Скребцов А.М. Жидкие металлы, их свойства и строение
Скребцов А.М. Жидкие металлы, их свойства и строение
Мариуполь: ПГТУ, 2010 г.
9.5 ТВО стали
Особенности ТВО всех марок стали - необходимость перегрева расплава до высоких температур, что нс всегда легко осуществить из-за понижения стойкости футеровок плавильных агрегатов. Рассмотрим на примере трех марок сталей режимы проведения их ТВО.
9.5.1 Инструментальная штампован сталь Х12 [4| .
Сталь содержит (2,00 - 2,20) % С; (11,5 - 13.0) % Сr, (0,15 - 0.40) % Μn; (0.15 - 0,35) % Ni. Сталь обладает высокой устойчивостью против истирания и используется дня штампов, истирающихся эталонов и т.п. металлических деталей. В стали содержится около 30 % эвтектики аустенит - хромистые карбиды, поэтому она трудно деформируется и бракуется по трещинам и рванинам.
Сталь Х12 выплавляют в дуговых или индукционных электрических исчах и разливают в слитки массой 0,5 - 1,0 т. Температура металла в печи в период рафинирования 1540 - 1570 °С, а в ковше после продувки аргоном 1470- 1500 °С.
Для выбора режима ТВО стали Х12 изучили ее вязкость в зависимости от температуры (см. рис. 107).Обнаружили, что при температуре 1650 °С возникает ветвление кривых вязкости с увеличением ее численного значения (гистерезис). При этой температуре увеличивается также плотность и поверхностное натяжение расплава. Ранее было отмечено, что чем выше вязкость расплава, тем лучше пластические свойства твердого металла (см. п. 4.4.7). Поэтому авторы публикации [4] предложили температуру выплавки стали повысить с 1540 - 1570 °С до 1650- 1680 °С.
С привлечением металлографических методов исследования нашли, что при нагреве стали до 1410 - 1570 °С в эвтектике сосуществуют мелкие и крупные карбиды хрома Увеличение температуры выплавки с 1410 до 1650 °С приводит к полному измельчению дендритной структуры хромистых карбидов. Дальнейший нагрев расплава выше 1650 °С практически не меняет структуры сплава. На основании лабораторных исследований разработали следующий режим выплавки стали Х12 при ТВО: нагрев до 1650 — 1680 °С. выдержка 20 - 30 мин, ускоренное охлаждение расплава до 1450 - 1480 °С, дегазирующая выдержка в течении 10-15 мин и разливка.
Промышленные индукционные плавки стали Х12 с режимом ТВО провели на Златоустовском металлургическом заводе. Основные отличия опытных плавок по сравнению с серийными состояли в следующем:
а) раскисление металла гремя порциями ферросилиция ФС 75 по 0,2 кг/т в сравнении с его однократной добавкой в количестве 0,5 кг/т;
б) раскисление расплава алюминием (0,5 кг/т) при 1650 - 1670 °С, а при обычной технологии - за 2 - 3 мин до выпуска плавки из печи;
в) перегрев расплава при ТВО приводит к повышению его однородности и способности заметно переохлаждаться, поэтому температуру металла перед выпуском из печи снизили на 50 - 90 °С по сравнению с обычной плавкой;
г) охлаждение расплава от 1650 - 1670 °С до температуры разливки при ТВО производится путем погружения в него на 5-10 с металлических штанг.
Отмечено, что общая продолжительность плавки с ТВО и без нее была практически одной и той же. При этом одинаковыми были угар шихты (-3,1 - 3,2 %), усвоение расплавом хрома и кремния, химический состав металла, а также стойкость футеровки.
Сравнение качества и макроструктуры слитков выявили следующие преимущества металла с ТВО по сравнению с обычной технологией:
а) уменьшается глубина усадочных дефектов в прибыли, что позволило уменьшил» ее объем на 2 %без ухудшения качества макроструктуры металла слитка;
б) снижается содержание всех видов неметаллических включений, а также газов - кислорода и азота;
в) увеличиваема плотность литого металла по сечению слитка;
г) улучшается качество поверхности слитков и прокованною металла;
д) повышается пластичность слитка при ковке, при этом сокращаются потери металла за счет уменьшения зачистки поверхностных дефектов, а выход годной металлопродукции повышается на 6 - 7 %.
