CC BY
15
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2001р. Вип.Ш1
УДК 621.746.628
Макуров С.Л.1, Казачков Е.А.2, Логутова Т.Г.3
ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И КАЧЕСТВО ДВУХСЛОЙНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СЛИТКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИСТА
Расчетным и экспериментальным путем изучены процессы, влияющие на качество двухслойного горизонтального слитка, отливаемого с применением электрошлакового обогрева (ЭШО). Предложены новые технологические решения, позволившие увеличить выход годного и улучшить качество биметаллического слитка и листа при одновременном снижении расхода электроэнергии.
Важной проблемой развития металлургии Украины в условиях рыночной экономики и свободной конкуренции является снижение материало- и энергоемкости продукции.
Существенным резервом экономии легирующих металлов (хрома, никеля, молибдена, титана, ниобия и др.) является производство композитных материалов, в частности биметалла.
В биметаллическом прокате при экономном расходовании дорогостоящих коррозион-ностойких сталей обеспечивается сочетание антикоррозионных свойств с высокой механической прочностью, что в свою очередь снижает металлоемкость готовой продукции.
В настоящее время биметаллические заготовки получают преимущественно способами заливки, совместной пластической деформации, наплавки, соединения взрывом. Основную долю в общем объеме производства двухслойных сталей составляют стали композиции конструкционная +коррозионностойкая.
Перечисленные способы лишь частично удовлетворяют потребности в двухслойной стали, т.к. они имеют ограничения по толщине и композиции получаемого биметалла, большую трудоемкость подготовительных работ, малую производительность, низкий выход годного.
Перспективным направлением получения биметаллических заготовок является отливка плоских горизонтальных слитков с применением электрошлакового обогрева [1].
Сущность способа заключается в получении горизонтального двухслойного слитка путем заливки жидкого металла на твердую матрицу и последующей направленной кристаллизацией с применением электрошлакового обогрева. Способ имеет невысокую трудоемкость подготовительных работ и сравнительно легко осуществим в производственных условиях. Зона сплавления получаемого биметалла характеризуется высокой прочностью соединения слоев.
Наряду с преимуществами, способ имеет и недостатки, которые требуют его усовершенствования. Неравномерный подвод тепла к матрице при обогреве способствует неодинаковому ее подплавлению, а, следовательно, образованию разнотолщинности слоев в слитке и разбавлению плакирующего слоя.
Целью работы явилось улучшение качества двухслойных слитков, получаемых с применением электрошлакового процесса, путем создания условий для равномерного обогрева матрицы и корректировки режимов кристаллизации плакирующего слоя, позволяющих устранить поверхностные дефекты и снизить трудоемкость подготовки слитков к прокатке.
Для достижения поставленной цели были проведены расчетные и экспериментальные исследования теплофизических процессов, происходящих при получении плоского горизонтального двухслойного слитка массой 4,5 т [1,2]. Проведенные расчетные исследования [2] позволили установить, что мощность электрошлакового обогрева на начальном этапе затвердевания плакирующего слоя должна быть минимальной ( исключающей затвердевание шлака). В то же время на затвершающем этапе необходим более интенсивный обогрев с целью формирования здорового поверхностного слоя металла. Удельная мощность такого обогрева не должна превышать значений, вызывающих подплавление закристаллизовавшегося металла
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
(0,4-0,8 МВт/м2 согласно расчетам [2]). При этом требуется обеспечить по возможности плоский фронт кристаллизации плакирующего слоя, что в свою очередь является сложной технологической задачей.
Глубину металлической ванны при затвердевании слитка определяли в девяти точках с помощью метода зондирования ее стальным прутком [3]. Схема расположения точек измерений представлена на рис. 1.
МЦЩ
'1 1
Рис. 1 Рис. 2
Рис.1 - Схема кристаллизации и зондирования плакирующего слоя биметаллического слитка, полученного с применением электрошлакового процесса. Цифрами показаны номера точек зондирования
Рис.2 - Изохроны кристаллизации плакирующего слоя слитка при удельной мощности ЭШО 0,64-0,65 МВт/м2: а крайнее продольное сечение; б- центральное продольное сечение; цифры у кривых - продолжительность кристаллизации, с
На рис. 2 представлены изохроны кристаллизации плакирующего слоя при оптимальной мощности ЭШО на завершающем этапе затвердевания (0,8 МВт/м2). Проведенные в работе 111 исследования температурного поля матрицы показали, что ее края в процессе нагрева имеют более низкую температуру по сравнению с центральной областью (различие до 200"С). Меньшее влияние на начальном этапе затвердевания оказывает кристаллизатор, т.к. он отделен от матрицы слоем теплоизоляционного порошка.
Последнее обстоятельство определяет выпуклую форму изохрон кристаллизации на начальном этапе. В процессе дальнейшего затвердевания металла влияние кристаллизатора усиливается, а форма металлической ванны становится вогнутой.
