CC BY
47
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№ 16
Е.А.Казачков,1 Чепурной А.Д.2, Юшкова М.Г.3, Шумаков М.А.4
2006 р.
УДК 669.18.046.5
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ И РАСКИСЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАЛИ
На основании опытных данных выполнен сравнительный анализ особенностей выплавки стали в электродуговых печах с кислой и основной футеровкой. Показаны преимущества использования для окончательного раскисления и модифицирования стали в ковше порошковой проволоки с алюминиевым и силикокалъциевым наполнителями
Стальное литье из углеродистых и низколегированных сталей широко используется в современном машиностроении. Большинство действующих стандартов допускают выплавку стали для отливок в печах, как с основной, так и с кислой футеровкой. В бывшем СССР до 50 % всей электростали для фасонного литья выплавлялось в дуговых электропечах с кислой футеровкой вместимостью 3 - 10 т [1], что было обусловлено рядом факторов экономического характера. Как известно, затраты на кислую футеровку печи почти в 2 раза ниже, чем при использовании основной футеровки, кроме того производительность кислых печей из-за отсутствия периода дефосфорации и десульфурации выше, чем у основных, однако качественные характеристики сталей, выплавляемых в кислых печах, имеют более низкие показатели.
В одном из сталеплавильных цехов ОАО «Азовмаш» на протяжении нескольких лет эксплуатировались две однотипные электродуговые печи ДСВ-5 со средней массой плавок 7,5 т, имевшие основную и кислую футеровку. Печи были оборудованы печными трансформаторами с одинаковой мощностью. В качестве шихты использовались металлоотходы механических и литейных цехов, стандартные ферросплавы. Основная номенклатура выплавляемых сталей включала, в основном, углеродистые (15Л, 20Л) и низколегированные (20ГЛ, 20ГФЛ) марки стали для литья.
Сравнение технико-экономических показателей работы кислой и основной печей показал, что длительность плавки в кислой электродуговой печи ДСВ-5, в среднем, на 15 - 20 мин. меньше, чем в основной ДСВ-5, что позволяет увеличить ее производительность на 7 - 10 %. Сокращение продолжительности плавки в кислой печи предопределило снижение расхода электроэнергии на 10 - 15 %, по сравнению с плавкой в основной печи.
В обеих печах плавки велись методом окисления, по индивидуальной для каждого типа печей технологии..
Длительность периода плавления металла в печи с кислой футеровкой в среднем на 10 мин. короче, чем в основной печи.
Окислительный период в кислой печи на 5 -10 мин. короче, по сравнению с основной, что связано с возможностью иметь при кислом процессе содержание углерода при полном расплавлении шихты на 0,1 - 0,3 % выше нижнего предела, предусмотренного химическим составом для данной марки стали, в то время как при основном процессе этот показатель равен 0,4 -0,5 %.
ПГТУ. д-р техн., наук, проф..
2ОАО „ГСКТИ" , д-р техн., наук, проф.
3ОАО „Азовмаш", инж.
4ОАО „Азовмаш", инж.
Содержание кремния в ванне по расплавлении связано с содержанием в металле марганца в соответствии с реакцией:
(Щ)т) + 2 [Мп]= 2(Ш)) /Л'// (1)
КМп-8, = (а(А1п0))2 [%&]/ (а(тл[%Мп]2) (2)
С учетом того, что в кислом процессе а(5Ю2) I , зависимость /%Л7/ от [%Мп] имеет вид [3]:
[°М] = Кш_51 ([%Мп]/ а(Мп0}) 2 (3)
т.е. зависимость содержания кремния в ванне от содержания марганца должна быть нелинейной. Однако, статистический анализ данных 27 плавок кислой стали показал практически линейную зависимость между содержанием кремния и марганца в ванне (рис.1):
0,6
0.5
м а
а> &
о а х 3
Ш
а
со
о и
0.4
0,3
0.2
0.1
[%81]=0.0122+0,8152[%Мп] к=0,918
»
♦ Х*"
♦ ♦
♦
— --♦ т—
0.1
0,2 0,3 0,4
Содержание марганца, %
0.5
0.6
Рис. 1- Зависимость содержания 81 от содержания Мп в расплаве
Целью работы являлась оптимизация процесса раскисления кислой электростали в ковше, обеспечивающая повышение качества литья и сокращение расхода раскислителей.
