CC BY
16
МРНТИ 53.31.23
https://doi.org/10.48081/UOZH2182
*Р. А. Бегалиев1, К. К. Шабенов2
1,2ПФ ТОО «KSP Steel», Республика Казахстан, г. Павлодар
улучшение макроструктуры стальных трубных непрерывнолитых заготовок
В работе исследованы процессы структурообразования литой стали микролегированной бором.
Для исследования в работе была выбрана сталь 28ХМР, которая в дальнейшем подвергается термической обработке. Для сравнительных плавок при проведении исследования использовали сталь 30ХМА, которая близка по химическому составу, что позволяло исключить при исследовании влияние таких химических элементов как углерод, хром и молибден на формирование литой структуры стали.
В работе использовали методы оценки макроструктуры заготовок по стандарту организации СТО — 007—2009 и оптико - эмиссионную спектрометрию по ГОСТ 18895.
Выплавка стали осуществлялась в дуговой печи (ДСП) емкостью 60 тонн одношлаковым процессом с доводкой стали на агрегате ковш-печь (АКП) и ковшевом вакууматоре (КВ).
Экспериментальным путем выявлено положительное влияние микролегирования стали бором на макроструктуру непрерывнолитой заготовки.
Установлено положительное влияние процесса микролегирования стали бором на такие показатели макроструктуры трубной непрерывнолитой заготовки, как центральная пористость и осевая химическая неоднородность (улучшение качества примерно в два раза), что может быть связано с образованием мелкодисперсных нитридов бора, являющихся центрами кристаллизации и приводящие к уменьшению зоны столбчатых кристаллов и размера зерна стали.
На втором этапе работы была получена математическая модель зависимости развития центральной пористости от технологических параметров разливки (скорость литья и температура жидкой стали).
Ключевые слова: сталь, непрерывнолитая заготовка, модификатор, бор, бесшовная труба.
Введение
В Казахстане производство сортового проката представлено в ТОО «KSP Steel», ТОО «Кастинг», АО «АрселорМиттал Темиртау», ТОО «Актюбинский рельсобалочный завод», ТОО «ERG Service» (Ремонтно-механический металлопрокатный завод).
В практике современного металлургического производства одним из перспективных направлений повышения качества металлопроката, не требующих значительных сырьевых и энергетических затрат, является микролегирование сталей химически активными элементами, оказывающими эффективное влияние на формирование в сталях структурного состояния, улучшающего комплекс потребительских свойств. Основными микролегирующими элементами, которые нашли широкое применение, являются ниобий, ванадий, цирконий, титан [1-6].
Наряду с такими дорогостоящими и дефицитными элементами, как ниобий, ванадий, цирконий, титан и другие, в практике микролегирования стали широко применять бор [7-10].
Влияние бора на качество конструкционной стали, главным образом, связывают с повышением прокаливаемости стали. По данным [8, 10] при содержании бора в количестве 10-3 ^ 10-4 % вязкость низко- и среднелегированных сталей соответствует результату, который можно получить при легировании хромом, марганцем, молибденом или никелем, только в 100-300 раз превышающими добавки бора.
Кроме этого влияние бора в сталях может проявляться в следующем [7-10]:
- повышении пластичности стали;
- уменьшении отрицательного остаривающего влияния свободного азота за счет связывания его в боронитридные и карбоборонитридные соединения, что увеличивает пластичностъ и деформируемость проката при холодном формоизменении;
- улучшении деформируемости неметаллических включений;
- нейтрализации негативного воздействия Сг, №, Си на скорость распада аустенита при процессах патентирования;
- улучшении управляемости технологическим процессом термической обработки в потоке производства проката и формировании оптимальной структуры за счет увеличения прокаливаемости стали;
- измельчении столбчатых кристаллов в сечении непрерывнолитых заготовок, что обусловливает уменьшение осевой ликвации (особенно углерода для высокоуглеродистых сталей) и, соответственно, увеличении предельной деформируемости.
В настоящее время накоплен опыт производства сталей с микродобавками бора, содержащих углерод в пределах 0,05-0,70 %, которые используются для изготовления подката для высокопрочного крепежа, тонколистового проката для холодной штамповки, толстолистового проката для судостроения и ответственных стальных конструкций, других видов металлопроката [7, 9, 10].
