CC BY
20
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999 г Вып. №8
УДК 621.746.395.2:532.72
Скребцов A.M.1, Юадити А.Г.2, Демченко Ю.А..Л
ДИФФУЗИЯ УГЛЕРОДА И ХРОМА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ ЧУГУННОМ ПОДДОНЕ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В постоянно обновляющемся поверхностном слое раковины разгара поддона (толщиной ~ до 0,5 см) содержание углерода из-за его окисления и диффузии понижено - на 1 % по сравнению с исходнъш. В сочетании с термическими напряжениями это способствует образованию сетки разгара и размыву чугуна струей стали. На толщине слоя вставки кускового феррохрома в тело поддона скорость износа меньше -в 0,68 раза по сравнению с обычным чугуном; стойкость поддона при этом увеличивается - на 18 %.
Сталеразливочные поддоны являются одним из видов бысгроизнашивающихея деталей металлургического оборудования. Поддоны, как правило, отливают из серого чугуна. На их стойкость, как следует из литературных данных, влияет конструкция, напряжения, химический состав металла [1 и др.].
Единого мнения об основных причинах выхода поддонов из эксплуатации в литературе не существует. Одни авторы [11 считают, что «в процессе эксп луатации поддоны разрушаются вследствие образования трещин от температурных напряжений». Другие авторы [2] полагают, что (размывание (расплавом стали - A.C.) нередко основная причина выхода поддона из строя». Третьи авторы [3] пришли к выводу, что сетка трещин на поддоне (развивается прежде всего от действия напряжений, возникающих при нагреве поддонов сталью». Особенно сильное влияние на стойкость поддонов оказывает содержание углерода в металле. Так, например, в работе [1] отмечается, что стойкость поддонов на заводе «Запорожсталь» снизилась от 100 наливов сталью до 25-35 при уменьшении в них содержания углерода с 3,5-к3,7 % до 3,3н-3,5 %.
Опыты проводили на 9-т кюмпельных одноместных поддонах под сквозные изложницы при разливке стали сверху в условиях Мариупольского комбината им. Ильича [2] Габаритные размеры поддона - 2470x1490x390 мм. Масса отливаемого на нем слитка - 18,9 т.
В производственных условиях при наполнении изложниц сталью в центре поддона образуется сначала из-за динамического удара струи металла небольшое конусообразное углубление. Затем после каждого нового наполнения изложниц сталью конус постепенно увеличивается. Струя стали, отражаясь от дна конуса, перемещается вдоль его образующей под углом ~ 45 0 к первоначальному направлению. Движущийся расплав прогревает поверхность раковины поддона и механически ее размывает. Оценочное среднее время действия струи стали на поддон в одном цикле наполнения изложниц сталью составляет 15м20 сек. После 85-100 циклов эксплуатации образуется раковина разгара поддона опасной глубины до ~ 35 см с диаметром основания конуса ~ 62 см. Для уменьшения удара струи стали о поддон при его отливке в него закладывали (на расстоянии 1 -3 см от поверхности кюмпеля) кусковый среднеуглеродистый феррохром марки ФХ-100 с содержанием Cr ~ 65 % масс. [2 |.
Задача настоящей работы - изучение поведения 'углерода, и хрома в процессе термоциклической эксплуатации поддона. Такие данные необходимы для создания представлений о его механизме износа.
1 ill ТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, аспирант
3 ПГТУ, аспирант
Для изучения диффузии углерода от выработавшего свой срок поддона отобрали 4 пробы чугуна и определили в них содержание этого элемента. Были получены следующие результаты:
Расстояние от поверхности раковины, см 0 0,5 1,5 5,0
Содержание углерода, %масс. 2,96 3,64 3,65 3,82
Примечание: содержание углерода 3,82 % масс, соответствует исходному составу металла.
Из приведенных данных видно, что основное изменение содержания углерода в металле происходит в поверхностном слое толщиной до 0,5 см. Пр и образовании раковины разгара с минимальной скоростью 0,35 см за 1 цикл можно считать, что за 2-4-3 цикла устанавливается стационарное состояние, при котором распределение зтлерсда в поверхностном слое металла повторяет себя непрерывно с процессом обновления раковины.
Переход атомов углерода из чугуна поддона в жидкую сталь и затвердевший слиток можно рассматривать как диффузию из постоянного источника в полубесконечное пространство. Для этого случая в работе [4] приведено уравнение:
N.
где 0 - количество углерода, которое переходит из чугуна в сгаль, г/см2; - начальная концентрация углерода в чугуне, г/см" ;
Б - коэффициент диффузии углерода в металле, см2/с; - суммарное время диффузии, с.
