НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

Павленко Юрій Олександрович

УДК 669.18:621.746:669.86.046

.

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ СТАЛЕВИХ ВИРОБІВ МІКРОЛЕГУВАННЯМ ТА ВДОСКОНАЛЕННЯМ СПОСОБУ ВВЕДЕННЯ МОДИФІКАТОРІВ У КІВШ

05.16.02 - "Металургія чорних металів"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник роботи:

Яковлєв Юрій Миколайович, доктор технічних наук, Національна металургійна академія України, професор кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії.

Офіційні опоненти:

Луньов Валентин Васильович, доктор технічних наук, Запорізький Державний технічний університет, професор, завідувач кафедри “Машини і технологія ливарного виробництва”.

Піптюк Віталій Петрович, кандидат технічних наук, Інститут чорної металургії Національної академії наук України, старший науковий співробітник відділу металургії сталі.

Провідна установа:

Дніпродзержинський державний технічний університет.

Захист відбудеться "_09"____ 12_______ 2003 р. в 12 -30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: проспект Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України, проспект Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розіслано "_5" ___11______2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Найважливішими проблемами виробництва металовиробів в сучасних умовах є, підвищення якості, зниження енергоємності виробництва і собівартості готових виробів. У цьому зв'язку дослідження, спрямовані на удосконалювання процесів розкислення, легування і модифікування сталей, створення нових марок сталі і розробка енергозберігаючих технологій виробництва з них готових виробів, заслуговують на пильну увагу.

Рішення питань, спрямованих на підвищення якості, можливо за рахунок детального вивчення процесів твердіння металевих розплавів і факторів, що впливають на них. Впливати на ці процеси можна за допомогою фізико-хімічних воздій, наприклад, мікролегуванням і модифікуванням. При цьому особливо важливого значення набувають способи введення лігатур у рідкий метал, що дозволяють проводити легування і модифікування з максимальними ступенями засвоєння активних елементів металом. Питання взаємодії активних елементів з домішками рідкої сталі і вплив їхніх сполучень на експлуатаційні властивості виробів вивчені поки ще недостатньо повно.

У світовій практиці виробництва деталей машин і механізмів намітилася тенденція до заміни вуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей на мікролеговані і модифіковані сталі, що не потребують термічної обробки. В даний час промисловістю України такі мікролеговані сталі не виробляються й у виробництві деталей машин і механізмів практично не використовуються.

Визначені задачі, а також вивчення ряду загальних питань кристалічної будівлі злитків і виливків покладені в основу дійсної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання і проблеми, розглянуті в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року і Державній програмі енергозбереження. Виконання дисертації зв'язане з планами науково-дослідних робіт НМетАУ. Основу дисертації складають результати науково-дослідних робіт, виконаних при активній участі автора з 1975 по 1991 роки, №№ держреєстрації: (теми): 75045746 (т.002.020/75), 77013862 (т.Х83050), 80024991 (т.983006), 0190001954 (т.Х00601000).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи була розробка технологічних основ виробництва сталей, різного ступеню легованості, модифікованих активними елементами, на базі фізико-хімічного аналізу процесів взаємодії легуючих та модифікуючих додатків із залізовуглецевим розплавом та домішками рідкої сталі, формування структурних зон у литому металі та утворення неметалічної фази в ході твердіння. Відповідно до цього були встановлені задачі дослідження:

- уточнення динаміки наростання твердої фази та механізму формування структурних зон в твердіючим зливку;

- вивчення закономірностей формування сполучень активних елементів (зокрема РЗЕ) з домішками рідкої сталі ;

- вивчення впливу модифікування і легування на властивості сталей різних класів;

- розробка способу введення активних елементів у рідкий метал, що забезпечує максимальний ступінь їх засвоєння;

- розробка уніфікованого способу виробництва мікролегованих і модифікованих конструкційних машинобудівних сталей.

Об’єкт дослідження. Процеси твердіння сталевих зливків. Вплив кількості, складу і методів введення легуючих та модифікуючих елементів на ступінь їх засвоєння і якість сталевих металовиробів із сталей різних класів.

Предмет дослідження. Фізико-хімічні закономірності формування структурних зон зливків при твердінні стандартних сталей і сталей, модифікованих РЗЕ; технологічні процеси отримання модифікованих сталей з різним рівнем легованості; метод введення модифікаторів у рідкий метал, що забезпечує стабільний ступінь їх засвоєння.

Методи дослідження. При виконанні роботи використані: відомі методи: виробництва сталей - у лабораторних індукційних печах, промислових мартенівських печах і конвертерах різної ємності; отриманий метал досліджували ДЕСТівськими методами хімічного, металографічного і петрографічного аналізів, випробувань на розрив та ударну в’язкість, розробленим автором новим методом дослідження процесів твердіння за допомогою РЗЕ; застосовували методи математичної статистики для встановлення залежностей механічних властивостей від твердості виробів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Вперше запропоновано використовувати РЗЕ в якості індикатору процесу твердіння сталевих зливків. Розроблено методику застосування РЗЕ як індикатор процесу затвердіння. Запропонована методика вивчення процесів твердіння дозволяє замінити екологічно шкідливі радіоактивні ізотопи на нешкідливі рідкісноземельні елементи. Запропонований спосіб має більшу точність (ніж спосіб використання радіоактивних ізотопів) так як РЗЕ проникають у двофазну область при цьому рідина, на межі з твердою фазою очищується від сірки і на сірчаному відбитку фіксується з великою точністю у вигляді стрічки більш світлого тону ніж остатній метал, що дозволяє чітко зафіксувати межу фази, яка затверділа на момент вводу РЗЕ.

