УДК 621.73-412.004.12
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНЫХ СЛИТКОВ И ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА
©Зюбан Николай Александрович, д-р техн. наук, проф.,
Волгоградский государственный технический университет. Россия, 400131, Волгоград, пр. Ленина, 28. E-mail: rector@vstu.ru Статья поступила 20.03.2009 г.
Рассмотрены вопросы развития технологии формирования качества крупных слитков. Определены проблемы качества металла крупных слитков и поковок, возникающие при использовании современных металлургических технологий и оборудования для вне-печной обработки стали. Дана оценка эффективности технологических мероприятий, направленных на улучшение механических и специальных свойств изделий из крупных поковок.
Ключевые слова: слиток; поковка; вакуумирование; дегазация; химическая неоднородность; строение; структура; свойства; термообработка; десульфурация.
Жульев Сергей Иванович
Получение качественных крупных стальных слитков всегда являлось приоритетной задачей, определяющей реальные перспективы создания уникальных крупногабаритных изделий для нужд атомной энергетики, судостроительной, энергетической и других отраслей.
Уровень требований по качеству слитков и поковок постоянно менялся исходя из возможностей применяемой технологии и наличия соответствующего оборудования.
Первые промышленные эксперименты по получению слитков в вакууме в середине 1950-х годов имели своей целью получение металла с низкими для того времени концентрациями водорода (около 2 ррт). Это позволяло отказаться от широко используемого малопроизводительного низкотемпературного отжига крупногабаритных поковок. Разливку слитков производили при рабочем разрежении 1,3-2,0 кПа в связи с недостаточной мощностью применявшегося в то время механического откачивающего оборудования. Однако и в этих, далеких от совершенства условиях, количество водорода снижалось до заданного уровня, содержание включений уменьшалось примерно вдвое, слитки имели плотное строение, а УЗК не обнаруживал дефектов в поковках [1]. В последующие годы развитие технологии производства крупных слитков шло по пути повышения эффективности процесса дегазации с целью получения более низких концентраций водорода в металле. Большим шагом на пути решения этой проблемы явилось появление в 1960-е годы паро-эжекторных насосов, способных обеспечить рабочее разрежение в вакуум-камере на уровне 0,065 кПа [2].
1970-е и 1980-е годы характеризуются появлением большого количества работ, посвященных анализу термодинамики и кинетики процесса дегазации при ваку-умировании струи, в которых развернулась широкая дискуссия о том, где целесообразнее проводить дегазацию металла - в струе или в изложнице, так как от это-сп го зависел выбор принципиальных подходов к управле-^ нию процессом вакуумирования при разливке крупных ^ слитков. В работе [3] на основании расчетов, резуль-• татов лабораторных и промышленных экспериментов | впервые был выявлен пеноподобный характер струк-< туры струи, дана количественная оценка межфазной г поверхности, и с этих позиций представлен механизм
процесса дегазации струи, в достаточно полной мере объясняющий высокий эффект струйного вакуумирования стали. Дальнейшее развитие этой точки зрения получило в работах [4, 5], где была предложена модель структуры струи на выходе из разливочного стакана в виде пузырьков СО, окруженных прослойками жидкого металла. На основании этой модели и данных масс-спектрального анализа выделяющегося оксида углерода при разливке в вакууме слитков из стали 38ХН3МФА массой от 24 до 140 т расчетным путем было показано, что из струи в среднем выделяется около 70% газов, а 30% с поверхности металла в изложнице. Был внедрен в производство метод интенсификации процесса вакуумирования за счет продувки струи аргоном в вакууме через полый стопор. Это позволило снизить концентрацию водорода в слитках до 1,5 ррт и повысить механические характеристики поковок из хромоникельмолиб-денованадиевых сталей в среднем на 10-20%.
Содержание вредных примесей в стандартах того времени находилось в относительно широких пределах, в связи с ограниченными возможностями применявшейся технологии выплавки стали. Так, концентрация серы и фосфора для поковок ответственного назначения (ротора турбогенераторов, судовые валы и др.) лимитировалась на уровне 100-200 ррт по каждому элементу. Это обеспечивало, в основном, получение заданных свойств поковок, предназначенных для изделий энергетического и крупного машиностроения.
