CC BY
111
Раздел 2 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО И СИНТЕЗ НОВЫХ СПЛАВОВ
УДК 669.187.26
К.Н. Вдовин, H.A. Феоктистов
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЮМИНИЯ И КАЛЬЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ВЫПЛАВКИ ЛИТЕЙНОЙ СТАЛИ В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ
Качество литых заготовок играет ключевую роль в конкурентоспособности заводов-изготовителей, что неизбежно приводит к совершенствованию технологии производства отливок, с целью повышения механических и эксплуатационных свойств, надёжности и долговечности деталей.
Наиболее перспективным способом повышения механических свойств литых заготовок является обработка стали кальций-содержащими материалами. В литейном цехе ЗАО «Механоре-монтный комплекс» внепечную обработку металла проводят при помощи порошковой проволоки с различными наполнителями.
Основной целью обработки литейной стали кальцийсодер-жащими материалами является устранение негативного действия частиц оксида алюминия, образующихся в процессе раскисления стали алюминием.
В процессе обработки металла кальцийсодержащими материалами происходит реакция кальция с кислородом, серой и в последнюю очередь с частицами корунда. Кальций, растворённый в металле, в первую очередь реагирует с кислородом. Дальше кальций реагирует с серой, с образованием сульфида CaS. Реакция между кальцием и оксидом алюминия с образованием жидких алюминатов кальция возможна лишь в том случае, если содержание серы в металле находится в равновесии с этими алюминатами. Если содержание серы выше равновесного с жидкими алюминатами кальция, то образующийся сульфид кальция обволакивает частицы корунда, снижая негативное действие на механические свойства последнего.
В литературных источниках данный вопрос достаточно хорошо освещён для сталей, выплавленных в конвертере и применяющихся для производства листа, но остаётся открытым для литейных сталей. В это же время среди исследователей нет единого мнения о необходимом количестве остаточного кальция в металле. Известно лишь то, что содержание кальция будет зависеть от содержания алюминия и серы в металле.
Авторы работы [1] предлагают рассчитывать нижний и верхний пределы остаточного содержания кальция в стали в зависимости от содержания серы и алюминия по следующим формулам:
где [Са]н - нижний предел остаточного содержания кальция в расплаве,0^
[Са]в - верхний предел остаточного содержания кальция в расплаве ([Б]<0,014),о/о;
[Са]в - остаточное содержание кальция в металле ([Б] > 0,014%),%;
[А1] - концентрация алюминия в металле,/;
[Б] - концентрация серы в металле,/.
В работе [2] говорится, что для получения жидких алюминатов кальция достаточно вводить строго определённое количество силикокальция в пределах 0,15-0,25 кг на тонну металла. Авторами работы [3] установлено, что для получения жидких включений рекомендуется выдерживать определённое соотношение между содержанием кальция и алюминия в металле. Определить это соотношение можно по уравнению
Исследовав влияние алюминия на механические свойства углеродистой стали марки 25Л, выплавленных в литейном цехе, получили зависимость, представленную на рис. 1.
Анализируя представленную на рис. 1 зависимость, можно увидеть, что предел прочности литой стали марки 25Л имеет максимальные значения в интервале содержания алюминия 0,040,06%. Причиной такого влияния алюминия на предел прочности стали являются неметаллические включения, выделяющиеся в процессе раскисления и затвердевания стали.
Для изучения выделившихся неметаллических включений провели металлографический анализ образцов на сканирующем электронном микроскопе иБМ - 6490 IV. При помощи программно-
[Са]н> 0,0016 + 0,01 [А1], [Са]в < 0,0026 + 0,0036[А1], [Са]в^ < 0,0037 + 0,042[Б],
(1) (2) (3)
1д[Са] = (0,7011д[А1] - 0,709) ± 0,125.
(4)
го обеспечения Thixomet Pro проводили количественный металлографический анализ металла образцов.
560
я
В 540
А
Н 520 Н
о 500 К
g 480 Ь
G 460 t¡
ft 440 «
Ё 420
0
R2 0,5211
Рис. 1. Влияние алюминия на предел прочности стали
В процессе исследования установили, что при раскислении литейной углеродистой стали алюминием можно выделить три области по содержанию алюминия в металле: 0,02-0,03%, 0,040,06%, 0,07-0,12%. При содержании алюминия в указанных областях в металле находятся одинаковые типы неметаллических включений. При содержании алюминия в металле 0,02-0,03% образуются прерывистые цепочки сульфида марганца и железа, а также мелкодисперсные включения оксида алюминия.
