НАУКА•ТЕХНИКА•ПРОИЗВОДСТВО
51
УДК 669.01:669.187.26
ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА НА КАЧЕСТВО ЗАГОТОВОК ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
© Чернышов Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф.; Пичугина Екатерина Юрьевна; Баев Иван Михайлович
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева. Россия, г. Нижний Новгород. E-mail: fmvt@nntu.nnov.ru
Статья поступила 13.08.2013 г.
Рассмотрены основные способы вакуумирования жидкой стали, их преимущества и недостатки. Приведены схема установки для вакуумирования струи жидкого металла и основные параметры процесса. Показано влияние вакуумной дегазации струи на качество металла заготовок из среднелегированной стали.
Ключевые слова: жидкая сталь; стальные заготовки; легированная сталь; вакуумирование; водород; флокены; неметаллические включения; литейные дефекты; качество металла.
В настоящее время промышленность использу-
е т в значительных количествах высокопрочные стали перлитного класса, предназначенные для производства ответственных изделий, высокие эксплуатационные свойства которых могут быть обеспечены снижением содержания газов и, в частности, водорода в жидком металле.
Если для сталей аустенитного класса, обладающих повышенной растворимостью водорода в твердом состоянии и высокими пластическими свойствами, процесс выделения водорода не представляет опасности, то в сталях перлитного класса с низким пределом растворимости водорода возникшие напряжения могут быть причиной образования микро- и макротрещин, флокенов и светлых пятен. Не гарантирует исключения таких дефектов и специальная противофлокенная термообработка.
Попытки снизить содержание водорода в стали, уменьшая влажность шлакообразующих и легирующих добавок или увеличивая интенсивность окисления углерода, не дали ощутимых результатов.
В связи с этим все более широкое распространение получает внепечная вакуумная обработка жидкой стали. Существует ряд способов внепеч-ной вакуумной обработки стали, которые можно разделить на три основные группы:
- вакуумирование в ковше;
- вакуумирование в специальных камерах;
- вакуумирование стали в струе1, 2.
1 Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. и др. Электрометаллургия
2 Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др. Производство ст;
При первом способе ковш для обработки металла устанавливается в камеру, накрываемую крышкой. С понижением общего давления в вакуумной камере начинается процесс дегазации стали. Достоинством этого метода является простота устройства камеры и системы откачки, недостаток - интенсивное охлаждение металла во время вакуумирования, кроме того, газы удаляются эффективно лишь из верхних слоев металла.
Вакуумирование металла в специальных камерах осуществляется вне ковша в специальной камере. Обработка металла вакуумом происходит в футерованной камере, в которую он поступает через патрубок вследствие разности давления в камере и окружающей ее атмосфере. Патрубок футеруется изнутри и снаружи. При обработке стали этим методом в ней существенно снижается содержание водорода, азота, кислорода и неметаллических включений (НВ). При вводе добавок непосредственно в момент дегазации металла усвоение Мп и Б1 достигает почти 100%, Сг - 97%, углерода -75%. Потери тепла в результате предварительного нагрева камеры и применения устройств для подогрева стали внутри нее незначительны. Недостатки данного метода заключаются в необходимости манипуляции с большими массами, в потребности в вакуумплотных трубах, сохраняющих герметич- ^
о
ность при высоких температурах, в повышенном вторичном окислении жидкого металла, длитель- ^ ное время находящегося на воздухе.
>
:тали и ферросплавов. М. : Металлургия, 1974. 550 с. <
льных отливок. М. : МИСиС, 2003. 352 с.
52
НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО
Способ дегазации металла при вакуумирова-нии струи привлекает внимание специалистов благодаря высокой эффективности и сравнительной простоте его реализации в условиях металлургических и литейных цехов. Наибольшее распространение он получил при производстве слитков и фасонных отливок из флокеночувствительной стали.
Цель работы - исследование качества средне-легированной стали после вакуумирования металла в струе, которое осуществлялось на промышленной установке (см. рисунок).
Выплавку специальной среднелегированной стали проводили в электродуговой печи с основной футеровкой в соответствии с требованиями технологических инструкций. Конечное раскисление металла в печи проводили силикокальцием и ферроцерием.
Выплавленный металл из ДСП сливается в промежуточную емкость 2 со стопорным сливным отверстием (стопорным стаканчиком), установленную на вакуумный ковш 1, таким образом, чтобы обеспечить их герметичное соединение. Жидкая сталь, попадая в рабочее пространство вакуумного ковша, где предварительно создается разрежение, подвергается струйной дегазации, превращаясь выделяющимися газами во множество капель. Благодаря развитой поверхности контакта с атмосферой, ускоренному протеканию диффузионных процессов и дополнительной дегазации поверхностных слоев расплава при заполнении ковша обеспечивается глубокая дегазация металла.
