CC BY
11
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 669.721
ВЛИЯНИЕ СТАЛИ Ст20 НА КАЧЕСТВО СТАЛЬНЫХ ТИГЛЕЙ И МАГНИЕВЫХ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ Мд-А!-1п-Мп, ПРИГОТОВЛЕННЫХ В НИХ
Д.А. Шадаев, О.В. Деткова, канд. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Показано, что качество поверхности листов из стали Ст20 влияет на эксплуатационные характеристики тиглей и содержание железа (в сторону увеличения) в магниевых сплавах системы Mg-Al-Zn-Mn, выплавляемых в этих тиглях.
Ключевые слова: сплав системы Mg-Al-Zn-Mn, листы, тигли, сталь Ст20, содержание железа, качество сплава.
The Effect of St20 Steel on Quality of Steel Crucibles and Magnesium Mg-Al-Zn-Mn System Melts Prepared in Them. D.A. Shadayev, O.V. Detkova.
It has been found that quality of St20 steel sheet surface has an effect on crucible performances and ferrum content (change upwards) in magnesium Mg-Al-Zn-Mn system alloys produced in these crucibles.
Key words: Mg-Al-Zn-Mn system alloy, sheets, crucible, St20 steel, ferrum content, alloy quality.
В некоторых магниевых сплавах системы Мд-А1-7п-Мп содержание железа ограничено 0,005 %, которое обеспечивает футеровка пламенной печи. Перевод производства магниевых сплавов на индукционную печь со стальным тиглем приводит к нестабильности содержания железа в сплавах указанной системы. Разброс его значений находится в пределах от 0,005 до 0,01 %. Железо в магниевых сплавах определяли атомно-эмиссионным методом (спектральный анализ по твердой пробе).
Стальной тигель индукционной печи следует рассматривать не только как емкость для плавления шихты и приготовления сплавов, но и как материал, который взаимодействует с магнием и его сплавами, повышает в них содержание железа до 0,01 %.
Качество поверхности листов из стали марки Ст20, используемых для изготовления тиглей индукционной печи, влияет на эксплуатационные характеристики тиглей и на содержание железа в магниевых сплавах при их
приготовлении. Экспериментальные данные, полученные в ВИЛСе при приготовлении расплава магния или его сплавов в стальных тиглях, изготовленных из стали разных марок, указывают на насыщение расплава железом. В расплаве магния, приготовленном при температуре 760-800 °С в тигле из стали марки Ст20, наблюдается рост содержания железа от 0,005 % (исходное содержание) до 0,012 %. Для стали марки Ст3 такое взаимодействие происходит при более низких температурах от 650 до 720 °С с повышением содержания железа от 0,005 до 0,01 %.
Цель работы - установить факторы, ускоряющие процесс взаимодействия железа с магниевыми сплавами системы Мд-А1-7п-Мп, учитывая, что наряду с содержанием железа 0,01 % в части плавок его содержание не превышает 0,005 %, а также правильность выбора листов из стали Ст20 конструкционной нормализованной (кн) для изготовления тиглей, используемых при плавлении деформируемых магниевых сплавов.
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Материал тиглей
Работы ВИАМ от 1987 г. подтверждают, что операция нормализации Ст20 при высоких температурах «исправляет ее структуру». Под термином «исправляет структуру», на наш взгляд, следует понимать выравнивание фазового состава стали и получение стабильного размера зерна в объеме изделий. Это способствует безаварийной эксплуатации тиглей при нагреве до температуры 1 950 °С и стабильности содержания железа в магниевых сплавах системы Мд-А!-7п-Мп.
Качество поверхности тигля, изготовленного из листа Ст20, проявляется при его эксплуатации в тех зонах, в которых температура достигает значений 1 950 °С [1]. В этих зонах тигля наблюдается изменение химического состава Ст20, коробление, резкое снижение прочностных характеристик и сильное окисление стенок, особенно с внешней стороны, обращенной к индуктору. Окалина по наружной стороне тигля достигает 2,5-5,0 мм. Утонение тигля происходит с внешней стороны. Это означает, что наружная сторона тигля имеет более высокую температуру нагрева, чем внутренняя.
Ранее проводимые металлографические исследования образцов, вырезанных из зон тигля с наибольшей температурой его нагрева, позволили зафиксировать значительное количество пор, каверн в материале тигля; был отмечен рост зерна в структуре тигля по отношению к размеру зерна в структуре листа из Ст20 (состояние поставки).
Причина образования дефектов в тиглях заложена не только в прокатке, но и в типе плавильной печи, в которой приготовлена сталь для листов.