Микролегирование жидкой стали бором может осуществляться различными способами [11]:
- с помощью рафинирующих шлакообразующих смесей, содержащих легкоплавкие соединения бора (бура, датолит, борная кислота, углексит и др.), вводимых в изложницу до начала разливки. Интенсивное газовыделение при кристаллизации кипящей стали обеспечивает хорошее перемешивание жидких
металлической фазы и шлаковой смеси, что создает благоприятные кинетические условия для восстановления бора из содержащихся в шлаке окислов и перехода в жидкий металл;
- путем введения на ковше-печи при финишной доводке стали или в изложницу перед разливкой кускового ферробора марок ФБ-6, 10, 17, 20 с содержанием бора соответственно 6, 10, 17, 20 % (не менее, ГОСТ 14848) или специальных борсодержащих алюминотермических лигатур с алюминием, хромом, никелем фракции 10-50 мм в количествах, обеспечивающих требуемое (обычно 0,002-0,006 % по массе) содержание бора в стали;
- путем ввода борсодержащей порошковой проволоки в жидкую сталь на агрегате ковш-печь или установке доводки металла.
Материалы и методы
Для исследования процессов структурообразования литой стали микролегированной бором с целью улучшения свойств трубных марок стали, в работе была выбрана сталь 28ХМР, которая в дальнейшем подвергается термической обработке.
Для сравнительных плавок при проведении исследования использовали сталь 30ХМА, которая близка по химическому составу, что позволяет исключить при исследовании влияние таких химических элементов как углерод, хром и молибден на формирование литой структуры стали.
Химический состав стали 28ХМР и 30ХМА приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав стали, %
Марка стали С Si Мп Р, не более S, не более Сг №, не более Си, не более Мо В
28ХМР 0,260,30 0,200,25 0,300,50 0,020 0,005 0,901,10 0,10 0,15 0,500,80 0,0020,005
30ХМА 0,260,33 0,170,37 0,400,70 0,025 0,025 0,801,10 0,30 0,30 0,500,80 -
Для микролегирования использовался ферробор (таблица 2).
Таблица 2 - Химический состав ф ерробора, %
Марка В Si А1 С
FeB 12С 10-14 0,5-4,0 2,0 0,1
FeB 17С 14-19 0,5-4,0 2,0 0,1
В работе использовали следующие методы исследования:
- оценка макроструктуры заготовок по стандарту организации СТО - 007-2009, устанавливающему метод контроля макроструктуры непрерывнолитой заготовки из углеродистой, легированной и высоколегированной стали для производства сортового проката и труб;
- оптико - эмиссионная спектрометрия по ГОСТ 18895 на оптико-эмиссионном спектрометре ДФС-500.
Выплавка стали осуществлялась в дуговой печи (ДСП) емкостью 60 тонн одношлаковым процессом с доводкой стали на агрегате ковш-печь (АКП) и ковшевом вакууматоре (КВ). Дуговые печи были оснащены стеновыми газокислородными горелками, углеродными инжекторами, системой эксцентричного донного выпуска, системой подачи ферросплавов. Установка АКП была предназначена: для окончательной доводки стали по химическому составу и температуре; десульфурации стали; удаления неметаллических включений и модифицирования; согласования работы агрегатов при разливке стали сериями на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Ковшовый вакууматор использовался для удаления растворенных газов из стали и дальнейшего ввода проволоки с порошковыми наполнителями (С, FeTi, FeB, FeNb, SiCa и др.) при помощи трайбаппарата.
В качестве шихтовых материалов использовались:
- металлолом категории 1А, 2А, отходы передельных участков по ГОСТ 2787;
- для науглероживания - углеродсодержащий материал фракцией 0,5-2 мм, с содержанием углерода не менее 93 %;
- шлакообразующие материалы - известь свежеобожженная с содержанием активных окисей Ca0+Mg0 не менее 90 %, плавиковый шпат по ГОСТ 29220-91;
- раскислители, легирующие, модификаторы - ферросиликомарганец по ГОСТ 4756 (FeSiMn), ферросилиций по ГОСТ 1415 (FeSi - 65), силикокальций по ГОСТ 4762 (СК30), ферромарганец (БеМп - 80) по ГОСТ 4755, алюминий АВ - 87 ГОСТ 295, катанку алюминиевую ГОСТ 13843-78, ферробор марки FeB 12С и FeB 17С по ГОСТ 14848.
Для производства непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) использовалась МНЛЗ радиального типа с радиусом изгибающего сектора 10000 мм. Диаметр отливаемых заготовок 210 до 300 мм. Длина заготовок от 5 до 12 метров. Непрерывная разливка осуществляется методом «плавка на плавку» закрытой струей, через погружные стаканы.
На каждой плавке отбирали поперечные темплеты НЛЗ для контроля макроструктуры.
Результаты и обсуждение
Химический состав стали приведен в таблице 3.
