Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1 Анализ производства и применения феррованадия, ванадийсодержащих сплавов 8
1.2 Анализ металлургического производства арматурной стали 14
1.3 Применение микролегирующих элементов и особенности их влияния на структуру и свойства стали 18
1.4 Марочный сортамент арматурного строительного проката для железобетонных конструкций 26
Глава 2. Методики и материалы исследования 31
2.1 Метод расчётов влияния легирующих элементов на свойства арматурных сталей 31
2.2 Проведение экспериментальных плавок и получение проката 31
2.2.1 Получение лабораторных и опытно-промышленных партий ванадиевой лигатуры 32
2.2.2 Выплавка опытно-промышленной партии арматурной строительной стали 34
2.2.3 Испытания образцов арматурных сталей на огнестойкость и огнесохранность.. 35
2.2.4 Испытания арматурных сталей на свариваемость и хладостойкость 36
ГЛАВА 3 Разработка и оптимизация технологии переработки шлаковых отходов и методов получения ванадиевой лигатуры 39
3.1 Входной анализ опытной партии ванадийсодержащих шлаков сталеплавильного
производства 40
3.2. Отработка технологии подготовки шлака к опытным плавкам 53
3.3 Отработка технологических вариантов выплавки лигатур 59
3.3.1 Выплавка лигатуры силикотермическим процессом 60
3.3.2 Выплавка лигатуры алюминотермическим процессом 69
3.3.3 Проведение укрупненных плавок по производству ванадиевой лигатуры 75
Выводы по Главе 3 80
ГЛАВА 4. Опытно-промышленное опробование технологии производства хладостойких, свариваемых ванадийсодержащих сталей классов прочности А500 600 81
4.1 Оптимизация и расчет химического состава по углероду, марганцу и кремнию арматурного, микролегированного ванадием, проката 81
4.2 Изготовление опытно-промышленной партии арматурной стали 83
4.3 Производство термически упрочненной арматуры на непрерывном мелкосортном прокатном стане 280 85
4.4 Производство горячекатаной арматуры на непрерывном мелкосортном прокатном стане 280 89
4.5 Исследование влияния микролегирования стали ванадиевой лигатурой на макро и микроструктуру непрерывнолитой заготовки и подката 92
Выводы по Главе 4 94
Глава 5. Влияние ванадия на механические и эксплуатационные свойства свариваемой арматурной стали классов прочности А500 и А600 96
5.1 Критерии оценки свариваемости арматурных сталей 96
5.2 Оценка склонности к образованию холодных трещин при сварке – углеродный эквивалент 99
5.3 Исследование кинетики фазовых превращений аустенита в металле зоны
термического влияния при сварке 102
5.4 Исследование влияния ванадия на механические и эксплуатационные свойства 107
5.4.1 Влияние на стойкость против разупрочнения при сварке 107
5.4.2 Влияние на агрегатную прочность сварных соединений 111
5.4.3 Влияние на хладостойкость арматурного проката 113
5.4.4 Влияние на огнесохранность и огнестойкость арматурного проката 115
5.5 Исследование эффекта упрочнения арматурного проката ванадием 120
5.6 Оценка выносливости при циклических нагрузках ванадийсодержащей арматурной стали 121
Выводы по Главе 5 122
Глава 6. Промышленное опробование технологии производства ванадиевой лигатуры и арматурной строительной стали 124
6.1 Проведение кампании промышленных плавок по изготовлению ванадиевой лигатуры из отходов переработки ванадиевого конвертерного шлака 124
6.2 Проведение кампании промышленных плавок по изготовлению ванадиевой 127 лигатуры из ванадиевого шлака .
6.3. Производство арматурного проката в условиях Западно-Сибирского металлургического комбината 129
Выводы по Главе 6 129
ГЛАВА 7. Обоснование экономической эффективности разработанной технологии производства ванадийсодержащей арматурной стали 131
Выводы по Главе 7 136
Основные выводы 137
Список литературы
- Применение микролегирующих элементов и особенности их влияния на структуру и свойства стали
- Выплавка опытно-промышленной партии арматурной строительной стали
- Отработка технологических вариантов выплавки лигатур
- Производство термически упрочненной арматуры на непрерывном мелкосортном прокатном стане
Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из наиболее эффективных микролегирующих элементов при производстве стали является ванадий. Россия имеет развитое производство феррованадия, однако технология производства является многостадийной и затратной, поэтому применение феррованадия делает производство ванадийсодержащей стали массового назначения нерентабельной.