Ранее были приобретены листы из Ст20 (конструкционная нормализованная) размером 25 х 1800 х 4500 мм. Сталь была приготовлена в электрической печи с ва-куумированием. Из листов изготов-
Условия эксплуатации тиглей
60 50 40 30 20 10 0
лено 27 тиглей, прошедших эксплуатацию.
Индукционная печь состоит из двух ячеек, работающих попеременно от одного трансформатора, в каждую устанавливают индуктор, затем производят набивку огнеупорной оболочки и устанавливают стальной тигель.
Набор статистических данных по содержанию железа в магниевом сплаве системы Мд-А1-7п-Мп провели на плавках, приготовленных в ячейках 1 и 2 индукционной печи в восьми тиглях, изготовленных из листов Ст20 одной партии (приготовление стали в электрической печи с вакуумированием). В каждую из ячеек индукционной печи было установлено по четыре тигля (по завершению срока эксплуатации каждого). Статистические данные по содержанию железа были собраны на плавках рассматриваемого сплава, приготовленного в этих тиглях.
Результаты исследований по распределению содержания железа в магниевом сплаве системы Мд-А1-7п-Мп, приготовленном в разных ячейках индукционной печи, представлены на рис.1.
70 60
.50/1
51/2"
\
V ,54/1
\ 1
53/2 ,
>--
1 1 --1
0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 Содержание железа, %
80 Ж 70,
я 60 е
I 50
О 40 а 30
20 10 0
¡к
К
\\
52/1
\ V ч
\ А V —1
1 { ' 1
0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 Содержание железа, %
50 401 30 20 10 0
0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 Содержание железа, %
0,01
/
/ .
/ у
57/1- /
\ ' /
N -55/2
0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 Содержание железа, %
Рис. 1. Изменение содержания железа в магниевом сплаве, приготовленном в тиглях ячеек 1 и 2, работающих попеременно в один период времени:
обозначения на кривых - числитель - порядковый номер тигля, знаменатель - номер ячейки тигля индукционной печи
-Ф-
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
-Ф-
при приготовлении рассматриваемого магниевого сплава практически одинаковы, кроме изготовления самих тиглей.
При сравнении результатов содержания железа в магниевом сплаве системы Мд-А1-7п-Мп, приготовленном в тиглях ячеек 1 и 2 индукционной печи, видно, что по содержанию железа сплав, приготовленный в тигле ячейки 2 чище, чем тот же сплав, приготовленный в ячейке 1.
В тиглях ячейки 2 количество приготовленных плавок с содержанием железа от 0,005 до 0,007 составляет 75 %. В тиглях 50, 52, 54, 57 ячейки 1 количество плавок с таким же содержанием железа (от 0,005 до 0,007) - 58 %.
Вероятно, такое различие в содержании железа в плавках сплава связано с конструкцией индуктора. Индуктор ячейки 1 имеет меньшее число витков, чем индуктор ячейки 2, и, обладая меньшей мощностью, не способен однородно перемешивать расплав. В результате в расплавах, приготовленных в тиглях
и
1700 1600 1500 1400 1300
1200
Y
1100 1000
Al, % мас. 20 30 40 50 60 70 80 90
J__I_L_L_
а а
н
200
0 10 20 30 40 50 60 70 8 Al, % ат.
Рис. 2. Диаграмма Fe—Al
90 100
ячейки 1 образуются застойные или слабопе-ремешивающиеся зоны. Это подтверждает выборочный контроль химического состава сплава (по содержанию алюминия), приготовленного в тиглях ячеек 1 и 2 индукционной печи.
При одинаковых параметрах: единой массе шихты (кг), массе отдельных составляющих (кг), их вида (отходы, первичные металлы), а также едином расчетном количестве элементов, определяющих сплав, к примеру алюминия, его содержание в сплаве по отношению к расчету различно.
В сплаве, приготовленном в тиглях ячейки 2, число плавок, имеющих содержание алюминия, совпадающее или близкое к расчетному, составляет 67 %.
Для сплава, приготовленного в тиглях ячейки 1, число плавок с подобным содержанием алюминия не превышает 30 %. Из-за пониженной мощности индуктора ячейки 1 (в сравнении с индуктором ячейки 2) перемешивание расплава в тиглях ячейки 1 слабее, чем в тиглях ячейки 2. Это повышает возможность потери алюминия на стадии его присадки в тигель при приготовлении магниевого сплава, содержащего алюминий.
Влияние алюминия, вводимого в состав
шихты, на изменение содержания железа в магниевом сплаве системы Мд-А!-Еп-Мп, приготовленном в индукционной печи
Взаимодействие алюминия с железом известно (рис. 2) [2], поэтому для приготовления алюминиевых сплавов используют пламенную печь с футеровкой шамотным или корундовым кирпичом или индукционную с набивным тиглем из бетонной смеси различных составов.
