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.
Аннотация к работе
У цьому звязку 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. 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. 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. 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. 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.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 пятьох 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. 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). Результати вивчення структурної і хімічної неоднорідності зливка з перегородкою, а також пяти 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 зєднання РЗЕ в дослідних) конвективними потоками уздовж фронту кристалізації в донну частину зливка. 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.У цій роботі вирішений ряд питань, що дозволяють підвищити якість і механічні характеристики готових металовиробів шляхом фізико-хімічного впливу на рідкий метал (зокрема присадками легуючих і модифікуючих добавок), запровадженням регламентованого охолодження від температур кінця гарячої деформації. Термодинамічний аналіз реакцій взаємодії активних елементів з домішками стали показав, що РЗЕ здатні утворювати стійкі нерозчинні зєднання відразу після введення їхній у рідкий метал. При цьому рідина, на границі з твердою фазою, очищується від сірки і на сірчаному відбитку фіксується з великою точністю у вигляді більш світлої смужки, чим інший метал. Здатність РЗЕ фіксувати момент введення в твердіючий метал дозволяє використовувати їх, як індикатори процесу твердіння сталевих зливків, а метод уведення рідкісноземельних елементів - як один з найбільш точних методів дослідження процесів структуроутворення у сталевих зливків. Запропонована методика розрахунку коефіцієнта затвердіння-К, з урахуванням внеску обємної кристалізації в процес наростання твердої фази в зливку, що кристалізується, дозволила розрахувати зміни числових значень коефіцієнта затвердіння - К-удаване для різних часових відрізків процесу затвердіння.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У цій роботі вирішений ряд питань, що дозволяють підвищити якість і механічні характеристики готових металовиробів шляхом фізико-хімічного впливу на рідкий метал (зокрема присадками легуючих і модифікуючих добавок), запровадженням регламентованого охолодження від температур кінця гарячої деформації.
У процесі виконання дисертаційної роботи отримані наступні результати: 1. Термодинамічний аналіз реакцій взаємодії активних елементів з домішками стали показав, що РЗЕ здатні утворювати стійкі нерозчинні зєднання відразу після введення їхній у рідкий метал. Вони просякають у двофазну зону і утворюють дуже дисперсні включення. При цьому рідина, на границі з твердою фазою, очищується від сірки і на сірчаному відбитку фіксується з великою точністю у вигляді більш світлої смужки, чим інший метал. Здатність РЗЕ фіксувати момент введення в твердіючий метал дозволяє використовувати їх, як індикатори процесу твердіння сталевих зливків, а метод уведення рідкісноземельних елементів - як один з найбільш точних методів дослідження процесів структуроутворення у сталевих зливків.
2. Запропонована методика розрахунку коефіцієнта затвердіння -К, з урахуванням внеску обємної кристалізації в процес наростання твердої фази в зливку, що кристалізується, дозволила розрахувати зміни числових значень коефіцієнта затвердіння - К-удаване для різних часових відрізків процесу затвердіння.
3. Встановлено, що присадки РЗЕ істотно не впливають на процеси формування структурних зон зливка. Вони лише змінюють характер розподілу сірки по обєму твердіючого металу на протилежний і не впливають на характер ліквації інших елементів-домішок, таких як марганець, кремній, вуглець і інших, що виправдовує застосування РЗЕ, як індикатора процесу твердіння сталевих зливків.
4. Дослідження залежності зміни швидкості наростання твердої фази по радіусі зливка від величини затверділого шару показало, що мінімуми швидкостей твердіння для всіх обріїв розташовані на відстані рівному 0,4 - 0,6 радіуси зливка від поверхні, тобто там, де звичайно розташовуються "шнури" L- подібної позавісьової ліквації.
5. Результати дослідження дослідних зливків із присадками РЗЕ дозволили уточнити модель механізму формування "конуса кристалів" у донній частині зливка.