Существует значительное количество ванадийсодержащих отходов сталеплавильного производства, поэтому для снижения себестоимости ванадийсодержащих сталей целесообразным является разработка технологии получения экономичных лигатур в противовес применению стандартного феррованадия при производстве стали.
В первую очередь, применение ванадиевых лигатур относится к производству конструкционных строительных сталей. Марочный состав арматурных строительных сталей сформировался на опыте производства предыдущих десятилетий с устаревшей нормативной базой. Наиболее распространенные строительные стали Ст3сп, Ст5сп, 25Г2С и 35ГС изготавливают как в горячекатаном, так и в термически упрочненном состоянии. Они обладают гарантированными прочностными характеристиками, но не обеспечивают требований по комплексу эксплуатационных свойств, особенно по хладостойкости и свариваемости.
Таким образом, разработка технологии производства ванадиевых лигатур и дальнейшее их применение при производстве арматурной строительной стали является, безусловно, актуальной задачей.
Цель настоящей работы:
Разработка ресурсосберегающей, сквозной технологии производства арматурных ванадийсодержащих сталей классов прочности А500 и А600, обладающих комплексом механических и эксплуатационных свойств на основе технологии производства ванадиевых лигатур из отходов сталеплавильного производства.
Задачи исследования:
-
Исследование и разработка технологических вариантов производства ванадиевой лигатуры из отходов сталеплавильного производства. Оценка особенностей ее влияния на металлургическое качество НЛЗ и арматурного проката.
-
Исследование влияния химических элементов C, Mn, Si, V на механические свойства проката с построением регрессионных математических моделей по результатам экспериментов лабораторных и опытно-промышленных плавок.
3. Исследование механических и эксплуатационных свойств, включая свариваемость,
хладостойкость, огнестойкость и огнесохранность арматурного проката.
Научная новизна:
-
Изучено распределение V, Ti, Mn, Cr и Si между шлаком и металлом при алюминотермическом и силикотермическом восстановлении из сложных оксидных систем. Установлена высокая степень извлечения ванадия (89,8%) с получением сплава, содержащего до 22% (V), и определено высокое соотношение ванадия к другим элементам V/Si > 2,8; V/Mn > 1,3; V/Cr > 4,4; V/Ti > 2,7; V/C > 25.
-
Разработана математическая модель, описывающая эффект влияния химических элементов ванадия, углерода, марганца и кремния на изменение механических свойств арматурного проката классов прочности А500 и А600.
-
Определены два механизма упрочнения арматурной стали классов прочности А500 и А600:
- за счет наличия ванадия в твердом растворе аустенита, который проявляется при
термомеханической обработке проката;
- эффекта образования карбонитридов ванадия V(CN) за счет механизма дисперсионного
упрочнения феррита в зоне термического влияния при сварке и огнесохранности металла в
результате длительного теплового воздействия.
4. Разработаны методические основы проведения химического анализа
ванадийсодержащего конвертерного шлака, содержащего металловключения от микронных
размеров до скардовин.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
Разработаны и внедрены технологические рекомендации по производству ванадиевой лигатуры из отходов сталеплавильного производства на предприятии ОАО «Евраз Ванадий Тула».
Разработана и опробована технология промышленного производства арматурной строительной ванадийсодержащей стали классов прочности А500 и А600 из отходов сталеплавильного производства. Разработанная сквозная технология производства проката опробована в условиях ГУП «ЛПЗ» и Западно-Сибирского металлургического комбината.
Разработаны и представлены рекомендации для внесения в проект ГОСТ. «Прокат арматурный для железобетонных конструкций. Технические условия».