Основные технологические параметры процесса приведены ниже: Масса жидкого металла, подвергаемого
вакуумированию, кг 6000
Температура металла перед выпуском из
печи, °С 1650-1670
Разрежение в вакуумном ковше, мм рт. ст. 1 Продолжительность вакуумирования в зависимости от диаметра сливного отверстия в промежуточной емкости, мин 1-2,5
Температуру металла определяли вольфрам-рениевой термопарой погружения с показывающим потенциометром.
Вакуумированный металл заливали в изложницы или специальные формы, предназначенные для производства промышленных литых заготовок. Перемещение вакуумковша производили специальной траверсой с закрытыми защелками крюков. Полученные заготовки подвергали термической обработке в соответствии с предъявляемыми требованиями.
Технологическая схема установки для вакуумирования
струи жидкой стали: 1 - вакуумируемый ковш; 2 - промежуточная емкость; 3 - жидкий металл; 4 - гибкий вакуумпровод; 5 - вакуумные насосы
Для определения продолжительности процесса вакуумирования произвели расчет скорости истечения металла w из промежуточной емкости в вакуумковше в зависимости от размера стопорного отверстия по формуле
" = МоТУл/2К", (1)
где цк - коэффициент расхода при истечении металла из отверстия промежуточной емкости; Рот -площадь сечения стопорного отверстия; у - плотность жидкого металла; g - ускорение свободного падения; Нм - высота столба металла в промежуточной емкости.
При разливке металла в вакууме гидростатическое давление в промежуточной емкости возрастает за счет атмосферного давления и поэтому уравнение (1) принимает вид
w = цFoЛV2¿P^ЛЯJ, (2)
где На - высота столба металла, соответствующая атмосферному давлению.
Продолжительность вакуумирования определяется по формуле т = Q/w, где Q - масса вакуу-мированного металла.
При выпуске плавки из печи в вакуумковш необходимо контролировать уровень металла в промежуточной емкости, не допуская перелива его через край.
Для определения качества стали и готовых заготовок исследовали: содержание газов и НВ; механические свойства и химический состав; излом специальных проб и наличие литейных дефектов.
Пробы металла для химического анализа отбирали из промежуточной емкости во время выпуска металла из печи и на разливке после вакуу-мирования. Химический анализ металла показал, что содержание химических элементов в стали после вакуумирования не изменяется и соответствует требованиям ТУ.
НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО 53
Анализ содержания НВ выявил тенденцию их общего снижения в зависимости от продолжительности вакуумирования. В образцах, вырезанных из трефообразных проб, количество оксидов и силикатов в процессе обработки жидкой стали в ковше уменьшается в результате их всплывания.
Важное достоинство вакуумной обработки стали, склонной к образованию флокенов, заключается в том, что при этом снижается общее содержание водорода в металле. Установлено, что содержание водорода после вакуумирования снижается на 17,0-33,3% даже при низком содержании его в исходном металле.
Оценка качества металла показала, что литые заготовки из вакуумированной стали не имеют характерных литейных дефектов, таких как трещины, газовые раковины, пригар и др. Излом проб вакуумированного металла полностью волокнистый с плотной структурой без флокенов и светлых пятен.
Уменьшение газонасыщенности металла, снижение числа НВ, повышение плотности и отсут-
ствие литейных дефектов положительно влияют на механические свойства металла.
Исследование механических свойств показало, что вакуумирование наибольшее влияние оказывает на ударную вязкость и пластичность. Разброс ударной вязкости и относительного сужения в вакуумированной стали значительно меньше, чем для стали валовых плавок, а нижний предел ударной вязкости находится на достаточно высоком уровне (КСи = 0,137 МДж/м2 против КСи = 0,125 МДж/м2 без вакуумирования).
Заключение. По результатам проведенного исследования установлено, что вакуумирова-ние стали в струе при выпуске из печи устраняет литейные дефекты и повышает ее механические свойства. Главным преимуществом этого способа является снижение содержания водорода, что особенно важно для ответственного литья из легированных сталей перлитного класса. К преимуществам этого способа можно также отнести небольшие потери тепла, удобство в эксплуатации и отсутствие капитальных затрат.
EFFECT OF VACUUM TREATMENT OF LIQUID METAL ON QUALITY OF ALLOYED STEEL BILLETS
© Chernyshov E.A., Dr Sci (Eng.); Pichugina E.Yu.; Baev I.M.
Basic methods of liquid steel degassing, their advantages and disadvantages are discussed. Set-up for stream degassing plant as well as the main parameters of the process is given. Effect of stream degassing on quality of medium alloyed steel billets is shown.
Keywords: liquid steel; steel billets; alloyed steel; degassing; hydrogen; flakes; non-metallic; casting defects; metal quality.
ЭКСПРЕСС-ИНФОРМАЦИЯ
«Северсталь-метиз» осуществит постав
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.