КВАСОВА ЛЮДМИЛА СЕРГІЇВНА

УДК 669.14.018:699.046.554

УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ СТАЛІ 110Г13Л НА ОСНОВІ ВДОСКОНАЛЕННЯ РЕЖИМУ РОЗКИСЛЕННЯ І МОДЕЛЮВАННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

05.16.02 “Металургія чорних металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Дисертація виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Академік НАН України, доктор технічних наук, професор

Гасик Михайло Іванович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри електрометалургії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Медовар Лев Борисович, старший науковий співробітник, завідувач відділу електрошлакових технологій, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ.

доктор технічних наук

Тогобицька Дар’я Миколаївна, старший науковий співробітник відділу фізико–хімічних проблем металургійних процесів, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ.

Провідна установа:

Український науково - дослідний інститут спеціальних сталей, сплавів і феросплавів Міністерства промислової політики України, м. Запоріжжя

Захист дисертації відбудеться “02” листопаду 2004г., о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “11” вересня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Промисловий сектор економіки України характеризується розвиненою транспортною інфраструктурою. У загальному обсязі вантажообігу і пасажирських перевезень більш 73% припадає на долю залізничного транспорту. Приєднання України до західноєвропейської транспортної мережі означає інтеграцію в Європейське Співтовариство, тому участь нашої країни у створенні та розвитку залізничних транспортних коридорів має велике економічне і геополітичне значення та може стати реальним додатковим джерелом валютних надходжень до державного бюджету країни. З дев'яти критських транспортних коридорів три залізничні коридори (Берлін -…- Львів - Київ; Трієст -….- Львів; Гельсінкі - Київ - Одеса) пройдуть по території України. Першочергова задача для України забезпечити безпечний транзит по транспортних коридорах.

Розгорнена довжина головних залізничних колій України становить понад 31 тис. км. На 1 км довжини залізничного шляху припадає від 2 до 3 стрілочних переводів, так що загальна їх кількість на залізницях становить понад 65 тис. шт. Одним із головних елементів переводів є хрестовини зі сталі 110Г13Л. Стрілочні переводи є складними і відповідальними елементами залізничної колії, які працюють в напружених умовах дії значних динамічних навантажень і абразивного зносу при русі багатотоннажних вантажів, що призводить до передчасного зносу і необхідності вилучення їх з експлуатації через 2 - 3 роки після укладання в магістральний шлях. Тому задача виявлення та дослідження факторів підвищення якості хрестовин і впровадження раціональної технології є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з виконанням державної програми “Розробка наукових основ і дослідження фізико-хімічних особливостей оксидних систем для оптимізації шлакового режиму і технології виробництва марганцевих феросплавів з використанням різних видів сировини” (Г521F20000), оскільки для легування та розкислення високомарганцевої сталі 110Г13Л використовують марганцеві феросплави, а також з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної науково - дослідної роботи є наукове обґрунтування, експериментальні дослідження та удосконалення технології виплавки високомарганцевої сталі 110Г13Л у дугових сталеплавильних печах за допомогою більш ефективного режиму розкислення сталі алюмінієм, регулювання хімічного складу сталі та підвищення якості металу, з одночасною економією сировини.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлені такі задачі:

- узагальнити та проаналізувати сучасний стан технології виплавки високомарганцевої сталі та рівень якості одержуваних хрестовин стрілочних переводів залізничної колії з урахуванням вимог ГОСТ 7370-98;

- виконати комплексний аналіз фізико-хімічних процесів дефосфорації, окислення вуглецю і розкислення сталі вуглецем, марганцем, кремнієм та алюмінієм;

- експериментально вивчити морфологію неметалевих включень у відливках сталі 110Г13Л, розкисленої різною кількістю алюмінію;

- науково обґрунтувати вибір раціонального поєднання вмісту хімічного складу сталі, який за ГОСТ 7370 – 98 має широкі граничні значення базових елементів (C, Mn, Si) та елементів домішків (P, S);

- дослідити діючу технологію та вдосконалити її з метою отримання відливок хрестовин стрілочних переводів вищих груп якості та ресурсозбереження.

Об'єкт дослідження – вдосконалення процесу виплавки високомарганцевої сталі 110Г13Л в дуговій електросталеплавильній печі та металургійні фактори, які впливають на механічні властивості хрестовин.

Предметом дослідження є режим розкислення та механічні властивості технології виробництва сталі 110Г13Л, які забезпечують безпечний рівень експлуатації залізничних хрестовин на швидкісних та високонавантажених магістралях залізничного транспорту.