Установлено кардинальное повышение огнестойкости с 500 до 700оС за счет эффекта влияния микродобавок ванадия в арматурных строительных сталях.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Сквозная металлургическая технология производства ванадийсодержащей арматурной стали классов прочности А500 и А600 на основе технологии производства ванадиевых лигатур из отходов сталеплавильного производства.
2. Расчетные модели влияния химических элементов углерода, марганца, кремния и
ванадия на механические свойства горячекатаной и термоупрочненной арматурной стали.
-
Технологии сварки и критерии свариваемости стали для сварных железобетонных конструкций.
-
Результаты исследований механических и эксплуатационных свойств свариваемой, хладостойкой и огнестойкой арматурной стали класса прочности А500 и А600.
Личный вклад автора. Автор лично выполнял лабораторные и промышленные эксперименты, результаты которых изложены в диссертации. Основные положения диссертационной работы изложены автором лично.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа
соответствует паспорту специальности 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 9 «Подготовка сырьевых материалов к металлургическим процессам и металлургические свойства сырья», п. 14 «Металлургические шлаки и их использование».
Апробация работы. Результаты работы докладывались:
на VI конференции молодых специалистов в ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» 25-26 февраля 2015 года, г. Москва;
на научно-практической конференции ММАГС «Эффективные пути совершенствования сварочных производств в морской индустрии России», 21 мая 2015 года, г. Москва;
на IV Международной конференции «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» в ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», 24-25 июня 2015 года, г. Москва;
- на VII конференции молодых специалистов в ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» 17-
18 февраля 2016 года, г. Москва.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературы из 118 наименований и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 67 таблиц.
Применение микролегирующих элементов и особенности их влияния на структуру и свойства стали
Различные способы десульфурации чугуна приводят к повышению качества металла, однако эти процессы требуют применения дорогостоящего оборудования, дополнительного расхода материалов, способствуют значительному снижению температуры чугуна, а также длительны по времени, что в итоге повышает себестоимость конечной продукции.
За последние 20-25 лет в связи с прогрессом в технологии электросталеплавильного производства и внепечной обработки, созданию высокоскоростных машин непрерывного литья и сортовых прокатных станов [33,34], образованию избытка лома, полностью сформировалась экономическая концепция мини-заводов сравнительно не большой производительности [35].
Конкурентоспособность мини-заводов ориентированных на производство арматурного строительного проката, относительно металлургических комбинатов полного цикла, достигается за счет минимальной длительности цикла «выплавка-разливка-прокатка». На комбинатах средняя длительность цикла составляет 5-10 дней, на мини-заводах достигает 10-16 часов, а в отдельных случаях 2,5-3,2 часа [22].
Достижение минимальной длительности цикла производства осуществляется за счет согласования работы основных технологических агрегатов: электродуговая печь – агрегат внепечной обработки стали – машина непрерывной разливки – сортопрокатный стан.
Выплавку стали в электродуговых печах проводят по упрощенной технологической схеме без восстановительного периода [36]. Основная доля шихтовых материалов приходится на стальной лом (75-100 %) и чугун (не более 25 %) [37]. Для ускорения шлакообразования и совмещения процессов расплавления с дефосфорацией в печь присаживают известь и железную руду, агломерат или окатыши. После расплавления шихты из печи скачивают шлак и продувают ванну кислородом. При этом в металле идут процессы окисления углерода и дефосфорации. При повышенном содержании фосфора перед продувкой кислородом в печь вводят известь и плавиковый шпат. По окончанию продувки в печь загружают ферромарганец, силикомарганец, феррохром и др. При выпуске стали в ковш проводят раскисление алюминием. При наполнении 1/3 части сталеразливочного ковша вводят известь, ферромарганец и ферросилиций.
В начале внепечной обработки стали в агрегате ковш-печь проводят интенсивную продувку аргоном для перемешивания и усреднения температуры металла [38]. Дальнейшую обработку металла ведут с расходом аргона, обеспечивающим минимальное оголение зеркала металла в районе продувочного пятна. Рафинирующий шлак наводят с началом продувки стали аргоном присадками извести и плавикового шлака. После наведения основного шлака [39] для более глубокой десульфурации вводят проволоку с силикокальциевым наполнением.