На изменение содержания железа в рассматриваемом сплаве при его приготовлении в тигле индукционной печи оказывает влияние ряд факторов :
- сам тигель, изготовленный из листа Ст20;
- отходы собственного производства, содержащие железо в пределах от 0,005 до 0,01 % и задействованные в составе шихты;
- чистота первичного алюминия по содержанию железа в нем.
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
я 40 § 35
£ 30
5 25
<з 20
[2 15
8 10
F 5
§ 0 o
к 37 41 6 0 кг 65 пл авок)
1,22
14 14' 9
4
0,006 0,008 0,01 Содержание железа, % а
я
60 £ 50 fí 40 о 30 20
о
S 10
ил 0
50 61 7 5 кг 20 пл авок)
30
Л5
"5
0,006 0,008 0,01 Содержание железа, % г
Отмечено, что несмотря на высокую чистоту по содержанию железа алюминия марки А99, его загрузка втигель индукционной печи в составе шихты приводит к росту содер -жания железа в рассматриваемом сплаве при его приготовлении.
С таким явлением столкнулись впервые, так как при приготовлении магниевых сплавов, содержащих алюминий, в пламенных печах с магнезитовой футеровкой содержание железа в сплаве не превышало 0,005 %. Были выбраны три варианта присадок первичного алюминия: от 41 до 60 кг; от 61 до 75 кг; от 76 до 90 кг (рис. 3).
Только с увеличением количества первичного алюминия, введенного в состав шихты, растет число плавок с содержанием железа 0,005 % для сплавов системы Mg-Al-Zn-Mn.
При введении алюминия от 41 до 60 кг количество плавок с содержанием железа 0,005 % не превышает 37 %. При введении алюминия от 61 до 75 кг количество плавок с содержанием железа 0,005 % составляет 63 % от всех приготовленных плавок сплава.
Было установлено, что дальнейшее увеличение присаженного первичного алюминия в тигель индукционной печи при приготовлении магниевых сплавов, содержащих алюминий, не повышает количества плавок, содержащих 0,005% Fe.
На наш взгляд, алюминий согласно диаграмме Fe-Al (см. рис. 2) начинает взаимодействовать с тиглем (при его контакте с ним) при температуре - 650 °C, образуя соединения на основе Al-Fe. При загрузке алюминия в тигель, нагретый до температуры l 700 °C,
я 70 8 60 50 5 40 я 30 S 20
е
у 10 и
л0
о о
63 61—7 5 кг 16 пл авок)
31
16
0,006 0,008 0,01 Содержание железа, %
я 60 е
S 50 Е?40 о 30 ¡ 20 Р 10
и
л0 о
56 41—6 0 кг 59 пл авок)
^14 10 7
10 3__i
0,006 0,008 0,01 Содержание железа, % в
я 70 § 60 £ 50 3 40 § 30 S 20 Е 10 ил 0
к.64 76—9 0 кг 15 пл авок)
261
я
0,006 0,008 0,01 Содержание железа, % д
60 i 50 I 40 о 30
¡3 20
О
а 10
ил 0
50 1 1 1
Ц.16 9 12
10 П
0,006 0,008 0,01 Содержание железа, % е
Рис. 3. Влияние алюминия, введенного в состав шихты, на изменение содержания железа в магниевом сплаве системы Мд—А!—1п—Мп:
а, б - индукционная печь со стальным тиглем, установленным в ячейку 1; в, г, д - то же, в ячейку 2; е - индукционная печь с тиглями, установленными в ячейки 1 и 2
происходит контакт алюминия с тиглем и образование соединения Al-Fe, переходящего в расплав. Оно увеличивает содержание железа в магниевом сплаве от 0,005 до 0,01 %.
Этим можно объяснить, что в магниевом сплаве, содержащем в 2 раза больше алюминия, чем другие сплавы рассматриваемой системы, содержание железа увеличивается от 0,011 до 0,013 %.
Выводы
1. Отмечено влияние мощности индуктора на перемешивание расплава в тиглях и, как следствие, изменение содержания железа и алюминия в плавках магниевого сплава.
2. Выявлено взаимодействие алюминия со стальным тиглем, приводящее к потерям алюминия.
3. Определено, что качество стальных листов влияет как на эксплуатационные характеристики тиглей, так и на содержание железа в магниевых сплавах системы Mg-Al-Zn-Mn.
1. Гуляев А.П. Металловедение. 1963. - 464 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ М.: Оборонгиз,
2. Хансен М. Структуры двойных сплавов. Т. 1. -М.: Госуд. научно-технич. изд-во литературы по черной и цветной металлургии, 1962.
