CC BY
55
УДК 669.054
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ ДЛЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ ПОКОВОК
В.Г. Зинченко, В.Е. Рощин, Н.В. Мальков
В машиностроительном концерне «ОРМЕРО-ЮУМЗ» хромоникелевую сталь марок 60ХН и 34ХН1М для крупнотоннажных поковок выплавляют в дуговой сталеплавильной печи ДСП-50. Раскисление полупродукта производят в ковше, ковш с металлом передают в агрегат комплексной обработки стали (АКОС), где вновь сформированный шлак обрабатывают коксиком и алюминием. Алюминий для окончательного раскисления и регулирования величины зерна вводят в виде проволоки трайб-аппаратом. Металл разливают в кузнечные слитки массой 6...40 тонн. Из слитков куют заготовки для прокатных валков, валов редукторов и др.
В 2003 г. брак кузнечных слитков по трещинам составил 1,42 %, а брак поковок по трещинам и по внутренним дефектам, обнаруженным при УЗК, соответственно 1,19 и 2,10 %. Было забраковано более 500 тонн металла.
Известно, что при производстве кузнечных слитков и изделий из них отрицательное воздействие вредных примесей проявляется при кристаллизации слитка, первых операциях ковки и при эксплуатации готовых изделий. От содержания в металле Б, Р, Аб, Бп, Ъп, РЬ и других вредных примесей во многом зависит уровень технологической пластичности. В готовых изделиях их содержанием определяется комплекс механических свойств, долговечность и надежность работы изделий.
Ранее [1, 2] показано, что при обработке жидкой стали комплексным Са-М£-Ва-А1-8ь-РЗМ-содержащим модификатором происходит снижение содержания в стали не только неметаллических включений, но и вредных примесей, а также в значительной степени уменьшается химическая неоднородность крупных слитков. Снижение в результате модифицирования содержания фосфора на 0,002...0,006 % отмечается авторами [3, 4]. Считают, что при введении в сталь РЗМ происходит образование тугоплавких соединений с цветными металлами и снижается их содержание в стали [5, 6]. Известно также, что эффективность обработки стали высокоактивными элементами зависит от технологии введения их в сталь. Показано [7-9], что высокоактивные элементы более эффективно вводить как можно ближе к началу затвердевания расплава.
В данной работе оценивалась влияние на качество металла кузнечных слитков и поковок технологии введения комплексного модификатора в металл. Модификатор, содержащий (мае. %):
10...12 % Са, 1... 1,5 % М& ДО 4 % Ва, до 2 % А1,
45...50 % 10...12 % РЗМ, остальное Бе, вводи-
ли в виде порошковой проволоки в металл при обработке его в АКОСе, в процессе наполнения изложницы, а также в процессе наполнения изложницы с одновременной продувкой металла в изложнице аргоном.
Модифицирование металла в АКОСе проводили после раскисления алюминием. Проволоку, содержащую модификатор, вводили в металл трайб-аппаратом. Расход модификатора составлял 800 г/т.
При модифицировании в процессе наполнения изложницы модификатор вводили трайб-аппаратом в изложницу вместимостью до 33,6 т по мере ее наполнения. Расход модификатора составлял 600 г/т. Отливали два сравнительных слитка -один с модифицированием, второй без модифицирования.
При обработке жидкого металла в изложнице комплексным модификатором с одновременной продувкой металла аргон подавали через отверстие в поддоне (рис. 1) в течение всего времени наполнения изложницы металлом. Расход модификатора составлял 450 г/т, а аргона 5...8 л/мин при давлении 3 атм.
Из опытных слитков были откованы заготовки для валков горячей прокатки. При контроле качества поверхности поковок и при ультразвуковом контроле (УЗК) брака в опытном металле не обнаружено. Это свидетельствует о достаточной технологической пластичности металла опытных слитков.
От шеек заготовок валков изготовили поперечные темплеты для проб металла на химический анализ, исследований макро- и микроструктуры, неметаллических включений и механических свойств. Схема отбора проб позволила оценить качество металла по высоте и сечению слитка. Загрязнённость стали неметаллическими включениями оценивали металлографическим методом по максимальному баллу (ГОСТ-1778).
Анализ серных отпечатков темплетов от двух слитков одной плавки показал более низкое содержание и более равномерное распределение серы в случае модифицирования металла в изложнице по сравнению с необработанным металлом.