Методи дослідження. Основою роботи є положення термодинамічного аналізу електроплавлення сталі, аналіз накопиченого вітчизняного та зарубіжного досвіду виплавки сталі 110Г13Л. При визначенні хімічного складу сталі, аналізі залишкового вмісту алюмінію в сталі, типу неметалевих включень, механічних властивостей застосовані стандартні методики: хімічного і рентгеноспектрального методів аналізу неметалевих включень, механічні випробування зразків сталі. Природа неметалевих включень досліджувалася методом металографії. Для визначення виду неметалевих включень, вмісту кисню використовувалася нова методика фізичного матеріалознавства, яка розроблена в Інституті металургії і матеріалознавства ім. О.О. Байкова РАН - фракційний газовий аналіз (ФГА). Для прогнозування механічних властивостей сталі 110Г13Л використано математичне моделювання з метою побудови поліноміальних моделей та використовувалося багатофакторне моделювання для прогнозування механічних властивостей залежно від хімічного складу сталі за теорією системи неполяризованих іонних радіусів (СНІР) д.т.н., проф. Е.В. Приходька. Для аналізу результатів експериментів застосовані сучасні методи математичної статистики та багатокритеріальної оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів. До основних наукових положень і одержаних уперше результатів, які дозволили вирішити ряд важливих задач, пов'язаних з науковим обґрунтуванням вдосконалення технології виплавки високомарганцевої сталі 110Г13Л, відносяться:

- вперше методом фракційного газового аналізу (ФГА) отримані результати, на основі яких визначене природи та фазовий склад оксидних неметалевих включень, вміст кисню і азоту; метод має високу точність та оперативність;

- вперше визначено вплив вмісту залишкового алюмінію на формування неметалевих включень в сталі 110Г13Л; вміст [Al]залиш. в діапазоні від 0,011% до 0,075% впливає на тип неметалевих включень, що пов’язано зі зміною термодинамічної активності кисню у сталі;

- розроблена математична модель, що відображає за допомогою поліноміальних критеріїв взаємозв'язок механічних властивостей з вмістом п'яти елементів (Mn, С, Si, P, S) і може оцінити вплив кожного елемента, а також їх комбінацій на механічні властивості високомарганцевої сталі;

- одержано прогноз механічних властивостей сталі 110Г13Л, за допомогою математичного моделювання для рівня якості відливок першої групи (ГОСТ 7370-98) з використанням розкладання у ряди Фур’є по п'яти (Mn, С, Si, P, S) та трьом факторам (Mn, С, Si);

- за методикою фізико-хімічного моделювання багатофакторного рівня, яка базується на введенні в зв'язок між складом і властивостями багатокомпонентної системи проміжної ланки - комплексу інтегральних і парціальних параметрів, що характеризують хімічний і структурний стан досліджуваної системи (теорія д.т.н., проф. Е.В. Приходька) спрогнозовані механічні властивості сталі 110Г13Л.

Практичне значення одержаних результатів роботи. За результатами комплексу досліджень, виконаних стосовно до умов виплавки сталі 110Г13Л для відливок хрестовин:

- обґрунтовано режим розкислення високомарганцевої сталі та запропоновано додатковий показник якості сталі - залишковий вміст алюмінію у металі відливок хрестовин;

- запропонована методика розрахунку прогнозних показників механічних властивостей сталі, за розробленими поліноміальними моделями, одержаними розкладанням у тригонометричний ряд;

- запропоновано раціональний хімічний склад сталі із використанням результатів моделювання багатофакторної міжелементної взаємодії;

- удосконалена технологія розкислення сталі 110Г13Л, яка забезпечує економію алюмінію, визначає механічні властивості, для забезпечення підвищення виходу хрестовин першої та другої груп якості (акт про впровадження від 21.08.2002).

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем визначені та вивчені фактори, що впливають на якість високомарганцевої сталі 110Г13Л, виконані дослідження фізико-хімічних процесів виплавки сталі за допомогою термодинамічного аналізу, реакцій кінцевого розкислювання металу алюмінієм; проведені металографічні дослідження морфології неметалевих включень в сталі розкисленої алюмінієм [1, 2, 10]; виконано фракційний газовий аналіз та кількісно визначено вміст кисню: зв'язаного з поверхнею зразка, розчиненого в металі, зв'язаного в металі в різні види неметалевих включень [6, 9]; розроблено математичні моделі для прогнозування хімічного складу: п’яти -, трифакторні поліноміальні моделі та модель з використанням розкладу у ряд Фур’є [3, 4, 5]; спрогнозовані з максимальною наближеністю показники механічних властивостей сталі 110Г13Л при використанні фізико-хімічної моделі [7, 8]; обґрунтовано економічну ефективність технології виплавки високомарганцевої сталі з удосконаленням режиму розкислення сталі алюмінієм та використанням фізико-хімічних параметрів моделі. При проведенні лабораторних і промислових досліджень автору надавали допомогу співробітники кафедри електрометалургії Національної металургійної академії України, ВАТ “ДнСЗ”, ВАТ “ДСС”, ІМЕТ ім. О.О. Байкова РАН. Узагальнення результатів проведено автором самостійно. Методологія, трактування і узагальнення результатів досліджень належать автору.

