Исследование влияния технологических параметров внепечной обработки на качество стали

Одной из основных тенденций мирового промышленного развития является снижение удельных расходов конструкционных материалов. В условиях конкуренции с новыми материалами на основе цветных металлов (Al, Ti), керамики, пластмасс, углеволокна и композитов, а также расширения сферы эксплуатации материалов в экстремальных условиях высоких давлений, пониженных и повышенных температур, контакта с различными видами коррозионных сред достаточно остро стоит проблема повышения качества стали. Одним из путей решения этой проблемы, наряду с совершенствованием элементного состава и термомеханической обработки, является наиболее полное использование технологических возможностей процессов выплавки и внепечной обработки жидкого металла. Основное внимание уделяется перегреву металла до определенных (критических) температур, определяемых устойчивостью неравновесных микрогруппировок атомов. На основании результатов лабораторных и промышленных исследований анализируется возможность достижения равновесности расплавов уже в процессе их формирования в технологических условиях выплавки и обработки жидкого металла, исследование закономерности формирования расплавов при плавлении металлической шихты, науглероживании, легировании и микролегировании жидкого металла.

1. Постановка задачи исследования

внепечной сталь металлический расплав

В современных технологических схемах значимость этапа внепечной обработки чрезвычайно высока. Именно на внепечную обработку, прежде всего, возлагаются задачи получения требуемых параметров качества жидкого металла и регламентированного нормативной документацией химического состава, обеспечения оптимального температурного режима разливки.

Это касается и задачи глубокого раскисления металла и рафинирования металла от продуктов раскисления. Традиционно считается, что эффективность осаждающего раскисления определяется, прежде всего, созданием оптимальных термодинамических условий. При этом учет исходной окисленности металла необходим лишь с точки зрения определения оптимального расхода раскислителей. Считается, что использование продувки инертным газом позволяет достаточно глубоко рафинировать металл от продуктов раскисления. Соответственно, при оптимальном раскислении окисленность полупродукта не должна влиять на примесный состав готового металла.

Однако это не так. Окисленность полупродукта влияет на содержание в литом металле общего кислорода. Внепечная обработка не позволяет нейтрализовать негативное влияние повышенной окисленности металла на выпуске из печи. Поэтому оптимизация окисленности полупродукта — одно из необходимых условий обеспечения высокого качества стали. С другой стороны, очевидно, нельзя отрицать влияние и режимов раскисления, модифицирования и продувки инертным газом на эффективность решения задачи рафинирования от кислорода. Соответственно, оптимизация отмеченных параметров внепечной обработки должно положительно сказаться на качестве стали.

С точки зрения получения точного химического состава в большинстве случаев ориентируются на результаты анализа химической лаборатории. С другой стороны, уровень эксплуатационных свойств металла труб одной марки при серийной технологии производства, при одном режиме термообработки может колебаться в достаточно широких пределах. Например, ударная вязкость может различаться в 2 раза. В качестве главной причины нестабильности может рассматриваться различная степень равновесности и, соответственно, дефектности структурного состояния металла. Основное направление воздействия на структурное состояние металла с целью повышения его равновесности — создание оптимальных условий для формирования микрооднородного, равновесного структурного состояния расплава, для максимальной релаксации всех внесенных неравновесностей в результате дестабилизирующего воздействия плавления, легирования, науглероживания и т. п.

При переходе на выплавку полупродукта в ДСП сохранились значительные колебания химического состава металла по приходу на АПК. Соответственно, сохранилась нестабильность величины корректирующих добавок. С учетом колебаний температурного режима обработки, временного режима ввода добавок, режимов раскисления и продувки инертным газом это предопределило сохранение существенных различий условий формирования расплавов. Несомненно, это может рассматривать в качестве одной из главных причин колебаний эксплуатационных свойств металла одной марки (таблица). Поэтому анализ направлений оптимизации технологии внепечной обработки и с точки зрения повышения равновесностии структурного состояния металла является весьма значимым.

Таким образом, основными задачами исследования являлись:

1. Оценка влияния технологических параметров обработки на АПК на содержание в металле общего кислорода.

2. Исследование влияния технологических параметров обработки на АПК на равновесность структурного состояния металла.

Таблица1

Сравнение стабильности эксплуатационных свойств стали Д при различной технологии выплавки полупродукта

2. Методика исследований

В ходе работы для ряда плавок стали Д было исследовано содержание в металле общего кислорода и проведена оценка равновесности расплава. Методика исследований представлена ниже.

