Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Азот как легирующий элемент в сплавах на основе железа 8
1.1. Влияние азота на свойства сталей 8
1.2. Растворимость азота в железе 10
1.3. Влияние различных элементов (легирующих и примесных) на растворимость азота в расплавах железа 14
1.3.1. Хром 17
1.3.2. Марганец 20
Ї.З.З. Никель 22
1.3.4. Другие элементы 23
1.4. Влияние термодинамических факторов на растворимость азота в стали 26
1.5.1. Способы получения азотсодержащих сталей при повышенном давлении 36
1,6.1. Электрошлаковый переплав под давлением (ЭШПД) 38
Выводы к главе 1 39
Глава 2. Методика проведения работы и обработка экспериментальных данных 41
2.1. Изучение растворимости азота в стали 41
2.2. Определение теплофизических характеристик стали 43
2.2.1. Определение плотности стали 43
2.2.2. Определение удельного сопротивления, теплоемкости, теплопроводности 45
2.3. Установка для электрошлакового переплава под давлением 46
2.4. Исходные материалы, применяемые при проведении плавок 49
2.5. Исследование качества металла 51
Глава 3. Исследование поведения азота в сталях типа 38ХНЗМФА, 05Х18А06, 12Х18АГ18 и электрошлаковый переплав высокоазотистых сталей в лабораторных условиях 53
3.1. Влияние термодинамических факторов на поведение азота в сталях систем Fe-Cr, Fe-Cr-Mn 53
3.2. Расчет растворимости азота в сталях 38ХНЗМФА, 05Х18А06, 12Х18АГ18 55
3.3. Экспериментальные исследования растворимости азота в стали 12Х18АГ18 59
3.4 Выбор метода расчета растворимости азота в многокомпонентном расплаве на основе железа 61
3.5. Основные положения технологии ЭШП сталей, легированных азотом 62
3.5.1. Определение теплофизических свойств стали 12Х18АГ18 64
3.5.2. Определение динамики прогрева электрода в процессе переплава 69
3.5.3. Определение сопротивления шлаковой ванны и теплового кпд плавки 71
3.6. Металлургические особенности ЭШП азотированных сталей в лабораторных условиях 74
Выводы к главе 3 84
Глава 4. Промышленное освоение электрошлакового переплава стали 12Х18АГ18 86
4.1. Проведение промышленных плавок ЭШП стали 12Х18АГ18 на печи ОКБ-ПИ ПО «Ижорский завод» 86
4.2. Оценка качества и свойств промышленного металла 18,0 т слитков ЭШП массой 18 т 91
Выводы к главе 4 107
Глава 5. Разработка технологии выплавки высокоазотистых сталей методом электрошлакового переплава под давлением 108
5.1. Определение давления, необходимого при выплавке стали с содержанием азота выше равновесной концентрации 108
5.2. Выбор флюса и его подготовка 109
5.3. Расходуемые электроды 110
5.4. Проведение экспериментальных плавок 111
5.5 Определение коэффициента усвоения азота при использовании для легирования различных азотсодержащих материалов и изучение поведения азота 117
5.6. Исследование свойств сталей 12Х18АГ18, 05Х18А06и 38ХНЗМФА, выплавленных методом ЭШПД 125
Выводы к главе 5 131
Общие выводы 133
Библиографический список 136
- Влияние термодинамических факторов на растворимость азота в стали
- Установка для электрошлакового переплава под давлением
- Металлургические особенности ЭШП азотированных сталей в лабораторных условиях
- Оценка качества и свойств промышленного металла 18,0 т слитков ЭШП массой 18 т
Введение к работе
Повышение требований к качеству материалов в судостроении, нефтяной и газовой промышленности, энергетике, авиа - космической технике, железнодорожном транспорте, строительстве, а также и в медицине привело к созданию специальных сталей нового поколения. Такие стали должны превосходить традиционные по прочности, коррозионной стойкости, комплексу функциональных свойств, экологическим характеристикам, не уступать по технологичности, но при этом быть по возможности более дешевыми.
В настоящее время обострились проблемы обеспечения металлургии России сырьем, необходимым для производства специальных сталей, из-за сократившейся после 1991года ресурсно-сырьевой базы и большое значение приобрела задача сокращения объема потребления и рационального использования дорогих и дефицитных легирующих элементов в специальных сталях, без снижения уровня их технологических свойств и эксплуатационных характеристик [1].
Одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является использование в качестве легирующего элемента в высокопрочных и коррозионно-стойких сталях азота, способного частично или полностью заменить никель, марганец и другие аустенитообразующие элементы, поскольку он обладает способностью стабилизировать аустенит, превосходит другие легирующие элементы по упрочняющей способности и отличается низкой стоимостью. Азот привлекателен своей широкой распространенностью и легкостью получения (при этом не надо разрушать поверхность и недра земли, как при добыче руд).
Инициатива использования азота в качестве легирующего элемента принадлежит советским ученым A.M. Самарину и М.Л. Королеву [2], начавших свои исследования в конце 30х годов. Несколько позднее В.И. Просвириным с сотрудниками в ЦНИИТМАШ была проведена комплексная работа по изучению влияния азота на свойства хромсодержащих сталей [3].
К 1990году в СССР такими заводами как «Электросталь», «Днепроспецсталь», «Ижорский завод», «Челябинский металлургический комбинат» и др. производилось более 20 марок высоколегированных азотсодержащих сталей.
В США, Германии, Франции, Японии, Швеции, Австрии, Болгарии широкое применение нашли такие стали, легированные азотом, как:
- высокопрочные жаростойкие для паровых и газовых турбин;
- коррозионно-стойкие немагнитные (для геологических труб глубокого бурения, телеметрических систем, бандажных колец турбогенераторов, канатов);
- износостойкие немагнитные, в том числе для железнодорожных колес;
- релаксационно-стойкие;
- для крепежа атомных реакторов;
- для стоматологии и медицины
- для горнодобывающей промышленности и обработки сырьевых материалов [4];
- для кабелей линий электропередач [5];
В течение последнего времени весьма значительное распространение нержавеющих и специальных сталей, легированных азотом, нашло отражение в литературе. С одной стороны это многочисленные результаты исследований служебных и технологических свойств сталей, легированных азотом, а с другой - теоретические исследования, методика и результаты экспериментов по определению растворимости азота в двойных и тройных сплавах железа.
Однако технологические особенности выплавки, практика производства азотсодержащих сталей в литературе почти не имеют отражения.
Возрастающие требования к уровню свойств сталей ставят перед необходимостью получения максимальных концентраций азота. Если еще относительно недавно содержание азота в сталях ограничивалось 0,1 - 0, 2%, то в последнее время созданы композиции с содержанием азота 0,4 - 0,7 % [6] и даже 1,2-1,4 % [7].
Повышение качества конструкционных материалов является неотъемлемым условием прогресса всех отраслей техники. Требования к качеству металла настолько высоки, что им удовлетворяет только металл, подвергнутый вторичному рафинирующему переплаву. Для этих целей обычно применяют вакуум но-дуговой, электрошлаковый, плазменно-дуговой, электроннолучевой, вакуумно-индукционный или комбинированные процессы.
Решение вопросов, связанных с разработкой технологии получения сталей с заданным содержанием азота в различных металлургических агрегатах является весьма актуальной и перспективной задачей. В настоящее время, когда требуется получить содержание азота в стали на уровне, не превышающем стандартной растворимости, ее выплавляют в дуговых печах с использованием азотированных лигатур, таких как азотированный феррохром или азотированный марганец.
Для получения сталей со сверхравновесным азотом используют плавильные агрегаты, работающие при избыточном давлении азота. Это установки плазменпо-дугового переплава, индукционные печи под давлением, установки для литья с газовым противодавлением или электрошлакового переплава под давлением (ЭШПД).
И плазменно-дуговой переплав (ЦДЛ), и индукционная плавка под давлением (ИПД), и метод обработки металла газовым противодавлением (МОМГП), и метод электрошлакового переплава под давлением (ЭШПД) имеют свои преимущества и недостатки.
Процесс ПДП характеризуется высоким удельным расходом электроэнергии, осуществляется на дорогом и сложном оборудовании, а отсутствие плазмотронов, способных длительное время работать в атмосфере азота при избыточных давлениях делает применение ПДП затруднительным.
