CC BY
92
УДК 621.745.551
В. В. Бахметьев, В. М. Колокольцев
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ПУТЕМ РАФИНИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ РАСПЛАВОВ СТАЛЕЙ
Наличие избыточных мощностей приводит к острой конкуренции среди литейных предприятий России, многие из которых имеют устаревшие технологии и оборудование и не могут производить высококачественное лигье. Это обусловливает поиск новых технологических решений по совершенствованию технологии, в первую очередь получения качественных расплавов сталей для отливок с высокими служебными и эксплуатационными свойствами. Это позволит удовлетворить требования заказчика и сделать отливки востребованными на рынке.
В настоящее время в литейных цехах предпочтительно производить отливки из легированных и высоколегированных сталей со специальными свойствами, потребность в которых в последнее время резко возрастает, особенно на горно-добывающих, металлургических, нефтехимических предприятиях.
Основная сложность заключается в том, что в литейных цехах выплавляются небольшие объемы таких сталей, и кардинальное решение вопроса повышения качества за счет внедрения дорогостоящего оборудования (вакууматоры, агрегат печь-ковш и т.п) нецелесообразно. Использование таких агрегатов резко повышает стоимость получаемых отливок и приводит к длительным срокам окупаемости вложений.
В этой связи актуальной проблемой становится применение такой внепечной обработки, которая может сводиться к использованию недорогих и сравнительно простых в эксплуатации методов и способов, позволяющих без больших капитальных затрат получать качественную сталь и необходимые свойства отливок.
Целью настоящей работы являлось повышение эксплуатационных свойств отливок за счет совершенствования процессов рафинирования и модифицирования расплавов сталей марок 35ФЛ, 40ХН2МЛ, 40Х24Н12СЛ, 110Г13Л, Ст.3, 25Х1М1ФЛ.
Экспериментальные и промышленные стали выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-006 емкостью 0,06 т, дуговой электропечи ДСП-6М емкостью 6 т и мартеновской печи емкостью 25 т. В качестве шихтовых использовали материалы в соответствии с ГОСТами
Химический анализ сталей определяли спектральным методом ГОСТ 18895-97 на спектрометре ОВЬБ ОБК 750, который обладает высокой скоростью анализа. Специально отобранные пробы имеют высокое качество подготовки и
гарантируют стабильные условия анализа. Содержание углерода определяли на анализаторе АН-7529, а концентрации других элементов -методами объемно-абсорбционного, фотометрического, эмиссионного, спектрального и химического анализов. Концентрацию кислорода определяли на анализаторе "Мономат-301" методом плавления в токе аргона по поглощению инфракрасного излучения, а азота - на анализаторе "Динимат-401" плавлением в токе гелия по теплопроводности. Содержание водорода определя-ли по ГОСТ 17745-72 на эксхалографе ЕА-1 фирмы «Бальцерс».
Коэффициент относительной износостойкости сталей (Ки) определяли по ГОСТ 23.208-79 «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о не жестко закрепленные абразивные частицы». В качестве эталона использовали образец из отожженной стали 45 с твердостью 190 HV. В качестве абразивного материала применяли электрокорунд зернистостью N16-Q поГОСТ 3647-71 с относительным содержанием влаги не более 0,15%.
Определение показателей механических свойств проводили с использованием стандартных методик: испытания на растяжения по ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9651-84, на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78, твердость по Бринел-лю по ГОСТ 9012-59 на приборе 2Ш09ТБ, твердость по Роквеллу по ГОСТ 9013-59 на приборе ТР5006.
Жид коте кучесть определяли при помощи пробы со спиральным каналом по ГОСТ 16438-70.
