Структура, химический состав и назначение стали марки ЭИ 961. Выплавка металла в мартеновской, электродуговой и индукционных печах. Технология электрошлакового переплава стали и контроль качества слитков. Требования к расходуемым электродам и флюсам.
При низкой оригинальности работы "Разработка технологии электрошлакового переплава сплава марки ЭИ 961", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Металл, подвергшийся электрошлаковому переплаву, отличается высокой чистотой по неметаллическим включениям, свободен от различного рода литейных дефектов ликвационного и усадочного происхождения, обладает высокой физической однородностью и чрезвычайно высокой плотностью структуры. В зависимости от основных свойств сталь относится к группе жаропрочных сталей, которые используется в условиях высоких температур в течение определенного времени, а также в условиях слабонапряженного состояния. Стали, содержащие 10…13 % Cr, помимо мартенсита, имеют в своей структуре феррит. При этой следует отметить, что мартенситное превращение протекает при температуре на 100 °C ниже, чем в сталях с 8 % Cr, благодаря чему структура стали имеет больше дефектов и более упрочнена. Так как данная марка стали имеет мартенситную структуру (количество ферритной фазы менее 10 %), то она обладает более оптимальными жаропрочными свойствами, чем стали с мартенсито-ферритной или ферритной структурами.При этом стремятся к тому, чтобы слиток имел тот же состав, что и электрод, исключая вредные примеси: серу, фосфор, кислород, азот, водород и др. Даже такие элементы, как марганец и хром, склонные к испарению в условиях вакуумных переплавов, в случае ЭШП испаряются и окисляются незначительно, что практически не приводит к существенным изменениям состава металла. Однако значительная гибкость процесса позволяет избежать этих трудностей и достичь оптимального уровня удаления примесей из металла [5]. Опыт получения стали методом ЭШП показал взаимосвязь технологии выплавки и разливки исходного металла с технологией ЭШП, так как только в этом случае обеспечивается максимальное улучшение качества металла. Процесс ЭШП протекает в условиях активного взаимодействия двух жидких фаз (металла и шлака) и газовой (атмосферы).Технология выплавки стали в мартеновских печах не обеспечивает получения стали с минимальным содержанием вредных примесей и газов, так как для этих процессов характерна окислительная атмосфера в плавильном пространстве. Использование в мартеновских печах в качестве топлива мазута или природного газа с высоким содержанием серы ограничивают получение стали с концентрацией серы <0,03 %.Превращение электрической энергии в тепловую позволяет получать в электропечах очень высокие температуры, при этом можно легко осуществить быстрое повышение и точное регулирование температуры металла. Содержание примесей (фосфора, серы и др.) в стали при выплавке в электропечах может достигать очень низких значений. Дуговая сталеплавильная печь по существу единственный сталеплавильный агрегат, в котором можно выплавлять сталь с использованием металлизованных окатышей - продукта прямого восстановления железа из руды. Доказано, что в стали, выплавленной в электропечах с использованием в шихте металлизованных железорудных материалов, содержится S <0,02 %, Р <0,05 %, Pb, Sn, Bi, Sb, As, Cu <0,01%. В результате снижения содержания вредных примесей в стали она имеет более высокие технологические и механические свойства, чем сталь, полученная из обычного лома.В индукционных сталеплавильных печах выплавляют наиболее качественные нержавеющие, жаропрочные и другие стали и сплавы. Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.Изучение влияния различных методов выплавки на свойства стали можно сделать следующие обобщения: 1. Различные методы выплавки: открытая дуговая плавка, открытая индукционная плавка, вакуумный дуговой переплав, вакуумный индукционный переплав и электрошлаковый переплав - неоднозначно влияют на свойства жаропрочных сплавов. Как правило, вакуумный дуговой переплав не оказывает большого влияния на прочностные свойства сплавов, но повышает их пластичность, определяемую при кратковременных и длительных испытаниях при высоких температурах. Вакуумный дуговой переплав увеличивает технологическую пластичность при температурах горячей обработки сплавов давлением, что имеет большое значение для улучшения качества готовых деталей и повышения их однородности, улучшает качество деталей, способствуя устранению ликвационных скоплений.