Апробація роботи. Результати дисертації доповідались на першій міжнародній конференції “Україна наукова – 2001”., Дніпропетровськ - Дніпродзержинськ - Суми (5-7 листопада 2001 р.), на міжнародній науково - практичний конференції “Спеціальна металургія”, Київ, (8 - 9 жовтня 2002 р.), на ювілейній X Міжнародній науково-практичній конференції “Неметалеві вкраплення і гази в ливарних сплавах”, (12 - 16 травня 2003 р.), на наукових семінарах кафедри електрометалургії Національної металургійної академії України 5.10.1998, 12.01.1998, 25.10.1999, 25.10. 2000, 26.02.2001, 22.04.2002, 20.11.2002, 20.11.2003, 23.02.2004.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 10 наукових статтях, зокрема 7 статей у фахових наукових журналах, затверджених ВАК України, 3 - у збірнику тез доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, загальний обсяг роботи становить 174 сторінок, включає 35 рисунків, 27 таблиць, список використаних джерел з 134 найменувань робіт вітчизняних та зарубіжних авторів на 13 сторінках, 3 додатки на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обґрунтована її актуальність, сформульовані цілі і задачі досліджень, розкриті наукова новизна і практична значимість одержаних результатів.

У першому розділі проведений аналіз взаємозв'язку металофізічної структури і експлуатаційних властивостей аустенітної сталі 110Г13Л для хрестовин стрілочних переводів для магістральних шляхів залізничного транспорту. Проаналізовано технології виплавки сталі основним процесом в дугових електропечах. Вивчений і проведений аналіз впливу варіації хімічного складу цієї сталі в границях вимог ГОСТ 7370-98 на комплекс механічних властивостей. Відливки хрестовин після термічної обробки мають структуру аустеніту, пластичні і набувають твердості і зносостійкості при пластичній деформації. Хімічний склад відливок стрілочних хрестовин регламентується ГОСТ 7370-98 і передбачає широкі границі вмісту основних елементів. Так, вміст Mn коливається в границях 11,5%?16,5%, С 1%?1,3%, Si 0,3%ч0,9%, ? ?0,09%. При цьому технологія виплавки і розкислення не завжди забезпечує якість першої групи сталі. Вивчено розкид значень хімічного складу сталі 110Г13Л, коливання якого в широких границях приводить до неекономної витрати легуючих елементів і розкислювачів. Це, в свою чергу, впливає на якість хрестовин, а також на їх собівартість та на прибуток підприємства. Встановлено, що металургійна стадія технології виробництва відливок сталі 110Г13Л, яка діяла раніше, не завжди забезпечувала комплекс найвищих показників механічних властивостей металу хрестовин. Тому резервом підвищення якості сталі є пошук раціонального режиму розкислення сталі алюмінієм та хімічного складу сталі з урахуванням широких границь вмісту елементів ГОСТ 7370-98.

У другому розділі з використанням методів термодинаміки вивчені процеси дефосфорації і зневуглецювання сталевої ванни при плавці на свіжій шихті. Процес дефосфорації сталевої ванни при виплавці сталі 110Г13Л на свіжій шихті в загальному вигляді описується сумарною реакцією (1), а залежність константи рівноваги Kp визначається з рівняння (2).

2[Р]Fе + 5(FeO)+ 4(СаО)= (4СаО·Р2O5) + 5[Fe], (1)

lgKp=(a(4CaO ·P2O5)·a5Fe) / (a4CaO · a5FeO·a2P). (2)

Вивчено вплив на рівноважний вміст кисню в модельованому розплаві: вуглецю, марганцю та кремнію. Проведено термодинамічний аналіз кінцевого розкислення високомарганцевої сталі алюмінієм. Проаналізовано термодинамічні дані реакцій розкислення сталі 110Г13Л і склад рівноважних фаз в залізомарганцевих розплавах, розкислених алюмінієм. Згідно з даними І.С. Куликова розкислення високомарганцевого вуглецевого розплаву (13% Mn, 1,3% С) алюмінієм має особливості, які полягають у наступному (рис.1). Як виходить з даних рис. 1, при 1873 К вуглець має більшу термодинамічну розкислюючу властивість, ніж марганець. Тому реакція розкислення вуглецем цього розплаву, який за вмістом Mn близький до сталі 110Г13Л, та константа рівноваги мають вид (3, 4):

[C] + [O] = CO, (3)

. (4)

З урахуванням параметрів взаємодії елементів залежності lgfО та lgfС від вмісту С та Mn має вид:

lgfO = , (5)

lgfC = . (6)

Рис.1. Ізотерми кисню в залізі при розкисленні C, Mn, Si, Al та іншими елементами при 1873 К

За даними І.С. Куликова, рівноважний вміст кисню у модельованому розплаві (Mn 13%, C 1,3%) при 1873 К дорівнює [О] = 1,03·10-2%. Згідно з ГОСТ 7370-98 сталь 110Г13Л має хімічний склад: Mn 11,5%ч16,5%, ? 1%ч1,3%, Si 0,3%ч0,9%, S=0,02%, ? ?0,09%. В роботі розраховано вплив елементів Si, P, S та Al на вміст кисню. В розрахунках параметрів взаємодії (табл.1) прийняти дані для С і Mn з роботи І.С. Куликова, а для інших елементів з книги В.А. Григоряна та інших.