Таблица 3 - Полученный химический состав стали, %
Марка стали C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo B
28ХМР 0,27 0,24 0,41 0,008 0,004 0,93 0,10 0,15 0,78 0,005
30ХМА 0,30 0,26 0,58 0,008 0,006 0,94 0,12 0,18 0,76 -
Усвоение данного элемента на опытной плавке составило 80-85 %. Результаты макроструктурного анализа показали положительное влияние микролегирования стали бором на макроструктуру непрерывнолитой заготовки (таблица 4, рисунок 1).
Таблица 4 - Средние значения макроструктуры непрерывнолитой заготовки, балл
Марка стали Центральная пористость (ЦП) Осевая химическая неоднородность (ОХН) Ликвационные полоски и трещины (ЛПТ) Краевые точечные загрязнения (КТЗ)
28ХМР 0 1 1 0
30ХМА 2 2,5 1 0
Исследование показало более сильное развитие центральной (осевой) пористости в НЛЗ из стали без добавок бора.
На следующем этапе работы для составления математической модели зависимости развития ЦП от технологических параметров разливки использовались производственные данные предприятия.
В общей сложности отобрано шесть поперечных темплетов НЛЗ диаметром 300 мм по два с каждого ручья в начале и конце разливки (данные экспериментальных исследований приведены в таблице 5).
Для обработки результатов моделирования использовали регрессионный анализ, который проводили в пакете прикладных программ Microsoft Office Excel.
Таблица 5 - Экспериментальные данные
Температура стали, °С Скорость разливки, м/мин Осевая химическая неоднородность, баллов
х1 х2 y
1538 0,40 1,00
1532 0,40 0,50
1538 0,43 1,50
1532 0,43 1,00
1538 0,45 1,50
1532 0,45 1,50
В результате обработки этих данных было получено уравнение регрессии в виде линейной зависимости типа
У = к1Х1 + к2Х2 + Ь
где Ь - свободный член уравнения;
к1 и к2 - коэффициенты переменных х1 и х2; х1 и х2 - переменные уравнения.
Принимая температуру стали в промежуточном ковше МНЛЗ за х1 и скорость литья (для заготовок диаметром 300 мм) за х2 получили уравнение регрессии для определения балла макроструктуры заготовки из стали 28ХМР по осевой химической неоднородности (ОХН) от температуры стали в промежуточном ковше (1) и скорости литья заготовки (и)
ОХН = 0,0556x1 + 15,13хи - 90,57
Был определен коэффициент детерминации, который имеет значение R2 = 0,8961, что показывает хорошую сходимость результатов.
Далее была проверена адекватность модели, рассчитан критерий Фишера и сверен с табличными данными. Расчетный критерий Фишера Fр = 0,907, что меньше F _
табл.
Таким образом, можно сделать вывод об адекватности модели.
Из уравнения видно, что на величину балла макроструктуры по ОХН из проанализированных данных большее значение оказывает скорость литья, чем перепад температуры в течении всего периода разливки.
Выводы
1 Установлено положительное влияние процесса микролегирования стали бором на такие показатели макроструктуры трубной непрерывнолитой заготовки, как центральная пористость и осевая химическая неоднородность (улучшение качества примерно в два раза), что может быть связано с образованием мелкодисперсных нитридов бора, являющихся центрами кристаллизации и приводящие к уменьшению зоны столбчатых кристаллов и размера зерна стали.
2 Установлено, что микролегирование бором не вызывает ухудшения показателей макроструктуры непрерывнолитой заготовки по показателям ликвационных полос и трещин, а также по краевому точечному загрязнению.
3 Определен оптимальный момент присадки борсодержащих материалов, а именно, при снижении содержания активного кислорода и азота в металле до 2 и 80 ррт соответственно, что достигается вакуумированием стали и обеспечивает высокую степень усвоения бора в пределах 80-85%.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Сержанов, Р. И., Богомолов, А. В., Быков, П. О., Ыксан, Ж. М. Повышение качества непрерывнолитых заготовок и термоупрочненного сортового проката / монография под общей редакцией Р. И. Сержанова. - Павлодар : Кереку, 2011. - 258 с.
2 Данченко, В. Н. Технология трубного производства. - М. -Интерметинжиниринг, 2002. - 640 с.
3 Голубцов, В. А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. -челябинск, 2006. - 423 с.
4 Быков, П. О. Совершенствование процессов выплавки стали и производства катанных помольных шаров в условиях электросталеплавильного производства Республики Казахстан : монография. - Павлодар : ПГУ имени С. Торайгырова, 2018. - 163 с.
5 Быков, П. О., Езупенок, Д. С., Исакова, Д. Ж., Нургалиева, Г. Б.