Металл, назначенный на ЭШП, должен удовлетворять следующим требованиям: 1) Назначение металла на ЭШП производится производственным отделом завода.При этом глубина выточек не должна превысить 20 % диаметра или стороны квадрата электрода. Электроды из высокохромистой стали (с содержанием хрома не менее 10 %) при назначении для последующего вакуумного дугового переплава (ВДП), допускаются на ЭШП без предварительной сплошной зачистки или обточки после удаления поверхностных дефектов. Поверхность расходуемых электродов диаметром 300 мм, отлитых на МПНЛЗ, должна быть зачищена со стороны "ласточкиного хвоста" на расстояние не менее 200 мм от конца. Со стороны нижнего торца электрода допуска
План
Содержание
Введение
1. Характеристика стали марки ЭИ 961
1.1 Химический состав и назначение стали марки ЭИ 961
1.2 Структура стали марки ЭИ 961
1.3 Дефекты стали марки ЭИ 961
2. Требования к металлу открытой выплавки
3. Анализ технологии выплавки стали марки ЭИ 961
3.1 Выплавка в мартеновской печи
3.2 Выплавка в электродуговых печах
3.3 Выплавка в открытых индукционных печах
4. Разработка технологии электрошлакового переплава стали марки ЭИ 961
4.1 Требования к исходному металлу для ЭШП
4.2 Требования к расходуемым электродам
4.3 Требования к флюсам
4.4 Подготовка печи к плавке
4.5 Проведение плавки
4.6 Охлаждение слитков ЭШП
4.7 Контроль качества слитков
4.8 Техника безопасности
5. Выбор оборудования и расчет технологических параметров
5.1 Расчет геометрических размеров плавильного пространства
Сегодня без высококачественного металла технический прогресс просто невозможен. В конце пятидесятых начале шестидесятых годов в практику электрошлакового производства были внедрены новые способы улучшения качества металла. Широкое применение получил один из ведущих и перспективных технологических процессов в области специальной электрометаллургии электрошлаковый переплав [1].
Металл, подвергшийся электрошлаковому переплаву, отличается высокой чистотой по неметаллическим включениям, свободен от различного рода литейных дефектов ликвационного и усадочного происхождения, обладает высокой физической однородностью и чрезвычайно высокой плотностью структуры.
Электрошлаковый переплав является достаточно гибким процессом, так как, меняя сечение расходуемого электрода, состав применяемого флюса и его количество, а также электрические параметры процесса, удается довольно в широких пределах регулировать скорость плавки. Кроме того, при электрошлаковом процессе имеется возможность получения слитков разнообразного сечения (круглого, квадратного, прямоугольного с большим соотношением длин широкой и узкой сторон). Методом электрошлакового переплава можно получить отливки самой различной формой (полые заготовки, заготовки прокатных валков, сосудов высокого давления, крупной запорной арматуры высокого давления, заготовки коленчатых валов и шатунов судовых двигателей и некоторые другие изделия).
Основные преимущества электрошлакового переплава перед другими способами получения слитка методом переплава: - простота его обслуживания;
- возможность управления наплавлением и скоростью кристаллизации слитка;
- отсутствие усадочной раковины и пористости;
- обеспечение такого качества поверхности, которое исключает необходимость в зачистке при горячей обработке;
- разнообразная геометрия электродов и кристаллизаторов позволяет получать слитки разнообразного сечения, фасонные отливки и полые изделия;
- хорошая рафинирующая способность процесса от неметаллических включений;
- возможность корректировки химического состава металла путем применения соответствующего флюса;
- повышение плотности металла;
- улучшение коррозионной стойкости металла;
- повышение однородности структуры и химического состава;
- общее улучшение характеристик пластичности и вязкости металла;
- возможность управления направлением и скоростью кристаллизации.
1. Характеристика стали ЭИ 961
1.1 Химический состав и назначение марки ЭИ 961[2]
Назначение: Диски компрессора, лопатки и другие нагруженные детали, работающие при температуре 600 °С.
В зависимости от основных свойств сталь относится к группе жаропрочных сталей, которые используется в условиях высоких температур в течение определенного времени, а также в условиях слабонапряженного состояния.
Допускаемые отклонения по химическому составу.
Предельные отклонения не должны превышать указанные в таблице 2.