Метод ИПД не нашел распространения в мировой практике (кроме Болгарии), т.к. при производстве больших масс металла при внезапном падении давления в системе может произойти вскипание и выброс металла. Качество металла ИПД и МОМГП уступает качеству металла ЭШПД.
Оптимальным для переплава стали с содержанием азота, не превышающим стандартной растворимости, является электрошлаковый переплав, а для стали со сверхравновесным содержанием - электрошлаковый переплав под давлением. Поэтому цель данной работы:
Изучение поведения азота в процессе электрошлакового переплава хромомарганцевых сталей, легированных азотом, разработка технологии получения из них крупных слитков на промышленных печах ЭШП (на примере 12Х18АГ18), разработка основ технологии выплавки сталей со сверхравновесным содержанием азота на установке электрошлакового переплава под давлением (ЭШПД).
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: - изучение растворимости азота в сталях систем Fe-Cr-Ni-Mo-V-N, Fe-Cr-N и Fe-Cr-Mn-N в интервале температур выплавки, разливки и до начала кристаллизации;
разработка инженерной методики расчета растворимости азота в многокомпонентном расплаве на основе железа;
- выбор оптимального режима переплава сталей с азотом на основании расчета электрического режима с учетом результатов изучения тепло физических характеристик сталей и результатов экспериментов, рекомендация к использованию оптимального режима для выплавки крупных слитков на промышленных печах;
- разработка метода легирования азотом в процессе электрошлакового переплава под давлением;
- определение коэффициента распределения азота между жидкой и твердой фазами для низколегированных сталей в условиях повышенного давления и определение рабочего давления в камере печи ЭШПД при выплавке сталей со сверхравновесным содержанием азота.
Влияние термодинамических факторов на растворимость азота в стали
Содержание азота в твердом растворе стали 02Х20Н4АГ10 может достигать 1,7% (температура полного растворения нитридов в этой стали составляет 950С). Такое количество азота, согласно расчету, не может содержаться в ней при разливке и кристаллизации. Избыток азота сверх предельной растворимости в жидкой стали выделится в атмосферу в виде молекулярного азота или в виде пор и пузырей в металле. Получить избыточное содержание азота в данной стали можно только при выплавке и разливке ее под давлением. Влияние давления на растворимость азота в хромомарганцевых сталях подробно изучалось многими исследователями [4,14,41,60-62]. Показано, что с увеличением давления растворимость азота в металле в системе Fe-Cr-Mn-N возрастает. При высоких концентрациях азота в хромо-марганцевых сталях (более 1,0%) и высоких давлениях (более 20 атм) наблюдается отклонение растворимости азота в металле от закона Сивертса [14,61-62]. На рис. 1.19 представлены кривые изменения содержания азота в стали типа Х18АГ18 при различных парциальных концентрациях азота: 0,02; 0,08 и 0,2 МПа [61].
При давлении 0,02 МПа кристаллизация металла происходит с резким уменьшением растворимости азота. (Область 5-феррита достаточно велика). Коэффициент распределения азота между жидкой и твердой фазами составляет 0,6%. При давлении 0,20МПа кристаллизация происходит в аустенитной области, падения растворимости не наблюдается, а коэффициент распределения азота равен 1,04. Азотирование металла азотом можно осуществить двумя путями: 1) азотирование в твердой фазе; 2) азотирование в жидкой фазе. Азотирование в твердой фазе применяется (из-за низкого коэффициента диффузии в твердой фазе) в основном для азотирования поверхностей уже готовых изделий или азотирования порошков сталей и сплавов, из которых путем последующего горячего прессования формируют готовые изделия. Когда же требуются большие массы металла, реальным является только второй путь. Традиционно азот вводят в расплав, добавляя различные азотированные материалы, такие как феррохром, хром, марганец, ферросилиций, кремний с различным содержанием азота (от 6 до 40% по массе) в зависимости от заданного состава стали и условий введения добавок. Усвоение азота при этом может варьироваться от 30 до 100% [61].
Азотирование можно проводить и из газовой фазы: при плазменно-дуговом переплаве или продувке жидкого металла азотом. Активация азота в плазме позволяет насыщать им стали до уровня, превышающего предел растворимости в стандартных условиях [63]. Но удержать этот азот при кристаллизации без создания избыточного давления невозможно. Поэтому реализация метода легирования азотом при плазменно-дуговом переплаве до концентраций выше равновесных, требует решения целого ряда проблем и установки дополнительного, сложного и дорогостоящего оборудования.