- Запропоновано вдосконалену методику розрахунку кількості твердої фази, що формується у твердіючому зливку. Вона враховує об’єм кристалів, що зародилися у рідко-твердій області, через введення у формулу (Х = К) - К-удаваного. Запропоновано методику розрахунку - коефіцієнту К, з урахуванням внеску об’ємної кристалізації у процес наростання твердої фази. Вона дозволяє розраховувати зміни числових значень коефіцієнту твердіння –К-удаване для різних відрізків часу процесу твердіння та більшою точністю розраховувати повний час твердіння металевих відливків і розміри їх структурних зон. Запропонована методика задовільно пояснює механізм випереджаючого наростання твердої фази зі дна відливки і може бути використана при створенні математичних моделей твердіння великих виробів, що відливають, тому що дозволяє враховувати теплоту кристалізації глобулярних дендритів, що зародилися в об’ємі рідкої фази.

- Вперше встановлено, що сполучення РЗЕ з киснем і сіркою відіграють роль підкладок для зародків основного сплаву, але при цьому вони суттєво не впливають на процеси формування структурних зон зливків. РЗЕ тільки змінюють характер розподілення сірки та кисню по об’єму твердіючого металу на протилежний і не впливають на характер ліквації інших елементів, таких як марганець, кремній, вуглець та інших. Це виправдовує застосування РЗЕ у якості індикатора процесу твердіння великих сталевих зливків.

Практичне значення отриманих результатів:

- Запропонований спосіб введення модифікаторів у рідкий метал у вигляді А1-РЗЕ-брикета для середньовуглецевих сталей і А1-РЗЕ-моноліту для низьковуглецевої нестаріючої сталі 08Ю, що дозволяє підвищити ступінь використання активних елементів, одержати достатньо високий і стабільний ефект модифікування всього об'єму металу;

- Розроблені пристрої - брикет і моноліт ( що складаються з алюмінію та РЗЕ, причому алюміній є фізико-хімічним захистом для РЗЕ) для ефективної обробки розплаву в ковші, що дозволяє різко підвищити ступінь засвоєння активних елементів металом;

- Запропоновано спосіб рафінування литої паспортної заготовки від шкідливих домішок шляхом обробки його додатками РЗЕ перед розливкою(при цьому утворюються міцні сполучення РЗЕ з домішками) та видаленням їх (у шлакову фазу) при повторному переплаві заготовки - запропонований засіб особливо ефективний у ливарних цехах, де не має спецобладнання для рафінування металу;

- За допомогою метода математичної статистики встановлений зв’язок між твердістю метала машинобудівних деталей та його властивостями, щодо міцності, розраховані кореляційні рівняння залежностей характеристик, щодо кінцевих меж міцності та текучості від значень твердості дозволяють з великим ступенем вірогідності прогнозувати властивості виробів, щодо міцності, без застосування руйнівних методів контролю;

- Розроблений спосіб одержання мікролегованих сталей класу АЦ, заснований на розроблених методах вводу активних елементів, дозволяє виробляти ці сталі в сталеплавильних агрегатах різного типу при різних способах розливання, тому що передбачає ковшовий варіант легування і модифікування стали;

- Розроблена марка конструкційної сталі АЦ35ХГАФТ дозволяє замінити традиційні конструкційні сталі 45 і 40Х, при виробництві деталей машинобудування, зі значним економічним ефектом отримуваним за рахунок використання регламентованого охолодження від температур кінця пластичної деформації без класичної термічної обробки.

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень і розробок дисертаційної роботи були реалізовані:

- у сталеплавильних цехах Дніпровського металургійного комбінату (м. Дніпродзержинськ) при виплавленні сталі для високоміцних залізничних рейок;

- у киснево-конвертерному цеху металургійного заводу ім. Ілліча (м. Маріуполь) при виплавленні низьковуглецевої нестаріючої сталі 08Ю;

- у мартенівському цеху Кіровського тракторного заводу (м. Санкт-Петербург) при виплавленні сталі АЦ35ХГАФТ;

- при розробці нової енергозберігаючої технології виробництва деталей трактора "Бєларусь" і виробництві дослідної партії тракторних деталей у виробничих умовах Мінського тракторного заводу (м. Мінськ).

Особистий внесок дисертанта. Дисертант з 1972 року є виконавцем і відповідальним виконавцем НДР по розробці способів виробництва сталевих виробів підвищеної якості [1,3,5,14-17,19], дослідженню фізико-хімічних закономірностей процесів твердіння сталевих зливків [4,6,8,11,18], поведінки неметалевої фази у металі, що модифікований РЗЕ [2,7,9,10,17], оптимізації методів введення модифікаторів у рідкий метал та розробці сталей підвищеної якості і способів їх виробництва [12,13,15-16], приймав безпосередню участь у розробці задач досліджень, методик, організації, постановці та проведенні експериментів. Узагальнення результатів досліджень, написання докладів, наукових статей та заявок на авторські свідоцтва проходили при безпосередній участі дисертанта. Основні наукові положення, що представлені в дисертації та винесені на захист, розроблені безпосередньо автором.