Таблица 2 - Предельные отклонения по химическому составу
Элемент С Si Mn Cr Ni
Отклонение ±0,01 0,05 0,04 ±0,15 ±0,05
Продолжение таблицы 2
Элемент W Mo V S P
Отклонение ±0,05 ±0,05 ±0,02 0,005 0,005
1.2 Структура стали ЭИ 961
Данная марка стали относится к высокохромистым сталям, превращения в которых описываются диаграммой Fe-Cr-С. Их подразделяют на три большие группы в зависимости от содержания хрома. К первой группе относятся стали, содержащие до 10 % Cr. Эти стали закаливаются на мартенсит. Стали, содержащие 10…13 % Cr, помимо мартенсита, имеют в своей структуре феррит. Стали с содержанием хрома выше 13 % не претерпевают фазовых превращений и относятся к сталям ферритного класса. Наиболее высокий уровень жаропрочности получен на сталях, содержащих до 10…13 % Cr [3].
13Х11Н2В2МФ характеризуются комплексом свойств, которые отвечают весьма широкому диапазону требований. К этим свойствам можно отнести следующие: высокую жаропрочность и пластичность в условиях длительной службы;
высокую стабильность структуры механических свойств при длительном старении под нагрузкой и без нее;
хорошую релаксационную стойкость;
высокое значение коэффициента линейного расширения при высоких значениях теплопроводности;
высокую технологичность в условиях металлургического и машиностроительного производства.
В высокохромистых сталях аустенит более устойчив чем в низколегированных сталях и мартенситные превращения наблюдаются при охлаждении из ?-области на воздухе. Превращение аустенита наблюдается в двух областях. Первая область - высокотемпературная, в которой выделяется феррит, вторая - низкотемпературная, отвечающая мартенситному превращению. При этой следует отметить, что мартенситное превращение протекает при температуре на 100 °C ниже, чем в сталях с 8 % Cr, благодаря чему структура стали имеет больше дефектов и более упрочнена. В структуре стали, охлажденной на воздухе, всегда присутствуют карбиды хрома. Так как данная марка стали имеет мартенситную структуру (количество ферритной фазы менее 10 %), то она обладает более оптимальными жаропрочными свойствами, чем стали с мартенсито-ферритной или ферритной структурами.
Для обеспечения высоких стабильных в процессе длительной службы механически свойств 13Х11Н2В2МФ легируют дополнительно молибденом, вольфрамом, ванадием.
Изучение кинетики превращения аустенита, легированных перечисленными выше элементами, показало, что характер превращения принципиально не меняется, однако ферритная область сужается, а область мартенситных превращений снижается в сторону более низких температур. Наиболее существенное влияние легирующие элементы оказывают на превращения при отпуске, вызывая дисперсионное твердение - старение. Старение совпадает по температурному интервалу с температурой высокого отпуска, поэтому применение обоих терминов равноправно. Рассмотрим влияние отдельных элементов на процесс старения. С целью получения высоких значений прочности хромистые стали содержат до 0,25 % C. Наличие углерода существенно сказывается на фазовых превращениях. В присутствии углерода ?-область смещается в сторону более высоких концентраций хрома и одновременно увеличивается температурный и концентрационный интервалы двухфазной области ? ?. Помимо влияния на ?-?-превращения углерод проявляет свое влияние через образование специальных карбидов с карбидообразующими элементами (W, Mo, V). Наиболее труднорастворимыми являются карбиды молибдена, вольфрама, титана и ниобия. Заметно растворяются такие карбиды при температурах выше 1150 °С. Самым неустойчивым является карбид ванадия, который переходит в твердый раствор при температурах около 900 °С. Карбиды молибдена и вольфрама переходят в твердый раствор при нагреве до 1150…1200 °C. Поскольку в сталях всегда присутствует азот, то нитридообразующий элемент (V), как правило, образуют не чисты карбиды или чисты нитриды, а соединения, представляющие собой твердый раствор карбидов и нитридов - карбонитриды.
Основной компонент сталей - хром; в зависимости от его количества он образует в сталях самостоятельные карбиды Ме7С3 и Ме23С6; сопротивление ползучести зависит от типа карбида. В стали 13Х11Н2В2МФ основным карбидом хрома является кубический карбид Cr23С6. Кубический карбид хрома оказывает положительное влияние на сопротивление ползучести и в связи с этим сталь обладает более высокими свойствами жаропрочности, по сравнению с марками стали имеющими до 10 % хрома.