Науглероживание арматурных сталей производят порошкообразным коксиком или проволокой порошковой с графитовым наполнителем. Корректировку стали по химическому составу проводят после наведения рафинирующего шлака. Ввод феррокальциевой проволоки производят за 5 минут до отдачи плавки на МНЛЗ при минимальном расходе аргона. После окончания ввода проволоки осуществляют продувку металла аргоном. С целью снижения тепловых потерь жидкой стали проводят загущение шлака в сталеразливочном ковше после внепечной обработки перед отдачей на МНЛЗ путем присадки магнезита. Применяемый диапазон температур металла в сталеразливочном ковше перед началом разливки: - Ст3сп (А500) – 1605-1615 оС; - Ст5сп (А600) – 1600-1610 оС. Внедрение на металлургических предприятиях машин непрерывной разливки с получением сортовых литых заготовок– по сравнению с разливкой стали в изложницы с последующей прокаткой слитков на обжимных станах, так же имеет ряд существенных преимуществ. Исключены потери, связанные с нагревом и прокаткой слитков на обжимных станах, резко сокращаются капитальные и трудовые затраты, а также расходы по переделу. Для внепечной обработки стали на МНЛЗ созданы промежуточные ковши различных конструкций, оборудованные приспособлениями, позволяющими производить операции, значительно улучшающие качество металла: продувку инертными газами, перемешивание, индукционный подогрев, охлаждение, формирование синтетического шлака, поглощение шлаком неметаллических включений. Кроме того, применяют различные способы воздействия на кристаллизующийся металл, позволяющее регулировать форму растущих дендритов [40].
В России и за рубежом созданы и успешно эксплуатируются принципиально новые агрегаты и устройства для производства термомеханического проката как с отдельного печного нагрева, так и в потоке станов с реализацией термомеханического эффекта упрочнения с использованием тепла нагрева под прокатку. Прокатка с регламентированными температурными и деформационными параметрами в сочетании с интенсивным охлаждением с различными скоростями охлаждения, вплоть до закалочных, позволяет получать широкий спектр и наперед заданные высокие прочностные характеристики проката [41].
На многих мини-заводах для повышения производительности используется слиттинг-процесс, при котором происходит разделение раската на два, три или четыре прутка, результатом чего является выход внутренних дефектов металла на поверхность арматуры [42].
В настоящее время достаточно хорошо известны основные пути изменения микроструктуры, приводящие к повышению прочностных и эксплуатационных характеристик конструкционных сталей. В наиболее общем виде они приведены в работах Голикова И.Н., Гуляева А.П., Гольдштейна М.И., Гудремон Э. [43-45]: повышение плотности дислокаций; образование твердых растворов; изменение размера зерна; образование дисперсных частиц второй фазы. К твердорастворным элементам в аустените относятся углерод и марганец, кремний является твердорастворным в феррите. Ванадий, ниобий и молибден относятся к элементам, вызывающих образования дисперсных частиц в и -железе [46].
С увеличением содержания углерода в стали изменяется структура, что заключается в увеличении количества перлита и приводит к повышению прочностных характеристик. С экономической точки зрения углерод является самым эффективным химическим элементом, повышающим прочность конструкционных сталей [47,48]. При увеличении объемной доли перлита в 2 раза (с 15 до 30 %) достигается увеличение предела текучести на 50 Н/мм2 и временного сопротивления на 100 Н/мм2. Повышение содержания углерода в стали приводит к существенному снижению характеристик сопротивления хрупкому разрушению и пластичности [49]. Характер изменения Т50 и работы при отрицательных температурах в зависимости от содержания легирующих элементов и углерода представлен на рис.1.3 а, б [50,51].