Положительные результаты получены авторами многих работ, подтверждающие возможность достаточно успешного азотирования металла при продувке его газообразным азотом [64-67]. При продувке азотом уровень легирования не достигает предела растворимости при стандартных условиях и для традиционных нержавеющих аустепитных хромо-никелевых сталей составляет 0,10-0,20%. Скорости насыщения азотом при продувке невелики, так как сильно зависят от времени продувки, интенсивности подачи газа и площади поверхности контакта.
Однако, сложности, связанные с организацией подачи газов большой интенсивности, их распределения во всем объеме расплава, обеспечении наибольшей поверхности раздела металл-газ и другие, влияющие в основном на кинетику поглощения азота металлом, не позволяют пока широко использовать столь заманчивый способ легирования стали.
Основными проблемами, возникающими при легировании азотом, является выбор наиболее эффективных способов введення, удержания и равномерного его распределения в металле при условии получения бездефектной структуры.
Получение азотированных сталей в открытых печах обычно осуществляется добавками азотированного феррохрома или марганца в завершающий период плавки [68-69]. Усвоение азота при таком легировании составляет - 70%, а уровень легирования не превышает 50-80 % от предела растворимости при стандартных условиях (в зависимости от состава стали).
Сведения о влиянии технологических факторов на процесс насыщения металла азотом весьма ограничены. Большинство исследователей связывает лишь химический состав расплава с содержанием азота. Из факторов, существенно влияющих на растворимость азота, наиболее полно изучено влияние температуры. Многие исследователи считают существенными при оценке влияния технологии следующие факторы (помимо химического состава и температуры): 1) количество вводимого азота; 2) момент присадки азотсодержащих ферросплавов и продолжительность выдержки в печи после нее; 3) наличие шлакового покрова, его состав и консистенцию. Растворимость азота в металле, несомненно, не может зависеть от количества вводимого азота, т.к. определяется совершенно иными физико-химическими законами. В этом смысле целесообразно говорить об усвоении азота, т.е. о процентном его содержании в зависимости от присаженного количества. В работе Р.П. Залетаевой [70] приводятся сведения о том, что количество присаженного азота не отражается на содержании азота в стали, если оно превосходит предел растворимости. Расбах, Саундерс и Херберт показали, что усвоение азота при введении его в нержавеющую сталь в виде феррохрома тесно связано с насыщением стали азотом. Если содержание азота в сплаве приближается к пределу насыщения, усвоение азота из вводимого легирующего материала уменьшается [71].
Установка для электрошлакового переплава под давлением
Метод индукционной плавки под давлением предусматривает выплавку, легирование металла азотом и разливку под давлением азота, причем легирование азотом можно осуществлять путем продувки металлической ванны азотом, подачей азотсодержащих ферросплавов в тигель печи или совмещая оба этих процесса. По окончании плавки металл из печи сливают в промежуточный ковш. Сразу же после слива газонепроницаемым шибером печной автоклав отсекается от разливочного, в котором осуществляют разливку металла на слитки, поддерживая при этом заданный состав газовой атмосферы и уровень давления [4,14]. Однако этот метод не нашел широкого распространения в мировой практике, т.к. при производстве больших масс жидкого высокоазотистого металла при внезапном падении давления в системе может произойти вскипание и выброс металла [78].
Метод обработки металла газовым противодавлением получил свое развитие в частности как метод литья с противодавлением (МПЛ). Сущность его заключается в том, что транспортировка металла из плавильной печи или ковша, установленных в плавильной камере, в камеру разливки, которая, как правило, размещается над плавильной камерой, осуществляется через литниковую трубу при повышении давления в камере печи за счет разницы давлений в печной и разливочной камерах ДР=Рі-Р2, называемой дифференциальным транспортным давлением. Легирование металла азотом осуществляется в печи путем продувки азотом, введением азотированных ферросплавов или сочетанием обоих процессов.
