотекучесть стали, трещиноустойчивость, прочность, износо- и хладостойкость.

Присутствие в природном минерале таких активных элементов, как барий, стронций, кальций и др., позволяет использовать его взамен дорогостоящих и дефицитных лигатур и ферросплавов.

90

шиИ г: гл^ггтллтгггггт

4 (58), 2010-

При вводе природных барий-стронциевых карбонатов в расплав восстановление щелочноземельных элементов происходит из оксидов.

Термодинамические расчеты, проведенные авторами [1], показали, что восстановление карбонатов алюминием, кремнием и углеродом происходит по экзотермическим реакциям с образованием силицидов и алюминатов.

Энергия, выделяющаяся при восстановлении СаО, SrO и ВаО кремнием, алюминием и углеродом, незначительная и составляет порядка 4050 ккал/кг. Скорость и полнота протекания реакций зависят от температуры и термодинамической активности восстановителей, а значит, от химического состава стали (содержания углерода, кремния) и технологии ее выплавки (температуры перегрева, вида и количества применяемого раскис-лителя и т. д.).

Учитывая результаты, полученные при внедрении этого материала на ряде литейных предприятий России, была опробована технология модифицирования стали 110Г13Л на Белоозерском энергомеханическом заводе (Республика Беларусь) и Марганецком рудоремонтном заводе (Украина). Отладку технологии модифицирования на первом этапе проводили в лабораторных условиях. Металл плавили на индукционной печи емкостью 10 кг. Тигель набивали основной футеровкой, состоящей из 60% магнезитового порошка, 40% электрокорунда и борной кислоты. В качестве шихты использовали лом марганцовистой стали, ферромарганец ФМн80. Для раскисления применяли алюминий. Плавку проводили методом переплава, при этом для наведения шлаков использовали известняк с плавиковым шпатом. В процессе плавки проводили диффузионное раскисление смесью графитизи-рованного коксика с ферросилицием ФС-70. Мо-

Рис. 1. Микропроцессорная система для снятия кривых охлаждения

дифицирующую обработку расплава проводили за 10 мин до слива металла из тигля. При этом модификатор заворачивали в стальную фольгу и вводили в расплав на кварцевой трубке. Расход модификатора составлял 0,4-0,8% от массы обрабатываемого металла.

Температуру металла контролировали платиновой термопарой. Для анализа структуры металла заливали бруски размером 10^10^100 мм, из которых вырезали образцы. После выплавки стали и проведения процесса модифицирования в печи замеряли активность кислорода, используя датчики окисленности. Параллельно исследовали процесс кристаллизации путем снятия кривых охлаждения, для чего использовали микропроцессорную систему (рис. 1).

Химический состав стали при проведении опытных плавок находился в пределах: С - 1,01,2%; Si - 0,4-0,6; Мп - 10,0-12,0; S - 0,04; Р -0,07%.

Металлографические исследования структуры стали проводили с помощью оптического микроскопа МИМ-8 при увеличении 100-300. Ликвацию элементов по зерну аустенита исследовали рентге-носпектральным методом на электронном микро-

Величина добавки карбоната,

Рис. 2. Изменение а0 от количества вводимой присадки

Рис. 3. Изменение переохлаждения от количества вводимой присадки

аггг^ г: гл^ггтллтгггггт /01

-4 (58), 2010 I ЧШ Я

Рис. 4. Структура стали в литом состоянии: а - без обработки; б - после обработки карбонатами

Рис. 5. Неметаллические включения по границам зерен: а - немодифицированной стали; б - после модифицирования

скопе «Wega ILLMY» с микроанализатором «InCa-enrgu 350». Исследования показали, что с увеличением вводимой присадки от 0,4 до 0,7% активность кислорода снижается до 0,001%, а при дальнейшем увеличении присадки практически не изменяется (рис. 2).

Аналогичный характер носит и зависимость изменения переохлаждения. Минимальное значение ~ 10 °С достигается при добавке карбоната 0,7% (рис. 3).

Структура металла в литом состоянии до термической обработки без модифицирования представляла собой аустенит, по границам и телу которого располагалось большое количество карбидных включений (рис. 4). После модифицирующей обработки структура стали несколько изменилась, уменьшился размер и количество карбидных включений. Размер зерна незначительно снизился до 3-4 балла по сравнению с 2-3 баллом в немодифицированной стали.

Исследование неметаллических включений по границам зерен в немодифицированной стали при большем увеличении показало наличие в них, кро-

ме карбидных включений, фосфидной эвтектики, что не наблюдалось в сталях после модифицирования (рис. 5).