Выплавка опытно-промышленной партии арматурной строительной стали
При определении в пробах алюминия (237,312; 257.509; 396.152) отметили, что самая интенсивная линия элемента с длиной волны 396,152 нм. Градуировочные зависимости по всем линиям описаны только квадратичной функцией. Результаты определения алюминия в ГСО занижены, плохо повторяются, а результаты по образцам не попадают в градуировочный график. Результаты определения хрома по линии 267,716 нм повторяются лучше, чем по линии 284,984 нм. В обоих случаях градуировочная зависимость описана прямолинейной зависимостью. Линия меди 327,395 нм без наложений в спектре, меньшей ширины и более интенсивная, чем линия 324,754 нм. В обоих случаях градуировочная зависимость описана прямолинейной зависимостью. Для определения железа выбрали линию с длиной волны 361,187 нм, хотя ширина её больше и она менее интенсивная, чем линия 238,204 нм, градуировная кривая по ней лучше описана прямой. Для определения марганца выбрали линию с длиной волны 293,931 нм. Линия никеля 230,299 нм без наложений в спектре, в 2 раза более интенсивная, чем линия 221,648 нм. В обоих случаях градуировочная зависимость описана прямолинейной зависимостью (исключая первую точку графика). По линии фосфора 214,914 нм градуировочной зависимости не получено, т.к. этой линии практически не видно. Измерена линия серы с длиной волны 181,972 нм, по ней получена прямая градуировочная зависимость, которая не проходит через нулевую точку. Результаты измерений линии серы в ГСО и образцах ванадия находятся ниже значений, принятых в градуировочных растворах. В качестве внутреннего стандарта использовали линии 361,383 и 335,372 нм скандия. Но результаты с использованием внутреннего стандарта по всем элементам (кроме кремния) хуже, чем без его использования. Линия кремния с длиной волны 221,089 нм меньше по ширине и интенсивности (в 5 раз), чем линия 251, 611. Градуировочная зависимость описана уравнением прямой (только с исключением первой точки и по отношению к линии скандия 361, 383 нм). Получены результаты только по одному образцу – сильно заниженные, остальные результаты ниже значений в градуировке. По линиям ванадия 309,310 и 311,837 нм получены прямые градуировочные зависимости. Обе линии примерно одинаковые по интенсивности, линия 311,837 нм по ширине меньше, чем 309,310 нм. Повторяемость результатов по этим линиям меняется с каждой серией измерений. Поэтому измеряли каждый раз обе линии, затем выбирали из них ту, результаты по которой лучше повторяются. Результаты анализа представлены в таблице 3.5. В ней для сравнения приведены данные аттестации для стандартного образца и результаты, полученные методом РФА. Из этих результатов можно сделать вывод о правильности результатов определения хрома, меди, железа, марганца и ванадия в феррованадии методом АЭС-ИСП. В то же время следует отметить проблемы с определением алюминия, фосфора, серы и кремния.
Анализ шлаков от выплавки феррованадия методом АЭС-ИСП не проводили в связи с трудностями их растворения.
В работе применили рентгенофлуоресцентный спектрометр AXIOS Advanced фирмы PANalytical мощностью 4 кВт с 8 кристаллами-анализаторами, который позволяет определять качественно и количественно элементы от бора до урана в твёрдых, сыпучих и жидких образцах. Диапазон определяемых концентраций от 0,0001 до 100%. Спектрометр позволяет проводить бесстандартный полуколичественный анализ образца неизвестного состава. Спектрометр предназначен для высокоточного анализа неорганических материалов, например, металлов, сплавов, шлаков, руд, концентратов, отходов производства и т.д. В отшлифованных образцах металлов, при наличии градуировочных образцов, возможно определение самых лёгких элементов (B, C, N, O). Анализ может проводиться как в гелиевой, так и в вакуумной среде. В приборе предусмотрена возможность выбора для определения конкретного элемента коллиматора, детектора, коллиматорной маски, фильтра первичного излучения, тока и напряжения рентгеновской трубки. В методе не требуется длительной подготовки пробы, благодаря чему возможен анализ большого количества образцов в автоматическом режиме. Большое преимущество метода - возможность проведения бесстандартного анализа (без построения градуировочной зависимости по серии стандартных образцов). Но некоторые пользователи стали оценивать возможности метода РФА только по этому способу расчёта концентраций. Не всегда корректно сравнивать полуколичественный непроверенный способ расчёта без специальной пробоподготовки с результатами, полученными другими методами с длительной пробоподготовкой с использованием градуировочной зависимости, построенной по серии стандартов и т.д. Нужно проверять корректность результатов, подбирать лучшие условия измерения спектров. Для получения высокоточных результатов рекомендуется по серии стандартных образцов определять градуировочную зависимость, сплавлять пробы с получением стекла или шлифовать, если это металл. На рисунке 3.5 представлены градуировочные зависимости для прессованных и плавленых образцов. Из него видно, что путём сплавления достигается гораздо меньший разброс точек вокруг прямой. В методе существуют свои трудности, связанные с сильным матричным эффектом (на интенсивность линии определяемого элемента влияют концентрации остальных элементов), влиянием способа подготовки проб, крупности частиц и т.д.