В отличие от процессов разливки, когда заполнение изложницы, кристаллизатора или формы осуществляется под действием сил тяжести и скорость разливки регулируется наклоном промежуточного ковша, в случае литья с противодавлением скорость разливки регулируется дифференциальным транспортным давлением с большой точностью и не зависит от величины абсолютного давления над поверхностью жидкого металла [4,14, 79]. Возможность точного регулирования скорости разливки позволяет использовать для литья любые формы, в том числе и песчаные.
Легирование азотом в условиях повышенного атмосферного давления позволяет получать высокое его содержание в металле, понижать количество дефектов усадочного характера, измельчать структуру в слитке, и, следовательно, повышатьть свойства металла.
В разных странах были созданы установки, позволяющие получить промышленные слитки ЭШПД, а в Германии - установка для выплавки слитков выше 20т [4, 80-81]. В отличие от способов легирования азотом в индукционной печи под давлением, в процессе разливки с противодавлением и плазменно-дуговом переплаве в атмосфере азота, в процессе ЭШПД нет непосредственного контакта жидкого металла с газовой атмосферой. Легирование осуществляется путем подачи азотосодержащих лигатур в шлаковую вашгу. Высокое давление создается для того, чтобы удержать азот в жидком металле и избежать его удаления в процессе кристаллизации. Процесс ЭШПД обеспечивает возможность получения содержания азота выше равновесного, более плотной структуры, без дефектов усадочного характера, менее развитую дендритную структуру (особенно для высоких содержаний азота). Кроме того, уменьшается угар легирующих элементов и уровень содержания неметаллических включений (особенно оксидных). Для ЭШПД характерна идеальная экология производства (внезапное падение давления в системе не приведет к катастрофическим последствиям, т.к. ванна жидкого металла мала по сравнению с массой наплавляемого слитка). ЭШПД обеспечивает более высокую чистоту металла по сравнению с металлом, полученным методом с газовым противодавлением (МОМГП) [4,80]. Первые эксперименты по получению сталей с содержанием азота выше предела растворимости методом ЭШПД были проведены на опытной установке, созданной фирмой «Лейбольд АГ» с рабочим давлением до 4,0 МПа. При ЭШПД подача азотирующих добавок может осуществляться непрерывно из бункера или путем сплавления комбинированных электродов. Способ непрерывной подачи легирующих добавок наиболее эффективный с экономической точки зрения. Вводимые добавки должны быть совместимы по химическому составу с переплавляемыми сталями; иметь повышенную концентрацию азота; быть термодинамически стабильными; удельный вес добавок должен соответствовать удельному весу шлака (обеспечивать расплавление лигатуры в шлаке и усвоение металлом). В качестве добавок используют азотированный феррохром ( 6-8% N2), азотированный хром (до 20% N2), азотированный марганец (-6% N2), азотированный ферросилиций (до 25% N2). Наибольшее количество азота содержится в нитриде кремния (в промышленном - 30%), хотя эта лигатура менее других подходит для легирования, т.к. в большинстве сталей содержание кремния ограничено [82]. В качестве флюсов предлагают использовать составы: 40% CaF2, 30% AI2O3 и 30% СаО или 34% CaF2,33% А1203 и 33% СаО [4,72,79,83]. ЭШПД отличается от обычного ЭШП тем, что наблюдение за процессом и регулирование наплавлення слитка затруднено т.к. процесс протекает в закрытой системе. Поэтому этот метод требует гораздо большей измерительной и контрольной аппаратуры для получения положительных результатов. Опубликованных материалов по ЭШПД чрезвычайно мало. Для разработки и совершенствования технологии ЭШПД нужны прежде всего: - данные о теплофизических свойствах шлака и металла, чтобы правильно вести температурный режим и обеспечить наиболее благоприятные условия для усвоения легирующих добавок; - информация о растворимости азота в жидком металле, распределении его между жидкой и твердой фазами при повышенном давлении, и определении рабочего давления в камере печи. Необходимы сведения о методах введения лигатур, оптимальном подборе их и усвоении азота металлом в процессе ЭШПД.