Таблиця 1

Значення параметрів взаємодії елементів

Значення параметра | Елемент, j

C | Mn | Si | P | S | Al

-0,108 | -0,007 | 0,18 | 0,13 | 0,11 | 0,043

-0,146 | -0,028 | -0,131 | 0,07 | -0,133 | -0.94

Вміст кисню з урахуванням вмісту елементів: 0,6% Si, 0,09% Р, 0,02% S дорівнює [O]=0,92·10-2%; при 0,030% Al, 0,09% Р, 0,02% S становить [O] = 1,05·10-2%; із елементами 0,6% Si, 0,09% Р, 0,02% S, 0,030% Al - [O] = 0,98·10-2%. Для визначення природи та виду неметалевих включень застосовано метод фракційного газового аналізу (ФГА). В табл.2 представлені дані промислових проб першої серії, які проаналізовані методом ФГА для визначення вмісту кисню та неметалевих включень.

Таблиця 2

Хімічний склад та механічні властивості промислових зразків сталі 110Г13Л

№

плавки | Хімічний склад, % |

ув, кгс/мм2 |

у0.2, кгс/мм2 |

д, % |

ш, % |

KCU, кгc·м/см2

Mn | C | Si | P | S | Al

2-121 | 11,5 | 1,1 | 0,48 | 0,068 | 0,011 | 0,017 | 72,4 | 43 | 28 | 19,4 | 17

2-167 | 13,1 | 1,1 | 0,3 | 0,079 | 0,013 | 0,015 | 77 | 46,2 | 21,6 | 16,2 | 17

2-156 | 13,6 | 1,0 | 0,7 | 0,076 | 0,012 | 0,09 | 70,2 | 42,4 | 20 | 22,2 | 17,2

2-133 | 16,5 | 1,16 | 0,48 | 0,078 | 0,011 | 0,022 | 71,2 | 42,8 | 26,2 | 19,4 | 17,2

2-150 | 12,6 | 1,2 | 0,64 | 0,089 | 0,012 | 0,006 | 71,7 | 43 | 20,4 | 16,2 | 17,2

2-152 | 14,2 | 1,12 | 0,3 | 0,075 | 0,013 | 0,017 | 71,4 | 42,8 | 31,2 | 22,2 | 17,4

2-153 | 12,8 | 1,21 | 0,62 | 0,09 | 0,011 | 0,025 | 76,2 | 45,7 | 28 | 22,29 | 17,6

2-155 | 13,5 | 1,08 | 0,54 | 0,089 | 0,012 | 0,015 | 76,2 | 45,7 | 26,6 | 16,2 | 18

Аналітична процедура фракційного газового аналізу зразків 8 промислових плавок першої серії сталі 110Г13Л (табл.2) виконана на газоаналізаторі ТС-436 фірми LECO. При фракційному газовому аналізі із підвищенням температури розплаву оксиди відновлюються вуглецем, а кисень екстрагується з розплаву у вигляді окислу вуглецю згідно з реакцією (7):

MeXOY + YC(ГР) = X[Me](Fe-Mn-C(нас)) + YCO(газ). (7)

У табл. 3 представлені дані про вміст кисню в різних формах його існування в зразках сталі: загальний вміст, включаючи поверхневий кисень та кисень порожневої поправки [O]1; вміст в зразку [O]2, включаючи поверхневий кисень за вирахуванням кисню порожневої поправки; порожнева поправка на вміст кисню [O]3; кількість кисню, адсорбованого поверхнею зразка [O]4; вміст кисню у включеннях [O]5. Результати дослідження використані при корегуванні параметрів плавки і режиму розкислювання сталі алюмінієм.

Таблиця 3

Масова доля кисню (%) у зразках складу сталі 110Г13Л, яка визначена методом ФГА

№ плавки | Вміст кисню, [O]i·104, % мас.