В металле с содержанием алюминия в интервалах 0,04-0,06 и 0,07-0,12% происходит выделение комплексных оксисульфидов, а также оксида алюминия в свободном виде. При этом следует отметить, что при содержании алюминия в металле более 0,07% происходит значительное увеличение их количества, что подтверждается данными количественного металлографического анализа.
Общая схема влиянии алюминия на механические свойства представлена на рис. 2.
Обработка стали марки 25Л кальцийсодержащими материалами в литейном цехе способствовала повышению механических свойств. При этом наблюдался значительный разброс значений (до 27%) механических свойств. Для определения долей влияния элементов, оказывающих наиболее сильное влияние на свойства,
провели моделирование массива данных, состоящего из 650 плавок, при помощи программы «Модель». После моделирования выявили, что наибольшие доли влияния на механические свойства имеют алюминий и кальций. Но ещё большее влияния оказывает отношение остаточного кальция в металле к алюминию.
Содержание А1 в металле, мае. %
Рис. 2. Общая схема влияния включений на механические свойства литой заготовки
После моделирования, проведённого с массивом плавок, в котором в качестве входного параметра было использовано отношение остаточного кальция в металле к алюминию, установили, что рациональным, с точки зрения получения максимально возможных величин механических свойств углеродистой стали, является отношение кальция к алюминию в пределах 0,02-0,03. Именно при таком соотношении получили максимальные величины таких свойств, как предел прочности, предел текучести, ударная вязкость.
Для подтверждения установленных закономерностей провели количественный металлографический анализ. Полученные данные наиболее наглядно представлены на рис. 3.
ю
О о,оо -I-------
0,000 0.010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070
Отношение Са к А1 в металле Рис. 3. Зависимость объёмной доли НВ от соотношения Са/А1 при содержании алюминия: 1 - [А1] = 0,02; 2 - [А1] = 0,04; 3 - [А1] = 0,08
Из представленной на рис. 3 зависимости видно, что объёмная доля неметаллических включений в металле зависит от содержания алюминия. С увеличением концентрации алюминия происходит увеличение доли включений в объёме металла. Также, анализируя зависимость на рис. 3, можно сделать вывод, что наибольшее удаление включений происходит до отношения остаточного кальция в металле к алюминию, равного 0,04. Этим обусловлены максимальные значения механических свойств в интервале 0,02-0,03 отношения кальция к алюминию.
Для уточнения типа включений, образующихся в стали при том или ином отношении кальция к алюминию, провели рентге-нофазовый анализ образцов. Рентгенограммы представлены на рис. 4.
Из представленных на рис. 4 рентгенограмм видно, что при отношении концентрации кальция в металле к алюминию, находящемся в пределах 0,00-0,02, образуются включения корунда (А1203) и сульфида марганца (Мпв). Кроме указанных также образуются включения типа СаО ■ БЮ2 (силикат кальция) и СаО ■ А1203 (однокальциевый алюминат). Наличие включений корунда в свободной форме обуславливает низкие механические свойства литой заготовки (ав < 510 МПа).
Кроме того, из литературных источников установили, что включения находятся в твёрдом состоянии. В случае отношения остаточной концентрации кальция к алюминию в металле в пределах 0,02-0,04 также образуется силикат кальция, включение типа
2СаО ■ А120з (двухкальциевый алюминат), 4СаО ■ 3А120з (четырёх-кальциевый триалюминат), 12СаО ■ 7А120з (двенадцатикальциевый алюминат).
10.00 12 00 Н-00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 23.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 М0-КЛ1 (0.709319 А)
а
О -I-Г----1--1-1-1---1-1-(-1-1-1-1-1-
12.00 14,00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 $2.00 34.00 36.00 38.00 40.00 (0.70»]»*)
В
Рис. 4. Рентгенограммы исследуемых образцов с различным отношением концентрации кальция к алюминию: а - 0,00-0,02; б - 0,02-0,04; в - 0,04-0,06
При отношении остаточного кальция к алюминию более 0,04, в исследуемых образцах обнаружили следующие типы включений: СаО ■ А120з ■ 2БЮ2 (однокальциевый алюмосиликат), СаБ (сульфид кальция), СаО (оксид кальция), 4СаО ■ ЗА120з (четырёхкальциевый алюминат) и сложное соединение типа ЮСаО ■ 4А1203 ■ СаБ.