Раскисление производилось комбинировано: в печи и в ковше. В печи металл раскисляли присадками ферромарганца, ферросилиция или ферросиликомарганца. Средний угар марганца в кислой печи составил 22 %, в основной - 15 %. После получения необходимого химического состава и температуры, металл выпускали в ковш с шамотной футеровкой емкостью 10 т. Конечное раскисление стали выполнялось в сталеразливочном ковше присадками кускового алюминия в количестве 1,5 кг/т и силикокальция - 1,0 кг/т. Такой способ обеспечивает хорошее раскисление и модифицирование стали с получением, почти в 80 % случаев, остаточного содержания алюминия в готовом металле в пределах 0,03 - 0,06 %. Как известно, при содержании в металле менее 0,02 % остаточного алюминия увеличивается количество и размеры газовых раковин и пор в отливках, что обусловлено повышением концентрации и активности растворенного кислорода, который взаимодействует с углеродом с выделением оксида углерода, образующего дефекты в отливках [3]. Для повышения эффекта раскисления стали, снижения расхода алюминия, за счет его более равномерного распределения и усвоения рациональнее использовать вместо кускового алюминия алюминиевую проволоку диаметром 10 мм. Подачу проволоки удобно выполнять с помощью трайбаппарата, со скоростью 1 м/с. Как показала
практика, такая скорость оптимальна для ковшей емкостью 5-10 т. Ввод алюминия в виде проволоки в жидкую сталь позволяет сократить расход алюминия до 0,9 кг/т с получением содержания остаточного алюминия в стали в пределах 0,02 - 0,05 %. Кроме того, сталь 20ГЛ раскисляли в ковше дополнительными присадками ферротитана в количестве 1,0 кг/т, а сталь 20ГФЛ - феррованадием - 3,0 кг/т и ферротитаном - 1,0 кг/т.
Сравнительный анализ данных около 100 плавок, выполненных в кислой и основной печи, показал, что все литые детали после соответствующей термообработки имели механические свойства, отвечающие требованиям ГОСТ 22703-91, вне зависимости от типа футеровки печи, в которой производилась выплавка. Однако сталь из основной печи имела более высокие показатели механических свойств, что было обусловлено более низким содержанием вредных примесей серы и фосфора по сравнению со сталью, выплавленной в печи с кислой футеровкой.
Таблица - Механические свойства стали 20ГФЛ после термообработки (нормализация+закалка+отпуск)
Категория свойств Предел текучести, Ст. МПа Временное сопротивление, вв, МПа Относительное удлинение, 5, % Относительное сужение, Ударная вязкость КС и"". Дж/см2
Свойства стали 20ГФЛ (основной) 350-600 525-725 17-32 30-64 30-100
Свойства стали 20ГФЛ (кислой) 310-495 520-660 18-27 37-59 31-60,5
При выплавке стали в кислой печи количество плавок с отступлениями от требований ГОСТ по содержанию углерода, кремния и марганца было на 0,4 % больше, чем на основных печах. Это объясняется высокой скоростью окислительно-восстановительных процессов в кислой печи, приводящих к быстрому угару марганца и восстановлению кремния из окислов.