При этом на первый план вышли проблемы ликва-ционной и физической неоднородности как фактора, существенно снижающего качество крупногабаритных поковок ответственного назначения. Имеются в виду три зоны неоднородности - осевая, включая усадочную рыхлость, зона внеосевой неоднородности и зона отрицательной и положительной ликвации в донной и под-прибыльной частях слитка. Если протяженность зоны осевой неоднородности можно регулировать технологическими параметрами разливки (соотношением между временем разливки тела слитка и прибыли) и геометрическими пар аметр ами изложницы, то неравномерное распределение химических элементов по объему слитка и полученной из него поковки представляет сложную техническую проблему, связанную с особенностями распределения примесей в затвердевающем металле. Процессы ликвационной неоднородности в крупных
слитках могут развиваться настолько интенсивно, что содержание углерода в донной и подприбыльной частях слитка может соответствовать стали двух различных марок. При получении из таких слитков длинномерных поковок типа судовых валов разброс свойств по концам заготовки, обусловленный существенной разницей концентрации углерода, в несколько раз может превышать допустимые пределы, что является основным браковочным признаком готовых изделий данного типа. Применяемые методы доведения свойств до заданных значений за счет повторной термообработки не всегда решают данную проблему и ведут к удорожанию стоимости получаемой продукции.
Бурное развитие металлургической отрасли в 1990-е годы и в начале нынешнего столетия способствовало техническому переоснащению большинства сталеплавильных цехов высокотехнологичным оборудованием, что позволило обеспечить получение стальной продукции на качественно новом уровне. Благодаря широкому внедрению в производство установок типа ковш-печь (УКП) стали реальными предлагавшиеся ранее на концептуальном уровне способы регулирования состава, количества и формы образующихся в расплаве неметаллических включений (НВ). Совмещение в одном агрегате процессов вакуумирования, продувки, ввода порошкообразных реагентов и т.д. обеспечило возможность глубокого рафинирования стали от вредных примесей и полного усвоения вводимых компонентов.
Применение точных технологий изменило традиционную последовательность операций при разливке крупных слитков и существенно ужесточило их сдаточные характеристики. Разработанная в ОАО «Энергомашспецсталь» сквозная технология выплавки и внепечной обработки стали предполагает следующие основные этапы получения качественного металла для крупных слитков [6]: выплавку жидкого полупродукта в ДСП с проведением дефосфорации; раскисление металла в ковше при его выпуске и интенсивном пневматическом перемешивании; обработку расплава на УКП, выдержку металла в камерном вакуумато-ре. Использование такой схемы позволяет получать высококачественную сталь со следующими характеристиками: содержание серы до 0,003-0,005%, фосфора -до 0,010-0,020%, водорода - не более 1,5 ррт, кислорода - до 25 ррт, азота - не более 60 ррт.
Применение современных металлургических технологий обеспечило создание необходимых условий для разливки слитков весьма большой массы.
В работе [7] анализируется качество крупногабаритной поковки обечайки реактора, полученной из 360-т слитка стали 15Х3НМФА-А. С целью подавления развития ликвации по углероду в слитке регулировали содержание этого элемента по ходу разливки металла (процесс мультипуринг). В нижнюю часть слитка металл заливался с концентрацией углерода 0,20%, в среднюю - 0,15%, а в верхнюю, подприбыльную часть - 0,08%. Однако и в этих оптимальных условиях разливки, способствующих более равномерному распределению углерода в слитке, его положительная лик-
вация в верхней части поковки составила 46,6%, а отрицательная, в нижней части - 26,6%. Аналогичным образом вели себя и другие элементы: коэффициент ликвации по сере составил 62,5%, а по фосфору 87,5%.
Поковка подвергалась двойной закалке при температуре 960 и 920 °С с последующим отпуском при 650 °С, а затем дополнительным отпускам при той же температуре общей продолжительностью около 80 ч. Применение многократной термообработки позволило существенно уменьшить последствия ликваци-онной неоднородности слитка и обеспечило получение высоких значений механических характеристик поковки при температурах критической хрупкости (- 40 - - 70 °С).
Таким образом, современные технологии получения крупного стального слитка обеспечивают высокую чистоту металла по содержанию вредных примесей и минимальную концентрацию растворенных газов, но главной проблемой качества остаются последствия ликвационной неоднородности слитка, устранение которых по-прежнему связано с назначением повторных термообработок.
В связи с тем, что формирование этого дефекта происходит в процессе кристаллизации металла, воздействовать на его развитие можно с помощью методов управления структурой слитка. Одним из наиболее перспективных в этом плане является способ образования инокуляторов в струе при вакуумной разливке металла в слитки. Описание этой технологии в свое время было представлено в периодической печати и наиболее полно отражено в работе [8]. Суть метода состоит в использовании направляющей трубы специальной конструкции, обеспечивающей дополнительное образование капель при вакуумной разливке стали. Во время полета капли охлаждаются и попадают в изложницу в затвердевшем состоянии. Это приводит к переохлаждению расплава и ускоренному развитию процессов кристаллизации. Возрастание в данном случае доли объемного затвердевания существенно снижает интенсивность развития
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.