Апробація результатів досліджень. Результати досліджень, викладених у дисертації, докладені на республіканських і всесоюзних конференціях: "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" (Запорожье, 1979, 1985), "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов" (Волгоград, 1990), “Проблемы и перспективы получения конкурентоспособной продукции в горнометаллургическом комплексе Украины” (Днепропетровск, 2001).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 19-ти наукових працях, у тому числі: 12-ти статтях у наукових журналах і збірниках, 5-ти матеріалах науково-технічних республіканських і міжнародних конференцій, семінарів і конгресів, 2-х авторських посвідченнях на винаходи.

Обсяг роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 131 найменувань, 3 додатків. Дисертаційна робота містить 154 сторінки друкованого тексту, 31 малюнок, 36 таблиці, 34 формули.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність роботи, поставлені мета і задачі дослідження, сформульовані наукові положення, що виносяться на захист та їхнє практичне значення.

У першому розділі на підставі огляду науково-технічної літератури: проведений аналіз сучасних представлень про побудову і властивості рідкого металу, методів дослідження процесів затвердіння великих сталевих виливків (злитків); розглянуті теоретичні основи модифікування сталі і методи введення модифікаторів у рідкий метал; проаналізовані проблеми і перспективи застосування модифікаторів для регулювання фізико-механічних властивостей сталей. Обґрунтовано актуальність, визначені мета і задачі досліджень.

В другому розділі розроблений і обґрунтований метод дослідження процесів структуроутворення при твердінні сталевих зливків шляхом введення РЗЕ, як індикаторів процесу; вивчено динаміку наростання твердої фази, механізм і кінетику формування структурних зон литого металу; досліджений механізм утворення неметалічних включень. Дослідження виконане на п'ятьох зливках масою 4,32 т середньовуглецевої рейкової стали з введенням РЗЕ у розвитку твердіння: через 1 хв після наповнення тіла зливка - зливок №1, через 15 хв - зливок №2, через 30 хв - зливок №3, через 45 хв - зливок №4, зливок №5 - без вводу РЗЕ був узятий порівняльним. РЗЕ вводили на штанзі на рівень рознімання прибуток - виливниця в кількості 1,0 кг РЗЕ на 1 тонну рідкого залишку. Кількість рідкого залишку розраховували за законом квадратного кореня - Х= К.

Дослідженнями встановлено, що характер розподілу елементів, у порівняльному зливку, типовий для зливків спокійної сталі. У зливках із присадкою РЗЕ характер розподілу сірки різко відрізняється від розподілу сірки у відповідних областях порівняльного зливка, у той час як розподіл вуглецю й інших елементів не змінювалося. По периферії області дії РЗЕ є світла вертикальна смуга зі змістом сірки, близьким до ковшового. Ця смуга фіксує момент введення РЗЕ (початок їхньої взаємодії з домішками рідкої сталі), що дозволяє з досить високим ступенем точності виміряти кількість затверділого до моменту введення РЗЕ металу. Металографічні, петрографічні і мікрорентгеноструктурні дослідження показали, що у всій області дії РЗЕ неметалічні включення однакові по своїй природі і являють собою сульфіди й оксисульфіды РЗЕ. Вони відрізняються по зонах лише кількістю, формою і розмірами. За результатами вимірів величини твердої скоринки на дослідних зливках, зафіксованих за допомогою РЗЕ, розрахували значення коефіцієнтів - К на трьох обріях (таблиця 1). Щоб розрахувати значення коефіцієнтів затвердіння - К для визначених тимчасових проміжків (наприклад, К для проміжку від 15 до 30 хвилин на обрії 66 % висоти зливка) використовували рівняння Кm-n=.

Таблиця 1

Змінення коефіцієнта пропорційності - К у законі квадратного кореня (Х=К) в залежності від об'єму твердої фази в твердіючим сливку

№

п п | Обрій зливка, % Н | Час виміру, хв від початку твердін. | Товщина кірки зливка - Х, см | Коефіцієнт - К, см/хв0,5

Хкорк. | Худав. | Ксередн. | Кm-n | Кудав.