Повышение пластичности среднеуглеродистых марок стали при температурах прокатки. // Наука и техника Казахстана. - 2014. - №3-4. - С. 21 - 24.
6 Bykov, P. O., Tussupbekova,, M. Z., Absolyamova, D. R. Research of the Process of Production of Steel Square Continuous Billets for Rolling Balls of Large Diameter // Defect and Diffusion Forum. - 2021. - 410DDF. - P. 330 - 335.
7 Акбердин, А. А. Опытно-промышленные испытания технологии разливки стали с применением шлакообразующих смесей на ОАО «Испат-Кармет». -Избранные труды. - Караганда : ПК «Экожан», 2008. - 754 с.
8 Лякишев, Н. П., Плинер, Ю. Л., Лаппо, С. И. Борсодержащие стали и сплавы. - М. : Металлургия, 1986. - 192 с.
9 Жучков, В. И., Акбердин, А. А., Леонтьев, Л. И., Ватолин, Н. А. Ким, А. С., Заякин, О. В. Производство и использование новых борсодержащих ферросплавов в черной металлургии // Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». - Екатеринбург : УрО РАН, 2011. - С. 198-201.
10 Акбердин, А. А., Ким, А. С., Жучков, В. И., Заякин, О. В. Новые технологии получения борсодержащих ферросплавов. - Материалы международной научно-практической конференции «Абишевские чтения - 2011. Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии». - Караганда : Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева, 2011. - С. 15-17.
11 Дюдкин, Д. А., Кисиленко, В. В. Производство стали. Т. 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки. - М. : Теплотехник, 2008. - 528 с.
REFERENCES
1 Serzhanov, R. I., Bogomolov, A. V., Bykov, P. O., Yksan, Zh. M. povyshenie kachestva nepreryvnolityh zagotovok I termouprochnenogo sortovogo prokata / monografia pod obcshey redakciey R. I. Serzhanova. - Pavlodar : Kereku, 2011. - 258 p.
2 Danchenko, V. N. Tehnologia trubnogo proizvodstva. - Moscow : Intermet Inzhiniring, 2002. - 640 p.
3 Golubtcov, V. A. Teoria I praktika vvedenia dobavok v stal vne pechi. -Chelyabinsk, 2006. - 423 p.
4 Bykov, P. O. Sovershenstvovanie procesov vyplavki stali i proizvodstva katannyh pomolnyh sharov v usloviyah elektrostaleplavilnogo proizvodstva Respubliki Kazakhstan : monografía. - Pavlodar : PGU imeni S. Toraighyrov, 2018. - 163 p.
5 Bykov, P. O., Ezupyenok, D. S., Isakova, D. Zh., Nurgalieva, G. B. Povyshenie plastichnosti sredneuglerodistyh marok stali pri temperaturah prokatki // Nauka I tehnika Kazahstana. - 2014. - № 3-4. - S. 21 - 24.
6 Bykov, P. O., Tussupbekova, M. Z., Absolyamova, D. R. Research of the Process of Production of Steel Square Continuous Billets for Rolling Balls of Large Diameter // Defect and Diffusion Forum. 2021. - 410DDF. - P. 330-335.
7 Akberdin, A. A. Opytno-promyshlennye ispytania tehnologii razlivki stali s primeneniem shlakoobrazuyuschih smesei na AO «Ispat-Karmet». - Izbrannye trudy. - Karagandy : PK «Ecozhan», 2008. - 754 s.
8 Lyakishev, N. P., Pliner, U. L., Lappo, S. I. Borsoderzhaschie stali I splavy. -M. : Metallirgia, 1986. - 192 p.
9 Zhuckov, V. I., Akberdin, A. A., Leontiev, L. I., Vatolin, N. A., Kim, A. S., Zayakin, O. V. Proizvodstvo I ispolzovanie novyh borsoderzhaschih ferrosplavov v chernoi metallurgii // Trudy nauchno-tehnicheskoy konferencii «Problemy I perspektivy razvitia metallurgii i mashinostroenia s ispolzovaniem zavershonnyh fundamentalnyh issledovanii I NIOKR». - Ekaterinburg : UroRAN, 2011. - P. 198-201.
10 Akberdin, A. A., Kim, A. S., Zhuchkov, V. I., Zaykin, O. V. Novye tehnologii poluchenia borsoderzhaschih ferrosplavov // Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoi konferencii «Abishevskie chtenia - 2011. Geterogennye process v obogaschenii I metallurgii». - Karaganda : Himiko-metallurgicheskii institute im. Zh. Abisheva, 2011. - Р. 15-17.