Анализируя типы образовавшихся неметаллических включений при различном соотношении кальция и алюминия в металле, установили, что при отношении менее 0,02 кальция недостаточно, для того чтобы полностью исключить присутствие корунда в свободном виде. Кроме того, выделяются также сульфиды марганца, которые в процессе затвердевания металла остаются в литой заготовке.
При отношении концентраций кальция и алюминия в интервале 0,02-0,04 в опытных образцах не обнаружили оксид алюминия и сульфида марганца. Вместо корунда в свободном виде образуются соединения двухкальциевого алюмината и четырёхкальци-евого триалюмината. Кроме того, обнаружили включения, по составу близкие к 12СаО ■ 7А1203, которые при температурах сталеварения находятся в жидком состоянии. При образовании неметаллических включений в жидком агрегатном состоянии с температурой сталеварения происходит их слияние, укрупнение и, следовательно, более интенсивное всплывание на зеркало металла. В случае отношения кальция к алюминию более 0,04 происходит более глубокое раскисление металла, а также его десульфурация, что подтверждается наличием в опытных образцах оксидов и сульфидов кальция. Кроме того, сульфид кальция начинает обволакивать алюминаты кальция, что препятствует образованию наиболее благоприятных с точки зрения удаления включений типа 12СаО ■ 7А1203. Вместо этого образуются твёрдые включения типа 10Са0 ■ 4А1203 ■ СаБ, которые всплывают менее интенсивно, чем жидкие включения, результатом чего является незначительное снижение механических свойств.
Зависимость предела прочности от содержания алюминия в стали марки 25Л до и после обработки кальцийсодержащими материалами представлена на рис. 5.
Для определения количества кальция рассчитали номограмму, позволяющую определять расход кальция (кг/т) в условиях литейного цеха для получения жидких неметаллических включений и их более полного полследующего удаления из металла. Номограмма представлена на рис. 6.
Данная номограмма позволяет сталевару, зная содержание серы и алюминия в металле, рассчитать количество силикокаль-ция, необходимое для получения более чистой стали по неметаллическим включениям и включений благоприятной морфологии.
и
о
о к г
о &
к
к и ч
и &
с
610 590 570 550 530 510 490 470
| Н - 1
1 и - - 1 ■ ' 1 ■ 1 ■
♦
______^— ' I♦ < * '—
► ♦
Содержание алюминия в металле, мае %
Рис. 5. Зависимость предела прочности от содержания алюминия в стали марки 25Л: -до обработки;---после обработки
0,045
н-ь
0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 Содержание Я, %
Рис. 6. Номограмма для определения количества силикокальция в зависимости от содержания серы и алюминия в металле
Список литературы
1. Пащенко A.B., Горяинова Т.В., Акулов В.В. Обработка низкокремнистой стали кальцийсодержащей проволокой для улучшения технологических параметров разливки МНЛЗ // Электрометаллургия. 2011. № 6.
2. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Исаев О.Б., Чичкарёв Е.А., Кислица В.В. идр. М.: ЗАО «Металлургиздат», 2008. 376 с.
3. Исследование термовременной природы неметаллических включений с целью повышения металлургического качества высокопрочных трубных сталей / Казаков A.A., Ковалев П.В., Рябошук C.B., Милейковский А.Б., Малахов Н.В. // Черные металлы. 2009. № 12. С. 5-11.
УДК 621.74 Е.А. Чернышов
ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический
университет им. P.E. Алексеева»
A.A. Евлампиев, О.Б. Гусева
ГОУ ВПО «Чувашский государственный университет»
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
В настоящее время в литейном производстве применяется более ста технологических процессов изготовления форм и стержней, 40 видов связующих и 300 типов противопригарных покрытий.
Это приводит к тому, что в воздухе рабочей зоны встречаются до 50 наименований вредных веществ, регламентируемых санитарными нормами. Например, при производстве одной тонны чугунных отливок выделяется 10-30 кг пыли, 200-300 кг оксида углерода, 1-2 кг оксидов азота и серы, 0,5-1,5 г фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, цианидов и других вредных веществ. При этом в водный бассейн поступает до 3 м3 загрязненных сточных вод, а в отвал вывозят 0,7-1,2 т отработанных смесей. Такая же ситуация имеет место в стале- и цветно-литейном производствах.