[О]1 | [O]2 | [O]3 | [O]4 | [O]5

2-133 | 325,5 | 325,5 | - | 10,5 | 297,1

2-150 | 50,6 | 43,6 | 7,0 | 9,8 | 32,7

2-152 | 126,6 | 110,5 | 16,1 | 7,9 | 100,5

2-153 | 161,5 | 121,5 | 40,0 | 10,2 | 108,9

2-155 | 532,3 | 510,2 | 22,1 | 5,5 | 500,2

2-156 | 74,2 | 56,2 | 18,0 | 13,9 | 43,4

2-167 | 532,3 | 510,2 | 22,1 | 5,5 | 500,2

2-121 | 86,3 | 70,0 | 16,3 | 6,9 | 66,6

З даних табл.3 виходить, що, незважаючи на дотримання діючої технології виплавки, загальний вміст кисню в досліджених зразках різних плавок істотно відрізняється від мінімального значення 50,6·10-4 до максимального 532,3·10-4 % мас. При цьому основна кількість кисню в зразках міститься в оксидних неметалевих включеннях: від 32,7·10-4 до 500,2·10-4 % мас., що обумовлено як відмінністю залишкової концентрації алюмінію, так і ендогенним і екзогенним характером їх походження. Температури початку відновлення різних оксидів (Tпоч) помітно відрізняються одна від одної, що дозволяє надійно їх розділяти в процесі аналізу. Як приклад на рис.2 наведено результати дослідження методом ФГА видів неметалевих включень сталі 110Г13Л плавки 2-150 (лінія на графіку - температура нагріву зразка ).

Рис.2. Еволограма фракційного газового аналізу зразка сталі 110Г13Л (плавка 2-150)

В результаті ФГА в зразку виявлено 6 піків. Вміст загального кисню в пробі 2-150 склав [О]1 - 50,6·10-4%, поверхневий кисень [О]4 - 9,8·10-4%. Загальний вміст кисню в піках [О]5–32,7·10-4%. Після обробки даних еволограми установлені типи включень: (Мn,Fе)·O; МnО; SiO2; МnО·Аl2Оз, Аl2Оз·SiO2. На рис.3 наведені результати ФГА зразка плавки 2-167. В результаті ФГА в зразку виявлено 8 піків.

Рис.3. Еволограма фракційного газового аналізу зразка сталі 110Г13Л (плавка 2-167)

Вміст загального кисню в пробі 2-167 - [О]1 - 86,3·10-4%, поверхневий кисень [О]4 - 6,9·10-4%. Загальний вміст кисню в піках [О]5 – 66,6·10-4%. Температура початку піків змінюється від 1418 К до 1811 К, а Тmax –від 1600 К до 1853 К. Пикам відповідають сполуки систем FeO-SiO2; MnO·SiO2; MnO·Al2O3, Al2O3- SiO2, твердий розчин в системі MnO-Al2O3, а також SiO2.

У третьому розділі експериментально досліджено елементний хімічний склад неметалевих включень і проведена їх ідентифікація, виконана методом рентгеноспектрального мікроаналізу. У табл. 4 наведені характеристики плавок другої серії. Результати дослідження неметалевих включень зразків промислових плавок сталі 110Г13Л приведені на рис.4-5.

Таблиця 4

Хімічний склад і фізико-механічні властивості досліджуваних зразків сталі 110Г13Л

№

плавки | Хімічний склад, мас. % | Механічні властивості

С | Mn | Si | P | S | Al | В, кгс/мм2 | 0,2, кгс/мм2 | ,% | ,% | KCU,

кгс·м /cм2

1-25 | 1,12 | 12,7 | 0,42 | 0,070 | 0,013 | 0,016 | 74,5 | 44,7 | 28,0 | 33,0 | 24,9

1-66 | 1,01 | 14,2 | 0,62 | 0,074 | 0,012 | 0,075 | 90,7 | 53,2 | 34,0 | 54,4 | 26,5

1-67 | 1,10 | 13,5 | 0,42 | 0,049 | 0,012 | 0,034 | 70,0 | 42,6 | 25,1 | 22,6 | 25,1

1-65 | 1,16 | 13,7 | 0,56 | 0,063 | 0,011 | 0,022 | 93,7 | 56,2 | 34,0 | 50,0 | 26,3

1-452 | 1,18 | 13,6 | 0,54 | 0,075 | 0,011 | 0,030 | 83,2 | 49,9 | 28,4 | 36,3 | 26,0

1-379 | 1,13 | 14,8 | 0,74 | 0,063 | 0,012 | 0,053 | 92,9 | 55,7 | 34,0 | 50,0 | 27,4

1-68 | 1,16 | 14,2 | 0,62 | 0,074 | 0,012 | 0,075 | 70,6 | 42,4 | 19,4 | 20,0 | 25,0

Експериментальні дослідження неметалевих включень другої серії промислових плавок сталі 110Г13Л (табл. 4) показали, що від металургійних чинників, і перш за все, залишкового вмісту алюмінію в сталі, залежить морфологія і кількість неметалевих включень. У правому верхньому кутку спектрограми (рис. 4) наведена таблиця результатів кількісної обробки, де перша колонка чисел(S) – площа піків аналітичної лінії, для відповідного хімічного елементу.

Рис.4. Енергетичні спектри металевих елементів у включеннях у сталі 110Г13Л (плавка 1-25)

Друга колонка (dS) – погрішність знайденого значення площі, яка визначається по залишковому неспівпаданню модельної та початкової ділянки спектрів. Третя колонка (S,%) є відсотком площі піку в загальній сумі площ всіх піків спектрограми.