Сталь, выплавленная в кислой печи, отличалась также повышенным содержанием серы и фосфора (в среднем на 20-45 %), обусловленным особенностями кислого процесса. В связи с трудностями проведения дефосфорации и десульфурации в кислых печах в стандартах предусмотрены более широкие допуски по содержанию вредных примесей серы и фосфора в сталях, выплавленных в печах с кислой футеровкой. В кислых печах для обеспечения необходимого химического состава необходим тщательный подбор шихтовых материалов (как стального лома, так и ферросплавов) по содержанию этих элементов, так как существенно снизить содержание серы и фосфора в металле, выплавляемом в кислой печи, довольно сложно. К сожалению, при дефиците стального лома, наблюдающемся в последнее время, такой подбор не всегда выполним. Как известно, десульфурацию стали можно выполнять непосредственно в ковше. Для этого необходимо во время выпуска стали из печи, после максимальной отсечки печного кислого шлака, навести в ковше высокоосновный шлак из смеси извести 5 кг/т и плавикового шпата 1,2 кг/т. Эту смесь нужно давать непосредственно на струю металла во время выпуска плавки. Однако при стопорной разливке стали, такой высокоосновный шлак может вызвать разъедание шамотных стопорных трубок в районе шлакового пояса и, как следствие, привести к аварийной потере плавки.
Возможности внепечного рафинирования стали с помощью вдувания кальцийсодержащих материалов в струе аргона при получении фасонных отливок ограничены сравнительно высокими теплопотерями в ковшах вместимости 5-10 т. При отсутствии подогрева в ковше продолжительность такой обработки не может превышать 2-3 мин. с расходом порошкообразного сили-кокальция СК-20 примерно 0,1- 0,2 % на тонну стали. Согласно экспериментальным данным [4] для кислой стали коэффициент десульфурации может составлять всего 10 - 20 %.
Предпочтительнее производить обработку кислой стали в ковше порошковыми проволоками с наполнителем из силикокальция, из расчета ввода до 0,02 % кальция на тонну стали. Так
при внепечной обработке основной стали порошковой проволокой с силикокальцием, при вводе 1 кг силикокальция СК-20 на тонну стали, за счет лучшего усвоения кальция удалось получить большую степень удаления серы, чем при использовании кускового СК-20 (см. рис.2) и лучше модифицировать неметаллические включения. В связи с этим данный способ имеет явное преимущество, перед использованием кускового силикокальция.
Обработка стали в ковше порошковой проволокой с силикокальцием СК-20 позволила получить более стабильные результаты механических свойств, повысить пластические свойства и ударную вязкость металла на 5 - 14 % по сравнению с использованием кускового материала.
Металлографические исследования полученного металла показали наличие однородной мелкодисперсной структуры с зерном 7-8 балла и равномерно распределенными диспергированными неметаллическими включениями.
зависимости от способа ввода Б1Са в сталь
Выводы
Способ выплавки стали, как и выбор типа футеровки сталеплавильного агрегата, во многом определяются возможностью обеспечения необходимого качества металла в соответствии с требованиями стандартов для конкретного вида продукции. Оптимизация процесса раскисления стали в ковше алюминиевой проволокой с расходом 0,9 кг/т и силикокальциевой порошковой проволокой с расходом до 2,0 кг/т позволяет не только снизить себестоимость стали за счет экономии дорогостоящего алюминия, но и получить плотную, однородную, мелкозернистую ферри-то-перлитную структуру отливок с 7-8 баллом зерна, повысить и стабилизировать качество литья.
Перечень ссылок
1. Чутко Н.М. Теория и технология электроплавки стали / А.Н. Чутко - Киев, Донецк: Головное изд-во, 1983.-156с.
2. Сойфер В.М. Выплавка стали в кислых электропечах / В.М.Сойфер.- М.:Металлургия, 1987,- 120 с.
3. Горелов В.Г. Влияние режима окончательного раскисления углеродистой стали на качество отливок / В.Г.Горелов, Ю.И.Карпов, Ю.В.Киреев // Литейное производство. - 2001. -№10.-С. 7-9.
4. Унигорскгш Я.Б. Внепечная обработка стали /Я.Б.Унигорскгш, А.А.Сычевский II Литейное производство. - 1992. - №9. - С. 16 -17.
Статья поступила 27.02.2006
5%в стали перед обработкой
-•— Кусковой СК-20 1,0 кг/т —А— ПП с СК-20 1,0 кг/т
Рис.2- Степень удаления серы Ср А8 в