Карбид хрома Cr23С6 обладает широкой растворимостью по отношению к таким элементам, как железо, никель, молибден, вольфрам.
Введение молибдена повышает температуру рекристаллизации ?-твердых растворов и тормозит их разупрочнение.
Энергия активации самодиффузии железа или хрома увеличивается с повышением количества молибдена, добавляемого в сплав. Также с повышением жаропрочности происходит увеличение пластичности при кратковременных и длительных испытаниях.
Эффективность влияния вольфрама сказывается при высоких температурах (выше 750 °С), особенно на процессах разупрочнения наклепанного металла.
Введение вольфрама повышает жаропрочные свойства при 800…900 °С.
Вольфрам имеет тенденцию к неравномерному распределению, повышенную склонность к ликвации. По этой причине вольфрам рекомендуется вводить вместе с молибденом.
Для увеличения сопротивления ползучести и дополнительного упрочнения за счет дисперсионного твердения в состав стали вводят такие элементы, как молибден, вольфрам, ванадий. Эти элементы образуют различные карбидные и карбонитридные фазы, а молибден, вольфрам используются и для интерметаллидного упрочнения за счет выделении из твердого раствора фаз Лавеса.
На жаропрочность также положительное влияет и фазовый состав стали, так как он содержит такие упрочняющие фазы как интерметаллиды Fe2Mo, Fe2(Mo, W). Отличительная особенность данных фаз - их медленное выделение из твердого раствора и чрезвычайно медленный рост размера частиц, что способствует стабилизации механических свойств сталей при длительных изотермических выдержках. Характер выделение фаз Лавеса зависит от температуры старении. При старении до 600 °C происходит непрерывный распад, частицы фазы равномерно распределены в объеме зерна. С повышением температуры от 600 до 700 °C возрастает роль дефектов структуры. На дефектных местах решетки (границы зерен, линии сдвигов) фаза растет в объеме заметно быстрее, чем в центре зерен. Выше температуры 700 °C обнаружить стадию старения трудно. Характер выделении фаз Лавеса в зависимости от условий старения предопределяет и верхний температурный интервал применения стали.
Никель в указанных количествах не снижает жаропрочные свойства, а напротив несколько повышает их. Он влияет главным образом через расширение ?-области при высоких температурах, благодари чему количество или вероятность образования ?-феррита снижаются. Кроме того никель снижает мартенситную точку и критическую скорость закалки. Благодаря некоторому снижению мартенситной точки аустенит превращается в мартенсит при более низкой температуре и вклад субструктуры в повышение жаропрочности увеличивается. Кроме того, никель в ?-фазе способствует возрастанию сопротивления разрушению, т. е. при введении никеля растет надежность металла.
Из исследований жаропрочных сталей известно, что наиболее сильное влияние в сталях с 10…13 % Cr никель оказывает при содержании от 0,2 до 2 %. Выше 2 % влияние никеля мало заметно, поэтому все никельсодержащие хромистые стали отечественного производства имеют никель в пределах от 0,4 до 1,8 %.
Сочетание легирующих элементов обеспечивает получение в стали после охлаждения на воздухе мартенситную структуру, причем содержание свободного феррита в зависимости от сочетания аустенито- и ферритообразующих элементов колеблется от 3 до 6 %.
Принципиально никельсодержащие стали по фазовому составу не отличаются от таковых без никеля, однако изза большого вклада тонкой структуры в жаропрочность они относятся к числу наиболее жаропрочных в серии хромистых сталей [3].
1.3 Дефекты стали ЭИ 961
Наиболее часто встречающимся дефектом слитка являются плены и завороты на поверхности. Для удаления этих дефектов производят полную или частичную обдирку слитков на глубину 2…6 мм на токарных станках либо сплошную или выборочную зачистку на абразивных станках. На крупных слитках поверхностные дефекты удаляют огневым способом [4].
На поверхности слитков встречаются продольные и поперечные трещины. Продольные трещины наиболее часто встречаются на слитках круглого сечения. Отливка в слитки квадратного или прямоугольного сечения, снижение температуры металла и скорости разливки позволяют устранить трещины.
Термические продольные трещины устраняются путем обеспечения оптимального режима охлаждения и термообработки слитков.
