Повышение качества отливок из высокомарганцевой стали совершенствованием процесса её плавки и внепечной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Лихолобов, Евгений Юрьевич

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лихолобов, Евгений Юрьевич

1. ВЫСОКОМАРГАНЦЕВАЯ СТАЛЬ КАК ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ, ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ И КОВШОВОЙ ОБРАБОТКИ.

1.1 Химический состав, структура, механические, физические и технологические свойства стали 110Г13Л.

1.2 Технология плавки и разливки стали 110Г13Л.

1.3 Раскисление, модифицирование и рафинирование стали 110Г13Л.

1.3.1 Раскисление и модифицирование стали 1 ЮГ 13Л.

1.3.2 Содержание газов и неметаллических включений в стали 110Г13Л.

1.3.3 Внепечные способы рафинирования и модифицирования стали 110Г13Л.

1.3.4 Физико-химические особенности процессов раскисления, легирования и модифицирования стали комплексными сплавами.

1.4 Краткие выводы и задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1 Объект исследования.

2.2 Плавка, раскисление, разливка стали 110Г13Л.

2.3 Термическая обработка.

2.4 Определение химического состава.

2.4.1 Определение химического состава стали 110Г13Л.

2.4.2 Определение химического состава ферросиликоалюминия.

2.5 Методика обработки стали в ковше комплексом ФСА + Т1.

2.6 Оценка качества стали и отливок.

2.7 Определение механических свойств.

2.8 Определение содержания кислорода.

2.9 Определение активности кислорода.

2.10 Определение закиси железа и закиси марганца.

2.11 Расчет фазовых диаграмм.

2.12 Металлографические исследования.

2.13 Фрактографические исследования.

2.14 Микрорентгеноспектральный анализ.

2.15 Изучение неметаллических включений.

2.16 Обработка экспериментальных данных.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ КИСЛОРОДА В ВЫСОКОМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ И ЕЁ СВЯЗИ С СОДЕРЖАНИЕМ ЦРеО + МпО) В ПРЕДВЫПУСК-НОМ ШЛАКЕ.

3.1 Термодинамический анализ возможности экспрессной оценки активности кислорода и управления на ее основе Е (БеО + МпО) в предвыпускном шлаке.

3.2 Определение 2 (БеО + МпО) в предвыпускном шлаке экспериментальным путем и расчетным методом.

3.3 Краткие выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ Ре-8ьА1 ЛИГАТУРЫ КАК ЗАМЕНИТЕЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО А1 ДЛЯ КОВШОВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ 110Г13Л.

4.1 Действующая технология ковшовой обработки стали.

4.2 Ре-8ьА1 лигатура как потенциальный заменитель А1.

4.2.1 Исследование химического состава Ре-81-А1 лигатуры.

4.2.2 Структура Бе-БкА! лигатуры.

4.2.3 Фазовые превращения в ферросиликоалюминиевой лигатуре марки ФС45А15.

5 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАМЕНЫ АЛЮМИНИЯ НА ФЕРРОСИЛИКОАЛЮМИНИЙ ПРИ КОВШОВОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ.

5.1 Содержание £ [О] и ащ в печи и ковше.

5.2 Макро- и микроструктура стали.

5.3 Оценка загрязненности стали неметаллическими включениями.

5.4 Остаточное содерлсание А1 и Т1.

5.5 Механические свойства стали (а, 5, КСЦ).

5.6 Краткие выводы.

6. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИ

6.1 Разработка технологических рекомендаций для получения высококачественного литья.