2.1 Методика исследования газонасыщенности стали Краткое описание газоанализатора.

Газоанализатор ОNН 2000 разработан, прежде всего, для анализа газов в металлах. Для определения содержания кислорода, азота и водорода используется метод восстановительного плавления. Для этого газоанализатор оснащен импульсной печью, в рабочем пространстве которой, герметично изолированном от окружающей атмосферы, в условиях постоянного потока газа-носителя образец плавится в графитовом тигле, непосредственно через который пропускается электрический ток. Описание лицевой (рабочей) панели газоанализатора представлено на рис. 1.

Для определения содержания газов в приборе использованы два измерительных принципа и, соответственно, используется два детектора. Для определения содержания кислорода предназначена инфракрасная ячейка. Для определения азота и водорода используется детектор теплопроводности. Так как для определения содержания азота и водорода используется один измерительный принцип и детектор, то прибор не позволяет одновременно определять содержание азота и водорода в металле. Поэтому газоанализатор имеет два режима работы: «ON» — для одновременного определения содержания в металле кислорода и азота, «OН» — для одновременного определения содержания в металле кислорода и водорода. Соответственно, для проведения анализов используют два технологических газа. При работе в режиме определения содержания в металле кислорода и азота используется гелий. Для определения содержания в металле кислорода и водорода используется азот.

Принцип работы газоанализатора накладывает жесткие ограничения на чистоту технологических газов: для надежности результатов необходимо использование гелия и азота с чистотой не менее 99,995%. Несмотря на это, производится предварительная очистка газа-носителя с помощью специальных адсорбентов: перхлората магния (ангидрона) как поглотителя влаги и гидроксида натрия (аскарита) как поглотителя СО₂.

При работе установки поток технологического газа через анализатор является непрерывным. Однако в зависимости от стадии расход газа изменяется:

в ходе анализа расход газа составляет не менее 30 л/мин;

во время продувки, дегазации и когда печь открыта поток газа составляет не менее 50 л/мин.

Рис. 1. Описание лицевой (рабочей) панели газоанализатора

1 — амперметр; 2 — общий расходомер; 3 — расходомер газа-носителя;

4 — регулятор потока продувки; 5 — регулятор газа-носителя; 6 — загрузочное устройство; 7 — пневматический лифт; 8 — верхний электрод и камера рабочего пространства печи; 9 — нижний электрод (подвижная часть печи); 10 — пылеуловитель; 11 — давление газа-носителя; 12 — давление сжатого воздуха; 13 — реактив Шутце; 14 — каталитическая печь с катализатором оксидом меди; 15 — главный переключатель; 16 — предварительная очистка газа; 17 — Н₂О ловушка; 18 — очистка газа перед ИК ячейкой; 19 — переключатель режимов работы: ОN (определение содержаний кислорода и азота) и ОН (определение содержаний кислорода и водорода) Подбор оптимального расхода газа — одно из необходимых условий минимизации и стабилизации влияния холостого опыта (без металла) на результаты эксперимента.

Масса образца металла для анализа 1000 мг. Образец требует очень тщательной подготовки. Необходимо добиться максимальной чистоты поверхности. Перед анализом образец взвешивается на электронных весах с точностью до 0,1 мг.

Анализируемая проба попадает в предварительно прокаленный графитовый тигель через шлюзовое устройство. Там она расплавляется при помощи большого тока. Кислород реагирует с горячим графитовым тиглем и превращается в моноксид углерода. Газ-носитель выносит выделившиеся в результате плавления газы из рабочего пространства. С помощью насоса в режиме «ON» смесь газов прокачивается через каталитическую печь, где CO в присутствии катализатора в виде оксида меди с добавками редкоземельных металлов окисляется до CO₂. В режиме «ОН» преобразование СО в CO₂ осуществляется в реагентной трубке, содержащей реактив Шутце. После этого содержание CO₂ в составе газовой смеси определяется в ИК-ячейке. Далее после поглощения СО₂ и влаги в результате прохождения через реагентную кварцевую трубку, содержащую перхлорат магния (ангидрон) и гидроксид натрия (аскарит) смесь газов поступает в детектор теплопроводности, где происходит анализ на содержание азота (режим «ON») или водорода (режим «OН»).

Сигнал от ячеек преобразуется блоком электроники, и результаты показываются на дисплее.

2.1.1 Принцип работы инфракрасной ячейки

Измерительные принципы основаны на свойстве поглощения инфракрасного излучения многими газами. Каждый из этих газов поглощает инфракрасное излучение с конкретными характеристиками спектральных длин волн. Поглощаемый спектр определяется номером, конфигурацией и типом атомов в газовой молекуле. Схема устройства инфракрасной ячейки представлена на рис. 2.