Металлографическое изучение микроструктуры сплавов проводили на оптических микроскопах ММУ-2, "Неофот-21", "Эпикванг",
"Эпигип-2" при увеличении от 50 до 1000 крат. Для травления использовали 4%-ный спиртовой раствор азотной кислоты, реактивы Марб-ле, Мураками, Гросбека (цветное травление). Микрофрактографическое исследование поверхностей разрушения ударных образцов осуществляли с помощью растровых электронных микроскопов с приставками "Камебакс", "Филипс", "ISM-U3" и электронного микроскопа Tesla BS613 при увеличении до 50000 крат.
Изучено влияние содержания углерода в стали по расплавлению на длительность периода доводки и установлено, что слишком малые его концентрации приводят к снижению производитель -ности печи, ухудшают условия протекания рафи-
нирования и, следовательш, качество металла.
Для получения избыточного содержания углерода в стали по расплавлению 0,5-0,8% в условиях резкого роста цены на чугун предложена и внедрена технология выплавки с применением коксовой мелочи в завалку, позволяющая снизить затраты на шихтовку плавки и повысить производительность печей. Отработана технология завалки коксика под мелкий металлический лом и загрузки в середину шихты известняка вместо извести Избыточный углерод привел к соблюдению регламента доводки, проведению чистого кипения металла и получению шлака с высокой основностью. При этом было выявлено некоторое увеличение содержания серы в стали по расплавлению, но производительность при этом не снизилась.
Исследовано влияние серы в металле по расплавлению на ее содержание в конечном металле и количество удаленной серы за доводку. Высокое содержание серы в стали по расплавлению приводит к удлинению доводки и зачастую не позволяет получать ее низкие концентрации в конечном металле. Установлено, что в плавках с высоким углеродом в металле условия для уда -ления серы более благоприятные, т.к. есть возможность навести шлак и удалить его из печи. При заниженном содержании углерода в период расплавления, несмотря на большую длительность доводки, удаление серы затруднено, и нередко сопровождается ее повышением из-за присадок в сталь науглероживателей с высоким содержанием серы.
В доводку удается снизить содержание серы в металле на 0,003-0,010%, а чтобы получить более низкое ее содержание, рафинирование проводят вне печи В работе исследована и разработана технология обработки стали при подаче в ковш щелочноземельных и редкоземельных металлов в виде комплексных лигатур либо в смеси со шлакообразующими материалами.
При проведении промышленных экспериментов по десульфурации стали в ковше в качестве материала, содержащего ЩЗМ и РЗМ, использовали лигатуру ЖКМК-3Р (ТУ 14-5-39-74) следующего состава, %: 38,5 Б1; 11,0 Са; 9,0 Mg; 10,3 £РЗМ; остальное железо.
Исследования проводили на 50 плавках стали различных марок. Сталь марки 40ХН2МЛ выплавляли в мартеновской печи емкостью 25 т, стали марок 35Л, 35ФЛ, 35ХМЛ - в дуговой печи емкостью 6 т. Металл плавили по общепринятой цеховой технологии.
Одновременный ввод в расплав ЩЗМ и РЗМ приводит к эффективному раскислению, десульфурации и модифицированию стали. При этом достигается большая степень усвоения вводимых элементов и повышается эффективность процесса десульфурации и очищения металла от неметаллических включений, ассимилируемых жидкоподвижным шлаком.
Расход ЖКМК-ЗР, %
Рис. 1. Зависимость степени десульфурации стали 40ХН2МЛ при внепечной обработке смесью ЖКМК-3Р при различном содержании плавикового шпага в смеси
Для повышения степени усвоения лигатуры ЖМК-3Р и получения жидкоподвижного легкоплавкого шлака ее давали в ввде механической смеси с плавиковым шпатом (СаБ2). Фракция компонентов смеси составляла 5-10 мм. Присадку проводили при наполнении ковша сталью на
1/10_1/6 часть по высоте. Температура металла
в печи перед выпуском составляла 1600°С. Количество вводимой смеси изменялось в пределах от 1 до 5 кг на тонну жвдкой стали. Зависимость степени десульфурации металла от расхода ЖКМК-3Р при различных расходах СаБ2 показана на рис. 1.