Модифицирующая обработка повлияла на распределение углерода по аустенитному зерну, которое становилось более неравномерным. Были выявлены зоны с повышенной концентрацией углерода и зоны, обедненные углеродом (рис. 6).

Рис. 6. Распределение углерода по объему зерна аустенита

92/

г^г: г: гшшгггта

4 (58), 2010-

Рис. 7. Распределение марганца по объему зерна аустенита

Распределение марганца по зерну аустенита после модифицирования становилось более равномерным (рис. 7).

При увеличении количества вводимой карбо-натсодержащей присадки повышалась ударная вязкость КСи, Дж/см2 (рис. 8). Максимальные значения ударной вязкости были получены уже при 0,6-0,7% и составляли 2,7-2,8 МДж/см2. Дальнейшее повышение вводимой присадки практически не изменяло величину ударной вязкости, что подтверждало данные, приведенные в работе [2].

С учетом полученных результатов были проведены работы по освоению технологии выплавки стали 110Г13Л в производственных условиях.

На Белоозерском энергомеханическом заводе плавку стали осуществляют в дуговой сталеплавильной печи емкостью 3 т с основной футеровкой. Из стали 110Г13Л изготавливают отливки для горнодобывающей промышленности и энергетики (зубья экскаваторов, дробящие плиты, брони футе-ровок и т. д.). По технологии металл плавят как методом окисления, так и переплава. Опытные плавки с использованием барий-стронциевых карбонатов вели методом переплава.

Модифицирующую обработку стали проводили в два этапа. На первом этапе за 10-20 мин до

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Величина добавки карбоната, мас.%

Рис. 8. Изменение ударной вязкости от количества вводимой присадки

слива металла из печи на зеркало подавали барий-стронциевые карбонаты в количестве 0,35% от массы обрабатываемого металла. На втором этапе при заполнении ковша на 1/3 его емкости модификатор в количестве 0,35% подавали на желоб. Температура расплава в печи составляла 1520-1540 °С. Разливку металла проводили после выдержки в течение 5-10 мин при температуре 1480-1490 °С. Сталь имела следующий химический состав: С -1,09-1,24%; Si - 0,48-0,83; Мп - 12,1-13,4; Сг -0,5-0,86; Р - 0,04-0,08; S - 0,03-0,05%.

В процессе проведения опытных плавок контролировали структуру металла и механические свойства. Анализ структуры и свойств металла показал, что при обработке расплава барий-стронциевыми карбонатами структура металла в литом состоянии имеет более чистые границы зерен по сравнению со сталью, выплавляемой по традиционной технологии (рис. 9).

При заливке проб на изгиб не наблюдалось дефектов в виде усадочной пористости, что характерно при плавке по традиционной технологии.

Анализ механических свойств показал, что за счет модифицирования ударная вязкость по срав-

Рис. 9. Структура стали в литом состоянии: а - по традиционной технологии; б - после обработки карбонатами

_гг кгатггг ггг / оо

-4 (58), 2010/ «III

Т а б л и ц а 1.

Показатель По традиционной технологии После обработки карбонатами

Временное сопротивление ств, МПа 550-600 650-750

Относительное удлинение 5, % 15-19 20-15

Ударная вязкость КСи, Дж/см2 180-230 240-270

нению с обычным переплавом повысилась на 1015% и приблизилась к ударной вязкости, получаемой методом окисления. Увеличился также предел прочности и относительное удлинение (табл. 1).

Внедрение технологии модифицирования стали 110Г13Л на ОАО «БЭЗ» позволило перевести часть ответственных отливок, ранее изготавливаемых методом окисления, на метод переплава.

На ОАО «Марганецкий рудоремонтный завод» также были проведены работы по отладке технологии модифицирования стали 110Г13Л барий-стронциевыми карбонатами при производстве бронефуте-ровочных плит для дробильно-размольного оборудования, зубьев ковшей экскаваторов.

Плавки металла проводили в 3-тонной дуговой печи с основной футеровкой методом переплава. В качестве шихты использовали лом Б-22, возврат стали 110Г13Л (85%), лом 2А и собственный возврат стали 35Л (15%). Корректировку проводили ферромарганцем ФМн78 и ФМн88. Металл модифицировали по принятой технологии, вводя в печь за 20-30 мин до выпуска металла в конце восстановительного периода 50% расчетного количества барий-стронциевого карбоната фракции 40-70 мм. Вместе с карбонатами подавали раскислительную смесь. Добавки подавали равномерно по всей поверхности шлака и затем все тщательно перемешивали. Оставшиеся 50% расчетного количества фракции 1-10 мм вводили на струю при выпуске металла из печи в ковш. Температура металла в ковше была 1490-1510 °С. Температура заливки форм составляла 1440 °С.