6. Установлено, що при переплаві металу, обробленого РЗЕ, неметалічні включення не плавляться, не дисоціюють і, завдяки високому межфазному натягу з рідким залізовуглецевим розплавом, досить повно видаляються з нього. Ефект глибокої десульфурації при повторному переплаві металу з РЗЕ може бути використаний у промислових переплавних процесах одержання високоякісного металу, особливо для умов ливарних цехів і при виробництві заготівок для електрошлакового переплаву.
7. У лабораторних і промислових умовах відпрацьовані хімічні склади нових марок рейкової сталі та досліджені різні способи модифікування металу. Для забезпечення здійснення способу введення РЗЕ в рідкий метал, розроблені А1-РЗЕ брикет і моноліт, що забезпечують стабільність засвоєння РЗЕ й алюмінію. Ступінь засвоєння РЗЕ, введеного в складі моноліту (на сталі 08Ю), у середньому на 20 % вище, ніж при введенні його у виді FECE у ківш. Розроблений спосіб уведення модифікаторів у рідкий метал може бути використаний практично в будь-яких сталеплавильних цехах з різним типом сталеплавильних і розливних агрегатів, включаючи неперервне розливання сталі.
8. Встановлено, що комплексне легування рейкової сталі не збільшує вміст неметалічних включень у ній, а модифікування - сприяє їх глобуляризації.
9. Рейки типів Р50 і Р65 виготовлені з дослідних сталей 70ХГС, 70ХГСФ і 70ХГСА в стані після термообробки поверхні катання голівок показали експлуатаційну стійкість у 1,75-2,2 рази вище, ніж вуглецеві рейки стандартного складу.
10. Для виробництва машинобудівних деталей методом гарячої деформації з регламентованим охолодженням розроблена нова марка сталі. Розроблено спосіб виробництва мікролегованих модифікованих машинобудівних сталей, що забезпечує одержання заданого складу цих сталей у вузьких межах і технологічний регламент уведення розкислювачів і лігатур у ківш, що забезпечує високий ступінь засвоєння легуючих елементів.
11. Експериментами в промислових умовах установлено, що виплавка мікролегованих і модифікованих машинобудівних сталей може бути здійснена на кожнім з діючих сталеплавильних агрегатів, тому що процес одержання цих сталей здійснюється у сталерозливальному чи проміжному ковші, а метал може розливатися як у зливки, так і на неперервнолиту заготівку.
12. Встановлено, що режим регламентованого охолодження залежить від перетину і маси конкретних деталей. Регламентоване охолодження від температур кінця пластичної деформації дозволяє виключити з технологічного регламенту виробництва машинобудівних деталей таку енергоємну ланку, як поліпшуюча термічна обробка заготівок.
Список литературы
1. Гурский Г.Л., Просвирин К.С., Зигало И.Н., Клюшник Ю.А., Павленко Ю.А., Левошич Н.В., Оргиян В.С. Комплексное влияние легирования и модифицирования на свойства рельсовой стали // Металлург, 1979.- №2.- С.18-20.
2. Просвирин К.С., Зигало И.Н., Павленко Ю.А., Бараш Л.У., Квичанская М.И., Левошич Н.В. Определение момента образования и дальнейшего поведения сульфидных включений при формировании слитков с присадками РЗМ // Труды П респ. научно-технич. конф. "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" .- Т.1.-Запорожье.-1979.-С.44-45.
3. Просвирин К.С., Зигало И.Н., Грищенко Ю.Н., Павленко Ю.А., Квичанская М.И., Бараш Л.У. Неметаллическая фаза и газонасыщенность стали 08Ю с различным содержанием серы, модифицированной РЗМ // "Металлургия и коксохимия".-1981.-Вып. № 72.-С.91-95.
4. Просвирин К.С., Павленко Ю.А., Зигало И.Н. К вопросу о механизме формирования конуса кристаллов в стальных слитках // Известия ВУЗОВ. Черная металлургия.-1983.- № 7.-С.35-39.
5. Зигало И.Н., Павленко Ю.А., Просвирин К.С., Грищенко Ю.Н., Левошич Н.В. Улучшение качества стали при модифицировании РЗМ // Сталь. - 1983.- № 7.- С. 26-28.