Увеличение доли плавикового шпата в смеси даже при малых расходах лигатуры приводит к большей степени десульфурации (почти в 1,5 раза), чем при обработке одной лигатурой без шпа-та. Такая же степень десульфурации,как с использованием 75% плавикового шпата в смеси, достигается при расходе ЖКМК-3Р без шпата лишь при троекратном повышении расхода лигатуры.
Обработка лигатурами существенно снижает загрязненность стали неметаллическими включениями (рис. 2). Но при ее расходе свыше 2% дальнейшего снижения ивдекса загрязненности не происходит, а малые расходы лигатуры заметно снижают его.
Из рис. 3 ввдно, что степень десульфурации растет с увеличением расхода ЖКМК-3Р, причем во всех случаях отмечается замедление роста при повыше иных расходах шлаковой смеси. Характерно то, что величина свободного члена в уравнениях регрессии первой степени для всех случаев составляет значительную величину 24,529,4%. Отмечено положительное влияние доба-вок плавикового шпата на степень десульфурации Коэффициент угла наклона прямых возрастает на 7,4% при повышении расхода СаБ2 на 25% в составе смеси. Отсюда можно заключить, что расход модификатора не должен быть более 2% и выгодно применять шлаковые смеси с содержанием СаБ2 не ниже 50%.
Расход Ж КМК-3Р, %
Рис. 2. Зависимость балла индексазагрязненности от расхода ЖКМК-3Р при внепечной обработке электростали 35ФЛ (1) 1= 0,177 Сл2-1,47Сл +5,63 №=0,6085 и мартеновской стали 40ХН2МА (2)
1= 0,2937 Сл2-2,2515Сл +6,052 Р2=0,7549
25 -
0 1 2 3 4 5
Расход Ж КМК, %
Рис. 3. Зависимость степени десульфурации стали 35ФЛ от расхода ЖКМК-3Р при различных расходах 0ар2:
1 - 75%: АБ=25,55+14,940л„г; 2 - 50%: АБ=29,39+7,400л„г; 3 -25%: АБ=27,39+5,690л„г; 4 - 0%: АБ=29,40+22,20ЛИг
в кон,%
Рис. 4. Влияние содержания серы на ударную вязкость сталей при температуре испытания - 60°С
Изучение свойств стали, обработанной в ковше ЖКМК-3Р с СаБ2, показало четко выраженное влияние содержания серы на механические свойства (рис. 4). При этом заметно возросли пластические свойства сталей, что является следствием снижения загрязненности металла неметаллическими включениями.
Эффективность такой внепечной обработки повышается при продувке метала в ковше аргоном. С этой целью были проведены исследова-
ния комплексной обработки стали в ковше с присадками ЖКМК-3Р и СаБ2, и продувкой аргоном . Продувку осуществляли через пористую пробку в днище ковша. Продолжительность об -работки составила 4,5 мин, расход аргона -3,5 м3. Результаты экспериментов по изменению содержания газов и неметаллических включений показаны в табл. 1.
Сталь, не обработанная аргоном, характеризуется высоким содержанием общего кислорода и неметаллических включений Основная масса включений имеет размеры от 6 до 10 мкм. Ветре -чаюгея отдельные включения с размерами до 14 мкм. Форма включений разнообразна: хлопье-видная, округлая, остроугольная, плёночная.
Обработка аргоном позволила снизить содержание кислорода более чем в 4 раза, а неметаллических включений - в 1,5...2 раза. Причем резко сократилось количество включений с размерами больше 10 мкм. Оставшиеся в стали включения в основном имеют небольшие размеры - до 5 мкм. Изменилась форма неметаллических включений. Почти исчезли включения хлопьевидной и, частично, пленочной форм. Явных скоплений включений также не обнаружено.
