Обработка расплава аргоном при кристаллизации и качество полунепрерывнолитых стальных слитков Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74.046

ОБРАБОТКА РАСПЛАВА АРГОНОМ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И КАЧЕСТВО ПОЛУНЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

© 2015 В.В. Аникеев

Самарский государственный технический университет

Статья поступила в редакцию 23.11.2015

Приведены результаты освоения технологии полунепрерывного литья стальных слитков с продувкой аргоном при разливке и кристаллизации. Показаны конструктивные и технологические особенности литья. Приведены данные по качеству слитков.

Ключевые слова: полунепрерывное литье, сталь, слиток, технология, аргон, продувка, качество

Непрерывная и полунепрерывная разливка стали получила широкое применение благодаря высокой степени механизации производства слитков. В настоящее время имеется тенденция увеличения массы и сечения непрерывно- и по-лунепрерывнолитых слитков, предназначенных для прокатного и кузнечного производства, электрошлакового и вакуумнодугового переплава, при общем повышении требований к качеству металла. Широкое развитие непрерывной и полунепрерывной разливки легированной стали сдерживается специфическими особенностями затвердевания, при которых наличие осевой пористости и осевой ликвации, особенно при высоком содержании углерода, приводит к несоответствию качества получаемых заготовок предъявляемым требованиям. Варьирование традиционными параметрами выплавки и разливки (температурой металла, скоростью разливки, интенсивностью вторичного охлаждения) не улучшает макроструктуры литых заготовок из легированной и высокоуглеродистой стали.

Дефекты литого металла связаны с особенностями кристаллизации слитков и вызваны следующими причинами:

- малой скоростью охлаждения стали при переходе жидкого в твердое состояние, которая приводит к развитию диффузии и зональной ликвации;

- наличием температурного градиента по сечению слитков, вызывающим образование различных кристаллических зон и различных видов физической и структурной неоднородности литого металла;

- интенсивностью теплоотвода, оказывающего влияние на градиент температур по сечению слитка.

Основными направлениями активного

Аникеев Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии». E-mail: [email protected]

воздействия на формирование структуры слитков являются: интенсификация тепло- и массо-обмена в объеме затвердевающего металла, выравнивание градиента температур и усреднение химического состава внутри слитков, интенсификация теплообмена с окружающей средой, разрушение фронта кристаллизации. Указанные цели могут быть достигнуты с помощью внешних воздействий на кристаллизующийся металл: механическое и электромагнитное перемешивание, продувка кристаллизующегося металла инертными газами, низкочастотная и ультразвуковая вибрация, электроимпульсная обработка и др. [15]. Среди простых и эффективных способов воздействия на кристаллизующийся непрерывно- и полунепрерывнолитой слиток находит применение способ продувки металла инертным газом (аргоном) в процессе разливки и кристаллизации стали.

Цель работы: исследование влияния продувки аргоном при разливке и кристаллизации на качество полунепрерывнолитых стальных слитков.

При выполнении работы решались следующие задачи: разработано и изготовлено устройство для подачи аргона в кристаллизатор машины полунепрерывного литья, исследовано влияние продувки аргоном на качество получаемых слитков (геометрические размеры, качество поверхности, макроструктура, ликвация элементов, содержание неметаллических и газовых включений, плотность) и качество поковок.

Исследования выполняли на промышленных полунепрерывнолитых слитках диаметром 500 мм массой 3,0-3,2 т стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ в Краматорском НИИПТмаш.

Продувку аргоном осуществляли с помощью специально изготовленного устройства (рис. 1), состоящего из баллона 1 с аргоном марки «А» ГОСТ 10157-79), редуктора высокого давления 2, магистрального провода 3, запорного крана 4, редуктора низкого давления 5, игольчатого

клапана 6, ротаметра 7 и погружного устройства -фурмы 8. Подачу аргона регулировали редуктором низкого давления 5 и игольчатым клапаном 6 так, чтобы обеспечить максимально возможный расход газа, при котором шлаковый покров поверхности металла не разрывался. Расход газа контролировали ротаметром РМ063.