Металлургические особенности ЭШП азотированных сталей в лабораторных условиях
Как отмечено в литературе, азот оказывает существенное влияние на свойства сталей повышая их прочностные характеристики и коррозионную стойкость. Чем выше содержание азота в стали, тем выше эти свойства [60]. Поэтому важным при легировании сталей азотом является определение максимально возможного уровня его содержания (растворимости) в металле, создание условий для его введения (растворения) в жидкий металл и сохранения азота в твердом металле. При этом желательно, чтобы азот в металле находился в виде раствора, т.к. находясь именно в виде раствора внедрения он оказывает наибольшее воздействие на свойства стали.
Основными термодинамическими факторами, влияющими иа растворимость азота в стали, являются ее химический состав, температура и давление при которых протекает процесс. Для увеличения растворимости азота в стали с образованием раствора внедрения необходимо ввести легирующий элемент R с гшад тальнум коэффициентом активности f R и малой константой реакции нитридообразования -KRM. Однако із децимальный коэффициент активности является выражением высокого сродства к азоту и, как правило, это связано с сильной тенденцией к питридообразованию. Из всего ряда легирующих элементов для роли легирующего, повышающего растворимость азота, подходят только два - марганец и хром. Применение элемента с более низким коэффициентом активности, например титана, практически бесполезно, так как нитридообразование начинается уже при таких содержаниях титана, при которых влияние его на увеличение растворимости азота незначительно.
В тех случаях, когда нужно упрочнить металл с помощью выделения нитридной фазы, выбирают такие элементы, которые образуют нитриды не в жидкой, а в твердой фазе, чтобы избежать преждевременного удаления их из расплава.
Состав определенной марки стали можно варьировать в достаточно узких (марочных) пределах, что значительного влияния на увеличение растворимости азота не окажет. Поэтому существенно увеличить растворимость азота в металле заданного состава можно с помощью изменения температуры протекания процесса и его парциального давления над расплавом. Количественная оценка влияния этих факторов позволит более точно рассчитать возможное содержание азота в стали.
Для реакции (1.1) константу можно представить уравнением 1.9: Кр= [N] fN/VPrj2» откуда следует, что увеличив парциальное давление азота над расплавом можно увеличить его растворимость. В реальных условиях увеличить содержание азота в металле можно используя методы выплавки его при повышенном давлении, описанные в главе 1.
Чтобы не допустить протекания реакции 1.1 в обратном направлении и избежать выделения азота в виде пузырей, необходимо выполнить условие: Рат+ Рет.+ Ркап = Рат+ PMghM+ Ршй ш + 2о/г Рд . (3.1), где: PaTi, Per., Ркап., Рпуз. - давление газа в атмосфере печи, гидростатическое давление (pMghM+ pBighm)» капиллярное (2о/г) и в пузыре, соответственно.
Для реальных условий выплавки металла это означает что: или концентрация азота в твердом металле будет ниже равновесной, или давление над расплавом при кристаллизации металла нужно увеличивать по сравнению с давлением азота в атмосфере печи, для которого рассчитана заданная концентрация азота, на величину добавочного давления. Отношение содержания азота в твердой и равновесного в жидкой фазах называется коэффициентом распределения азота. Подробнее определение коэффициента распределения азота и метод расчета избыточного давления будут изложены в главе 5.
Как отмечалось ранее [4,29-30,33,52], при повышении давления в сплавах Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-Cr-Mn наблюдается отклонение растворимости азота от закона Сивертса, причем, чем выше концентрация легирующего компонента, тем при более низких давлениях эти отклонения имеют место. Так, в расплавах Fe-Mn с содержанием марганца 10% отклонение отмечают при давлении 6,0 МПа, с содержанием 28% - 1,6 МПа. В расплавах Fe-Cr с содержанием хрома 18% отклонение от закона Сивертса наблюдают при давлении -2,5 МПа, с содержанием 35% - 1,0 МПа [52]. В расплавах Fe-Cr-Mn ( 18% Сг, 18% Мп)-при давлении менее 1,0 МПа [1].
Объясняется это, по всей вероятности тем, что раствор азота в расплаве перестает быть идеальным (при увеличении концентрации, например хрома, возрастает растворимость азота - увеличивается количество атомов азота, концентрирующихся вокруг атома хрома) и атомы азота начинают взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие атомов азота между собой необходимо учитывать при расчетах: где eNN Cr - параметр, учитывающий взаимодействие атомов азота между собой, равный 0,13 [52].