Инфракрасный источник (2) электрически нагревается и излучает широкополосное инфракрасное излучение. Пучок света прерывается крутящейся лопастью (прерывателем) (3), становится переменным светом. Для высокой стабильности частоты лопасти прерывателя используется мотор (1) с кварцевым контроллером. Далее инфракрасное излучение проходит через измерительные ИК-тракты (10,11) по которым протекает смесь газа образца и газа носителя.

В зависимости от состава газовой смеси поглощается определенная частота инфракрасного спектра. Уровень поглощения зависит от газовой концентрации.

После ИК-тракта инфракрасный пучок проходит через фильтры (6, 9), пропускающие только узкую полосу инфракрасного света. Эта узкая полоса должна соответствовать диапазону инфракрасных частот, для которого газ образца проявляет максимальную способность поглощения.

Рис. 1.1. Схема устройства инфракрасной ячейки

1 — ИК-источник, 2 — мотор, 3 — прерыватель, 4 — ввод, 5 — вывод,

6 — СO₂ фильтр, 7 — инфракрасный детектор, 8 — инфракрасный детектор,

9 — CO₂ фильтр, 10 — измерительный ИК-тракт, 11 — измерительный ИК-тракт, 12 — предусилитель Таким образом, интенсивность пучка покидающего фильтр обеспечивает информацию о концентрации данного газа в тракте. В заключение пучок достигает полупроводникового инфракрасного детектора (7, 8), испускающего сигнал пропорциональный интенсивности пучка.

Так как пучок прерывается вращающимся прерывателем, детектор получает прерывистый сигнал. Тем самым достигается подавление влияния температуры и старения детектора, а так же шумы.

Сигнал, полученный таким образом, усилятся, и выпрямляется и покидает инфракрасную ячейку как постоянное значение.

Инфракрасная ячейка также обеспечивает постоянную автоматическую коррекцию нулевой точки и чувствительности анализатора, что полностью исключает необходимость в ручной проверке и перенастройке.

Инфракрасный анализатор контролируется термостатически, поддерживая постоянную температуру газа образца проходящего через него.

2.1.2 Принцип работы детектора теплопроводности

Принцип измерения детектора теплопроводности основывается на том, что теплопроводность газовой смеси меняется со своим составом. Чтобы измерять даже малейшие изменения, отказываются от абсолютного измерения. Таким образом, теплопроводность потока измеряемого газа сравнивается со стандартом. В качестве стандарта служит слабый поток чистого газа. Схема устройства детектора теплопроводности представлена на рис. 3.

Рис. 1.2. Схема устройства детектора теплопроводности

1 — термостабилизированная ячейка, 2 — канал измерения, 3 — канал сравнения, 4 — термистор, 5 — усилитель, 6 — блок электроники В ячейке (1) есть два канала: канал измерения (2), в котором протекает анализируемый газ, и канал сравнения (3) с потоком чистого газа-носителя.

В каждом канале есть два термистора (4), которые определяют любое изменение в теплопроводности протекающего газа. Термисторы соединены подобно мосту Уитсона, что позволяет производить измерение токового сигнала.

Этот сигнал затем усиливается усилителем (5) и передается в блок электроники (6). Базовая линия автоматически настраивается на ноль и не требует регулировки. Термостабилизация обеспечивает защиту ячейки от влияния окружающей среды.

2.1.3 Обработка первичных сигналов детекторов блоком электроники

Блок электроники содержит все компоненты для обработки сигналов и контроля вычислений.

Первичные сигналы с детекторов поступают в виде аналоговых сигналов, которые с помощью аналого-цифрового конвертера преобразуются и представляются в виде зависимости сигнала в вольтах от времени анализа. Методика обработки первичных данных ставит в соответствие содержанию газов величину площади под кривой, которая рассчитывается автоматически. При этом расчет конечного результата производится с учетом следующего:

— при интегрирование автоматически корректируется нулевая точка на величину показаний детектора перед началом замера;

— из результатов интегрирования вычитается величина холостого опыта (на величину холостого опыта основное влияние оказывает чистота газа-носителя и газонасыщенность графитовых тиглей);

— далее результат умножается на величину калибровочного коэффициента;

— затем производится расчет концентрации газа с учетом массы образца.