11 Dyudkin, D. A., Kisilenko, V. V. Proizvodstvo stali. T. 1. Procesy vyplavki, vnepechnoi obrabotki I nepreryvnoy razlivki. - Moscow : Teplotehnik, 2008. - 528 p.
Материал поступил в редакцию в 16.09.22.
*Р. А. Бегалиев1, Шабенов К. К2.
1,2«KSP Steel» ЖШС, Казахстан Республикасы, Павлодар к. Материал баспаFа TYCTi 16.09.22.
YЗДIКСIЗ Ц¥ЙЬЮТАН БОЛАТ Ц¥БЫР ДАЙЫНДАМАЛАРЫНЬЩ МАКРОЦ¥РЫЛЫМЫН ЖАЦСАРТУ
Жумыста цуйма Болаттыц микролегирленген бормен цурылыстыц цалыптасу процестерi зерттелген.
Зерттеу ушт жумыста 28хмр Болат тацдалды, ол кешннен термиялыц вцдеуден втедi. Салыстырмалы балцыту ушт зерттеу кезтде химиялыц цурамы жагынан жацын 30ХМА болаты пайдаланылды, бул зерттеу кезтде квмiртегi, хром жэне молибден сияцты химиялыц элементтердщ Болаттыц цуйылган цурылымын цалыптастыруга эсерт болдырмауга мумктдт бердi.
Жумыста СТО — 007—2009 уйымдастыру стандарты бойынша дайындамалардыц макроцурылымын жэне ГОСТ 18895 бойынша оптикалыц — эмиссиялыц спектрометрияны багалау эдiстерi цолданылды.
Болатты балцыту сыйымдылыгы 60 тонна догалы пеште (ДСП) бiр шлакты процесспен, болатты швмш-пеш агрегатында (АКП)жэне швмiштi вакууматорда (КВ) жетiлдiрумен жузеге асырылды.
Эксперименттт жолмен узджс1з цуйылган дайындаманыц макроцурылымына бор болатыныц микролегациялануыныц оц эсерi аныцталды.
Бормен болатты микролегизациялау процестщ орталыц кеуектшт жэне осьтт химиялыц гетерогендшк (сапаны шамамен ет есе жацсарту) сияцты узджс1з цуйылган цубырлы дайындаманыц макроцурылымыныц кврсеттштерте оц эсерi аныцталды, бул кристалдану орталыцтары болып табылатын бордыц усац дисперстi нитридтертщ пайда болуышен байланысты болуы мумкт жэне баганалы кристалдар аймагыныц жэне болат дэнШц мвлшертщ твмендеуте экеледi.
Жумыстыц екiншi кезецтде орталыц кеуектшттщ дамуыныц цуюдыц технологиялыц параметрлерте тэуелдшштц математикалыц моделi алынды (цую жылдамдыгы жэне суйыц болаттыц температурасы).
Кiлттi свздер: Болат, узджс1з цуйылган дайындама, модификатор, бор, жжс1з цубыр.
*R. A. Begaliev1, K. K. Shabenov2.
1,2«KSP Steel» LLP, Republic of Kazakhstan, Pavlodar Material received on 16.09.22
IMPROVEMENT OF THE MACROSTRUCTURE OF STEEL PIPE CONTINUOUS CAST BLANKS
In this paper, the processes ofstructure formation of cast steel microalloyed with boron are studied.
For research in the work, steel 28XMP was chosen, which is subsequently subjected to heat treatment. For comparative melts in the study, steel 30XMA was used, which is similar in chemical composition, which made it possible to exclude the influence of such chemical elements as carbon, chromium and molybdenum on the formation of the cast steel structure in the study.
In the work, we used methods for evaluating the macrostructure of workpieces according to the organization standard STO-007-2009 and optical emission spectrometry according to GOST18895.
Steel smelting was carried out in an arc furnace (EAF) with a capacity of 60 tons by a single-slag process with steelfinishing on a ladle-furnace unit (LAF) and a ladle degasser (KV).
Experimentally revealed a positive effect of steel microalloying with boron on the macrostructure of a continuously cast billet.
A positive effect of the process of steel microalloying with boron on such indicators of the macrostructure of a continuously cast pipe billet as central porosity and axial chemical heterogeneity (improvement in quality by about two times) has been established, which may be associated with the formation of finely dispersed boron nitrides, which are crystallization centers and lead to a decrease in the zone of columnar crystals and grain size of steel.
At the second stage of the work, a mathematical model was obtained for the dependence of the development of central porosity on the technological parameters of casting (casting speed and liquid steel temperature).
Keywords: steel, continuously cast billet, modifier, boron, seamless pipe.