1 |

50 | 1 | 2,4 | 1,0 | 3,4 | 2,4 | 2,4 | 3,4 | 0,42

2 | 15 | 10,7 | 1,6 | 12,3 | 2,76 | 2,89 | 3,18 | 0,15

3 | 30 | 16,4 | 2,0 | 18,4 | 2,99 | 3,54 | 3,36 | 0,12

4 | 45 | 28,5 | 1,3 | 29,8 | 4,25 | 9,76 | 4,45 | 0,05

1 |

66 | 1 | 1,7 | 1,0 | 2,7 | 1,7 | 1,7 | 2,7 | 0,59

2 | 15 | 10,2 | 1,6 | 11,8 | 2,64 | 2,96 | 3,05 | 0,16

3 | 30 | 15,0 | 2,0 | 17,0 | 2,74 | 2,98 | 3,10 | 0,13

4 | 45 | 18,0 | 1,3 | 19,3 | 2,68 | 2,44 | 2,88 | 0,07

1 |

100 | 1 | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 1,0

2 | 15 | 11,5 | 1,6 | 13,1 | 2,97 | 3,66 | 3,38 | 0,14

3 | 30 | 15,7 | 2,0 | 17,7 | 2,86 | 2,61 | 3,23 | 0,13

4 | 45 | 17,3 | 1,3 | 18,6 | 2,58 | 1,30 | 2,78 | 0,075

Отримані дані показали, що Кm-n мають значення вище, ніж усереднені. Це пояснюється тим, що в перші моменти затвердіння зростання твердої скоринки на гранях зливку йде повільніше, ніж на завершальній стадії. Для того, щоб врахувати внесок кристалів, що опускаються в донну частину, прийняли - якщо відведення теплоти від твердіючого металу рівномірне в усіх напрямках (до прибутку), то з дна повинен формуватися такий же шар твердої фази, як і на боковій поверхні (за винятком шару застиглого під час заповнення виливниці металом). Це положення підтверджується тим, що товщина зони стовпчастих дендритів на бічній поверхні виливниці трохи більше, ніж у донній, але над зоною стовпчастих дендритів донної частини розташована зона глобулярних кристалів. Умовно прийняли - обсяг твердої фази, що опустилася в нижню частину рідкого залишку, рівним різниці обсягів "конуса кристалів" і обсягу зони затверділої, до моменту вводу РЗЕ, кірки. Для того щоб обчислити коефіцієнт твердіння до визначеного моменту, представили обсяг кристалів, які опустилися у вигляді - шару, що покриває внутрішню поверхню затверділого шару на границі з рідким залишком. Просумувавши товщину намороженого шару і товщину обчисленого (удаваного) шару - розрахували коефіцієнти К-удаване для тих самих перерізів і в ті ж самі проміжки часу. При цьому було зроблене допущення, що кристали, які опустилися в донну частину, продовжують рости і збільшують свій початковий розмір приблизно на 40 %. Тому обсяг твердої фази в "конусі кристалів", для розрахунку, приймали рівним 60 % загального обсягу цієї зони. Розрахунок показує, що при складанні моделей твердіння сталевих зливків необхідно враховувати теплоту кристалізації від кристалів, що формуються в об'ємі рідкотвердої фази. Щоб перевірити висловлені припущення, визначили кількість і розміри глобулярних дендритів у металі дослідних зливків по вертикальній осі через 10 % висоти методом металографічного дослідження. Підрахунок глобулярних кристалів на одиницю площі/об'єму виконали по методу М. Джеффриса - Э. Шайля.

Аналіз отриманих даних показує, що в зливках із присадкою РЗЕ розмір глобулів менше, ніж у порівняльному. Безумовно, сульфіди й оксисульфіды РЗЕ, є підложками для кристалів аустеніту, що зароджуються, про що свідчать аналіз структурних параметрів ґрат з'єднань РЗЕ і -Fe. Встановлено, що РЗЕ істотно не впливають на час повного твердіння дослідних зливків.

Для уточнення динаміки переміщень кристалів і механізму формування "конуса кристалів", зливок, що кристалізується, поставили в заздалегідь задані умови у відношенні можливого переміщення кристалів і (чи) включень, що зароджуються перед фронтом твердіння в рідкому об'ємі. У виливницю для зливка масою 4,32 тонни була встановлена спеціальна перегородка. Перегородка - прямокутна пластина з низьковуглецевої сталі товщиною 12 мм і розмірами сторін 280 х 300 мм, установлена на штанзі-підвісці (коло O 25 мм). Перегородку встановили на рівні 35 % висоти виливниці від її дна, більшою віссю по більшій осі виливниці. Перетин виливниці у світлі на цьому рівні складає 560 х 630 мм. Виливниця з встановленою в ній перегородкою була заповнена сифонним способом середньовуглецевою рейковою сталлю. У момент входу металу в прибуток ввели FeCe (? РЗЕ 96 % мас.). "Конус кристалів", виявлений на сірчаному відбитку зливка з перегородкою симетричний щодо вертикальної осі зливка над перегородкою і зміщений убік, де немає перегородки (нижче перегородки). Причому, у тій частині зливка, де перегородка відсутня, характер конуса безперервний. Несиметричність конуса на сірчаному відбитку підтверджується хімічним аналізом металу і неметалічних включень по перерізу зливку на 30 % висоти тіла зливка від низу (під перегородкою) і 40 % висоти (над нею).