Соответственно, для получения достоверных данных о содержании газов в исследуемом металле необходимо предварительно:

а) подобрать параметров методики, которые обеспечивают:

— стабильность показаний детектора перед началом анализов;

— стабильность значений холостого опыта (без металла);

— стабильность результатов анализа стандартных образцов с известным содержанием газов;

б) при необходимости задать корректировку на величину холостого опыта с использованием интерфейса программного обеспечения;

в) при необходимости провести калибровку результатов на основании данных анализа стандартных образцов с использованием интерфейса программного обеспечения.

2.1.4 Управление анализом

Управление проведением анализа газонасыщенности металла автоматизировано и осуществляется с компьютера с помощью специального программного обеспечения.

Перед началом анализа необходимо выбрать одну из существующих методик или создать новую. Методика анализа состоит из нескольких этапов:

— предварительная дегазация тигля;

— продувка системы;

— стабилизация показаний детекторов;

— собственно анализ.

Основные задаваемые параметры методики:

— мощность и время дегазации;

— время продувки (интенсивность задается ранее для всех методик);

— время выдержки для стабилизации показаний детекторов;

— минимальное и максимальное время анализа;

— режим подвода мощности в печь во время анализа (при этом возможно как монотонное, так и ступенчатое изменение мощности в течение задаваемого времени работы под током).

Необходимо произвести взвешивание образца (при необходимости предварительно произведя тарировку весов) и загрузить его в шлюзующее устройство. Задать идентификационное обозначение образца.

Дальнейший анализ производится автоматически с указанием текущей стадии на экране дисплея. В конце на экран выводятся результаты анализа для соответствующих газов в ppm.

2.2 Методика исследования равновесности расплава

Равновесность расплава оценивали методом вискозиметрии. Для исследований был использован метод крутильных колебаний тигля с металлом. Его преимуществом является оказание минимального возмущающего воздействия на структуру жидкого металла.

2.2.1 Экспериментальная установка

Эксперименты проводили в вакуумном высокотемпературном вискозиметре в атмосфере гелия с использованием тиглей из различных огнеупорных материалов: оксида циркония, оксида алюминия и оксида бериллия.

Установка для исследования кинематической вязкости жидких металлов, устройство которой показано на рис. 2.2, 2.3, 2.4, включает высокотемпературный вискозиметр, вакуумную систему, систему электропитания, систему водяного охлаждения, систему подачи газов, систему контрольно-измерительных приборов. Вискозиметр (рис. 2.3) представлен высокотемпературной вакуумной электропечью сопротивления, состоящей из корпуса (1), нижней крышки (2), трубы (3) с патрубком (4). Корпус печи и нижняя крышка охлаждались водой. На корпусе укреплены катушки статора (5), к которым подавали трехфазное напряжение, создающее вращающееся магнитное поле для закручивания тигля с металлом. Через вакуумные уплотнения в нижней крышке во внутреннее пространство печи введены термопара (8) и водоохлаждаемые медные токоподводы (6), соединенные бифилярным молибденовым нагревателем (7), окруженным системой цилиндрических и торцевых (верхних и нижних) экранов (11).

На чехле термопары установлена дополнительная система экранов, подавляющая конвективные потоки газа в изотермической зоне печи.

Рис. 2.2. Схема установки для изучения кинематической вязкости металлических расплавов

Обозначения — в тексте.

Рис. 2.3. Схема высокотемпературного вискозиметра Обозначения в тексте.

Рис. 2.4. Схема подвесной системы Обозначения в тексте.

В трубе (3) на уровне зеркала подвесной системы находится окно (13) для регистрации параметров колебаний тигля. На патрубке (4) закреплены вакуумные вводы для термопарной лампы и мановакууметра и труба, соединяющая вискозиметр с системой подачи газа. На фланце патрубка установлен диффузионный насос (12). Все разъемные соединения вискозиметра герметизированы уплотнительными прокладками (9) из вакуумной резины.

Вискозиметр с помощью регулировочных винтов установлен на консольной опоре, крепящейся к капитальной стене, что исключало возникновение качательных колебаний подвесной системы за счет внешних возмущений и давало возможность настраивать ось вискозиметра строго вертикально.

Вакуумная система установки (рис. 2.2) включает форвакуумный (2НВР-5ДМ) и диффузионный (ЦВЛ-100) насосы (8,9) и позволяет создаватьразряжение до 0,0133 Па (10^-4 мм.рт.ст.). Давление в системе измеряли с помощью мембранного мановакууметра (12), термопарной лампы ВТ-2 (11) и вакуумметра ВИТ-2 (10).