Рис.5. Енергетичні спектри металевих елементів у включеннях у сталі 110Г13Л (плавка1-67)

Одержані дані підтверджують головну концепцію досліджень про визначальний вплив вмісту елементів - розкислювачів і співвідношення компонентів металевого розплаву на процеси формування неметалевих включень і кінцевий склад неметалевих включень, що утворюються - продуктів розкислювання сталі. Достовірність отриманих в роботі даних підтверджуються тим, що вони узгоджуються із діаграмою (рис.6). На рис.6 показана аналітична залежність виду неметалевих включень від концентрацій марганцю з урахуванням складу продуктів розкислення сталі алюмінієм; це ілюструється залежністю рівноважного вмісту кисню від концентрацій алюмінію і марганцю. Морфологію включень вивчали методами металографії і фактографічного аналізу на оптичному мікроскопі NEOPHОT 32 та електронному растровому мікроскопі JSMT-300 (Японія). Зразки сталі шліфували, включення вивчали стандартними методами металографії та ці ж зразки використовували для подальшого дослідження. При вмісті залишкового алюмінію менш ніж 0,020% утворюються в основному глобулярні включення на силікатній основі, а при вмісті [Al] залиш, % більш ніж 0,035% з'являються ограновані включення галакситу (MnO·Al2O3) і корунду (рис.7).

Рис.6. Концентраційні поля рівноваги розкислених алюмінієм залізомарганцевих розплавів, що знаходяться в рівновазі з оксидними фазами (точки ? - 1600?С, 0 - 1550?С) та –результати досліджень дисертаційній роботи

У роботі Wasai К. та інших показано, що в металі, розкисленому алюмінієм, при різних швидкостях охолоджування утворюються первинні і вторинні неметалеві включення різної форми (дендритні, типу “кленовий лист”, сферичні, мережні і коралоподібні, що також підтверджує результати даного дослідження.

Рис.7. Фрактографії зломів зразків сталі 110Г13Л( А- плавка 1-68, Х 1000; Б - плавка 1-65, Х 2000)

На рис.7- А. видно гострокутні неметалічні включення, ідентифіковані як фази галакситу. За результатами досліджень, при кінцевому розкисленні рідкої сталі 110Г13Л алюмінієм його вміст, визначений спектральним аналізом у 30 зразках сталі, коливається для різних плавок від 0,011% до 0,076%. Методами оптичної та електроноскопічної металографії на аншліфах досліджені морфологія і характер розташування оксидних включень залежно від залишкового вмісту алюмінію в сталі 110Г13Л. В сталі, яка розкислена алюмінієм, кількість глинозему в складі оксидних включень становить 70-90%. Дослідженнями металографії включень у відливках встановлено, що вид та кількість включень залежать від залишкового вмісту алюмінію. При невеликій кількості введеного алюмінію можуть утворюватися кремнемарганцеві силікати, при цьому, до вмісту 0,030% алюмінію неметалеві вкраплення мають вид силікатів, понад 0,035% - значно збагачені глиноземом, аж до переходу їх в шпінельний тип - (Fe,Mn)·О· Al2O3. Вплив кінцевого вмісту алюмінію, неконтрольованого на виробництві до початку проведення даної дисертаційної роботи, в рамках вимог здавального контролю та ГОСТ 7370-98, виявляється не тільки як фактор, що визначає розкисленість металу та формування включень регламентованого складу, але і як параметр технології, що забезпечує формування мікроструктури металу. Алюміній в сталі не тільки забезпечує зниження вмісту кисню, а й проявляє модифікуючий ефект. Останній виявляється в тому, що тонкодисперсні продукти взаємодії розчинених в сталі алюмінію і азоту (нітриди) розташовуються по границях зерен аустеніту та при термічній обробці можуть частково перешкоджати зростанню зерна. За експериментальними даними мінімальний середній вміст азоту у сталі 110Г13Л становить 0,0115 % мас., а максимальний - 0,0285 % мас.

У четвертому розділі розроблені методологічні підходи до моделювання залежності механічних властивостей сталі від її хімічного складу з використанням поліноміальних, статистичних моделей, отриманих розкладом у тригонометричний ряд, а також фізико-хімічних математичних моделей. У вирішуваній задачі здійснювався пошук зв'язку між хімічним складом сталі і її механічними властивостями при базовій технології виробництва високомарганцевої сталі, коли залишковий вміст алюмінію не контролювався. Використовуючи метод найменших квадратів знаходили коефіцієнти регресії:

В = (XTX)-1XTY, (8)

де Х – матриця умов експерименту; ХТ – транспонована матриця; Y – вектор результатів.