На підставі отриманих даних і відомих уявлень (роботи Дж. Ебнеса і К. Рюттигера), згідно яким утворення конуса кристалів представляється, як процес фіксації донним фронтом глобулів, що утворюються в розплаві перед боковим фронтом наростаючої твердої фази та переміщуються у низ - припустили, що утворення глобулярних кристалів починається в момент зняття перегріву, тобто приблизно, на кінець розливання, а їхня кількість пропорційна площі оболонки залишкової рідкої фази і швидкості наростання щільного шару твердого. Причому для зливків із РЗЕ процес утворення глобулярних кристалів може інтенсифікуватися тим, що продукти взаємодії РЗЕ з киснем і сіркою можуть служити підкладками для їхнього зародження. При цьому відвід теплоти відбувається через бокові стінки виливниці, а випереджальне наростання твердої фази йде знизу, в основному, за рахунок осілих кристалів. Результати вивчення структурної і хімічної неоднорідності зливка з перегородкою, а також п'яти дослідних зливків, дозволили уточнити механізм формування "конуса кристалів" у зливках спокійної сталі і представити його в такий спосіб:

На ранішніх стадіях твердіння має місце перенесення дендритів і дрібних зважених часточок неметалічної фази (алюмінати в порівняльному зливку і з'єднання РЗЕ в дослідних) конвективними потоками уздовж фронту кристалізації в донну частину зливка. Так як перегрів металу в цей час ще не знятий, число цих кристаликів порівняно невелике, опускаючись в донну частину вони закріплюються на фронті кристалізації і продовжують рости й укрупнюватися. На наступному етапі, коли перегрів знятий і практично припинився ріст стовпчастих дендритів, загасає конвективний рух рідини уздовж фронту кристалізації тоді починається спонтанний ріст зародків твердої фази (не тільки на підкладках), а у всьому об'ємі рідини, що залишилася, особливо у верхній її половині. Досягши розмірів O 0,32 - 0,34 мм (обчислена нижня межа розмірів зародків для досліджуваного типу зливків) ці кристалики починають опускатися в нижню частину зливка. Кристали, що вільно опускаються, у вигляді "дощу", захоплюють зважені в рідині кристалики меншого розміру, затягуючи їх із собою в зону конуса кристалів, де фіксуються на вертикальному фронті твердіння.

Для уточнення механізму утворення і поводження неметалічних включень, що містять РЗЕ, при формування структурних зон у зливках, наступний етап досліджень був присвячений питанням: чи утворяться сульфіди й оксисульфіди РЗЕ в рідкій фазі, у двофазній зоні або у твердій фазі; чи утворяться вони у твердому стані.

Для рішення цих питань був проведений ряд лабораторних експериментів по підплавленню, переплаву і подвійному переплаву зразків з дослідних зливків. Досвіди по підплавленню і переплаву металу проводили в печах двох типів: електропечі опору (печі Таммана) з відбудовною атмосферою та індукційної печі МВП-3М в атмосфері аргону. При підплавлені зразка розплавлялася нижня його частина, а верхня (нерозплавлена) занурювалася в розплав, де і фіксувалася після затвердіння. Ступінь видалення сірки з частини, що розплавилася, склала 77 %, а напівкількісний хімічний аналіз жужільної скоринки поверхні зразків показав, що в ній міститься більш 10 % мас. ? РЗЕ, тобто РЗЕ також інтенсивно видаляються з металу, що переплавляється. Вміст РЗЕ в переплавленому металі знизився з 0,27 % мас. до 0,033 % мас.

Аналогічні результати отримані і при повному переплаві зразків із РЗЕ в печі Таммана: сірка і РЗЕ інтенсивно видаляються з металу, причому ступінь видалення оксисульфідів залежить від часу витримки металу в рідкому стані і змінюється (по сірці) від 30 % при витримці 1 хв., до 85 % - .5 хв.

При індукційному нагріванні частини зразка ступінь видалення сірки, з розплавленої частини, сягає 91 %. Дослідження неметалічної фази в металі зразків показали, що в переплаленному металі з РЗЕ включення дуже дрібні, аналогічні включенням з верхньої частини зливків із РЗЕ, де спостерігається різко знижений вміст сірки (0,005 - 0,008 % мас.).

Отримані результати показують, що: при введенні РЗЕ у виливницю, включення оксисульфідів і сульфідів РЗЕ утворюються в рідкому металі у твердому стані і можуть служити підкладками для утворення кристалів аустеніту. При переплаві такі включення не плавляться, не дисоціюють і, завдяки високому межфазному натягу з рідким залізовуглецевим розплавом, досить повно видаляються з нього.

Фізико-хімічний аналіз отриманих результатів досліджень динаміки наростання твердої фази у дослідних сталевих зливках, утворення та поведінка з'єднань активних елементів з домішками рідкої сталі (особливо РЗЕ) склав передумови для обґрунтування та розробки оптимального способу введення активних елементів у рідку сталь.

У третьому розділі досліджено вплив способів уведення модифікаторів у рідкий метал на ступені засвоєння активних елементів; розроблено й обґрунтовано оптимальну методику введення їх у сталерозливальний ківш.

Метою дослідження став пошук і розробка способу введення РЗЕ в рідкий метал, здатного, в умовах масового виробництва сталей (у цехах не обладнаних спеціальними пристроями), забезпечити ефект модифікування, незалежно від способу розливання сталей різного сортаменту з різним вмістом вуглецю і рівнем легованості.