Напряжение на нагреватель подавали через силовой понижающий трансформатор (2) мощностью 15 кВт. Плавную регулировку напряжения обеспечивали тиристорным регулятором (3) марки ВРТ-3, что обеспечивало установление требуемой температуры за 1−2 минуты и ее поддержание с точностью ± 2⁰С. Температуру в изотермической зоне печи измеряли с помощью термопары ВР 5/20, холодные концы которой термостатировали прибором «Нуль-В» (4), и прибора комбинированного цифрового Щ 4313 (5). С целью уравнивания скоростей нагрева металла в тигле и горячего спая термопары последний помещали в защитный корундовый чехол. Расстояние от горячего спая термопары до дна тигля не превышало 5 мм. Перед опытами термопару периодически градуировали по точкам плавления чистых металлов никеля, железа.

При изготовлении подвесной системы особое внимание обращали на выполнение условия, предъявляемого к безразмерному параметру данного метода:

(2.21)

где R — радиус тигля;

ф — период колебаний подвесной системы;

н — кинематическая вязкость расплавленного металла.

Это достигали подбором материала и толщины нити, радиуса тигля и массы подвесной системы.

Подвесная система (рис. 2.4) состоит из опорного кольца (1), к которому крепили упругую нихромовую нить (2) диаметром 0,2 мм. Для снятия внутренних напряжений нить предварительно подвергали отжигу. На нижнем конце нити закрепляли втулку (13) из эбонита, препятствующую ее нагреву за счет теплопроводности, соединенную через переходную алюминиевую втулку (3), на которой крепили зеркало (12), с молибденовым штоком (4). На штоке с помощью шайбы (5) устанавливали наружный молибденовый тигель (7), между которым и внутренним огнеупорным (8) располагали центрирующее молибденовое кольцо (9). Для защиты нити и зеркала от действия прямого излучения нагревателя на шток были надеты молибденовые экраны (11). Для предотвращения попадания в жидкий металл «нагара» со стенок трубы и брызг жидкого металла на детали подвесной системы на внутренний тигель помещали крышку (6) из молибдена. Для регистрации параметров вращательных колебаний подвесной системы (см. рис. 2.2) служил осветитель (6) и полупрозрачная шкала (7).

2.2.2 Методика эксперимента

Массу исследуемых образцов металла выбирали из соотношения

Н? 1,85R, (2.22)

что обеспечивало полное затухание вязких волн, распространяющихся от дна тигля и исключало их влияние на распределение скоростей у поверхности жидкости. Образцы перед опытом взвешивали на аналитических весах и помещали во внутренний тигель подвесной системы. Радиус тигля измеряли в нескольких местах с точностью 0,05 мм и усредняли полученные значения. Подвесную систему устанавливали в вискозиметре, который вакуумировали до разряжения 0,0133 Па (10^-4 мм.рт.ст.). После этого в рабочей камере создавали инертную атмосферу, путем напускания гелия высокой чистоты (класс А). С целью дополнительного понижения парциального давления кислорода использовали титановый геттер. Далее проводили нагрев и охлаждение. Использовали различный режим изменения температуры. Наиболее распространенная методика представлена ниже. В ходе эксперимента в рабочей камере поддерживали атмосферное давление с помощью буферной камеры.

При проведении эксперимента определялись логарифмический декремент затухания и период колебаний подвесной системы. Последние регистрировались с помощью оптической системы, состоящей из стандартного осветителя и автоматического регистратора положения световой метки. Луч света, пройдя через фокусирующую линзу и кварцевое окошко, отражался от зеркала подвесной системы и падал на регистратор. В результате аппаратной и программной обработки получали зависимость изменения координаты световой метки во времени. Далее с помощью пакета прикладных программ MATLAB производился расчет логарифмического декремента затухания и периода крутильных колебаний.

Градуировку подвесной системы проводили двумя эталонными дисками с различными моментами инерции. Полученные значения момента инерции усреднялись.

Величину отношения декремента затухания крутильных колебаний к периоду колебаний для пустой подвесной системы д₀/ф₀ определяли непосредственно в вискозиметре в атмосфере и при температурах, при которых проводили в дальнейшем эксперименты.

Суть экспериментальной методики состояла в изучении динамики формирования расплава в ходе изотермической выдержки при 1600 ^оС с фиксацией характера изменений кинематической вязкости жидкого металла. В качестве примера на рис. представлены результаты эксперимента для стали Д (плавка № 1928).

Время стабилизации значений кинематической (время релаксации) ставили в соответствие завершению формирования микрооднородного, равновесного расплава. Большее время релаксации свидетельствовало о большей неравновесности исходного металла.