6.2 Методика промышленного эксперимента - печи, шихта, технология плавки, разливки, термообработки, результаты.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Литейное производство», 05.16.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества отливок из высокомарганцевой стали совершенствованием процесса её плавки и внепечной обработки»

Актуальность. Высокомарганцевая сталь изобретена немецким ученым Гад-фильдом P.A. (Hadfield Robert Abbot 1858 -1940 г.) в 19 в., запатентована в 1892 г. Состав ее был следующим: 0,90 - 1,30 % С; 10,0 - 14,0 % Мп; < 0,3 % Si; < 0,08 % Р; < 0,02 % S. С тех пор состав ее практически не изменился и согласно отечественным ГОСТ, заводским ТУ или нормативным документам зарубежных стран находится в этих пределах. Эта сталь - 110Г13Л - и в наши дни является незаменимым конструкционным материалом для изготовления многих запчастей для различных отраслей современной экономики - машиностроительной, горнорудной, металлургической, железнодорожной и других. Из этой стали изготавливают футеровки вихревых и шаровых мельниц, трамвайные и железнодорожные крестовины и стрелочные переводы, гусеничные траки, звездочки, зубья ковшей экскаваторов и другие детали. Обусловлено это тем, что высокомарганцевая сталь обладает высоким сопротивлением к износу при одновременном воздействии высоких давлений или ударных нагрузок. Наиболее массово износостойкие отливки изготовляют из высокомарганцевой стали марки 110Г13Л. Но в промышленности нашли применение экономно-легированный вариант - сталь 120Г10ФЛ, а также комплексно-легированные стали марок - 110Г13Х2БРЛ, 110Г13ФТЛ, 130Г14ХМФАЛ ГОСТ 977-88. Видно, что соотношение С:Мп выдерживается практически в рекомендованных изобретателем пределах.

Потребность промышленности в этой стали растет вместе с ростом экономики. В связи с этим, снижение затрат на износостойкие изделия при сохранении или улучшении их механических свойств и эксплуатационных характеристик, в том числе срока службы, надежности, является весьма актуальной задачей. Одним из перспективных вариантов её решения является применение сочетания технологии, обеспечивающей наиболее низкое содержание кислорода в расплаве в печи с последующей ковшевой обработкой его комплексным раскислителем нового поколения. Концентрацию кислорода в расплаве можно определить, измерив активность кислорода с помощью устройства окисленности стали УКОС ТЗ-900 ТУ 311-00226253.068 с датчиком окисленности стали ДОС-05-900 ТУ 311-00226253.067. Использование устройства позволяет определить глубину и эффективность процесса раскисления -осаждающего, диффузионного, вакуумного, осуществлять контроль и управление этими процессами, обеспечить необходимый уровень окисленности металла перед проведением процессов окончательного раскисления и модифицирования. В конечном итоге, это ведет к снижению расхода раскислителей и модификаторов, и, соответственно количеству образующихся при этом неметаллических включений (далее - 1-Ю) и улучшению качественных характеристик стали.

В СССР исследования с использованием электрохимического метода в металлургии впервые были проведены O.A. Есиным. Работы по созданию и применению кислородных концентрационных элементов (далее - к.к.э.) для измерения активности кислорода в расплаве были проведены В.И. Явойским, В.П. Лузгиным и А.Ф. Вишкаревым. Созданные на основе к.к.э. кислородные зонды широко применяются в металлургическом производстве для контроля и оперативного управления процессами выплавки и внепечной обработки стали - раскисления, легирования, модифицирования, вакуумировапия. Выполненные исследования (Явойского В.И., Лузгина В.П., Панина М.Ф., Зинковского И.В., Подкидышева В.В., Иванова A.A. и др.) позволили исследовать раскислительную способность элементов, физико-химические закономерности процессов раскисления, определять глубину и эффективность их проведения, кинетику сталеплавильных процессов мартеновской и конверторной стали. Однако применительно к высокомарганцевым сталям возможности данного метода остаются нереализованными. Известно, что качество стали 110Г13Л определяется во многом еще и содержанием Е (FeO + МпО) в предвыпускном шлаке. В связи с этим, одним из сдерживающих факторов применения кислородных зондов при выплавке высокомарганцевых сталей является отсутствие данных о зависимости содержания £ (FeO + МпО) в шлаке от активности кислорода в расплаве в высокомарганцевой стали. Также немаловажным фактором является отсутствие практических рекомендаций о порядке и особенностях проведения подобных измерений для технологов и металлургов сталелитейных цехов, производящих эту сталь.

