научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА НА КАЧЕСТВО ЗАГОТОВОК ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА НА КАЧЕСТВО ЗАГОТОВОК ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ»

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.

Показать целиком