Тем не менее «бесстандартный» анализ сегодня часто применяется в аналитической практике, иногда он просто незаменим, особенно в лабораториях, занимающихся анализом образцов неизвестного состава либо образцов с большим разбросом концентраций определяемых элементов. Для таких образцов без предварительного измерения спектра рентгеновской флуоресценции малопригодны методы, основанные на растворении проб в кислотах, поскольку нужно знать ориентировочный состав пробы, чтобы правильно выбрать способ растворения и подобрать градуировочные образцы схожие по химическому составу. «Бесстандартный» анализ методом РФА основан на подборе концентраций исходя из теоретических расчётов интенсивности рентгеновской флуоресценции (по так называемым фундаментальным параметрам).Q
Отработка технологических вариантов выплавки лигатур
Как видно из рассчитанных значений энтальпии процесс характеризуется большим выделением тепла, что приводит к экономии электроэнергии при производстве ванадиевой лигатуры алюминотермическим процессом.
На основании расчета шихтовых материалов проведена компания по выплавке ванадиевой лигатуры в лабораторных условиях.
В печь загружали шихтовую смесь равными порциями по мере проплавления. После завершения проплавления проводили выдержку в течение 10 минут, расплав перемешивали, после чего задавали алюминиевую крупку и известь. После перемешивания и выдержки 5 минут плавку выпускали в изложницу. Затем проводили отделение металла от шлака и последующее дробление для определения химического состава и степени восстановления ванадия. Основные показатели проведенной кампании представлены в таблице 3.19.
По результатам кампании рассчитан баланс по основным элементам.
Извлечение ванадия составляет 92,7 %, 7,2 % потеряно со шлаком. На плавке №1 повышенное содержание ванадия в шлаке связано с попаданием корольков металла, что фиксируется по повышенному содержанию железа в шлаке. Извлечение марганца в металл составляет 60 %. Извлечение титана в металл - 73 %, почти вдвое выше, чем при силикотермическом восстановлении. Избыточное содержание титана в шлаке связано с аномалией содержания TiO2 в шлаке первой плавки, что связано также с переходом шлака от промывной плавки. Извлечение хрома в металл – 99 %.
Примечание: Повышение содержания связано с переходом чугуна с предыдущей плавки (0,5-0,6 кг) Алюминотермическое восстановление шлака позволяет получить ванадиевую лигатуру, содержащую 21-22 % ванадия, 11 % марганца, 3,5 % кремния, 8,5% титана и 4,5 % хрома, 0,04 % фосфора, 0,02 % серы при остаточном содержании алюминия 2-4 %. Неожиданным результатом является низкое извлечение кремния (34 %) при высоком извлечении титана (73%).
Полученный сплав имеет высокое отношение содержания ванадия к сопутствующим элементам V/Si 6; V/Mn 2; V/Cr 4,5; V/Ti 2,4, при этом сопутствующие элементы в большинстве марок стали применяются вместе с ванадием и не являются вредными примесями.
На основании сравнительного анализа полученных результатов и уровня цен на шихтовые материалы для кампании укрупненных плавок была выбрана алюминотермическая технология.
С целью наработки опытных партий ванадиевой лигатуры для проведения промышленных плавок арматурной стали проведена кампания укрупненных плавок.
