CC BY
29
УДК 669.181.27
В МЕТАЛЛУРГИЮ БУДУЩЕГО НАВСТРЕЧУ ДЕМИДОВСКОМУ
МЕТАЛЛУ ИЗ ПРОШЛОГО
В. А. Синельников, Г. А. Дорофеев
Рассмотрены свойства жидкой стали и способы их повышения. Описаны особенности старения и свойств железоуглеродного полупродукта, выплавленного процессом ОШЕЫ.
Ключевые слова: однородность стали, старение, равновесие, полупродукт, ОШЕЫ, коллоидный раствор, углерод.
1. Однородность жидкой стали и способы её повышения
Жидкая сталь является многокомпонентным раствором, имеющим сложное строение. Согласно квазихимической модели жидкометалличе-ского состояния расплавленная сталь в обычных условиях выплавки состоит из пространственных областей (кластеров), внутри которых расположение атомов (не обязательно одного сорта) характеризуется упорядоченностью [1].
Равновесному состоянию расплава соответствует наиболее равномерное из всех возможных в данной системе распределение частиц. Физико-химические свойства жидкого расплава характеризуются плотностью а, вязкостью п, теоретически равной силе трения F и кинематической вязкости [2,3].
Анализ теоретических работ [2 - 4] позволяет констатировать следующее:
- существует природа металлургической наследственности, генетической взаимосвязи жидкого и твердого состояния стали;
- при науглероживании или легировании железа микронеоднородность неравновесного расплава будет определяться кластерами сортового упорядочения с различным соотношением атомов железа и примесей;
- неравномерность жидкого металла тесно связана с его механическими свойствами и в первую очередь с показанием пластичности.
Следовательно, строение жидкой стали, её состав и свойства посредством степени приближения к равновесному состоянию расплава влияют на реализацию металловедческой идеи: «состав - структура - свойства».
Из практики известны случаи, когда переход от выплавки металла в мартеновских печах на конвертерный способ ухудшил качество стали, разливаемой на слябовых МНЛЗ (ОАО «Алчевский метзавод», 2004 г.), что подтверждает вышесказанные теоретические предпосылки о необходимости иметь высокую однородность расплава.
28
Наиболее распространенным способом приведения расплава к некоторому равновесному состоянию является внепечная обработка металла: продувка аргоном в ковше и вакуумирование.
Вместе с тем, для этих целей могут быть использованы и методы физического воздействия на металл при выплавке и кристаллизации; наложение слабых электромагнитных полей в конвертере; применение низкотемпературной плазмы при разливке, ультразвука, электромагнитного перемешивания.
Научной предпосылкой использования электрического воздействия малой удельной мощности при конвертерной плавке являются физико-химические особенности структуры расплавов, поскольку металлическая часть расплава имеет электронную структуру, а шлаковая - ионную [5]. В расплаве электроны атомов железа не локализованы около атомов, а могут распространятся в объеме металла. В частности элементарной частицей углерода являются не нейтральные его формы, а заряженный ион С-4, поэтому положение слабых электрических полей изменяет в соответствие с правилом Ле-Шателье ход рафинировочных реакций в жидком расплаве. В результате усиливается циркуляция металла в надфурменной зоне при продувке стали в конвертере. Это приводит к улучшению ряда технологических показателей конвертерного процесса, снижение содержания серы и фосфора ( на 10...20 %), кислорода, водорода и азота (на 12...25 %), сокращению уровня пылевыделения из полости конвертера (на 20.30 %) и других показателей [5]. Однако применение технологии воздействия электромагнитных полей на конечную структуру металла влияет опосредст-венно (через снижение вредных примесей).
Применение низкотемпературной плазмы, например, для подогрева жидкой стали промковше МНЛЗ имеет более широкие возможности для этого. В частности, использование плазменного подогрева металла снижает перегрев стали при разливке с 30 до 110 0С, в результате повышается дисперсность микроструктуры литого металла: среднее расстояние между осями дендритов второго порядка снижается вблизи большого радиуса с 90 до 30 мм, а в осевой зоне - с 80 до 20 мкм [6].
Применение технологии плазменного нагрева приводит к росту показателей пластичности листового проката (относительное сужение - в среднем на 18 %, относительное удлинение - на 20 %). Этот эффект достигается за счет получения мелкозернистой структуры в слябе и готовом прокате.