Поперечные трещины, как правило, вызваны нарушениями в технологии подготовки и сборки изложниц, что приводит к зависанию слитков. При огневой зачистке этих слитков возникали дополнительные трещины, которые при прокатке приводили к грубым рванинам в слябах.
Для исключения трещин необходимо выдерживать оптимальные условия разливки (температура металла в ковше 1540…1560 °C, длительность наполнении тела слитка 120…150 сек, охлаждение слитков в изложницах не менее 12 ч) и применять микролегирование металла ферроцерием в количестве 1 кг/т.
Одним из серьезных дефектов поверхности слитков являются навары, образующиеся при быстрой разливке горячего металла, высохшей смазке и плохом качестве изложниц. Наиболее часто навары бывают в нижней части слитка. Чтобы их ликвидировать, необходимо своевременно убрать дефектные изложницы, строго регламентировать скорость разливки и температуру металла, повысить качество подготовки изложниц.
Данную марку стали нельзя разливать в новые изложницы, так как в них более высокое содержание углерода, чем в применявшихся изложницах, а температура плавления внутренних слоев сравнительно низкая.
При повышенном содержании в металле водорода, а также азота в слитке при кристаллизации образуются газовые пузыри. Их выявляют при обдирке слитков, когда они расположены близко от поверхности, или при контроле макроструктуры проката, где они имеют вид ликвационных пятен или сплюснутых трубочек (закатанных пузырей). Пузыри располагаются по сечению заготовки несимметрично. На микрошлифах вокруг пузырей обычно нет ликвационных загрязнений и структурной неоднородности.
Окислившиеся при прокатке газовые пузыри выявляются в виде поверхностных волосовидных трещин.
Критическое содержание водорода определяется массой слитка, перегревом металла и содержанием свободного азота в стали.
Как правило, дефекты расположены в верхней части слитка и ближе к одной из сторон. Образование газовых пузырей здесь облегчено меньшим металлостатическим давлением, наличием ликвации водорода и меньшей скоростью кристаллизации у стенок изложницы, расположенных ближе к центровой.
Образование дефекта и отбраковка металла возрастают в летнее время года, когда увеличивается абсолютная влажность воздуха и парциальное давление водяных паров и водорода в дуговой печи, влажность шлакообразующих материалов, ферросплавов и газообразного кислорода. Для уменьшения содержания водорода помимо общетехнологических мероприятий (сушки и прокалки материалов, замены извести известняком, осушки кислорода и т.п.), применяют продувку жидкого металла аргоном (в печи или в ковше). В результате продувки снижается содержание водорода в металле на 1…3 см3/100 г и практически полностью устраняется отбраковка металла по газовым пузырям.
Вывод
Изучение влияния различных методов выплавки на свойства стали можно сделать следующие обобщения: 1. Различные методы выплавки: открытая дуговая плавка, открытая индукционная плавка, вакуумный дуговой переплав, вакуумный индукционный переплав и электрошлаковый переплав - неоднозначно влияют на свойства жаропрочных сплавов. Это зависит от состава исходного материала и способа последующего переплава.
2. Как правило, вакуумный дуговой переплав не оказывает большого влияния на прочностные свойства сплавов, но повышает их пластичность, определяемую при кратковременных и длительных испытаниях при высоких температурах. Вакуумный дуговой переплав увеличивает технологическую пластичность при температурах горячей обработки сплавов давлением, что имеет большое значение для улучшения качества готовых деталей и повышения их однородности, улучшает качество деталей, способствуя устранению ликвационных скоплений.
4. Индукционной вакуумной плавкой получают металл высокого качества при условии подбора оптимального сечения слитка. Последнее необходимо для достижения соответствующей кристаллической структуры.
5. Электрошлаковый переплав повышает технологическую пластичность, уменьшается анизотропия свойств, уменьшается количество и размер неметаллических включений. Также улучшается качество поверхности слитка, его плотность и структура.
При оценке качества деталей, изготовленных различными способами, необходимо учитывать вес или размер слитков, степень горячей деформации, величину зерна или степень разнозернистости и строжайше соблюдать режимы горячей обработки давлением и термической обработки. Только при соблюдении этих условий можно получить преимущества от применения того или иного метода выплавки.
4. Разработка технологии электрошлакового переплава стали марки ЭИ 961
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