На затвердевание зон плакирующего металла, примыкающих к короткой стороне слитка, оказывает также влияние размещение электродов относительно слитка: края слитка обогреваются менее интенсивно, чем его центральная часть.
Для получения плоского фронта затвердевания, т.е. достижения минимальной разно-толщинности биметалла был предложен режим движения кристаллизатора с остановками в крайних положениях [4]. Это дало возможность, в известной мере, выравнять скорость кристаллизации нержавеющей стали в центральных и крайних зонах слитка.
Внедрение оптимальных режимов ЭШО привело к снижению расхода электроэнергии с 90 до 55,5 кВт час/т стали. Однако изменением режимов ЭШО не удалось полностью исключить усадочные дефекты металла. Их удаляли путем механической обработки поверхностного слоя слитка перед прокаткой.
С целью улучшения формы фронта кристаллизации был разработан способ дифференцированного отвода тепла от заготовки [5]. Сущность его состоит в том, что отвод тепла от нижнего основания матрицы в поддон на участках, прилегающих к ее коротким сторонам протяженностью 0,1-0,3 длины матрицы снижают на 10-60% по сравнению с отводом тепла от центра заготовки.
Для дополнительного улучшения качества поверхностного слоя металла был разработан и внедрен в производство способ получения двухслойного слитка с боковым питанием. Он позволил дополнительно уменьшить расход нержавеющей стали на 34 кг/т и снизить трудоемкость подготовки слитков к прокатке за счет выведения усадочных дефектов в зону, удаляемую в обрезь [6].
Перечисленные выше мероприятия существенно улучшили качество биметаллических слитков и получаемых из них двухслойных листов.
Для исследования качества металла разрезали три горизонтальных биметаллических слитка (два опытных и один сравнительный) размерами 0,380x0,920x1,250 м композиции 09Г2С+08Х18Н10Т, отлитых по существующей и новой технологиям.
Из каждого слитка вырезали один продольный и два поперечных темплета. После вырезки и соответствующей механической обработки темплетов от них изготовили серные отпечатки и произвели глубокое горячее травление в 50% растворе соляной кислоты.
Установлено, что литой металл плакирующего слоя исследуемых слитков плотный, по зоне сплавления с основным металлом дефектов не обнаружено. На рис. 3 приведены фрагменты макроструктуры продольного темплета опытного слитка. Они характеризуются четко выраженным столбчатым строением. Кристаллиты имеют четкую осевую (перпендикулярно зоне сплавления) направленность. Макроструктура стали 09Г2С по строению характерна для поперечного сечения обычного толстолистового катаного металла. Зона сплавления металлов ровная, бездефектная.
Химическую однородность металла плакирующего слоя стали 08Х18Н10Т оценивали на тех же биметаллических слитках путем отбора стружки для химического анализ на трех уровнях по высоте продольного и поперечного темплетов. Результаты химанализа проб показали, что распределение углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, титана в плакирующем слое слитков, отлитых как по существующей, так и по новой технологиям, можно считать равномерным.
Качество биметаллических листов, полученных из соответствующих слитков слитков, отлитых с использованием электрошлакового процесса, изучали на листах толщиной 0,008 и 0,010 м. Биметаллические листы получали в два этапа: 1 - прокатка слитка на недокат толщиной 0,140 или 0,180 м, порезка недокатов на мерные заготовки и вторичная прокатка недокатов на листы. После прокатки листы подвергали нормализации при температуре 920+10°С с охлаждением на воздухе. Размеры получаемых листов в среднем составили 5x1,85x10,00 м, где 5 -толщина листа.
Осмотр листов с обеих сторон без увеличительных приборов не выявил поверхностных дефектов. Контроль качества соединения слоев осуществляли методом УЗД всей поверхности каждого листа со стороны нержавеющей стали. Установили, что независимо от места отбора темплетов металл плакирующего слоя плотный, дефекты в нем не обнаруживаются.
Важным показателем качества биметаллического листа является разнотолщинность его слоев. Для получения объективных данных по этому фактору измерили толщину проб биметаллических листов (0,010; 0,008 м), полученных из слитков, отлитых с дифференцированным отводом тепла и боковым питанием при кристаллизации плакирующего слоя, и по существующей технологии.
а б
Рис.3 Рис.4
Рис. 3 - Фрагменты макроструктуры продольного темплета опытного биметаллического слитка композиции 09Г2С+08Х18Н10Т: а- край, б - середина
Рис. 4 - Диаграмма измерений толщин плакирующего слоя биметаллических листов, полученных после прокатки слитков, отлитых по существующей (а) и новой (б) технологиям ( в соответствии с требованиями стандарта толщина плакирующего слоя листов толщиной 0,010 м должна составлять 0,002 - 0,003 м)
Измерения производили как на пробах, отобранных из разных мест по площади листа, так и по периметру обрези. осуществляли через 0,050 м длины с помощью отсчетного микроскопа типа МПБ-2 с точностью до 0,01x10 м. В соответствии с ГОСТ 10885-75 толщина плакирующего слоя для листов толщиной 0,008 и 0,010 м составляет 0,002-0,003 м. Результаты анализа разнотолщинности слоев представлены в виде диаграмм на рис. 4.