Плавки проводились в электропечи ДСП-0,2 с предварительным прогревом футеровки печи в течение 4 часов, после чего загружали шихтовую смесь, состоящую из ванадиевого шлака, алюминиевой крупки и извести. Загрузку шихты осуществляли равными порциями по мере проплавления. По завершению проплавления проводили 10 минутную выдержку, расплав перемешивали, далее загружали смесь алюминиевой крупки и извести. После перемешивания и выдержки в течение 5 мин плавку выпускали в изложницу. В период проплавления шихты сила ток составляла 2000 А, при прогреве шлака, выдержке расплава и доводке шлака сила тока составляла 1000 А при напряжении 70 В. Характеристика электропечи ДСП-0,2:
При промышленном производстве сплава таких значительных потерь не происходит в связи с возможностью количественного отделения шлака. При этом степень извлечения ванадия составит 95%, марганца - 89,7%, титана - 83,5%, хрома -90%, кремния - 62%.
Выплавка ванадиевой лигатуры обеспечивает извлечение всех полезных компонентов из шлака – ванадия, марганца, титана, хрома с высокой степенью извлечения. Извлечение ванадия при промышленном освоении технологии выплавки может обеспечить увеличение сквозного извлечения ванадия из шлака в сплав на уровне выше 95%, что на 15% выше сквозного извлечения ванадия из шлака в сплав при гидрометаллургическом переделе и выплавке стандартного феррованадия. Рост сквозного извлечения может обеспечить дополнительное производство ванадия в сплаве в объеме 200 т/год на 10000 т. перерабатываемого шлака.
1. Проведена отработка методов анализа ванадийсодержащего шлака и ванадиевой лигатуры с оценкой экспрессности и точности методов. Для проведения химического анализа проб лигатуры и шлака методом АЭС-ИСП требуется гораздо больше времени, чем методом РФА. Точность результатов определения ванадия, железа, марганца, хрома и меди в пробах ванадиевой лигатуры методом АЭС-ИСП подтверждена результатами анализа ГСО. Результаты определения ванадия и железа в ванадиевом шлаке методом РФА хорошо согласуются с аттестованными значениями. Определение содержания магния, алюминия и кремния необходимо проводить после построения градуированной зависимости и при подготовке проб сплавлением.
2. Опробованы варианты подготовки ванадийсодержащего шлака к плавкам. Показано, что оптимальным способом является дробление на виброщековых дробилках с отделением крупных металловключений.
3. Исследованы технологические варианты выплавки лигатуры из ванадийсодержащего шлака силикотермическим и алюминотермическим методами в лабораторных условиях. Получена опытно-промышленная партия ванадийсодержащей лигатуры (1241 кг) среднего химического состава: 18,6% V; 13,6% Mn; 6,5% Si; 6,7% Ti; 2,9% Al; 4,2% Cr; 0,06% S; 0,03% P. Показана возможность получения сплавов с высоким содержанием ванадия до 22% и высоким соотношением содержания ванадия к другим элементам V/Si 2,8; V/Mn 1,3; V/Cr 4,4; V/Ti 2,7; V/C 25. Извлечение ванадия в сплав составило 89,8% против 75-76% по традиционной технологии.
4. Таким образом, полученный сплав ванадия может широко применяться для легирования низколегированных сталей.
Производство термически упрочненной арматуры на непрерывном мелкосортном прокатном стане
Повышение содержания ванадия в стали положительно влияет на предел текучести при испытаниях на разрыв во время термического воздействия. Температурный порог огнестойкости повышается от 450 до 630оС по мере увеличения содержания ванадия в стали от 0,009 до 0,11%.
За огнесохранность железобетонной конструкции принимается такое состояние металла, при котором остаточная прочность или необратимые деформации обеспечивают надежную работу после температурного воздействия от пожара.
В результате испытаний по определению предела текучести арматурного проката, после предварительного термического воздействия, определен температурный порог огнесохранности. Микролегирование ванадием до 0,11% обеспечивает повышение уровня предела текучести с 500 до 650 Н/мм2, что гарантирует работоспособность металлической конструкции после воздействия пожара [118]. 117 Рисунок 5.22 Влияние ванадия на температурный порог огнесохранности Микроструктурным анализом установлен эффект измельчения микроструктуры, в результате которого сохраняются прочностные свойства и обеспечивается более мелкодисперсная микроструктура, размером зерен 2 - 4 мкм в сравнении с исходным металлом 5 -10 мкм. При повышении температуры до 750 оС происходит эффект разупрочнения и размер структурных составляющих достигает 15 мкм.