Рис. 2.5. Динамика изменения кинематической вязкости при формировании расплава стали Д

2.2.3 Расчет абсолютных значений кинематической вязкости

Металлические жидкости принято относить к слабовязким жидкостям. Расчет кинематической вязкости слабовязких жидкостей производят с помощью математического аппарата, разработанного Е. Г. Швидковским [83], по следующим расчетным формулам:

(2.23)

где, (2.24)

(2.25)

m — масса жидкого металла в тигле;

R — внутренний радиус тигля;

H — высота жидкого металла в тигле;

(2.26)

д и д₀ — логарифмические декременты затухания крутильных колебаний подвесной системы с жидкостью и без нее,

(2.27)

где n — число периодов колебаний подвесной системы;

A₀ и A — начальная и конечная амплитуды колебаний;

ф и ф₀ — соответствующие периоды колебания подвесной системы;

a, b, c — коэффициенты, определяемые по таблицам в зависимости от значений параметра метода y,

; (2.28)

К — осевой момент инерции подвесной системы,

(2.29)

где К_эт и ф_эт — соответственно момент инерции эталонного диска и период колебаний системы, нагруженной эталонным диском, ф₀ — период колебаний подвесной системы, не нагруженной эталоном.

Оценка погрешности определения вязкости производилась с использованием соотношению для определения относительной погрешности косвенного измерения [84]

(2.30)

где y = f (x₁, x₂, … x_i, … x_k) — функция от аргументов, определенных независимо друг от друга.

В первом приближении расчет относительной погрешности определения кинематической вязкости может быть произведен по формуле:

(2.31)

Для оценки погрешности прямых измерений составляющих расчетной формулы вязкости были проведены по 10 измерений логарифмического декремента и периода крутильных колебаний, момента инерции подвесной системы, радиуса тигля, массы и высоты металла в тигле. Расчет доверительных границ для случайной погрешности прямых измерений проводился по формуле:

(2.32)

где n — число измерений;

t (P, n-1) — двусторонние пределы распределения Стьюдента (t — распределения) с доверительной вероятность Р (0,95) и с n-1 (9) свободы;

S — выборочное среднеквадратичное отклонение, которое определялось с использованием выражения:

(2.33)

где — среднее арифметическое,

— измеренное значение величины.

Результаты представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Доверительные интервалы составляющих расчетной формулы вязкости

С использованием полученных значений по соотношению (2.31) был проведен расчет относительной погрешности определения кинематической вязкости, которая составила 0,018 (или 1,8%).

Расчет кинематической вязкости производили с помощью специальной программы, разработанной ранее в исследовательской лаборатории кафедры «Металлургия железа и сплавов».

3. Результаты исследований

3.1 Влияние технологических параметров внепечной обработки на содержание в металле общего кислорода

Несмотря на наличие в технологической схеме внепечной обработки, было установлено значительное наследственное влияние окисленности полупродукта на выпуске из ДСП на содержание в литом металле общего кислорода. На современном этапе развития технологической схемы производства стали повышение качества металла, в том числе глубокое рафинирование металла от кислорода, является задачей внепечной обработки. Для выявления направлений совершенствования технологических параметров внепечной обработки с целью минимизации содержания в металле общего кислорода нами были сопоставлены результаты лабораторных исследований газонасыщенности стали и данные паспортов соответствующих плавок. Это позволило сделать следующие заключения:

1) Для уменьшения содержания в металле общего кислорода целесообразно свести к минимуму решение технологической задачи раскисления на АПК. Экспериментальные данные, представленные на рисунке 3.4, указывают, что для получения требуемого качества металла количество алюминиевой катанки, отданной на печи-ковше, не должно превышать 30 кг. Целесообразно максимально полно раскислить металл на выпуске из ДСП и иметь в первой пробе на АПК содержание алюминия не менее 0,015ч0,020%.

2) С точки зрения качества металла целесообразно ограничение концентрации алюминия и, соответственно, кальция в готовом металле минимально необходимыми пределами. Данные, представленные на рисунках 3.1−3.4, свидетельствуют о существенном влиянии на содержание в литом металле общего кислорода и уровень эксплуатационных свойств металла труб концентраций в металле алюминия и кальция. В частности, увеличение содержания алюминия в пробе после ввода силикокальция способствует увеличению концентрации общего кислорода в литом металле и снижению пластичности стали Д. Возможно, это связано с количеством оксидных неметаллических включений, их морфологией, дисперсностью и расположением.