Расчет растворимости азота проводили в сталях систем Fe-Cr-Ni-Mo-V, Fe-Cr, Fe-Cr-Mn, а именно: 38ХНЗМФА (перлитная), 05Х18А06 (мартенситно-аустеиитная) и 12 Х18АГ18 (аустенитная), используя различные методики расчетов, предложенные различными авторами: уравнение Чипмана — Корригана (1.16), Соколова - Ковальчука (1.20), Помарина - Григоренко (1.21) .
При определении растворимости азота для каждой конкретной марки рассчитывали максимально возможную растворимость азота [Nmax] (по максимальному содержанию элементов повышающих растворимость и минимальному содержанию элементов, понижающих растворимость азота в расплаве на основе железа), минималыю возможную растворимость [Nmin] (по минимальному содержанию элементов, повышающих растворимость азота, и максимальному содержанию элементов, ее понижающих), т.е. всю возможную область значений предельной растворимости для данного марочного состава, и значение предельной растворимости для конкретного состава стали.
Параметры взаимодействия легирующих элементов, используемые при расчетах по различным методикам, приведены в табл. 3.2, температурная зависимость растворимости азота в сталях- в табл. 3,3.
Анализируя результаты расчетов растворимости азота в перлитной стали 38ХНЗМФА в интервале температур 1773-1923 К установили, что применение всех описанных выше методик (раздел 1.4) приводит к получению данных, сопоставимых по значениям (относительная ошибка при сравнении соответствующих значений не превышает 10%).
Для стали 05Х18А06 расчеты по уравнениям (1.20) и (1.21) приводят к сходным результатам (относительная ошибка не превышает 10%). Результаты, полученные по уравнению Чипмана-Корригана (1.16) по сравнению с результатами, полученными по уравнениям, перечисленным выше, завышены (относительная ошибка достигает 40%). Это объясняется тем, что уравнение ЗЛ не предусматривает учета параметров взаимодействия второго порядка (т\), что для стали с содержанием элементов более 10% необходимо. Тем не менее, результаты расчетов свидетельствуют о том, что раствор азота в этих сталях соответствует идеальному, т.е. азот находится в расплаве в рассматриваемом интервале температур в виде атомов или ионов и не образует нитридиых фаз.
Оценка качества и свойств промышленного металла 18,0 т слитков ЭШП массой 18 т
Выбор флюса при подготовке к плавке ЭШПД определяется его физико-химическими свойствами и составом металла. .Поскольку флюс служит основным источником тепла и средством регулирования химического состава металла, его компоненты должны быть химически стабильными при температуре процесса и не загрязнять металл вредными примесями. При выборе шлака учитывали давление паров компонентов, электропроводность шлака, скрытую теплоту плавления и растворения, вязкость, поверхностное натяжение и плотность [96]. Температура шлака на 150-100С должна быть ниже температуры плавления металла, а тепловой кпд обеспечивать оптимальные условия протекания процесса и формирования слитка.
Разведение процесса ЭШПД предусмотрено на твердом старте, поэтому флюс необходимо прокалить при температуре 700-8 00С в течение 2-3 часов чтобы избежать его вскипания в процессе переплава и нарушения стабильности процесса (особенно для флюсов, содержащих СаО).
Выбор шлаков для ЭШПД в лабораторных условиях основывался на опыте подбора шлаков ЭШП с учетом технологических особенностей протекания плавки. Использовали широко изученный стандартный флюс АНФ-6, флюс №3, свойства которого приведены выше, и флюс, содержащий 34% CaF2 33% СаО и 33% А1203 [76] с температурой плавления 1350С и способный растворять до 0,03% азота. Однако при проведении плавок, несмотря на длительную предварительную прокалку, флюс системы CaF2 - СаО - АІ20з в процессе переплава вспенивался, образуя подстывшие «мостки» и нарушая стабильность течения процесса. Поэтому предпочтение было отдано флюсам АНФ-6 и №3.
Для переплава использовали литые или кованные из металла открытой дуговой или индукционной плавки электроды. Азот в исходный металл вводят на предельное равновесное его содержание, а основные легирующие элементы - с учетом возможной корректировки их концентрации по заданному химическому составу в процессе ЭШПД при делегировании азотированными материалами, содержащими эти элементы.