Широкое внедрение арматуры класса А600Си А500С не исключает возможности ее использования в конструкциях, подвергаемых воздействию многократно-повторяющихся нагрузок, в том числе в конструкциях, рассчитываемых на выносливость.
Методы контроля выносливости в разных стандартах имеют определенные отличия как по режимам испытаний (размах и максимальные напряжения, коэффициент асимметрии цикла), так и по нормируемому числу циклов нагрузки. Большинство стандартов предписывают проведение испытаний с не менее чем 2 млн. числом циклов нагрузки.
Учитывая одинаковый характер влияния ванадия на механические свойства исследуемого проката, за основу был принят прокат 12 мм.
Испытания на выносливость проводились на гидравлической испытательной машине с электронным управлением INSTRON5984 при частоте нагружения 20 Гц в режиме нагрузок: maх=360 Н/мм2; min=160 Н/мм2 как для арматурного проката класса А600, так и А500. Критерием разрушения образца является его разрыв в пределах рабочей длины (на участке между захватами). В случае разрыва в захвате производили перестановку стержня с уменьшением рабочей длины. Полная начальная длина образцов с учетом возможности таких перестановок была принята равной 900 мм. Испытания на выносливость проводили в соответствии с требованиями СТО АСЧМ 7-93 для арматурного проката класса А600С и ГОСТ Р 52544-2006 для арматурного проката класса А500С. Для каждого диаметра было испытано по 3 образца.
Все испытанные образцы выдержали без разрушений на рабочей длине 2 млн. циклов после чего испытания были остановлены.
1. С целью предупреждения образования холодных трещин и эффекта разупрочнения при сварке арматурных строительных сталей определены допустимые уровни углеродного эквивалента С1 менее 0,35 и С2 в диапазоне 0,36 - 0,45.
2. Термокинетический анализ фазовых превращений в зоне термического влияния при сварке показал, что композиции низкоуглеродистых, микролегированных сталей ванадием, обеспечивают высокую стойкость против образования холодных трещин вследствие смещения мартенситного превращения в сторону более высоких скоростей охлаждения.
3. Экспериментально установлено, что наибольший эффект разупрочнения в зоне термического влияния стали 0,16%С-0,75%Mn-(0,009-0,030)%V находится в широком температурном интервале от 750 до 1250 оС (линия сплавления). По мере повышения содержания ванадия в стали эффект разупрочнения наблюдается в узких диапазонах температур: 0,075%V – от 800 до 1100 оС и 0,11%V - от 850 до 1050 оС.
4. По результатам испытаний на растяжение сварных соединений выявлено, что повышение содержания ванадия уменьшает эффект разупрочнения при контактно-стыковой, контактно-точечной, электродуговой и дуговой сварке прихватками. Для выполнения нормативных требований СТО АСЧМ (740 Н/мм2) необходимо обеспечить содержание ванадия в стали не менее 0,09%.
5. Микроструктурным анализом и экспериментальным способ установлено, что повышение содержания ванадия положительно влияет на предел текучести при испытаниях на разрыв после термического воздействия. Температурный порог огнесохранности повышается от 550 до 650оС по мере увеличения содержания ванадия в стали от 0,009 до 0,11%.
6. Ванадий в композиции легирования 0,16%C - 0,75%Mn - 0,20%Si однозначно улучшает хладостойкость арматурного проката при его содержании в пределах 0,07-0,09%, температурный порог хладостойкости до -60оС. Повышение содержания ванадия более 0,10% ухудшает показатели порога хладостойкости Т50, величина которого снижается до -30 оС.
7. Повышение содержания ванадия положительно влияет на предел текучести при испытаниях на разрыв во время термического воздействия. Температурный порог огнестойкости повышается от 450 до 630оС по мере повышения содержания ванадия в стали от 0,009 до 0,11%.