Заливали детали дробильно-размольного оборудования. Для анализа механических свойств параллельно заливали пробные бруски. Структуру исследовали до и после термической обработки.

Металлографическими исследованиями установлено, что модифицированная сталь в литом состоянии отличается от стали серийных плавок бо-

Рис. 10. Структура стали после модифицирования карбонатами в литом состоянии

лее чистыми границами зерен, количество карбидных включений значительно уменьшилось (рис. 10).

После термической обработки структура стали состояла из аустенита как при серийных плавках, так и с применением модификаторов.

Анализ химического состава стали 110Г13Л показал, что плавки, проводимые с применением барий-стронциевых карбонатов, отличаются от рядовых плавок меньшим содержанием фосфора и серы (табл. 2).

При обработке барий-стронциевыми карбонатами повысились механические свойства стали, ударная вязкость увеличилась почти на 30% (табл. 3).

Контроль эксплуатации изделий показал, что стойкость броней увеличилась на 20-25%. Кроме того, было отмечено снижение концентрации оксида марганца в шлаке с 13 до 7%.

С целью определения влияния модифицирования карбонатами на свойства отливок из стали 110Г13Л были проведены исследования структуры до и после проведения термической обработки. Термообработку проводили на лабораторной печи LH09/13 с максимальной температурой нагрева

Т а б л и ц а 2.

Номер плавки Метод обработки Химический состав,%

С Мп Si р S

180 Плавка с модифицированием 1,33 13,60 0,79 0,107 0,015

181 Плавка без модифицирования 1,34 12,70 0,67 0,103 0,018

185 Плавка с модифицированием 1,12 12,30 0,64 0,086 0,0105

186 Плавка с модифицированием 1,10 11,75 0,57 0,094 0,013

94

шиИ г: гл^ггтллтгггггт

4 (58), 2018-

Т а б л и ц а 3.

Показатель Переплав без модифицирования Переплав с модифицированием

плавка № 180 плавка № 181 плавка № 185 плавка № 186

Временное сопротивление ств, МПа 565,5 570,1 685,0 730,0

Предел текучести ст02, МПа 327 330 355 355

Относительное удлинение 5, % 17,1 19,2 25,0 28,0

Относительное сужение Т, % 15 15 18 22

Ударная вязкость КСи, Дж/см2 170 170 220 230

Рис. 11. Влияние времени выдержки на скорость растворения карбидных включений: а - модифицированная сталь; б - не-

модифицированная сталь

13000С. Образцы для микроструктурных исследований изготавливали из отливок ударных образцов. Их выдерживали при 1050 °С 1, 2, 3 и 4 ч и поочередно заливали в воду.

В литом состоянии сталь, модифицированная карбонатами (рис. 11), отличается от немодифици-рованной меньшим содержанием карбидов и величиной аустенитного зерна.

После 1 и 2 ч выдержки оба вида образцов имеют нерастворенные карбиды, но в модифицированной стали их было меньше. После 3 ч выдержки в немодифицированной стали сохраняется небольшое количество карбидов, в модифицированной они отсутствуют. После 4 ч выдержки карбиды отсутствуют и в немодифицированной стали. Более быстрое растворение карбидов типа ^е,

всей вероятности, происходит из-за того, что они более мелкие и количество их меньше.

Результаты лабораторных исследований и опытных плавок, проведенных в производственных условиях, показали, что модифицирование стали барий-стронциевыми карбонатами способствует измельчению карбидных включений и уменьшению их количества в литом состоянии. Термическая обработка модифицированных отливок привела практически к полному растворению карбидов, что способствует повышению их эксплуатационной стойкости.

Внедрение технологии модифицирования стали 110Г13Л карбонатами на Белоозерском энергомеханическом заводе ликвидировало рекламации по структурному состоянию отливок и их эксплуатационным свойствам.

Мп)зС в модифицированной стали 110Г13Л, по

Литература

1. Э л л и о т Д. Ф., Г л е й з е р М., Р а м а к р и ш н о В. Термохимия сталеплавильных процессов. М., 1969.

2. И в а к и н В. Л., Ч е р н я к С. С., П и м н е в Д. Д. Новая технология повышения качества металлов и сплавов барий-стронциевым карбонатом. Иркутск, 2004.