6. Зигало И.Н., Просвирин К.С., Малиночка Я.Н., Павленко Ю.А., Титова Т.М., Бродский С.С. Исследование формирования с помощью РЗМ структуры слитка // Сталь. - 1984.- № 8.- С. 27-32.
7. Зигало И.Н., Просвирин К.С., Павленко Ю.А. Поведение РЗМ-содержащих включений при переплаве стали // Труды IV респ. научно-технич. конф. "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах". - Запорожье.-1985.-С.21-22.
8. Титова Т.М., Павленко Ю.А., Малиночка Я.Н. Влияние природы и распределения оксисульфидов РЗМ на свойства литого металла // Труды IV респ. научно-технич. конф. "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах". - Запорожье.-1985.-С.50-51.
9. Просвирин К.С., Зигало И.Н., Павленко Ю.А., Титова Т.М., Грищенко Ю.Н. К вопросу о природе неметаллических включений в стали с присадками РЗЭ // Известия ВУЗОВ. Черная металлургия.-1986.- № 11.-С. 16-22.
10. Малиночка Я.М., Т.М. Титова, Зигало И.Н., Просвирин К.С., Павленко Ю.А. Природа и распределение неметаллических включений в слитках рельсовой стали с добавками РЗМ // Сталь. - 1987.- № 4.- С. 29-33.
11. Павленко Ю.А. О механизме формирования структуры конуса кристаллов в слитках спокойной стали // Тезисы докладов Всесоюзн. научн.-техн. конф. "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов". - Волгоград. - Часть 1.-1990.- С. 137-138.
12. Способ раскисления стали с содержанием кремния до 1,4 % мас. // А.с. 1691402 СССР, МКИ С 21 с 7/06. / Зигало И.Н., Грищенко Ю.Н., Павленко Ю.А., Кимстач В.М., Левитан В.Б., Рязанов А.С., Соболев В.Ф., Багрий А.И., Бродский С.С. (СССР), заявлено 15.05.89 г № 4726355/02-068220, решение о выдаче а.с. СССР от 26.06.90года.
13. Машиностроительная сталь // Зигало И.Н., Павленко Ю.А., Грищенко Ю.Н., Рязанов А.С., Соболев В.Ф. (СССР), заявлено 15.05.91 г. № 4941175/02, решение о выдаче а.с. СССР от 26.06.92 года.
14. Павленко Ю.А., Зигало И.Н., Флоров В.К. Влияние микролегирования на изменение структуры сталей в процессе механико-термических воздействий // Известия ВУЗОВ. Черная металлургия. - 1993.- № 7.- С. 47-50.
15. Зигало И.Н., Павленко Ю.А. Повышение качества и служебных свойств сталей различных классов путем модифицирования // Проблемы металлургического производства. - Киев: Техніка.- 1991.- С. 73-75.
16. Зигало И.Н., Грищенко Ю.Н., Кимстач В.М., Павленко Ю.А., Стовпченко А.П. Обоснование и разработка высокоэффективных способов модифицирования стали исходя из назначения металлопродукции // Металл и литье Украины. - 1997.- № 10.- С. 17-20.
17. Стовпченко А.П., Титова Т.М., Павленко Ю.А. О двойном эффекте воздействия присадок РЗМ: модифицирование и десульфурация стали // Сталь. - 1999.- № 8.- С. 68-70.
18. Стовпченко А.П., Титова Т.М., Павленко Ю.А. О механизме образования скоплений неметаллических включений в донной части стальных слитков // Теория и практика металлургии. - 2000.- № 1.- С. 28-30.
19. Стовпченко А.П., Кравчук В.И., Титова Т.М., Ноговицин А.В., Кондратенко В.М., Павленко Ю.А. Современные проблемы металлургии. Т.3./ Материалы научно-практич. конф. “Проблемы и перспективы получения конкурентоспособной продукции в горнометаллургическом комплексе Украины”. 24-25 октября 2001г.-Днепропетровск.- Системные технологии.-2001.- С. 321-331.