Введение к работе
Актуальность работы. Процессы выплавки и разливки стали являются большинстве случаев решающим этапом получения металлоизделий, пределяющим их конечные свойства, а также выбор оптимальной схнологии на последующих операциях.
Технология выплавки металла: выбору шихтовых материалов, оптими-ащш технологии окислительных реакций, дефосфорации, десульфурации, аскисленшо, температурному режиму и их влиянию на свойства готовой тали - посвящено огромное количество работ. Результатом этих фунда-іеитальньїх исследований можно считать создание стройной теории, на базе оторой созданы современные производственные процессы плавки и нслечной обработки металлических расплавов. Большой вклад в развитие еории сталеплавильных процессов внесли отечественные и зарубежные ^следователи - A.M. Самарин, В.И. Явойский, Н.П. Лякишев В.А. Григорян, А.Ф. Вишкарев, Д.Я. Поволоцкий, СИ. Попель, А.Н. Морозов, Дж. Іипман, Дж. Эллиот, Г. Кнюппель, О. Кубашевски и другие.
Значительные успехи в теории и практике достигнуты в направлении правления заключительным этапом производства стали - разливкой и атвердеванием. Однако, в области процессов затвердевания, являющихся :лассическим примером фазового перехода первого рода, основные юстижения связаны с интенсификацией теплоотвода от поверхностей отвердевающего объекта (процесс непрерывного и полунепрерывного литья, )ШП, ВДП, ЭЛП, традиционные слитки специальной формы). Развитие ітого направления нашло отражение в научных трудах А.В.Лыкова, А.И. киника, В.Т. Борисова, В.А. Ефимова, М. Флемингса, научных школ УІИСиС, ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина, ИЭС им. Е.О. Патона НАУ, ГНЦ ДНИИТМАШ, ВНИИЭТО и др.
Однако, при безусловных достижениях этого подхода, он являете недостаточным для управления процессами затвердевания в заготовка; (слитках) большого сечения или в случае затвердевания сплавов с большш температурным интервалом затвердевания.
В тоже время предпринимаются систематические попытки повлиять к; затвердевание через жидкую фазу. При применении гидродинамической воздействия (электромагнитное перемешивание, воздействие ультразвукол при погружении, вибрация) эффективно интенсифицировали теплопередачу однако возникали проблемы с зональной неоднородностью.
Ряд фундаментальных исследований (В.Т. Борисов, Н.А. Ватолин, М.И Темкин, П.В. Гсльд, Б.А. Баум, А.Р. "Убеллоде, Б. Чалмерс, У. Вайнгардт Н.Х. Флетчер, К.А. Джаксон, Г.Н. Еланский и др.) указывает на то, что соста: и строение примесной фазы, присутствие в ней небольших количесті определенных элементов оказывают отрицательное влияние на процеесь кристаллизации. Работы последнего периода по влиянию ряда злементої (фосфора, азота, примесей цветных металлов) подтверждают наличи< подобного влияния в изделиях, работающих в тяжелых условиях (низки* температурах, знакопеременные, динамические и циклические нагрузки нейтронное облучение, коррозионные среды и т.п.).
Однако, полученные результаты, как правило, относятся і деформированному металлу. В литературе отсутствует системно* представление о роли структуры и состава расплава в затвердевании каї сложном многостадийном процессе, в формировании первично! кристаллической структуры и свойств твердого металла.
Безусловно, актуальной задачей является оценка возможное^ использования результатов таких исследований для управления процессоїу затвердевания и комплексом свойств готовых изделий.
Не менее актуальной является задача управления морфологией сульфидных включений - избыточной фазой, практически всегда присутствующей в промышленных сталях. Сульфидные включения подробне 4
«учены в работах В.И. Явойского, Ю.А. Шульте и ученых его школы, В.А. УІчедлишвили, А.Ф. Випікарепа и их учеников, Кейза, Ван Горна и др. В эаботах последнего периода сделано важное уточнение, заключающееся в ом, что наименьшее негативное влияние оказывают выделения серы в жснсульфидной форме. Разработка методов управления формой присутствия сульфидных включений является важной практической задачей и для металлургических заводов, и для сталеплавильных цехов (ашнностроительных предприятий.
Основные научные результаты и разработки диссертационной работы іьіли получены при выполнении научно-исследовательских работ по ематическому плану Московского института стали и сплавов и МНТП Перспективные материалы».
Цель работы: Разработка физико-химических основ управления іроцессом затвердевания, формированием кристаллической структуры, ключая сульфиды, и свойствами твердого металла путем оптимизации остава и строения расплава низколегированных сталей и создание на основе становленных зависимостей технологических решений, обеспечивающих ысокое качество готовых металлоизделий.