Сравнение качества готовой металлопродукции обычной стали и обработанной по режиму ТВО видно из рис. 108 [4].
На этом рисунке приведены кривые относительного удлинения образцов (S %) в зависимости от температуры испытания /. Как видно из рисунка металл с ТВО имеет на 20 - 30 % более высокую пластичность. Лучшими были и другие изученные свойства металла (балл по зерну, стабильность свойств по высоте слитка, карбидная неоднородность и т.д.).
Используя опыт выплавки стали Х12 с ТВО в индукционных печах разработали режим ее плавки в дуговых электропечах.
На рис. 109 приведена диаграмма изменения температуры при выплавке стали в электродуговой печи при обычном способе (1) и с применением ТВО (2) [4]. Из рисунка видно, что в интервале времени 0-100 мин плавка металла происходит одинаково по обоим способам. В интервале 100 - 200 мин плавка с ТВО протекает при более высокой температуре.
При достижении температуры 1660 — 1680 °С металл для гомогенизации расплава выдерживают 10 - 20 мин. После этого из печи скачивают плавильный шлак и наводят новый из смеси извести, плавикового шпата и шамота
мота. Диффузионное раскисление металла производили 5-6 раз с интервалом 5-10 мин порциями материала по 1,5 - 2,0 кг на 1 т расплава. Материал со держал смесь молотого 75 % FeSi с мелкодробленой известью.
За 5 - 10 мин до выпуска состав расплава корректировали по кремнию, а за 2 - 3 мин до выпуска - раскисляли алюминием. Средняя продолжительность плавки с ТВО увеличилась на 15 мин и составила 230 мин.
Остальные показатели плавок с ТВО и сравнительных были одни и те же. Температура разливки металла с ТВО была на 50 °С меньше, по сравнению с обычными плавками.
Слитки металла сначала ковали на заготовку 100x100 мм, а затем прокатали на полосу 20x100 мм. Обнаружили, что металл с ТВО имел «более высокую технологическую пластичность на всех переделах» [4].
9.5.2 Хромоникелевый жаропрочный сплав Х20Н80 |4]
Выплавку этой марки металла проводят методом переплава легированных отходов с добавкой ферросплавов в открытых индукционных печах. Температура металла перед выпуском его из печи находится в пределах 1530-1550 °С.
После 3-4 минутной выдержки расплава в печи металл разливаю г и слитки массой 0,5 т. При одинаковом химическом составе слитков различную их пластичность, очевидно, можно объяснить неоднородностью исходного расплава. Для повышения пластичности материала применили его выплавку с использованием ТВО.
При выборе режимов ТВО изучили зависимость вязкости от температуры - см рис. ПО. Из рис. видно, что критическая температура нагрева металла, при которой достигается его однородность и начинается ветвление изотерм вязкости, составляет- 1750 °С.
Поэтому был разработан следующий режим ТВО сплава Х20Н80. Металл в начале рафинирования нагревали до 1750 - 1780 °С выдерживали при этой температуре 30 мин. а затем ускоренно охлаждали. Для этого в расплав на 5 - 10 см погружали никелевые болванки диаметром150 - 200 мм. После охлаждения в расплав вводили порцию шлака и порошкообразные раскислители в количестве 1,5 кг/т металла в тигле. В ковш дополнительно вводили силикоцирконий
Разработанный режим ТВО характеризуется следующими показателями по сравнению с серийной технологией:
а) разливка металла происходит при более низкой температуре;
б) расход шихтовых материалов на плавку остается тем же;
в) стойкость футеровки тигля уменьшается на 30 %, но этот недостаток легко устраняется известными приемами;
г) продолжительность плавки остается той же;
д) повышается однородность кристаллической структуры и строения металла слитка;
е) содержание газов и неметаллических включений не изменяется;
ж) живучесть сплавов (время испытания по режиму нагрева электрическим током - охлаждение до комнатной температуры) не изменилось;
з) выход годного возрос до 723 % (обычная технология - 66,8 %).