Комплексная обработка металла вне печи шлаковыми смесями с ЖКМК-3Р и аргоном значительно улучшила качество выплавляемой стали и повысила служебные свойства отливок различного назначения более 1,5 раз.
Для микроструктуры отливок из жаростойкой стали 40 Х24Н12СЛ в литом состоянии ха -рактерно крупнозернистое строение (номер зерна 1-2 шкалы I ГОСТ 5639-82) и значительная не -однородность в распределении карбвдов типа (Бе, Сг)7С3, (Бе, Сг)23С6, (Бе, Сг)3С и неметаллических включений. Загрязненность стали не -металлическими включениями характеризуется общим ивдексом 10бщ (ГОСТ 1778-70, ме-тод Л), равным 0,11-0,28. Это существенно снижает эксплуатационные свойства отливок, особенно жаростойкость.
На первом этапе исследовали влияние температуры заливки форм от 1525 до 1600°С на свойства отливок. Для этого в производстве н-ных условиях в 6-тонной дуговой печи с основной футеровкой выплавляли по стандартной методике сталь 40Х24Н12СЛ и разливали в формы при различных температурах. Установлено , что наиболее благоприятное сочетание свойств стали достигается при температуре заливки 1530°С. Повышение температуры заливки приводит к огрублению аустенитно-феррит -ной структуры, большей загрязненности границ зерен неметаллическими включениями типа 2Ге-БЮ2 и крупными скелетообразными карбидами; количество карбвдов и неметаллических включений в межзеренных участках увеличивается с ростом температуры заливки
Форма выделений феррита при этом становится скелетообразной. Уровень свойств за-
метно снижается: ов - от 548 до 500 МПа, КСУ -от 35 до 20 Дж/см2, жаростойкость - в 1,3 раза.
На втором этапе исследования методом дробного факторного эксперимента (типа ДФЭ 25-2) изучали влияние комплексного модифицирования алюминием (0,03 и 0,06%), титаном (0,1 и 0,25%), бором (0,003 и 0,006%), церием (0,05 и 0,1%), кальцием (0,01 и 0,03%) на свойства стали Сталь имела исходный состав: 0,33% С; 0,61% Б1; 0,79% Мп; 23,8% Сг, 11,3% N1; 0,03% Б; 0,033%Р. Ме-талл одной плавки при 1520° С разливали в не -сколько ковшей, в каждый из которых вводили соответствующие модификаторы.
В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие зависимости ов, КСУ, Ат от количества вводимых модификаторов:
ов+20= 518,1 + 1,9А1 + 0,63Т1 + 4,4В - 9,4Се -
- 1,9Са;
ав+90° = 156,1 + 0,57 А1 + 0,71 Т1+ 0,83В -
- 0,14 Се - 0,32 Са;
КСу+20 = 27,8 - 2,0 А1 + 2,3 Т + В + 0,25 Се +
+ 18 Са;
КСУ+ = 65,1 - 5,6 А1 + 3,1 Т1 + 1,6В + 1,9 Се -
- 1,9 Са;
Дт+00 = 48,4+1,98 А1 -3,93 Т - 10,43В +
+ 2,33 Се + 3,0 Са.
Анализ зависимостей позволил установить характер влияния модификаторов на свойства стали 40Х24Н12СЛ: бор значительно повышает почти все исследуемые свойства: церий и кальций , наоборот, значительно снижают жаростойкость и ов, увеличивая при этом КСУ. Алюминий отрицательно влияет на КСУ и жаростойкость, хотя несколько повышает значение ов. При вводе А1, Се, Са на верхнем уровне резко увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, которые представляют собой оксвды, сульфвды, оксисульфвды, однако модифицированная сталь значительно чище, чем обычная: 10бЩ=0,036-0,062. Микроструктура стали и величина зерна практически не зависят от количества вводимых модификаторов (микроструктура - аустенигно-ферриг-ная; феррит выделяется вокруг неметаллических включений; величина зерна соответствует номеру 2-3 шкалы I ГОСТ 5639-82). Сущест-
Таблица 1
Результаты продувки аргоном в ковше стали марки Ст.3
Место отбора пробы Содержание газов, % масс. Общий индекс загрязненности стали немет алличе-СИМИ включениями, 1общ
И М
Печь 0,0235 0,0042 0,0067
Ковш 0,0058 0,0037 0,0032
Изложница 0,0054 0,0052 0,0041
венно снижается карбвдная неоднородность и практически исчезают эвтектические карбвды дендритных форм.