У процесі досліджень був розроблений комплексний модифікатор, що містить РЗЕ та алюміній і представляє собою не сплав, а, своєрідну, конструкцію. Внутрішня частина кожного окремого брикету складається з РЗЕ, а зовнішня оболонка з алюмінію, що дозволяє варіювати співвідношення компонентів у дуже широкому інтервалі. Такий Al- РЗЕ брикет має ряд важливих переваг, як перед сплавами РЗЕ, що звичайно застосовують (фероцеріем, мішметалом і іншими), так і перед силіцидами РЗЕ. Перевага стосовно перших це - спрощення процесу збереження сплавів РЗЕ, що окислюються на повітрі; механічний захист РЗЕ алюмінієвою оболонкою від контакту зі шлаком; фізико-хімічний захист РЗЕ від взаємодії з киснем, розчиненим у рідкій сталі.

Дослідження принципової можливості застосування Al-РЗЕ брикетів у промислових умовах провели на вуглецевій рейковій сталі (витрата А1 на розкислення 0,2 кг на т сталі) і низьковуглецевій нестаріючій сталі марки 08Ю (витрата А1 на розкислення 1,6-2,8 кг/т стали). Вибір цих марок був обумовлений різним вмістом вуглецю, отже, окисленістю металу, а також низкою інших особливостей. Досліджували можливість виробництва низьколегованої рейкової сталі підвищеної міцності із задовільними пластичними властивостями та ударною в'язкістю (для рейок типу Р50-Р65): на першому етапі - у лабораторних умовах кафедри ТМП НМетАУ, на другому етапі - промислові - в умовах Дніпровського металургійного комбінату (ДМК, м. Дніпродзержинськ).

У лабораторних умовах дослідний метал виплавляли в індукційній печі ЛПЗ-67 з магнезитовим тиглем методом переплаву рейкової сталі. Маса плавки 50 кг. Модифікування сталі здійснювали при розливанні металу в чавунні розширені догори виливниці, з прибутковими надставками на зливки масою 10 кг, присадками: фероцерію - Fe-Ce, феросілікоцерію- FeSiCe чи алюміній-магній-церієвою лігатурою - Al-Mg-Ce, що містять відповідно 90; 18 і 10 % мас. ? РЗЕ. Модифікатори віддавали під струмінь металу при наповненні виливниці, не менш чим, на 1/3 висоти з розрахунку введення в метал ? РЗЕ до 0,1 % мас. Усього було відлито і досліджено 12 зливків. Зливки з одного нагрівання прокували на квадратні заготівки перетином 20х20 мм, що забезпечило 25-ти кратне обтиснення, тобто деформацію близьку до реальних обтиснень рейкового зливку на рейкобалковому стані. З дослідних заготівок виготовили стандартні зразки для механічних іспитів на розрив за ДЕСТ 1493 тип Ш та ударну в'язкість за ДЕСТ 9455.

Встановлено, що модифікування практично не підвищує характеристики міцності, а пластичні трохи поліпшуються, ударна в'язкість підвищується до 17 %.

У виробничих умовах ДМК вивчали вплив способів уведення модифікаторів у низьколеговану рейкову сталь на ступені їхнього засвоєння і впливу модифікування на механічні та технологічні характеристики готових рейок. Дослідні сталі виплавляли в конвертерах з кислою футерівкою, ємністю 24 тонни і у мартенівських печах з основною футерівкою, ємністю 50 і 240 тонн. Були виготовлені відповідні по масі і складу А1-РЗЕ брикети: для 24-тонних конвертерних плавок брикети масою 8,8 кг - 1 брикет на плавку (брикет містив А1-4.4 кг і РЗЕ-4,4 кг); для мартенівських плавок використовували брикети масою 10 кг (3,4 кг А1 і 6,6 кг РЗЕ) такий склад брикетів дозволяв витримувати задану концентрацію алюмінію і РЗЕ в готовому металі.

Отримані результати показали, що спосіб модифікування стали Al-РЗЕ брикетами в ковші по своїй ефективності перевершує традиційні способи модифікування. Навіть при підвищенні межі міцності стали легованої хромом до 1070-1110 МПа зберігається задовільний комплекс пластичних властивостей, а при модифікуванні марганцевої сталі комплекс властивостей стає вище необхідного за ДЕСТ. Установлено, що ступінь засвоєння РЗЕ, що вводиться у вигляді А1-РЗЕ брикетів у ківш, приблизно в 1,5 рази вище, ніж при введенні його у вигляді фероцерію. Найкращій комплекс механічних властивостей і ударної в'язкості був отриманий на рейках з комплексно-легованої хромом, марганцем та кремнієм мартенівської сталі (50 т мартенівська піч) і модифікованої РЗЕ, особливо високі показники були у стані після термічної обробки.

У 250-тонних основних мартенівських печах ДМК по розробленій ВТІ були виплавлені три дослідних плавки умовних марок сталей 70ХГС; 70ХГСФ і 70ХГСА. У процесі виробництва дослідних сталей було встановлено, що проведення плавок за дослідною технологією не позначається на загальній тривалості плавки і не ускладнює роботу цеху.