Аналогичный результат можно получить и за счет ультразвукового воздействия на стенки кристаллизатора при непрерывной разливке стали [7]. Ультразвуковое воздействие приводит к получению более мелкозернистой структуры нержавеющей и углеродистой стали. Эффект ультразвуковой обработки усиливается при одновременном вводе в кристаллизатор
29
ленты, которая снижает температуру перегрева жидкой стали и подавляет рост столбчатых кристаллов. В результате обработки низколегированных сталей получено увеличение пластичности металла на 30...40 %. При обработке металла ультразвуком отмечается ускорение процесса рафинирования стали с образованием пузырьков газа и их вымывающего действия в отношении неметаллических включений. При этом жидкотекучесть металла увеличивается на 25...30 %. Рафинирующий эффект повышается при использовании ультразвука в процессе вакуумирования стали.
Влияние электромагнитного перемешивания (ЭМП) на торможение потоков металла в кристаллизаторе, физико-химические процессы при кристаллизации и металлургические эффекты рассмотрены одним из авторов настоящей статьи в работе [8]. Применение ЭМП увеличивает зону равновесных кристаллов в слитке, уменьшает содержание неметаллических включений и газов, способствует снижению осевой ликвации, что в сочетании с технологией мягкого обжатия может обеспечить высокую плотность центральной зоны слитка.
Таким образом, применение физических методов воздействия на выплавляемый и кристаллизирующийся металл положительно влияет на увеличение дисперсности (однородности) структуры литого и катаного металла, что приводит к увеличению пластических свойств готовой стали на 15...40 %.
Этот эффект недостаточен, чтобы говорить о прорывном характере данных технологий. На практике с этой целью используются продувка металла азотом в ковше и вакуумирование, которые также не могут в разы улучшить свойства готовой стали.
2. Особенности железоуглеродистого полупродукта, выплавленного процессом ORIEN
Жидкий полупродукт, полученный процессом ОМЕК, отличается по сравнению со стандартной технологией электроплавки на металлоломе следующими особенностями:
-первородностью электропечной стали, сравнимой по минимальному содержанию примесей цветных металлов с конвертерным металлом выплавленным с использованием 80...90 % жидкого чугуна;
- однородностью структуры жидкого расплава;
- наличием углерода в растворе и свободных частиц углерода и це-
5 7
ментита размером 10" ...10" см;
-более низким содержанием серы и фосфора за счет кинетики протекания физико-химических реакций в зоне дуг при непрерывной подаче железоуглеродистого материала и раннего формирования основного шлака. По этой причине получаются более низкие концентрации азота в металле.
Первородность получаемого полупродукта объясняется реакцией окисления углерода-восстановления железа в системе «Бе - О - С» с металлической ванной. Однородность структуры расплава обеспечивают высокие температуры в зоне горения дуг, а также жидкофазный характер восстановления окислов железа, характерный для процесса ОШЕК.
В процессе плавки, полученный расплав углерода в железе далее поступает в металлическую ванну, имея весьма высокую концентрацию углерода. Она существенно превышает не только обычное содержание углерода в чугуне, составляющее в среднем 4,2...4,5 %, и предел растворимости углерода в железе, равный 6,67 %. Концентрация углерода в железе при этом достигает 10...20 % и более. Система «Бе - С» в данном случае является коллоидным раствором углерода в железе, представляя смесь
5 7
жидкого чугуна и частиц графита (размер 10" ...10" см). В этой системе углерод присутствует одновременно в двух формах- в атомарном состоянии и в виде включений графита как в передельном чугуне, что является уникальным явлением и сопоставимо с ролью атомарного углерода при производстве демидовского металла и булата.
Требуются дополнительные исследования металла процесса ОМЕК, особенно при содержании в шихте 80...100 % брикетов. Однако уже сейчас можно предположить, что первородность и однородность структуры металла, наличие углерода в двух формах приближает этот металл к знаменитому демидовскому, для которого характерны были эти показатели, в частности, высокая пластичность (в 2 - 3 раза) выше обычной.
Мастера Тагильского Демидовского завода производили сталь с клеймом «Старый соболь» из руд Тагила-Кушвинского месторождения, чистых от вредных примесей и содержащих многие полезные компоненты, такие, как титан, и выплавляли с использованием древесного березового угля. Выплавленная сталь подвергалась интенсивной пластической деформации и последующей обработке с применением сложной технологии силового и теплового воздействия. По таким технологиям изготавливался широкий сортамент металлопродукции высочайшего качества: кровельное железо, которое не ржавеет с XIX века; круглый сортовой прокат, который можно было вязать в узлы; железнодорожные рельсы для северных дорог; котельная сталь. С развитием науки металловедения установлено, что легирование (насыщение стали углеродом) в демидовской стали осуществлялось углеродом древесного березового угля, Златоустовского булата - графитом.