Научная новизна работы состоит в применении к описанию процесса ристаллизации и формированию первичной кристаллической структуры тохастически-детерминированного подхода и фрактального анализа, что озволило выявить ряд управляющих воздействий на этот процесс.
Главными научными результатами работы следует считать:
1.Разработку новой концепции протекания процесса затвердевания, остоящего из двух стадий - формирования кластеров в пограничном ристал л изационном слое и их последующего присоединения к твердой фазе. )тличительные особенности структуры твердой фазы являются следствием еоднородностей и дефектов, возникающих на обеих стадиях процесса атвердевания.
2.Разработку имитационной модели затвердевания сплавов позволившей изучить особенности стадий затвердевания и их воздействие ш характер образующихся структур. В качестве меры неоднородности границь между твердой и жидкой фазами предложено использовать ее фрактальнук размерность. Показано наличие пороговых значений концентрациГ примесей, при которых происходит резкое изменение значение фрактально? размерности системы.
3.Теоретическое и экспериментальное обоснование влияния различиі функций состояния основы сплава-железа и примесей (энтропии плавления коэффициента аккомодации), связанных с индивидуальными свойствами і характеристиками атомов, на кинетику роста и характер формирующейс: первичной кристаллической структуры. Показана периодическая і рекуррентная зависимость степени влияния элементов от атомного номера.
4.Выявление элементов, в наибольшей степени по свош индивидуальным признакам влияющих на процесс затвердевания. Этим: элементами являются Si, Р, С, S, N, А1, цветные примеси. Прказаіг возможное влияние исходных шихтовых материалов на затвердевание.
5.Экспериментальное подтверждение немонотонного влияния ряд примесей на процессы затвердевания, характеристики первично кристаллической структуры и свойства низколегированных сталеі Установлены значения пороговых концентраций для ряда примесей и и взаимное влияние.
б.Теоретическое и экспериментальное исследование и разработк механизма выделения кристаллизационных неметаллических включени (сульфидов). Подтверждено положительное влияние увеличения дол оксисульфидов на свойства сталей, изучен механизм их образования показана роль окисленности как управляющего фактора в процесс формирования оксисульфидов.
Практическая значимость. Полученные результаты позволяй: установить технологические принципы рационального конструировани б
сквозного технологического процесса производства низколегированных сталей, включая выбор шихтовых материалов, оптимизацию состава и допустимое содержание примесей в рамках заданной композиции, технологию раскисления, внепечной обработки и разливки, создают основу для разработки новых перспективных сталей. Результаты работы были использованы в качестве элементов технологических инструкций на ММК, комбинате «Азовсталь», результаты разработанных мероприятий подтверждены актами внедрения и расчетами экономического эффекта. На основе работы создана композиция новой стали 06ГФБАА, на которую получен патент РФ № 2141002, и комплексная технология производства труб из нее для магистральных газо- и нефтепроводов. Полигонные испытания подтвердили их высокое качество.
Теоретические подходы и полученные практические результаты включены в специальные и общие курсы для студентов специальности 1101.00.
Апробация работы: Основное содержание и результаты исследований доложены и обсуждены на 1 Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика внепечной обработки стали» (г. Москва, 1985 г.), У1 Всесоюзной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г. Челябинск, 1987 г.), 1 Советско-чехословацком симпозиуме «Теория металлургических процессов» (г. Москва, 1988 г.), XI Всесоюзной конференции «Проблемы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов» (г. Волгоград, 1990 г.), Всесоюзной конференции «Проблемы кристаллизации сплавов и компьютерное моделирование» (г. Ижевск, 1990 г.), 1-st International Symposium. "Interprogress-Metallurgy" (Koshice, 1990), Iron & Steel Institute of Japan Meeting (Tokyo, 1992), 111 и 1У Конгресс Сталеплавильщиков (г. Москва, 1995, 1996 гг.), Ill International Conference on Solidification and Gravity (Miskolc, 1999), Международной научно-технической конференции «Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технология, экология» (г. Киев, 2000 г.), Юбилейной научно-
технической конференции, посвященной 240-летню ОАО «Ижсталь» (г Ижевск, 2000 г.)
По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ получено 2 авторских свидетельства, новизна разработок защищена патекто\ РФ.
Объем и структура работы. Диссертация содержит страниц печатного текста, ^рисунков, таблиц, содержит ^источник цитируемои литературы. Диссертация состоит из введения, 3 глав с заключениями пс каждой главе, выводов, списка литературы и приложения.