Результаты исследования позволили рекомендовать для модифицирования стали ком -плекс в составе титана и бора.
На следующем этапе исследовали влияние комплекса из титана и бора на свойства отливок. Учитывая существенное улучшение свойств при модифицировании стали этими элементами, снизили содержание Сг и N1 в среднем на 2% каждого, предполагая, что уровень свойств не должен быть ниже исходного для стали 40Х24Н12СЛ. Содержание углерода ограничили до 0,35%. Ис-ходный состав стали был следующим: 0,28% С; 0,85% Б1; 0,48% Мп; 22,0% Сг; 8,1% N1; 0,028% Б; 0,03% Р. Методом полного факторного эксперимента (типа ПФЭ 22) определили области рациональных концентраций титана (0,15 и 0,30%) и бора (0,005 и 0,01%), обеспечивающие наилуч-шее сочетание механических свойств и жаростойкости стали
При статистической обработке результатов эксперимента получили регрессионные зависимости свойств стали от количества вводимых титана и бора:
ов+20= 561,9+ 25,6 Т + 19,4 В; ов+900 = 176,3 + 21,3 Т + 8,8 В;
КСУ+20 = 38,8 + 8,8 Т + 6,3 В;
КСУ+900 = 80,5 + 11,5 Т1 + 8,0 В;
Дт+00 = 41,2 - 6,43 Т1 - 2,25 В.
Исследования показали, что модифицирующий комплекс, состоящий из титана и бора, существенно улучшает свойства стали, несмотря на пониженное содержание С г и N1.
Металлографические исследования позволили выявить механизм влияния бора и титана на формирование граничных выделений карби-
3
а*
^ 2
3
О 1,5 *
1
У /
¥ Ч
V.
1,5
1,1
1
0,026 0,062 0,11 0,14 0,173 0,24
Содержаниетитана, %
2.7
Л 2,5
§2,3 : ^ 2,1
'і1'9
1.7
1,5
2,5-
+1,1
1
0,0021 0,0087 0,016 0,022
Содержание кальция, %
--1,08
--1,06
■1,04
•1,02
3
О
*
0,5-
-1
Рис. 5. Влияниетитана (а), кальция (б), ванадия (в) на свойствастали 110Г13Л
1,55
0,012 0,08 0,14 0,19
Содержание ванадия, % В
дов. Ввод в сталь совместно 0,15-0,25% Ті с 0,005-0,01% В способствует утоннению карбидов и делает их прерывистыми. Из дендригооб-разных карбиды переходят в более округлоовальные с меньшими размерами, существенно уменьшается и пограничная концентрация карбидов. Размер зерна соответствует 3-4 номеру.
Проведены промышленные эксперименты по совершенствованию технологии выплавки стали 110Г13Л с использованием в качестве рафинирующих и модифицирующих элементов титана, ванадия, кальция и кальций-барий-стронциевого карбоната. Работа в этом направлении велась также двумя этапами. Для этого на первом этапе в сталь 110Г13Л вводили ферротиган до оста -точного содержания тигана в стали 0...0,25%, силикокальций до остаточного содержания кальция 0. 0,025% и феррованадий до достижения остаточного содержания ванадия 0.0,2%. Ре -зультаты эксперимента приведены на рис. 5.