Рисунок 3.1. Влияние параметров режима раскисления на содержание в литом металле общего кислорода Рисунок 3.2 — Влияние концентраций в металле алюминия и кальция на содержание в литом металле общего кислорода для стали Д Рисунок 3.3. Влияние концентрации в металле алюминия на уровень эксплуатационных свойств металла труб для стали Д Рисунок 3.4. Влияние концентрации в металле кальция на уровень эксплуатационных свойств металла труб для стали Д

3) Зависимость, представленная на рисунке 3.5, указывает на наличие определенных резервов оптимизации режима продувки инертных газом для повышения качества стали. В целях получения заданных параметров качества целесообразно поддерживать интенсивность продувки не ниже 400 л/мин. Снижение содержания общего кислорода в металле при увеличении интенсивности продувки может быть связано с повышением глубины рафинирования металла от продуктов раскисления.

Рисунок 3.5. Влияние интенсивности продувки инертным газом при обработке на АПК на содержание в литом металле общего кислорода в случае раскисления на выпуске из ДСП ферроалюминием

4) Температурный режим обработки на АПК также влияет на содержание в литом металле общего кислорода. На это указывают результаты сопоставления лабораторных результатов оценки концентрации общего кислорода и паспортов соответствующих плавок, представленное на рисунке 3.6. Очевидно, это связано со значительной зависимостью константы равновесия реакции раскисления от температуры. Со снижением температуры полнота протекания реакции возрастает, что предопределяет возрастание содержания в металле продуктов раскисления (связанных алюминия и кислорода).

Рисунок 3.6. Влияние параметров температурного режима обработки на АПК на содержание общего кислорода в литом металле Рисунок 3.7. — Влияние величины перегрева на АПК на ударную вязкость стали 20КТ Этого негативно сказывается на определенных эксплуатационных свойствах металла (рис. 3.7). Варьирование температурой металла существенно ограничено технологической инструкцией и производственной необходимостью. В частности, появление в технологической схеме вакуумирования потребовало неизбежного увеличения степени нагрева на АПК в целях компенсации теплопотерь при последующей обработки. С другой стороны, одним из направлений снижения содержания в литом металле кислорода, вероятно, может рассматриваться учет температурного фактора при оптимизации режима раскисления. Получение оптимальной концентрации алюминия по приходу АПК является оптимальным и с этих позиций.

Таким образом, наличие в технологической схеме внепечной обработки не позволяет нейтрализовать полностью негативное влияние повышенной окисленности полупродукта. Однако оптимизация технологических параметров внепечной обработки (в частности, режима раскисления и режима продувки инертным газом) может способствовать снижению содержания в металле общего кислорода и повышению качества стали.

3.2 Влияние технологических параметров обработки на АПК на равновесность металла

По приходу на АПК полупродукт имеет относительно равновесное, стабильное структурное состояние. Поэтому дальнейшие корректировки химического состава потребуют достаточно большого времени релаксации. Соответственно, выявленные ранее закономерности влияния параметров обработки мартеновского полупродукта на АПК на равновесность расплавов и уровень эксплуатационных свойств сохраняют свою актуальность и при внепечной обработке полупродукта, выплавленного в ДСП. Это подтверждают результаты экспериментальных исследований, представленные ниже:

— в согласии с показанным выше негативным влиянием примеси кислорода оптимизация технологии раскисления металла на выпуске из ДСП и получение заданного алюминия по приходу на АПК положительно сказывается на равновесности расплава (рисунок 3.8);

Рисунок 3.8. Влияние концентрации алюминия в полупродукте по приходу на АПК на равновесность стали 20КТ

— увеличение массы присадок ферросплавов во время обработки на АПК повышает неравновесность готового металла (рисунок 3.9);

— снижение концентрации углерода в полупродукте по приходу на АПК и, соответственно, возрастание величины присадок углеродсодержащих материалов также способствуют возрастанию неравновесности расплава (рисунок 3.9). Это, в свою очередь, предопределяет снижение пластичности металла труб (меньшее число точек связано с тем, что часть исследованных плавок разливалась в заготовки сечением Ш 156 мм);

— с точки зрения влияния на равновесность расплава большое значение имеет не только величина корректировок химического состава, но и время ввода добавок по ходу обработки на АПК. Смещение корректировок химического состава на более ранние этапы обработки повышает равновесность металла. Представленные данные свидетельствуют о более тесной взаимосвязи рассматриваемого технологического параметра и равновесности для стали Д (рисунок 3.10). Для стали 20КТ величина корреляции для вакуумированных плавок выше, чем для невакуумированных (рисунок 3.11). В то же время с точки зрения влияния на ударную вязкость готового металла негативное влияние смещения корректировок химического состава на более поздние этапы обработки очевидно:

— разброс точек может быть связан с многофакторной зависимостью времени релаксации от технологических параметров. В частности, при общем положительном влиянии на продолжительность релаксации неравновесности увеличения интенсивности продувки инертным газом взаимосвязь более очевидна для невакуумированных плавок 20КТ (рисунок 3.12);

— с точки зрения режима продувки положительно сказывается и увеличение расхода инертного газа (рисунок 3.13). Это может быть связано с возрастанием равновесности расплава при увеличении продолжительности обработки на АПК (рисунок 3.14).

Рисунок 3.9. Влияние величины присадок ферросплавов и науглероживателей по ходу обработки на АПК на равновесность и свойства стали Д.

Рисунок 3.10. Влияние времени ввода добавок по ходу обработки на АПК на равновесность стали Д Рисунок 3.11. Влияние времени ввода добавок по ходу обработки на АПК на равновесность стали 20КТ Рисунок 3.12. — Влияние интенсивности продувки инертным газом во время обработки на АПК на равновесность стали 20КТ Рисунок 3.13. Влияние расхода инертного газа во время обработки на АПК на равновесность стали Д (а) и 20КТ (б) Рисунок 3.14. Влияние продолжительности обработки на АПК на равновесность стали Д

Технологические возможности по увеличению интенсивности продувки и продолжительности обработки ограничены. В связи с этим для интенсификации процессов релаксации неравновесности необходимо совершенствования способов и режимов продувки инертным газом с целью возбуждения кавитационных процессов в металлическом расплаве.

Заключение

1) Наличие в технологической схеме внепечной обработки не позволяет нейтрализовать полностью негативное влияние повышенной окисленности полупродукта. Однако оптимизация технологических параметров внепечной обработки может способствовать снижению содержания в металле общего кислорода и повышению качества стали.

2) Снижению содержания в металле общего кислорода способствуют:

а) оптимизация режима раскисления путем

— ограничение количества алюминиевой катанки, отданной на печи-ковше, величиной 30 кг (за счет эффективного раскисления на выпуске из ДСП и получения в первой пробе на АПК содержания алюминия не менее 0,015ч0,020%);

— ограничение концентрации алюминия и, соответственно, кальция в готовом металле минимально необходимыми пределами.

б) совершенствование способов и режимов продувки инертным газом с целью повышения эффективности перемешивания металла в ковше.

3) Повышение степени нагрева стали на АПК увеличивает концентрацию в металле общего кислорода. Целесообразно учитывать температурный фактор при оптимизации режима раскисления.

4) Характер влияния технологических параметров внепечной обработки на равновесность металла и эксплуатационные свойства труб в случае обработки полупродукта, полученного в ДСП, в целом совпадает с зависимостями, установленными ранее при обработке мартеновского полупродукта.

5) Возрастанию равновесности структурного состояния металла и, соответственно, повышению уровня и стабильности эксплуатационных свойств труб способствуют:

— оптимизация режима раскисления путем решения задачи по рафинированию от кислорода на выпуске из ДСП;

— снижение величины корректировок химического состава по ходу обработки на АПК;

— смещение времени корректирующих добавок на начальные периоды обработки;

— совершенствование способов и режимов продувки инертным газом с целью стимулирования развития процессов кавитации в металлическом расплаве.

Библиографический список

1.Закономерности формирования расплавов на основе железа и металлургические резервы улучшения эксплуатационных свойств сталей / Бурмасов С. П., Гудов А. Г., Дегай А. С. Степанов А.И., Смирнов Л. А. //Сталь, 2010. № 8. С. 42−46.

2.Неравновеность жидкого металла и качество стали / Бурмасов С. П., Гудов А. Г., Степагов А. И., Мурзин А. В., Карпов А. А., Зуев М. В., Смирнов Л. А. // Новые технологии и материалы в металлургии: Сб. научн. Тр. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. С. 242−260.

3.Исследование окисленности полупродукта и качества металла при производстве трубных сталей современным дуговым процессом / М. В. Зуев, С. П. Бурмасов, А. В. Мурзин, А. И. Степанов, А. Г. Гудов, Е. Г. Житлухин, М. В. Ушаков, Е. В. Пузакова //Тр. Одиннадцатого конгресса сталеплавильщиков. М., 2010.