В процессе ЭШПД поступление азота в металл из газовой фазы практически не происходит. Причина состоит в том, что растворимость азота в шлаках, по данным целого ряда исследователей [20,97,98], не превышает 0,03% и шлак является надежным барьером для поступления азота из газовой фазы в металл. Поэтому азот нужно дополнительно к тому количеству, что имеется в расходуемом электроде, непрерывно вводить в шлаковую ванну в виде азотсодержащих добавок, а высокое давление создают в системе для того, чтобы сохранить растворенный в жидком металле азот, предотвратить его десорбцию и удержать при кристаллизации слитка.
Подачу добавок можно осуществить с помощью дозатора, запрессовки их в дополнительную полость электрода, а можно использовать дополнительные электроды. Использование дозатора кроме затрат на установку и размещение в ограниченном объеме автоклава дополнительного оборудования может привести к неравномерному распределению вводимых легирующих элементов и потребовать еще одного переплава для устранения этого недостатка. Формирование дополнительных полостей в электроде тоже достаточно трудоемкая и дорогостоящая операция. Поэтому наиболее правильным решением поставленной задачи признали использование электродов-спутников. В их качестве использовали трубки из материала, соответствующего основному составу металла. Трубки заполняли лигатурой, проковывали, равномерно распределяли по периметру и приваривали к основному электроду. Такой комбинированный электрод устанавливали в электрододержатель и сплавляли как единое целое.
Количество лигатуры, необходимое для достижения заданного содержания азота рассчитывали по формуле: где [N], [Nj3, [N]„, [N]r - заданное содержание азота в металле слитка, содержание азота в металле электрода, в лигатуре и в материале трубки, соответственно; тэ, тл, тТ - масса электрода, масса лигатуры и масса трубок; KyN - коэффициент усвоения азота. Для экспериментальной проверки расчетной величины добавочного давления азота на установке ЭШПД были переплавлены электроды из стали типа 38ХНЗМФА. Выбор стали сделан из следующих соображений: растворимость азота в исследуемой стали в стандартных условиях не велика — константа растворимости в жидкой фазе при температуре 1600С составляет 0,047. Поэтому в интервале давлений азота до 2,0 МПа, допускаемых конструкцией печи ЭШПД, можно варьировать содержание азота в наплавляемом металле, вводимого с помощью азотированного хрома, в достаточно широких пределах при фиксированном содержании других легирующих элементов. При этом для растворов азота в жидкой стали во всем интервале давления будет выполнятся закон Сивертса.
Поскольку сталь 38ХНЗМФА является малолегированной, для нее с достаточным основанием можно принять коэффициент распределения азота между твердой и жидкой фазами такой же, как и для железа (около 0,3).
Для переплава использовали электроды диаметром 60 мм, с приваренными к ним трубками, заполненными азотированным хромом с содержанием азота 20%. Содержание хрома в исходном металле было рассчитано так, чтобы его недостаток компенсировал водимый при переплаве азотированный хром. В качестве затравок использовали шайбы толщиной 15-20 мм, отрезанные от электродов.
Согласно принятой схеме эксперимента, для определения пороговой концентрации азота, при которой образуются газовые пузыри в наплавляемом слитке, были проведены плавки при фиксированном давлении азота в рабочем объеме печи - 1,6 МПа, и с нарастающим расчетным содержанием азота в стали ( до появления пористости).
Плавки провели без каких-либо отклонений от заданного режима. Из наплавленных слитков были вырезаны осевые темплеты и изготовлены образцы для химического, газового и металлографического анализов. Технологические характеристики плавок и изменение химического состава металла в процессе ЭШПД приведен в табл. 5.1 и 5.2. Внешний вид слитков представлен на рис. 5.1.
Слитки Э1-71 и Э1-72 имели плотную структуру без каких-либо дефектов усадочного характера. Слиток Э1 -73 был пористым во всех горизонтах. Макроструктура осевого и поперечного темплетов этого слитка представлена на рис. 5.2.
Химический состав стали после ЭШПД соответствовал марочному и практически не имел существенных отличий по содержанию основных легирующих элементов и примесей. Исключение составил хром, содержание которого в плавке Э1-71 было повышенным, что обусловлено большим количеством азотированного хрома, введенного в процессе переплава.