Титан способствует повышению чистоты стали по неметаллическим включениям, на силикатные оксвды он оказывает флюсующее действие, делает их более легкоплавкими, что способствует коагуляции включений и удалению их в шлак. Общий ивдекс загрязненности стали с добавками тигана до 0,11% находится в пределах 0,016.0,020. Дальнейшее повышение содержа -ния титана приводит к резкому падению ударной вязкости и износостойкости и увеличению общего индекса загрязненности до 0,029.
Кальций сначала несущественно влияет на ударную вязкость, а затем резко снижает ее. В стали, обработанной кальцием, снижается количество особо вредных включений БеО*МпО, и они очень редко встречаются по границам зерен Положительное влияние кальция наблюдается при его содержании в стали 0,002-0,01%, размер зерна при этом соответствует 3...4 баллу, общий индекс загрязненности - 0,015-0,021. Дальнейшее увеличение содержания кальция ведет к загрязнению стали неметаллическими включения -ми, причем большая часть включений представляет собой крупные облакоподобные оксвды и оксисульфвды. Отдельные включения достигают размеров 30-40 мкм.
С повышением содержания ванадия в стали ударная вязкость снижается, а относительная износостойкость повышается, это связано с про-
цессами карбидо-, нитридо- и карбонитридооб-разования, которые способствуют повышению начальной твердости стали Однако в этом случае существует опасность расположения включений карбидов, нитридов и карбонитридов по границам аустенигных зерен, что может привести к охрупчиванию металла и снижению ударной вязкости. Исследование микроструктуры ударных образцов в месте излома показало, что она представляет собой аустениг с мелкодисперсными карбидами ванадия, расположенными внутри и по границам зерен.
Ванадий является слабым раскислигелем, поэтому его лучше использовать после раскисления титаном для дополнительного связывания в ме -талле азота и подавления процесса старения. Процессы нигрвдообразования ванадия протекают в уже затвердевшей отливке в области температур 700... 1000°С. Мелкодисперсные нигрвды ванадия эффективно модифицируют структуру стали при вторичной кристаллизации, а также повышают ее износостойкость за счет высокой твердости ниг-ридов и прочной связи их с матрицей. Оптималь-ное содержание ванадия встали - 0,02...0,1%. При меньшем содержании ванадия в стали нитридов ванадия не хватает для эффективного модифицирования, а при большем содержании нигрвдов ванадия образуется очень много, что ведет к пе -ренапряжению металлической матрицы и повы-шению склонности стали к трещинообразованию и снижению других свойств.
На основе проведенных исследований внедрена технология выплавки стали 110Г13Л с примене нием модифицирующе-раскисляющего комплекса ферротиган + феррованадий + силикокальций. При этом повышение свойств отливок достигнуто за счет измельчения зерна в результате образования в расплаве и в твердой стали дополнительных центров кристаллизации (нитриды титана и ванадия), ограничения роста кристаллитов (кальций), модифицирования не -металлических включений (тиган, кальций). Благодаря такой технологии можно эффективно управлять процессами как первичной, так и вторичной кристаллизации литой стали. Таким способом можно эффективно воздействовать на процессы адсорбции за счет удаления вредных примесей и газов, изменения характера кристаллизации и перераспределения кристаллизую-
Количество карбоната, кг/т
Рис. 6. Влияниерасхода карбоната насвойствастали 110Г13Л
Таблица 2
Свойствастапи 25Х1М1ФЛ без и после обработки карбонатом
Свойство Значение
без обработки карбонатом послеоб работки карбонатом
ств, М Па 830 1162
НВ 229 269
Жидкотекучесть А, мм 200 400
к„ 1,2 1,5
щихся фаз и их количества. Достигаемое уменьшение размеров дендритных кристаллитов и зерна аустенита при введении в сталь данных элементов сопровождается увеличением межзе-ренной поверхности, уменьшением удельной пограничной концентрации примесей. Металлографические исследования подтвердили этот вывод . Микроструктура представляет собой аусте-нит с зерном 5 балла, неметаллические включения в основном глобулярной формы, небольших размеров располагаются внутри зерна. Общий индекс загрязненности неметаллическими включениями составляет 0,018.