У зв'язку з цим хімічний склад сталі, що вивчається, містить змінні, які не є незалежними. Звідси добуток матриці умови експериментів XTX не дорівнює одиничній діагональної матриці ЕXTX, отже, Х – не ортогональна матриця. Тому знайдені коефіцієнти регресії bi не даватимуть роздільної оцінки значущості внеску впливу фактора на показник механічної властивості, яка вивчається. Аналогічна ситуація спостерігається при побудові статистичної моделі, що враховує парні або нелінійні взаємодії хімічних елементів. Для вирішення задач такого класу потрібне застосування специфічних підходів. Одним з варіантів рішення задач з виродженою матрицею коефіцієнтів є модифікований метод А.Н.Тихонова. У матричній формі рішення має вигляд:

, (9)

де , ХТ , Y – дивись вище; Е - одинична діагональна матриця; ? - поправочний коефіцієнт.

Величину визначають за формулою:

, (10)

де N – число експериментів; t – коефіцієнт, що змінюється в границях від 1?10-3 до 1?10-7.

При експериментально - статистичному дослідженні залежності зв'язків між вхідними (хімічний склад сталі 110Г13Л) і вихідними параметрами (механічні властивості), описували у вигляді поліномів 1 го та 2 го ступенів. Проводилось послідовне ускладнення виду полінома, з метою вибрати такий вид полінома, який би забезпечував максимальну точність апроксимації. Була вибрана модель другого ступеня, яка має подвійні та потрійні взаємодії:

Y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b1,2x1x2+b1,3x1x3+..+bk-1,kxk+..+b1,2,3x1x2x3+b1,2,4x1x2x4+..+bk-2,k-1,kxk-2xk-1xk+....+b1x12+b2x22+b3x32+b4x42+b5x52, (11)

де bk – емпіричні коефіцієнти; хk – фактори.

Крім математичних моделей, одержаних у вигляді поліномів, одержаний зв'язок між вхідними і вихідними параметрами у вигляді тригонометричного ряду:

, (12)

де b0,b1,p..b5p –емпіричні коефіцієнти; k – номер гармоніки; m – номер коефіцієнта.

На основі співставлення значень критеріїв точності апроксимації, одержаних для поліноміальних моделей та моделей, отриманих із розкладанням у тригонометричний ряд для п'яти факторів (C, Mn, Si, P, S), зроблений висновок про кращу на 20% точність апроксимації для тригонометричних моделей у порівнянні з поліноміальними. Симплекс - трикутник з прогнозними значеннями по межі міцності представлений на рис.8.

Рис.8. Топографія областей значень границі міцності сталі 110Г13Л по групах якості залежно від хімічного складу: А - прогнозні значення В, кгс/мм2 для 1-ой групи якості; Б - прогнозні значення В, кгс/мм2 для 2-ой групи якості;

Властивості сталі, розраховані за моделлю, відображені в трикутниках, у середині яких представлені прогнозні значення механічних властивостей. Особливістю моделі, одержаної у вигляді тригонометричного ряду, у порівнянні з моделлю у вигляді поліному є її ускладнена періодичність. Проецювання виконано для системи, яка складається з трьох компонентів (Mn, С, Si). Змінні такої системи є пропорціями i-х компонентів суміші. Властивості сталі, розраховані за моделлю, відображені у трикутниках, у яких представлені прогнозні значення механічних властивостей. Дані методи застосовані до багатокомпонентних систем для задач прогнозування. Для вирішення задач управління доцільно використовувати фізичні моделі.

Для моделювання з метою прогнозування складу і властивостей сталі 110Г13Л в роботі використана методика, яка базується на введенні в зв'язок між хімічним складом і механічними властивостями багатокомпонентних систем проміжної ланки - комплексу інтегральних і парціальних параметрів, що характеризують хімічний і структурний стан досліджуваної системи. Інтегральними параметрами електронної будови розплаву або продуктів його кристалізації як хімічно єдиної системи є її хімічний еквівалент Zy в багатокомпонентній системі (C, Mn, Si, P, S), що підсумовує дані про заряди компонентів з урахуванням вірогідності утворення зв'язків різного типу, та структурний параметр d, що характеризує середньостатистичну відстань між атомами, при допущенні, що матеріал знаходиться в гомогенному стані. Моделювання структури залізовуглецевих розплавів здійснюється через пошук умов стабільності ефективних зарядів.

При цьому дослідження взаємозв'язку механічна властивість - хімічний склад сталі 110Г13Л ділиться на дві частини. Перша частина є процесом вибору для кожної групи матеріалів фізико-хімічних критеріїв, адекватно тим, які відображають особливості їх будови і зарядового стану. Друга частина – пов'язана з установленням зв’язку між фізико-хімічними параметрами механічних властивостей сталі і побудовою статистичних моделей для прогнозування механічних властивостей сталі 110Г13Л. Для вибірки 281 промислової плавки розраховано модельні параметри структури в пакеті програм “Розплав”, яка розроблена та функціонує у ІЧМ ім. З.І.Некрасова НАН України, з метою прогнозування механічних властивостей сталі 110Г13Л залежно від хімічного складу сталі 110Г13Л (табл.5).