Оценим значение коэффициента Б в формуле (1). По приведенным выше цифрам вычислили, что в столбике металла глубиной 5 см, перпендикулярном 1 см2 поверхности раковины разгара, диффундировало из чугуна 0,984 % С. При объеме столбика 1см2 х 5 см = 5 см3 и его массе 5 см3 х 7 г/см3 = 35 г значение 0 = (35 г: 100 %)-0,984 % ~ 0,334 г/см2.
Значение Ып определили следующим образом. Известно, что N0 = 3,82 % массовых; это соответствует 3,82 г углерода на 100 г железа. Но 100 г железа имеют объем 100 г: 7 г/см3 = 14,29 см3. Следовательно, N0 = 3,82 г: 14,29 см3 = 0,3.67 г/см3.
Время диффузии Та одного цикла в формуле (1) равно времени: а) затвердевания слитка т3, б) разливки металла по изложницам тр и в) интервалу от выдачи состава из цеха до стриппе-рования слитков тс, т.е.
Ч\ = т, + + (2)
При вычислении слагаемых уравнения (2) поступили следующим образом.
т3 - время затвердевания слитка сечением 78x131 см2 или среднего радиуса К « 30 см нашли по формуле В.М.Тагеева и Б.Б.Гуляева: г, = 0,112 • Я2 « 0,112 302 « 100 мин.
Следовательно, время затвердевания последнего по разливке слитка «100 мин; время разливки всего ковша металла по изложницам «40 мин. Поэтому до выдачи состава с изложницами из цеха время контакта поддона со слитком (т3+ тр) в среднем составляет «120 мин
Если принять время от выдачи состава с изложницами из сталеплавильного цеха до их стрипперования тс « 60-г80 мин, то общее время контакта слитка с поддоном в одном цикле Ти» 100 + 20 + (60н-80) « 1804-200 мин = (1,08+1,20)-10* сек.
В формуле (1) Т£] примем за время 2х - 3х циклов эксплуатации поддона, т.е. = (2+3)-Тп= (2,16-гЗ,60) • 104 сек. Используя значения всех величин из формулы (1) находим для углерода
О = (3,60-6,00) • К) 5 см2/с.
Сравним полученное значение величины Б с литературным
В работе [4,- с.524] приведена, для железоуглеродистых сплавов, формула зависимости коэффициента О от температуры
и и' (3)
где Do = 1,90-10'2 см2/с, Е = 118,3 хДж/моль, R = 8,31 Дж/моль-град - универсальная газовая постоянная.
Сделаем оценку величины температуры в зоне контакта поддона со слитком. Из работы [5,- с.261] следует, что на границе поддон - слиток в течении первых 10-11 минут после заливки стали в форму температура более 1300° С. По данным работы [6,- с.85] температура поверхности слитка в нижней части на границе с поддоном через 10 мин от конца заливки составляет «1300°С, а через 7-8 часов «500°С. Сопоставление приведенных значений температуры дает возможность принять ее среднее значение при эксплуатации поддона *1000° С. Вычисленное по формуле (3) значение коэффициента диффузии при этой температуре D = 2,72 • 10'7 см7с, т е. на два порядка меньше экспериментального. Такая разница объясняется тем, что перенос углерода в поверхностном слое металла осуществляется не только путем молекулярной диффузии атомов, но и их окисления в трещинах разгара [3]. Уменьшение содержания углерода в чугуне, в сочетании с термическими напряжениями [1,2] приводит сначала к зарождению микротрещин на поверхности детали и их дальнейшему росту в процессе эксплуатации. Сетка разгара способствует размыву поддона струей стали [1].
Значение феррохромовой вставки по центру оси поддона для его износа определили следующим образом. Оптимальная масса куска Fe-Cr ~ 6 кг, расход его на поддон —30 кг, т е. 0,33 %, что значительно меньше расхода для легирования чугуна (0,90-4-1,20 % [1]). При плотности феррохрома 7,1 г/см3 и расположении его кусков в поддоне в один ряд толщина слоя Fe-Cr составит —10,6 см (—0,8 диаметра куска). Без Fe-Cr поддоны выдерживали —85. а с ним —100 наливов изложниц сталью. Как показало моделирование процесса, тугоплавкая вставка из кусков Fe-Cr смягчает удар струи о поддон и снижает его скорость износа.
Средняя скорость износа поддона VFe без Fe-Cr составляет 35см/ 85 циклов « 0,41см/цикл. При общей максимальной глубине раковины разгара -35 см, в т ч. разрушение слоя феррохрома толщиной 10.6 см. можно составить следующее уравнение:
35 см- 10,6 см 10, б см
——--:-+ —-;----= 1 ООциклов, /дч
0,41 см / цикл Хсм S цикл 1 '
где X - скорость износа феррохромовой вставки в поддоне ! :см/цикл. Из уравнения (4) нашли, что VCr - 0,28 см/цикл; отношение скоростей износа феррохромовой вставки VCr и чугуна Vpe, т.е. VCs! FPc - 0,68. Общее увеличение стойкости поддона с Fe-Cr вставкой составляет 100циклов
—г1-=1,18, т.е. 18%.