Использование для улучшения качества и повышения свойств отливок недорогих и недефицитных материалов в настоящее время весьма актуально. Одним из таких материалов является природный минерал - барий-кальций-стронцие-вый карбонат (Са,Ба,8г)СО3 Мурунского месторождения следующего состава, %: 20,75 8іО2; 0,90 ТіО2; 2,35 А12О3; 4,00 Бе2О3; 0,60 МпО; 0,90 МеО; 15,97 СаО; 22,41 БаО; 5,67 8гО; 2,2 К2О; 0,70 Ка2О; 0,90 Н2О; 22,00 СО2; 0,65 Р2О5. Данный карбонат практически не содержит серы. Было изучено его влияние на свойства стали 110Г13Л. Результаты исследований приведены на рис. 6.
Увеличение расхода карбоната ведет сначала к увеличению твердости, прочности и износостойкости, а затем к их снижению. Это объясняется тем, что он сначала действует как рафинирую ще-модифицирующая добавка, очищая сталь от неметаллических включений, измельчая и усредняя структуру, затем карбонат выступает как вредная примесь, так как происходят процессы вторичного окисления. При этом большой рас -ход приводит к заметному снижению температуры стали и образованию неустоявшихся конгла-мератов в шлаке, снижающих его поглотительную способность. Установлено, что наибольший эффект достигается при расходе карбоната в количестве 4,5-5,5 кг/т стали.
Введение в расплавы сталей барий-кальций-стронциевого карбоната сопровождается их интенсивным перемешиванием вследствие разложения карбонатов и выделения пузырьков С02. Это усиливает эффект рафинирования сталей от неметаллических включений и газов, особенно водорода, а также усредняет расплавы по температуре и химическому составу. Улучшение структуры и свойств достигается за счет рафинирую ще-модифицирую ще го действия карбоната: снижается загрязненность сталей неметаллическими включениями, особенно сульфид ными, существенно измельчается зерно до 5-6 баллов по эталонной шкале ГОСТ 5639-82; карбиды становятся менее разветвленными в металлической матрице. Проведенные исследования литейных свойств стали 110Г13Л, обработанной карбонатом, показали увеличение ее жидкотеку-чести и трещиноустойчивости, снижение общей линейной и затрудненной усадки. Особенно не -
обходимо отметить факт снижения интенсивно -сти развития свободной и затрудненной усадки стали в начальные моменты времени при затвердевании отливки, что и объясняет высокую тре-щиностойкость отливок.
Проведенные исследования позволили разработать и внедрить технологию ковшевого рафинирования и модифицирования стали 110Г13Л для получения износостойких отливок (зуб ковша экскаватора, конуса, брони и щеки дробилок и др.) в ФЛЦ ЗАО «МРК» ОАО «ММК». Карбонат подается на дно ковша фракцией не более 50 мм. Ковш вместе с карбонатом нагревается до 600700° С. После выпуска сталь выдерживают в ков -ше 10-15 мин для более полного усвоения приса-док и удаления неметаллических включений и других продуктов раскисления в шлак. Шлак скачивают , а затем металл разливают в формы.
В конвертерном цехе ОАО «ММК» на МНЛЗ используются ролики, изготавливаемые из теплоустойчивой стали 25 Х1М1ФЛ. В сложных ус -ловиях эксплуатации (высокая температура и износ) стойкость их была недостаточной и требовала повышения. С этой целью в работе были проведены исследования, разработана и внедрена технология выплавки стали с обработкой ее в ковше барий-кальций-стронциевым карбонатом.