Таблиця 5

Хімічний склад, механічні властивості та модельні параметри електронної взаємодії в сталі

Хімічний склад, % мас. | Механічні властивості | Модельні параметри

C |

Mn |

Si |

P |

S | в, кгс/

мм2 | 0,2, кгс/мм2 | , % | , % | KCU,кгс·м/cм2 | d, нм | Zy, е

1,02 | 11,5 | 0,54 | 0,09 | 0,010 | 85,8 | 51,5 | 53,0 | 25,1 | 17,3 | 2,70 | 1,461

1,24 | 14,2 | 0,56 | 0,06 | 0,011 | 81,0 | 48,6 | 36,6 | 30,7 | 19,2 | 2,68 | 1,514

1,30 | 14,1 | 0,36 | 0,09 | 0,012 | 82,3 | 49,4 | 33,3 | 25,1 | 26,6 | 2,68 | 1,510

1,16 | 13,9 | 0,32 | 0,05 | 0,013 | 83,0 | 49,8 | 33,3 | 30,7 | 17,3 | 2,69 | 1,499

1,16 | 14,2 | 0,62 | 0,05 | 0,012 | 70,6 | 42,4 | 20,0 | 19,4 | 25,0 | 2,69 | 1,514

Проведена статистична обробка даних 281 плавки, одержано модельні параметри: d, нм та Zy, е.

Параметр d приймає значення від 2,6690 нм до 2,7059 нм, стандартне відхилення ? = 0,006831. Для оцінки практичної цінності розроблених моделей виконано розрахунки показників механічних властивостей і порівняння їх з експериментальними величинами пасивного експерименту. Розрахункові значення механічних властивостей за моделлю приведені в табл.6. Одержані дані свідчать про те, що середні відхилення розрахункових величин від експериментальних даних різних авторів знаходяться на рівні 10-20%. Таким чином, підтверджується працездатність запропонованих математичних моделей і можливість використання їх для прогнозу механічних властивостей сталі 110Г13Л. Фізико-хімічне моделювання дозволяє прогнозувати механічні властивості сталі, які вивчаються, і одночасно враховувати фізико-хімічні взаємодії в металі. На основі такої математичної моделі можна ефективно управляти технологією виплавки сталі 110Г13Л.

Таблиця 6

Порівняння результатів моделювання механічних властивостей сталі 110Г13Л із даними пасивного експерименту (* Mn-13,6%, C-1,0%, Si-0,7%, S-0,012%, P-0,09%)

Механічна властивість | Механічні властивості сталі * | Відхилення, ±

Пасивний експеримент | Результат моделювання

абсолютне, ± | відносне, %

уВ, кгс/мм2 | 90,10 | 90,12 | +0,02 | +0,02

у0.2, кгс/мм2 | 45,00 | 46,00 | +1,00 | +2,17

д, % | 34,00 | 39,00 | +5,00 | +12,80

Ш, % | 54,60 | 54,10 | +0,50 | +0,92

KCU, кгс?м/см2 | 23,80 | 23,50 | +0,03 | +0,13

Картограми для границі міцності сталі та ударної в’язкості представлені на рис.9 та 10, відповідно.

Рис.9. Карта поверхні відгуку ?В =f(d,Zy) для сталі 110Г13Л, на картограмі значення ?В: 95,068 – I група якості, 82,186 – II група якості, 71,867 – III група якості | Рис. 10. Карта поверхні відгуку KCU = f(d,Zy) для сталі 110Г13Л, на картограмі значення KCU: 27,525 – I група якості, 17,745–III група якості

У п'ятому розділі дисертації узагальнені результати досліджень економічної ефективності запропонованих і реалізованих науково-технічних рішень, які включають регламентацію режиму розкислення сталі, щодо зниження витрат алюмінію із 5 кг/т до 1 кг/т, яке знайшло відображення в технологічній інструкції № 092. 25.210.000.11 від 09.02.2001 р.; корекцію хімічного складу сталі 110Г13Л, шляхом регулювання кількості і співвідношення базових елементів (Mn, C, Si). Достовірність впровадження технологічних рішень підвищення якості сталі 110Г13Л та досягнуту економічну ефективність в умовах промислового підприємства підтверджено актом ВАТ “ДнСЗ” від 21.08.2002.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Головним підсумком дисертаційної роботи є розроблена та впроваджена в промислове виробництво технологія виплавки високомарганцевої сталі 110Г13Л, обґрунтована за допомогою аналізу технологічних факторів режим розкислення, який забезпечує підвищення якості відливок хрестовин. Рішення цієї важливої виробничої задачі стало можливим завдяки комплексу теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних на базі фізико-хімічного, металофізичного, рентгеноспектрального, металографічного аналізу, а також на основі фракційного газового аналізу у поєднанні з використанням методів математичного моделювання, що дозволило вивчити вплив параметрів технології на формування неметалевих включень та на механічні властивості металу та обґрунтувати приведені нижче висновки і рекомендації.

1.

2.

3.

4.

5.

6.