Аналіз отриманих результатів показує, що шляхом легування і модифікування, можна підвищити характеристики міцності рейкових сталей при збереженні досить високого рівня пластичних властивостей. Властивості рейок, отриманих з комплексно-легованих хромом, марганцем, кремнієм і модифікованих РЗЕ і ванадієм сталей по властивостях міцності та пластичності знаходяться вище вимог ДЕСТ 16852 для рейок цих типів. Крім того, рейки з дослідних сталей мають малу анізотропію механічних властивостей, а ударна в'язкість знаходиться на досить високому рівні навіть при негативних температурах.

З частини металу дослідних сталей на ДМК було зроблено високоміцні рейки типу Р50, які встановили на внутрішньозаводських шляхах залізничного цеху №3 ДМК для іспитів. Експлуатаційні іспити рейок з дослідних сталей у термообробленому стані, в умовах високих осьових навантажень на залізничних коліях комбінату, показали, що ці рейки мали в 1,75 рази стійкість вище, ніж більш важкі не термооброблені рейки типу Р65. Велика частина дослідного металу у виді підкатів перетином 270 х 330 мм була передана комбінату "Азовсталь", де під спостереженням

УкрНДІМет з них зробили рейки типу Р65, які (після термообробки по режимах розробленим в УкрНДІМет стосовно до умов комбінату "Азовсталь") були покладені у випробне кільце ЦНДІ МШС. За даними ЦНДІ МШС ці рейки показали експлуатаційну стійкість, більш ніж у два рази переважаючу стійкість звичайних стандартних рейок виробництва комбінату "Азовсталь".

Як відзначалося раніше існує ряд марок сталей з обмеженим вмістом кремнію, що робить не можливим застосування комплексних лігатур РЗЕ, що містять кремній, для модифікування цих сталей. Вибір сталі марки 08Ю для випробування розробленого способу модифікування металу A1-РЗЭ брикетами продиктований задачами, що випливають з мети дослідження: сталь розкисляють зверхкритичною кількістю алюмінію (витрата A1 у 8-11 разів вище, ніж на вуглецевій - 1,6-2,8 кг/т сталі), виплавка у великовантажних 150-тонних основних кисневих конвертерах. Розливання на зливки ведуть зверху через овальний стакан 100 мм у виливниці з кюмпелем замість дна, для одержання листових зливків масою 18,3 т, 19,5 т і 23,0 т. Крім відпрацьовування технології модифікування, важливим питанням було вивчення впливу модифікування металу рідкісноземельними елементами на підвищення пластичності і штампуємості холоднокатаного листа. Розкислення цієї марки сталі роблять у ковші металевим марганцем (2,0-3,0 кг/т сталі) і первинним алюмінієм, що вводять у вигляді моноліту, встановленого у ковші на несправжньому стопорі перед випуском плавки. Було вирішено замінити частину алюмінію в складі моноліту на РЗЕ. Задачею дослідження було - вивчення впливу різних способів уведення модифікаторів на ступінь засвоєння РЗЕ і якість готової продукції. Випробувано наступні варіанти модифікування: а) Fe-Се в ковші (класичний спосіб); б) А1-РЗЭ монолітом у ковші; в) Fe-Сі у виливниці в процесі розливання; г) варіанти "а" і "б" з коректуванням процесу модифікування присадкою Fe-Ce у виливницю в процесі розливання. Розливання сталі в зливки виконують зверху через овальний стакан O 100 мм у крізні виливниці з кюмпельним піддоном, для одержання листових зливків масою 18,3 т, 19,5 т і 23,0 тонни.

Для вивчення ступеня і стабільності засвоєння РЗЕ при різних способах уведення їх у рідку сталь на плавках з модифікуванням Fe-Се в ковші (варіант "а") і Al-РЗЕ монолітом (варіант "б") були відібрані проби металу: з ковша після випуску металу з конвертера; з-під ковша після наповнення 1-го, 3-го і 6-го зливків (таблиця 2). Отримані дані показують, що введення РЗЕ в складі моноліту забезпечує більш високий ступінь засвоєння, у порівнянні з уведенням РЗЕ під струмінь. Установлено, що при модифікуванні металу Fe-Ce у ковші (варіант "а"), після заповнення ковша металом з конвертера, зміст РЗЕ в металі складає всього 27 % від уведеного, тобто угар склав 73%. Подальша витримка металу цієї плавки в ковші привела до того, що вміст РЗЕ поступово знизився і до кінця розливання в металі виявлено лише сліди РЗЕ.

Дослідження макроструктури слябів, неметалічних включень, властивостей металу катаних листів на розрив і штампуємість показали, що модифікування стали в ковші фероцерієм, що вводиться у вигляді Al-РЗЕ моноліту (17 % FeCe замість 20 % Al) і FeCe у виливниці (при введенні в ківш 0,30 кг/т стали FeCe і 0,40 кг/т стали Fe-Сі у виливницю) дають найбільш високі і стабільні властивості холоднокатаному листу. При цьому штампуємість сягає 12,6 мм, а істинний опір розриву (02/В) дорівнює 0,55 для листа товщиною 1,35 - 1,42 мм.

Таблиця 2.

Змінення вмісту РЗЕ в пробах метала дослідних плавок № 1 та № 2 після

випуску сталі в ківш та в процесі розливки

№..