Поковки из слитков, не прошедших обработку модификатором, оказались более загрязнёнными и сульфидными (рис. 2) и оксидными (рис. 3) включениями. Неметаллические включения состояли из деформированных сульфидов и хрупких оксидов, распределённых в строчки. В модифицированном
4
Рис. 1. Схема введения модификатора в изложницу: 1 - проволока с модификатором, 2 - изложница, 3 - разливочная канава, 4 - трайб-аппарат, 5- разливочная площадка
5
с 4,5 -
ю 4
1 3,5 -
1 3
1«
I 2
І 1’5 §■ 1 -
-'Т'*...
_о_ _ о _ £ _ -♦- -
ИИИИВИЯР
3 4 5 6 7
Номер образца
8 9
10
Рис. 2. Загрязненность стали сульфидными включениями:
■ - без модифицирования, • - модифицирование в ковше,
О - модифицирование в слитке; 1 - поверхность слитка..10 - центр слитка
1 23456789 10
Номер образца
Рис. 3. Загрязненность стали оксидными включениями:
■ - без модифицирования, •- модифицирование в ковше, 0- модифицирование в слитке; 1 - поверхность слитка,... 10 - центр слитка
металле оксиды наблюдались практически только в составе малодеформированных оксисульфидов сложного состава (рис. 4).
Химический состав опытного и сравнительного металла, в частности, содержание серы, фосфора и цветных металлов, определяли в образцах, соответствующих трем горизонтам по высоте слитка (подприбыльный, средний и донный) и трем точкам поперечного сечения слитка (поверхность, половина радиуса, центр).
Результаты химического анализа проб металла, модифированного при обработке стали 60ХН в АКОСе, приведены в табл. 1.
Установлено, что снижение содержания в металле фосфора в результате модифицирования составило в среднем 0,006 % абсолютных или 25 % относительных, серы - соответственно 0,003 % и 18,7 %, мышьяка - 0,0034 % и 28,2 %, олова -0,0017 % и 22 %, цинка - 0,0059 % и 68 % и свинца -0,0017% и 20,7%.
Уменьшение содержания фосфора и цветных металлов обусловлено, по-видимому, тем, что содержащиеся в комплексном модификаторе ЩЗМ и РЗМ обладают высоким химическим сродством к этим элементам [6] и образуют в жидком металле химические соединения, которые, возможно, частично удаляются из жидкого металла.
Распределение фосфора в слитках обычного металла и модифицированного во время наполнения изложницы приведено на рис. 5.
Содержания в металле мышьяка, олова и цинка в металле перед модифицированием во время разливки (плавочная проба) составило соответственно (мае. %): 0,0062; 0,0047 и 0,0040. В металле слитка, обработанного в процессе разливки порошковой проволокой, содержание этих примесей было следующим: мышьяка - 0.0056 %, олова -0,0048, цинка - 0,0041 %.
Изменился характер распределения фосфора в металле из подприбыльной части слитка. Наиболее высокое содержание фосфора обнаруживается в металле осевой части слитка. Среднее содержание фосфора, олова, цинка в поковке из немодифици-рованного слитка осталось на уровне содержания их в плавочной пробе, а максимальное содержание фосфора характерно для пробы, соответствующей половине радиуса подприбыльного темплета.
Результаты контроля содержания фосфора в модифицированном и продутом аргоном в изложнице металле приведены на рис. 6. Установлено снижение содержания фосфора на 0,002 % (изменилось с 0,013 до 0,011 %) абсолютных или на 15 % относительных в опытном слитке. Среднее
Рис. 4. Влияние модифицирования на неметаллические включения: а - металл без модифицирования (хЮО), б- модифицирование в АКОСе (хЮО), в- модифицирование в изложнице (хбОО)
Таблица 1
Содержание вредных примесей в металле, модифицированном в АКОСе
Проба металла Содержание, мае. %
Р Б Аб,% 8п,% 2п,% РЬ,%
Перед модифицированием 0.021-0.026 0.0072-0.0140 0.0074-0.0094 0.0043-0.0207 0.0034-0.0062
0,024 0,0117 0,0077 0,0086 0,0058
Из струи при разливке 0.017-0.020 0.013-0.020 0.0062-0.0112 0.0049-0.0070 0.0009-0.0047 0.0034-0.0054
0,018 0,016 0,0085 0,0062 0,0024 0,0041
Из слитка Не опр. 0.012-0.017 0.0068-0.0110 0.0046-0.0081 0.0013-0.0037 0.0030-0.0049
0,013 0,0084 0,0060 0,0023 0,0038
Изменение: абсолютное относит. 0,006 0,003 0,0034 0,0017 0,0059 0,0017
25,0 18,7 28,2 22,0 68,0 . 20,7
Числитель - пределы содержания в металле пяти плавок, знаменатель - среднее значение.