ъЪциклов
Очевидно, механизм разрушения струей расплава куска, феррохрома зависит от соотношения коэффициентов диффузии хрома в железе DCr и самодиффузии атомов железа Dpe. Из литературы известно, что DCr < DFe [4]. Следовательно, атомы хрома, по сравнению с атомами железа, перемещаются с меньшей скоростью к границе раздела твердый чугун - жидкая сталь и замедляют образование раковины разгара поддона. Справедливость этих предположений проверили следующим образом. Применив к процессу формулу (3), по лучили:
f F -Е ч'
(5)
DCr А,О аСг
DFe aFe
■ exp
V RT
где D0cr и Dope - предэкспоненциальньш множитель в уравнении (3);
величины Ест и Ере - энергии: активации самодиффузии: атомов железа и диффузии атомов хрома;
ао и aFe - молярные доли хрома и железа в Fe-Cr, равны«; 0,666 и 0,334. В справочных таблицах работы [4,- с.524, 526] приведены значения величин D0 и Е по данным различных авторов. Из этих таблиц мы выбрали наиболее; надежные величин (в основном, автора П.Л.Грузина). Их значения были следующими:
а) для железа D0Fe = 8-103 -ь 5,8 см2/с; ЕРе = 209,5 + 310,9 кДж/моль;
б) для хрома Doer = 3104 ч- 1,8-104 см2/с; Ест 343,6 н- 406,4 кДж/моль.
Используя эти крайние значения величин из формулы (5) вычислили среднюю эффективную температуру разрушения Бе-Сг в чугуне поддона. Она оказалась равной 866-г 1676 К = 593н-1403°С или в среднем 1271 К = 998°С, т.е. практически такой же, как и среднее ее значение при обобщении литературных данных (см. выше вычисление коэффициента диффузии углерода).
Выводы
1. Разработана методика определения коэффициента диффузии углерода в постоянно обновляющемся поверхностном слое металла раковины разгара эксплуатируемого чугунного поддона.
2. Найдено, что перенос углерода в зоне раковины по,едона значительно ускоряется (~ на 2 порядка) из-за его окисления вдоль трещин разгара. Уменьшение содержания углерода в чугуне в сочетании с термическими напряжениями способствует ускорению образования сетки разгара металла на его поверхности. Соответственно, это приводит к увеличению скорости размывания твердой поверхности чугуна жидкой сталью.
3. На вставке кускового феррохрома в тело поддона уменьшается, по сравнению с чуту-ном, скорость износа металла в 0,68 раза, что объяснено значи тельно меньшим коэффициентом диффузии хрома по сравнению с железом. При этом стойкость поддона с вставкой увеличивается - на 18 %.
Перечень ссылок
1. Сменные литые детали сталеразливочного оборудования / А. С. Филиппов, Г.А. Писаренко, Г.И.Янкелевич, В.С.Радя - М.: Металлургия, 1965,- 304 с.
2. Особенности эксплуатации сталеразливочных поддонов и поддон-плит и меры по увеличению их стойкости/ А.М.Скребцов, ЛА.Дан, Б.А.Павлюк, АМ.Овсянников, В.А.Куделин П Металл и литье Украины,- 1997,- №2-4,- С.34-35.
3. Павловцева Н.И. Борьба с образованием трещин поддона в местах нагрева слитком // Сталь.-
1961- №2-С. 189-192.
4. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе - М.: Физмат-гиз, 1960,- 564 с.
5. Ефимов В. А. Стальной слиток - М.: Металлургиздат, 1961- 358с.
6. Стародубов К.Ф., Свечников В.Н. Изложницы - Харьков Днепропетровск.: Сталь, 1932,-188 с.
Скребцов Александр Михайлович. Д-р. техн. наук, проф. кафедры литейного производства ПГТУ, окончил Московский институт стали и сплавов в 1953 году. Основные направления научных исследований - изучение металлургических процессов с целью разработки теории и способов улучшения качества литого металла.
Кладити Андрей Георгиевич. Аспирант кафедры литейного производства ПГТУ, окончил ПГТУ в 1996 году. Основное научное направление - подготовка жидких металлических расплавов к разливке по формам.
Демченко Юрий Алексеевич. Аспирант кафедры литейного производства ПГТУ, окончил Днепропетровский металлургический институт в 1983 году. Основное научное направление - повышение стойкости деталей металлургического оборудования.