Рис. 1. Устройство подачи аргона в кристаллизатор машины полунепрерывного литья

Продувку аргоном начинали с началом вытягивания слитка из кристаллизатора и продолжали в течение * 0,7 времени затвердевания слитка по окончании разливки. Влияние продувки аргоном при разливке и кристаллизации стали на качество слитков характеризовали геометрическими параметрами поперечного сечения слитков, качеством поверхности, макроструктурой, химической однородностью, содержанием неметаллических, газовых включений и плотностью по высоте и сечению слитков. Анализ полученных результатов показывает, что точность поперечного сечения слитков, независимо от марки разливаемой стали, отлитых с продувкой аргоном, сохраняется по всей их высоте; овальность не превышает 0,2%; изгиб слитков отсутствует. Поверхность слитков, отлитых с продувкой аргоном, также независимо от марки разливаемой стали, характеризуется отсутствием видимых дефектов: заворотов корки, плен и шлаковых включений. Дополнительной обработки поверхности слитков (зачистки, вырубки по дефектам) перед дальнейшими переделами (ковкой, прессованием) не требовалось. Характерная поверхность слитков из стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ, отлитых с продувкой аргоном, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Поверхность слитков диаметром 500 мм из стали марок: а - 12ХН3А (справа - поверхность слитка, отлитого по обычной технологии без применения аргона);

б - 9Х2МФ

При переходе с обычной технологии на литьё слитков с продувкой аргоном, качество их поверхности улучшается. Макроструктура слитков и серный отпечаток по Бауману (поперечное сечение) из стали марки 9Х2МФ, отлитого с продувкой аргоном, представлены на рис. 3. Макроструктура слитков, плотная, без видимых дефектов, со слабо выраженной несплошностью в осевой зоне. Ликвация серы на серных отпечатках по Бауману не выявлена. Химический состав по высоте и сечению слитков из стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ по основным элементам: углероду, марганцу, кремнию, хрому, никелю, молибдену, ванадию, однороден.

ОЙЖкШ№ -[ . -

«Щж! I

-- ' " |Щ р

чг^ж а: *■■ '^даШйч»* ш ¿>1 ■'

■ 1Г..ЙЛ ■■%'.■

■; V. "V Л" '■Чг'Ч'.,;;' ' м -

: :■■ ■ / . •

- --

: . ":: * 'л ■::■■; .': - • * ■

Зав

б)

Рис. 3. Макроструктура слитка диаметром 500 мм (а) и серный отпечаток по Бауману (б) слитка диаметром 500 мм из стали марки 9Х2МФ

Основным видом неметаллических включений в слитках из стали марок 12ХН3А и 9Х2МФ, отлитых с продувкой аргоном, являются оксиды и сульфиды размером до 20 мкм, равномерно распределенные по высоте и сечению слитков. Отмечается некоторое увеличение объемного процента включений в осевой зоне слитков. Включения более крупных размеров в металле практически не встречаются. Данные по содержанию неметаллических, газовых включений и плотности в слитках из стали марки 9Х2МФ приведены в табл. 1.

Таблица 1. Содержание неметаллических включений, газов и плотность по высоте и сечению слитков диаметром 500 мм из стали марки 9Х2МФ, отлитых с продувкой аргоном

Марка Уровень отбора образцов Место отбора образ- Содержание неметаллических включений, % объемн., Содержание газов, % в т.ч. Плотность, г/см3

стали от верха цов по в т.ч.

слитка, сече- оксиды сульфиды кислород азот

мм нию

9Х2МФ 350 край 0,0224 0,0263 0,0029 0,0061 7,767

1/2Я не опр. не опр. 0,0026 0,0054 7,753

центр 0,0387 0,0291 0,0033 0,0110 7,710

1100 край 0,0210 0,0256 0,0031 0,0075 7,771

1/2Я не опр. не опр. 0,0016 0,0077 7,749

центр 0,0355 0,0283 0,0030 0,0136 7.733

Кислород и азот по высоте и сечению слитков, отлитых с продувкой аргоном, распределены равномерно: их общее содержание находится в пределах 0,0016-0,0033% для кислорода и 0,00540,013% для азота. Плотность металла по высоте и сечению слитков, в том числе, в осевой зоне, отлитых с продувкой аргоном, находится в пределах 7,733-7,771 г/см3. Следует отметить, что продувка металла аргоном благотворно влияет на качество отливаемых слитков: при переходе с

обычной технологии на литьё слитков с продувкой аргоном содержание неметаллических включений снижается на 15-25%, содержание газов - в 1,5-2,0 раза, плотность повышается на 10-15%.

Из слитков стали марки 12ХН3А, отлитых с продувкой аргоном, были изготовлены поковки номенклатуры опытного завода НИИПТмаш (плиты УСП - универсальных сборных приспособлений). Данные по переделу (ковке) слитков представлены в табл. 2-4.