С появлением концепции атомарного строения вещества стало очевидным, что легирование железоуглеродистых материалов графитом и древесным углем осуществлялось не просто углеродом, а атомарным углеродом, так как структура графита и аморфного древесного угля состоит только из атомов углерода. Как отмечалось ранее, в процессе ОМЕК происходит легирование стали атомарным углеродом в пределах, превышаю-
щих предел растворимости углерода в железе (6,67 %) до 20 %, что делает схожими эти процессы с технологией легирования демидовской стали и булата атомарным углеродом даже в более широких пределах.
Физика процесса насыщения стали углеродом, находящейся в атомарном состоянии, изложена Орованом и Тейлором (1934 г.) в теории дислокационного процесса. Суть дислокационного процесса легирования стали атомарным углеродом заключается в том, что атомы углерода в процессе формирования кристаллов железа в жидкой фазе стали, а также в твердом растворе при пластической деформации и физических превращениях внедряются в межатомное пространство куба кристаллов железа, вызывая изменения взаимного расположения атомов кристаллов, что приводит к искажению (дисклинации) формы куба кристаллов железа и сопровождается изменением его размеров. Количество и плотность измененных плоскостей взаимного расположения атомов железа и плотность их линий на поверхности кристаллов (дисклокаций), характеризуемые вектором Бюргерса, коренным образом изменяют физические свойства стали [9].
На основании этой теории за счет легирования стали атомарным углеродом, что имеет место при производстве демидовского металла и современного процесса ОМЕК, могут быть получены сверхпластичные стали.
Заключение
Новый энергометаллургический процесс ОМЕК позволяет выплавлять металл, обладающий большими потенциальными возможностями в части коренного улучшения свойств металла.
Почти 100 лет металлурги постоянно занимались легированием металла, разработкой новых марок, многочисленных режимов термических обработок с целью получения оптимальных соотношений прочностных и пластических свойств.
Металл процесса ОМЕК, напоминающий демидовский, открывает новую эру черной металлургии, в которой качество металла повышается не за счет совершенствования традиционных схем легирования, а только за счет изменения физических процессов структурообразования стали.
Список литературы
1. Жидкая сталь / Б.А. Баум [и др.]. М: Металлургия, 1984. 210 с.
2. Еланский Г.Н., Кудрин В.А. Строение и свойства жидкого металла. Технология плавки. Свойства стали. М.: Металлургия, 1984. 239 с.
3. Еланский Г.Н., Кудрин В.А. Свойства и строение расплава железа // Сталь. 1991. №10. С. 13-17.
4. Неравновесность жидкого металла и качество стали / С.П. Бурма-сов [и др.] // Новые технологии и материалы в металлургии: сб. науч. тр. УИМ. Екатеринбург, 2010. С. 242-259.
32
5. Семыкин С.Н., Поляков В.Ф. Применение электрического взаимодействия малой удельной мощности при конвертерной плавке стали // Сталь. 2014. №9. С. 12-16.
6. Исследование микроструктуры и механических свойств стали, разлитой с применением плазменного подогрева в промежуточном ковше МНЛЗ / Э.Х. Исакаев, А.С. Тюфтяев, Г.А. Филиппов, Д.И. Юсупов // Металлург. 2013. №5. С. 69-74.
7. Ультразвуковое воздействие на стенки кристаллизатора при непрерывной разливке стали / П.Ю. Жихарев [и др.] // Черная металлургия. Бюлл. НТИ ЭК, 2013. №8. С. 27-33.
8. Синельников В.А., Филиппов Г.А. Применение электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе при непрерывной разливке стали // Черная металлургия: бюлл. НТИ ЭК. 2014. №7. С. 43-50.
9. Лякишев Н.П. Энциклопедический словарь по металлургии. Т. 1. М.: Интерент Инжиниринг, 2010. 412 с.
Синельников Вячеслав Алексеевич, д-р техн. наук, проф., sinelnikov-va@mail.ru, Россия, Москва, Академия технологических наук РФ,
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@list.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»
IN THE STEEL INDUSTRY OF THE FUTURE TO MEET THE DEMIDOV METAL
FROM THE PAST
V.A. Sinel'nikov, G.A. Dorofeev
The role of the properties of liquid steel and the method of their promotion are considered. The features of aging and properties of iron-carbon intermediate product produced by the process ORIEN are described.
Key words: homogeneity of steel, aging, balance, intermediate, ORIEN, colloidal solution, carbon.
Sinel'nikov Vyacheslav Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, sinelni-kov-va@mail. ru, Russia, Moscow, Academy of Technological Sciences of the Russian Federation,
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@list.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»