поверхность 1/211 центр поверхность 1/211 центр
подприбыльный темплет донный темплет
1 — слиток без модифицирования, 2 - модифицированный 600 г/т, 3 - содержание фосфора в плавочной пробе с разливки
Рис. 5. Распределение фосфора по высоте и сечению слитка
0,018 0,016
0,014 0^ 0 ,012 ф
I 0,01 -
I 0,008
| 0,006 -I о
° 0,004 0,002 0
пов. 1/2К ц подприб. часть
пов. 1/2Л д средняя часть
пов.
1/211 ц средняя часть
пов. 1/211 донная часть
Рис. 6. Изменение содержания фосфора по сечению и высоте опытного (1) и сравнительного слитков (2) стали 34ХН1М
содержание фосфора в обычном слитке осталось на уровне плавочной пробы. Среднее содержание фосфора в обычном слитке осталось на уровне плавочной пробы. Распределение фосфора в опытном слитке более равномерно по сравнению с контрольным слитком. Наиболее загрязнен фосфором металл из осевой части подприбыльного темплета.
Широко распространенное [5-7] мнение о том, что ЩЗМ и РЗМ связывают цветные металлические примеси в неметаллические включения базируются на анализе термохических констант реакций взаимодействия [8]. Однако прямых экспериментальных доказательств присутствия цветных металлов в неметаллических включениях нам неизвестно. Учитывая это, ряд проб из слитков модифицированного и немодифицированного металла марки 60ХН исследовали при помощи элек-
тронного растрового микроскопа ШОЬ -ГБМ-6460ЬУ, снабженного волновым и энергодисперсионным анализаторами.
С использованием волнового анализатора обнаружено присутствие цветных металлических примесей в металлической матрице немодифицированного слитка, а в металлической матрице модифицированного металла эти примеси не обнаружены. В то же время анализ сложных комплексных включений в слитке модифицированного металла позволил обнаружить цветные металлы в составе включений (рис. 7 и 8).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что вредные примеси и цветные металлы при обработке стали порошковой проволокой связываются высокоактивными элементами, содержащимися в модификаторе, и частично удаляются в
Рис. 7. Вид комплексного включения, содержащего сурьму, в слитке модифицированного металла и энергетический спектр элементов в точке анализа (отмечена на фотографии)
25 к и Х6.-500 2гп 10 50 ЬЕ1
Рис. 8. Вид комплексного включения, содержащего мышьяк, в слитке модифицированного металла и энергетический спектр элементов в точке анализа (отмечена на фотографии)
виде продуктов их взаимодействия. В связи с этим, чем раньше модификатор попадает в металл, тем больше удаляется цветных металлов и вредных примесей. Наиболее благоприятные условия для удаления цветных металлов реализуются при введении модификатора во время обработки расплава в АКОСе. При обработке металла модификатором в изложнице образовавшиеся продукты взаимодействия удалиться не успевают даже при продувке аргоном, но, являясь готовыми подложками, изменяют характер первичной кристаллизации слитка. Об этом свидетельствует изменение характера расположения примесей по сечению и высоте слитка.
Механические свойства металла поковок из стали 60ХН без модифицирования (вариант 1), с модифицированием в ковше на АКОСе (вариант 2) и с модифицированием в изложнице (вариант 3) приведены в табл. 2, а в табл. 3 приведены механи-
ческие свойства стали 34ХН1М, обработанной по тем же вариантом, а также модифицированной в ковше на АКОСе сшшкокальцием с последующим модифицированием в изложнице комплексным модификатором и продутой аргоном (вариант 4).
Установлено, что наиболее существенное изменение прочностных и пластических свойств стали 60ХН произошло в результате модифицирования металла в ковше на АКОСе. Это, по-видимому, обусловлено заметным уменьшением содержания в металле вредных примесей и цветных металлов. Модифицирование металла в процессе наполнения изложницы не приводит к изменению прочностных характеристик, наблюдается незначительное повышение пластических свойств, зато существенно снижается анизотропия свойств металла в продольном и поперечном направлении. Это также косвенно свидетельствует об изменении характера первичной кристаллизации слитка.