В 1990-х годах были проведены исследования (Друинский М.И., Жучков В.И.) с целыо определения экономической и технологической целесообразности замены применяемых для предварительного и окончательного раскисления ферросилиция марок ФС25, ФС45 и чушкового алюминия ферросиликоалюминием. Промышленные испытания, проводимые на Серовском металлургическом заводе, Нижнетагильском металлургическом комбинате и Челябинском трубопрокатном заводе позволили установить положительное влияние ФСА на свойства углеродистой качественной конструкционной стали марок 10, 20, 30, 45 ГОСТ 1050-88 и легированной конструкционной стали 40Х, 45Х, 40ХН ГОСТ 4543-71, выплавляемых в мартеновских 120- и 185-тонных печах. Были отмечены снижение расхода ферросплавов, стабилизация химического состава, за счет уменьшения колебания угара хрома и кремния, снижение брака.

В 2000-х годах коллективом Химико-металлургического института им. Ж. Абишева (Толымбеков М.Ж., Ахметов А.Б, Берг A.A., Ким A.A., Камылина JI.H., Кусаинова Г.Д., Огурцов Е.А., Жиембаева Д.М., Ахтанова Р.Ш. и др.) проведены опытные плавки по замене применяемых для окончательного раскисления ферросилиция марок ФС25, ФС45 и чушкового алюминия ферросиликоалюминием в фасонно-литейном цехе АО «Арселор Миттал Темиртау». В дуговой электропечи ДСП-6МТ выплавлялась углеродистая качественная конструкционная сталь марок 20, 35, 45 ГОСТ 1050-88, легированная конструкционная сталь марок 40Х, 35ХМ, ЗОХГСА ГОСТ 4543-71, легированная коррозионно-стойкая 20X13JI ГОСТ 977-88 и легированная износостойкая 110Г13Л ГОСТ 977-88.

Была показана высокая эффективность сплава ФСА не только как раскислите-ля, но и как восстановителя окислившихся и перешедших в шлак легирующих компонентов - Cr и Мп, установлен оптимальный расход раскислителя в количестве 8 кг/т, достигнут экономический эффект. Однако наряду с широкой теоретической доказательной базой (Шульте Ю.А., Бялик Г.А., Михайлов С.П., Дробин В.Е), положительным опытом промышленных испытаний, потенциал использования этого комплексного сплава нового поколения остается не реализованным. Сдерживающим фактором здесь является недостаточная изученность сплава, отсутствие сведений о структурных составляющих ферросиликоалюмииия марки ФС45А15; о раскисли-тельной способности применительно к высоколегированным сплавам, каковым является 110Г13Л; об особенностях усвоения алюминия, входящего в состав комплекса и об образующихся при этом IIB; возможности использования его в комплексе с другими модификаторами; влиянии его на структуру, свойства высокомарганцевой стали. Все это не позволяет использовать его при производстве высокомарганцевой стали для изготовления отливок, так как не гарантирует получение требуемых качественных характеристик стали.

Цель работы. Исследование активности кислорода в высокомаргапцевых сталях и совершенствование технологического процесса плавки и внепечной обработки для получения высококачественного литья.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставились задачи:

- Проведение термодинамического анализа возможности экспрессной оценки £ (БеО + МпО) в предвыпускном шлаке на основе измеренной активности кислорода в жидкой стали;

- Экспериментальная проверка возможности прогнозирования содержания £ (БеО + МпО) в шлаке по активности кислорода в жидкой стали;

- Исследование фазового строения Ре-81-А1 лигатуры при различных температурах;

- Оценка эффективности замены металлического А1 на лигатуру ФС45А15 при ковшовой обработке стали 110Г13Л;

- Разработка технологических рекомендаций для получения высококачественных отливок и опытно-промышленное опробование результатов работы.

1. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что при выплавке высокомарганцевых сталей для производства износостойких отливок содержание £ (РеО + МпО) в предвыпускном шлаке может быть с высокой надежностью спрогнозировано по активности кислорода ащ и концентрации марганца [Мп] в расплаве, при этом связь между указанными параметрами описывается линейным уравнением: (МпО) + (РеО) = а[0] • (180,3 + 706,8 ■ [Мп]).

2. Методами компьютерного моделирования по программе "ТегтоСа1с" и металлографического анализа установлены закономерности изменения фазового строения ФСА в широком интервале температур, согласно которым в исходном состоянии он имеет трехфазное строение (твердый раствор на основе Si + FeSi + инте-металлид AlJFey, затем перед полным расплавлением он трансформируется в двухфазную эвтектику (Si + FeSi).

3. Установлен факт усиления модифицирующего эффекта ковшовой обработки высокомарганцевой стали при замене комплекса (Al+Ti) на комплекс (ФСА+Ti), что может быть следствием запаздывания фазовых превращений при нагреве и плавлении ФСА, в результате которого к моменту кристаллизации стали в ней могут неравновесно присутствовать частицы интерметаллида AlxFe>5 выполняющие роль дополнительных центров кристаллизации аустенита.

4. Установлены количественные зависимости показателей качества стали (остаточное содержание алюминия и титана, размер литого зерна, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение и ударная вязкость) от варианта ковшовой обработки и расхода раскислителей (ФСА и Al) и модификатора (Ti).

1. Разработана серия (для разных концентраций марганца [Мп]) номограмм для прогнозирования E(FeO+MnO) в шлаке по измеренной активности кислорода в высокомарганцевом расплаве що], применение которой позволило оперативно контролировать степень раскисленности высокомарганцевых сталей перед выпуском из печи и повысить эффективность её ковшовой обработки.

2. Показано, что при выплавке стали 110Г13Л требуемым показателям раскисленности шлака £(FeO + МпО) < (4,5-6) % соответствует активность кислорода а[0] в расплаве стали перед выпуском из печи на уровне < 0,0003 -0,0007 %.

3. Экспериментально установлено, что при ковшовой обработке стали 110Г13Л комплексом (ФС45А15+Т0 взамен комплекса (Al+Ti) достигается более высокое и стабильное усвоение алюминия и титана, измельчение литого зерна на 1-2 балла и повышение показателей механических свойств (ударной вязкости KCU на

12 %, временного сопротивления (Гц на

14 %, относительного удлинения 65 на

4. Методика оперативного контроля раскисленпости предвыпускного шлака по данным измерения активности кислорода в жидкой стали внедрена в литейном цехе АО «Алюминий Казахстана» при производстве отливок из стали 110Г13Л.

5. По результатам широкого промышленного опробования получила реализацию технология ковшовой обработки стали 110Г13Л комплексом ФС45А15 + Тл, что обеспечило повышение качества отливок и получение экономического эффекта 102 руб/т (486 тенге/т) за счет снижения расхода раскислителя и модификатора.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных конференциях: «Прогрессивные литейные технологии», Москва, МИСиС (2011); «Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии», Караганда, ХМИ им. Ж. Абишева (2011); «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030», Караганда, КарГТУ (2011); «Металлургия Прииртышья в реализации программы форсированного индустриально-инновационного развития «Казахстан-2020», Павлодар, ПТУ им. С. Торайгырова (2011), а также на научных семинарах кафедры технологии литейных процессов НИТУ «МИСиС» (2009-2012).

По результатам диссертационной работы опубликовано 8 статей и тезисов докладов, а также получено одно Ноу-Хау.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 32 таблицы, состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 94 наименований и приложений.