Таблица 2. Результаты ковки слитков диаметром 500 мм из стали марки 12ХН3А,

отлитых с продувкой аргоном

Количество проконтролированных слитков, щт Масса слитка, т Отходы, % Выход годного поковок, %

верх низ

47 3,2 13,6-13,9 4,3-4,7 72,0-75,5

Таблица 3. Характеристика макроструктуры поковок из слитков стали марки 12ХН3А,

отлитых с продувкой аргоном

Характеристика макроструктуры Результаты контроля

шт. %

бездефектная 7 21,8

точечная неоднородность 1 - 2 баллов 9 28,1

остатки дендритной структуры 12 37,5

пятно темной травимости в центре 2 6,3

пятно светлой травимости в центре 3 9,4

остатки усадочной раковины 3 9,4

послойная кристаллизация у поверхности 1 3,1

центральная пористость 1 балла 1 3,1

флокены 1 3,1

Анализ представленных данных показывает, что выход годного поковок (плит УСП) из слитков, отлитых с продувкой аргоном, находится в пределах 72,0-75,5%, что в среднем на 10% выше в сравнении со слитками, отлитыми по обычной технологии (без продувки аргоном). Кованый металл стали марки 12ХН3А, отлитых с продувкой аргоном отличается, прежде всего, отсутствием пятнистой ликвации, шлаковых включений по сечению слитков,

резким снижением количества темплетов с пятнами повышенной травимости в центре. Количество слитков с бездефектной макроструктурой возросло на 20%. Результаты механических испытаний кованого металла стали марки 12ХН3А показывают, что уровень механических свойств поковок из слитков, отлитых с продувкой аргоном, превышает на 14-20% свойства поковок из слитков, отлитых по обычной технологии (без продувки аргоном).

Таблица 4. Механические свойства поковок из слитков стали марки 12ХН3А,

отлитых с продувкой аргоном

Механические свойства Среднее значение

предел текучести ат, МПа 389

временное сопротивление разрыву ав, МПа 556

относительное удлинение 5, % 24

относительное сужение у, % 57

ударная вязкость КСИ, кДж/м2 1674

Примечание: вид термической обработки - изотермический (противофлокенный) отжиг; направление образцов - поперечное; место отбора образцов - 1/3 радиуса от поверхности поковки; количество проконтролированных поковок - 18.

Выводы: обработка расплава аргоном при разливке и кристаллизации полунепре-рывнолитых стальных слитков позволяет получать слитки правильной формы, с бездефектной поверхностью, плотной макроструктурой, без ликвации элементов. Содержание неметаллических включений (оксиды, сульфиды) снижается на 15-25%, содержание газов (кислород, азот) - в 1,5-2,0 раза, плотность повышается на 10-15%. Выход годного поковок повышается в среднем на 10% до 72,0-75,5%; кованый металл

по макроструктуре и механическим свойствам удовлетворяет предъявляемым требованиям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ефимов, В.А. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов / В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов. - М.: Металлургия, 1995. 272 с.

2. Ефимов, В.А. Технологии современной металлургии / В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов. - М.: Новые технологии, 2004. 784 с.

3. Бровман, М.Я. Непрерывная разливка металлов. - М.: «ЭКОМЕТ», 2007. 484 с.

4. Суворов, В.В. Улучшение качества крупных слитков, отлитых на МПНЛЗ с перемешиванием аргоном / В.В. Суворов, И.К., Марченко, Г.А. Ха-син, Б.Я. Скорняков // Сталь. 1980. №4. С. 288289.

5. Марченко, И.К. Новые технологические процессы в полунепрерывном литье / И.К. Марченко, В.В. Аникеев, М.Я. Бровман и др. // Механизация и автоматизация работ в литейном производстве: сб. науч. тр. - Краматорск: НПО «НИИП-Тмаш», 1988. - С. 25-34.

MELT PROCESSING BY ARGON AT CRYSTALLIZATION AND QUALITY OF SEMI-CONTINUOUS CASTING OF STEEL INGOTS

© 2015 V.V. Anikeev

Samara State Technical University

Results of development the technology of semi-continuous casting of steel ingots with argon blowing during casting and crystallization are given. Design and technological features of casting are shown. Data on ingots quality are provided.

Key words: semi-continuous casting, steel, ingot, technology, argon, blowing, quality

Vladimir Anikeev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Foundry and High Effective TechnologiesE-mail: [email protected]