Таблица 2
Механические свойства металла поковок из стали 60ХН
Вариант Номер плавки Расход модификатора, кг/т От, кг/мм2 0« кг/мм2 5, % *, % НВ КСи+20, кг/см2
1 402-1 0 38,0 82,5 17,0 23,0 2,9
402-2 0 41,0 87,5 16,5 25,0 3,4
34-440-2 0 44,0 84,0 16,5 27,0 2,2
Среднее 0 41,0 84,7 16,7 25,0 3,15
2 34-193-60ХН 0,584 55,0 97,0 15,0 50,0 247 3,65
34-291-60ХН 0,779 65,0 91,0 15,0 23,0 255 3,0
Среднее 60,0 94,0 15,0 36,5 251 3,325
Изменение по сравнению с обычным +19,0 +46,3% +9,3 +11% -1.7 -10% +11,5 +46% +0,505 +17,9%
3 34-440-1-60ХН 0,615 37,0 75,0 20,5 40,5 3,4
35-225-1-60ХН 0,450 44,0 83,5 13,5 24,5 2,05
Среднее 40,5 79,25 17,0 32,5 2,72
Изменение по сравнению с обычным 0 -5,45 -6,4% +0,3 2% 1Л 30% Л 0%
Числитель - абсолютное изменение, знаменатель - относительное.
Таблица 3
Механические свойства металла поковок из стали 34ХН1М
Вариант выплавки Номер плавки Расход модификатора, кг/тн От, кг/мм2 Ов, кг/мм2 5, % % % НВ КСи+20, кг/см2
СК-30 ЩЗМ+РЗМ
1 35-299-1 0 0 52.0 51.0 70.5 68.5 21,0 12,0 57,5 22,0 - 12.6 8,15
К 1,02 1,03 1,75 2,61 1,55
2 35-391-2 1,0 0 37.5 44.5 62.5 74,0 26,8 21,0 57.5 45.5 175 207 10.2 6,45
К 0,84 0,84 1,28 1,26 1,58
3 35-299-2 0 0,6 51,0 48,5 71,0 68,5 21,5 20,0 65.0 51.0 201 187 12.8 6,15
К 1,05 1,04 1,07 1,27 2,08
4 35-391-1 1,0 0,6 38.5 36,8 61.0 60,5 27,0 26,3 59,0 56,5 179 174 10.8 8,3
К 1,05 1,01 1,03 1,04 1,30
К - коэффициент анизотропии. Числитель - продольные образцы, знаменатель - поперечные.
Таким образом, при модифицировании ЩЗМ-и РЗМ-содержащей лигатурой происходит снижение содержания серы, фосфора и цветных металлов, а также изменяется характер их распределения по сечению и высоте слитка. Эффективность обработки стали высокоактивными элементами зависит от технологии их введения в сталь. При обработке расплава в АКОСе достаточно времени не только для связывания, но и удаления вредных примесей и цветных металлов. При модифицировании в изложнице вредные примеси практически не удаляются, но распределение их становится более равномерным, что благоприятно влияет на технологическую пластичность и механические свойства стали. Позднее введение РЗМ-содержащего модификатора в изложницу позволяет уменьшить его расход.
Литература
1. Зинченко В.Г., Судоргин И.В. Внепечная обработка валковой стали комплексными модификаторами. Современные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XII Международной конференции. - Изд-во ЮУрГУ, 2004.
2. Зинченко В.Г., Судоргин ИВ., Рощин В.Е. Обработка комплексным модификатором стали 60 ХН для крупнотоннажных слитков / Электрометаллургия (в печати).
3. Голубцов В. А. и др. Рациональная технология
модифицирования стали/ В.А. Голубцов, JI.JI. Тихонов, В.И. Тазетдинов, A.A. Воронин, И.А. Романцов, В.Е. Рощин // Национальная металлургия. - 2003. - М3. - С. 96-102.
4. Голубцов В.А. и др. Происхождение неметаллических включений и пути снижения загрязненности ими металла / В.А. Голубцов, A.A. Воронин, ТВ. Тетюева, В.Е. Рощин, Р.Г. Усманов // Металлург. — 2005. - №4. - С. 73-17.
5. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролигирование чугуна и стали. - М.: Металлургия. -1986. - 272 с.
6. Рябчиков И.В. Ферросплавы с редкоземельными и щелочноземельными металлами. - М.: Металлургия, 1983. - 272 с.
7. Бродецкий И.Л., Троцан А.И., Белов Б.Ф., Крейденко Ф.С., Лепихов Л.С., Исаев О.Б. Легирование литой стали РЗМ для предотвращения дефект ообразован ия, обусловленного цветными металлами/ Неметалеві вкрапленнія, гази у ливарних сплавах: Зборник наукових прац X Міжнародної науково-практичної конференції. 12-16 травня 2003 р. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. - С.86-88.
8. Дубровин A.C. Металлотермия специальных сплавов. - Челябинск: изд-во ЮУрГУ, 2002. -254 с.
9. Голубцов В.А. Опыт ввода модификаторов на струю стали при сифонной разливке / Металлург. - 2003. - № 9. - С. 38-40.