п. п. |

Час відбору проб | Варіанти модифікування

Фероцерієм у ковші | А1-РЗЕ монолітом у ковші

Введено РЗЕ по розрахунку, % мас. | Вміст РЗЕ, % мас / ступінь засвоєння, % | Введено РЗЕ по розрахунку, % мас. | Вміст РЗЕ, % мас / ступінь засвоєння, %

1 | З ковша після наповнення металом | 0,030 | 0,0080/27,0 | 0,030 | 0,0030/10,0

2 | З-під ковша після наповнення 1-го зливка | 0,0065/22,0 | 0,0130/43,3

3 | З-під ковша після наповнення 3-го зливка | 0,0040/13,4 | 0,0110/36,6

4 | З-під ковша після наповнення 6-го зливка | сл./0,0 | 0,0110/36,6

Таким чином, підтвердилося припущення, що алюмінієва оболонка, у яку укладені РЗЕ, виконує роль фізико-хімічного захисту стосовно РЗЕ. Трохи менший ступінь засвоєння РЗЕ, у порівнянні з отриманої для середньовуглецевої сталі, зв'язана з більшім вмістом кисню в низьковуглецевому металі.

У результаті проведення дослідження розроблені і випробувані нові типи модифікатора і спосіб модифікування сталей, що дозволяють підвищити ефективність обробки сталей РЗЕ в 1,2-1,5 рази.

У четвертому розділі досліджували вплив легуючих елементів на властивості середньовуглецевої мікролегованої сталі. У дослідженні була поставлена задача: вивчити вплив модифікування і легування на механічні, технологічні характеристики мікролегованих сталей і розробити за результатами досліджень склад і спосіб виробництва мікролегованої сталі, здатної замінити стандартні конструкційні термополіпшувані стали 45, 40Х та 38ХГС при виготовленні деталей машин. Тобто, комплекс мікролегування (його компонентний і масовий склад) повиннен забезпечувати здатність готових виробів здобувати необхідні механічні властивості за допомогою регламентованого охолодження від температур кінця гарячої деформації. У цьому зв'язку на всіх етапах дослідження правильність вибору складу мікролегованих сталей одночасно супроводжувалися пошуками оптимальних методів уведення лігатур і розкислювачів, що забезпечують необхідні вмісти їх у металі й оптимальному режимі регламентованого охолодження, що забезпечує сприятливий комплекс механічних властивостей деталей.

Дослідження впливу методів уведення різних композицій мікролегуючих елементів (Ti, V, Nb, N, Ca, РЗЕ, Zr) і їхніх вмістів на властивості досліджуваних сталей проводили в лабораторних умовах. Склади досліджуваних сталей по змісту основних компонентів відповідали сталям 40Х та 38ХГС. Досліджували широкий діапазон складів сталей з різними варіантами мікролегування і модифікування. У ході досліджень на всіх стадіях лабораторного експерименту проводили заміри твердості зразків і деталей. Ці дані були використані для розрахунку (прогнозування) механічних властивостей дослідних сталей за результатами значень твердості. Задачу вирішували методом складання парних лінійних кореляцій, відповідно до якого на підставі заданих величин твердості можна визначити ряд величин значень механічних властивостей досліджуваного металу (T, B, , , КСU). Основою вихідних даних послужили відомі значення властивостей сталей, що поліпшуються. Види функцій взаємозв'язків різних механічних властивостей, лінійні коефіцієнти і коефіцієнти кореляції визначені на ЕОМ. Порівнюючи значення механічних властивостей, отриманих експериментальним шляхом, зі значеннями вихідних даних обчислили відносну помилку. Було встановлено, що значення властивості щодо міцності вірогідно прогнозуються по твердості - коефіцієнти кореляції для меж міцності і текучості відповідно дорівнюють R?В = 0,929; Rут = 0,957. Пластичні властивості й особливо ударна в'язкість не мають чіткої кореляційної залежності від величини твердості.

Аналіз впливу складу легуючих комплексів на механічні властивості, ударну в'язкість і оброблюваність готових деталей різанням показав, що комплекс властивостей у деталей з дослідних сталей вище, ніж у деталей зі сталей стандартного складу. Однак у сталей зі звичайним змістом сірки, оброблюваність трохи гірше, навіть при обробці її кальцієм. Відзначено, що стали з підвищеним змістом сірки і модифіковані присадками кальцію, навіть при твердості в 1,5 рази перевищуючої необхідну (для сталі 40Х), мають оброблюваність різанням на рівні стандартної сталі.

За результатами лабораторних експериментів, був розроблений склад легуючого комплексу для промислового випробування виробництва нової марки стали.

Був запропонований до промислового випробування наступний склад дослідної сталі:

0,30-0,38 % мас. С; 0.60-0.90 % мас. Mn; 0,17-0,35 % мас. Si; 0,70-1,00 % мас. Cr; 0,05-0,08 % мас. S; не більш 0,035 % мас. P; 0,015-0,025 % мас. N; 0,04-0,07 % мас. V; 0,03-0,08 % мас. Ti; 0,05 % мас. PЗЭ (по розрахунку без урахування угару); не більш 0,05 % мас. Mo - при вмісті Mo = 0,051- 0,080 %