Анализ разнотолщинности слоев в биметаллических листах, полученных из слитков, отлитых по существующей и по новой технологиям, показал, что последние имеют меньшую разнотолщинность (см. рис. 4).
Сравнительное исследование механических свойств обнаружило, что биметалл, произведенный, по новой технологии, не уступает по качеству биметаллу, полученному по существующей технологии. Опытный биметалл имеет хорошее соединение слоев, что подтвердили испытания на холодный загиб внутрь и наружу плакирующим слоем, а также испытания на срез. Испытания на срез показали, что отрыв зубца плакирующего слоя происходит по основному слою, что свидетельствует о высоком качестве зоны соединения металлов. Прочность соединения в 2-2,5 раза превышает требуемую по ГОСТ 10885-75 и составляет 295-389 МПа.
В настоящей работе уделили особое внимание исследованию коррозионных свойств биметалла, полученного по новой технологии. Объясняется это спецификой транспортировки в биметаллических цистернах активного и токсичного вещества - желтого фосфора. Результаты испытаний образцов на стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) различными методами, а также металлографические исследования их макроструктуры, показали хорошую стойкость плакирующего слоя против МКК.
Опытный биметалл был внедрен при изготовлении цистерн специального назначения для перевозки желтого фосфора (листы толщиной 0,010 м композиции 09Г2С+08Х18Н10Т). Расслоений биметаллических листов не наблюдали даже после штамповки.
В процессе изготовления котла цистерны опытный лист бездефектно выдержал весь цикл технологических операций (резка, правка, сварка, вальцовка, калибровка).
Выводы
1. На основании выполненых исследований разработаны новые способы управления процессом затвердевания горизонтального двухслойного слитка за счет изменения режима электрошлакового обогрева, условий отвода тепла и подпитки плакирующего слоя, что позволило снизить расход электроэнергии с 90 до 55 кВт ч/т стали и получить экономию нержавеющей стали в размере 34 кг/т биметалла.
2. Исследованием качества биметалла, полученного по новой технологии установили, что он имеет качественную макроструктуру, высокую химическую однородность, низкую разно-толщинность и достаточную стойкость к межкристаллитной коррозии, а прочность соединения слоев как в литом, так и в деформированном состоянии превосходит требуемую по стандарту в 2,0-2,5 раза.
3. Биметаллический лист толщиной 0,01 м, прокатанный из опытных слитков, был внедрен при изготовлении цистерн специального назначения для транспортировки агрессивного вещества - желтого фосфора.
Перечень ссылок
1. Исследование теплофизических процессов при электрошлаковом нагреве заготовки для производства биметалла /Казачков Е.А., Шакуров С.Л., Алакозов В. Ф. и др. //Изв. вузов. Черная металлургия. - 1984. - №1. - С. 52-56.
2. Исследование процесса кристаллизации биметаллических слитков, получаемых электрошлаковой отливкой / Казачков Е.А., Шакуров С.Л., Алакозов В. Ф. и др.// Сталь. - 1982,- №8,-С.48-50.
3. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок. - М.: Металлургия, 1973.-247 с.
4. А.с.944356 СССР, МКИ С21Б 9/20.Способ отливки биметаллического слитка / С.Л. Шакуров, Е.А. Казачков, В.Ф. Алакозов, Т.Г. Логутова и др. (СССР). - №3003919; Заявлено 04. 10.80; Бюл. №26, 1982. -С. 306.
5. А.с. .944360 СССР, МКИ С21Б 9/22. Способ получения биметаллической заготовки / С.Л. Шакуров, Е.А. Казачков, В.Ф. Алакозов, Т.Г. Логутова и др. (СССР). - № 3221294; Заявлено 22. 12.80; Бюл. №26, 1982. -С. 306.
6. А.с.1040812 СССР, МКИ С21Б 9/28. Способ получения двухслойного бесприбыльного слитка / С.Л. Шакуров, Е.А. Казачков, В.Ф. Алакозов, П.С.Нефедов, и др. (СССР).-№3408524 Заявлено 22.03.82; Бюл., №33, 1983.-С.235.
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки Украины, зав. кафедрой "Теория металлургических процессов" Приазовского государственного технического университета, окончил Московский институт стали и сплавов в 1949 году. Основные направления научных исследований - физико-химические и теплофизические основы новых перспективных процессов выплавки, внепечной обработки и разливки стали.
Макуров Сергей Леонидович. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Теория металлургических процессов", окончил Мариупольский металлургический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - физико-химические свойства металлургических расплавов, совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали.
Логутова Тамара Григорьевна. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Теория металлургических процессов", окончила Мариупольский металлургический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии производства стальных слитков и композитных заготовок.
Статья поступила 10.04.2001.