Исследования по влиянию количества водимого барий-кальций-стронциевого карбоната на
1000 2000 3000 4000 5000
Время, с
Рис. 7. Кривые затвердевания стали 25Х1М1ФЛ:
1 - без карбоната; 2 - после обработки карбонатом
Температура, °С Рис. 8. Зависимость жидкотекучести стали 25Х1М1ФЛ от температуры:
1 - без карбоната; 2 - после обработки карбонатом
свойства стали 25Х1М1ФЛ были проведены аналогично исследованиям его влияния на свойства стали 110Г13Л. Получено другое оптимальное содержание присадки 5 кг/т, так как эта сталь перлитного класса. Механические и литейные свойства стали 25Х1М1ФЛ, обработанной и необработанной карбонатом, приведены в табл. 2.
В структуре обработанной стали присутствуют в основном мелкие карбиды глобулярной формы, расположенные равномерно по всему объему, тогда как у стали, не обработанной карбонатом, карбиды более крупные и расположены неравномерно в металлической матрице. Обработка карбонатом стали 25X1М1ФЛ хотя улучшила свойства отливок, но балл зерна не изменила. Содержание серы в сплаве уменьшилось с 0,025 до 0,012%.
Кроме этого, был исследован процесс влияния карбоната на кинетику затвердевания стали и получены следующие кривые (рис. 7).
Обработка карбонатом снижает температуру начала затвердевания на 30-40°С. Это объясняется тем, что неметаллические включения, находящиеся в сплаве, могуг служить центрами кристаллизации, а так как карбонат имеет рафинирующее воздействие на сталь, то количество центров кристаллизации уменьшается, что приводит к снижению температуры начала кристаллизации.
Обработка стали 25Х1М1Ф барий-кальций-стронциевым карбонатом повышает жцдкоте-кучесть сплава (рис. 8). Это связано с тем, что при раскислении и модифицировании происходит изменение закономерности кристал л иза -ции, в частности уменьшение величины кристалликов твердой фазы. Сочетание данного фактора с рафинирующим воздействием карбоната на расплав увеличивает жидкотекучесть.
В процессе кристаллизации большое значение имеют адсорбционные явления, связанные с наличием поверхностно-активных примесей. Раскисление, рафинирование и модифицирова-ние позволяют эффективно воздействовать на процессы адсорбции за счет удаления вредных примесей и газов, изменения характера кристаллизации и перераспределения кристаллизующихся фаз и их количества.
Уменьшение размеров дендригов и первичного зерна при введении в сплав карбоната сопровождается увеличением межзеренной поверхности. Вследствие этого уменьшается удельная пограничная концентрация примесей, что положительно сказывается на трещиноустойчивости. Применение карбоната также снижает свободную усадку стали в 1,25 раза (рис. 9). Общая свободная
2,5
£ 2
2 1.5 го ^
0,5
Г
у £
1500 1000 500 0
Температура, °С
Рис. 9. Изменениесвободной усадки от температуры стали:
1 - без обработки карбонатом; 2 - обработанной карбонатом
Температура, °С
Рис. 10. Изменениезатрудненной усадки от температуры стали:
1 - без обработки карбонатом; 2 - обработанной карбонатом
1,2
0,8
£ 0,4
1
/ 2
50
150
200
100 Время, С
Рис. 11. Изменениекинетики усадки стали 25Х1М1ФЛ:
1 - без обработки карбонатом; 2 - после обработки карбонатом
усадка стали 25Х1М1ФЛ без применения карбоната составляет 2,43%, а стали, обработанной карбонатом, - 2,0%. Изменение затрудненной усадки от температуры стали обработанной и необработанной карбонатом показано на рис. 10.
При обработке стали карбонатом происходит замедление процесса усадки, вследствие чего снижается нарастание внутренних напряжений, что положительно влияет на трещиноустойчив ость (рис. 11).
Таким образом, результаты проведенных исследований убедительно показали эффективность ковшевой обработки сталей для отливок и целесообразность ее внедрения в литейных цехах для повышения качества литья и его конкуре нгос пособ НОСТИ.
