Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор путей оптимизации
Управление морфологией неметаллических включений 9
1.2. Раскисление и модифицирование стали 15
1.3. Комплексное модифицирование... 20
1.4 Зарождение, укрупнение и удаление неметаллических включений продуктов раскисления 27
1.5 Микролегирование стали карбонитридообразующими элементами 30
1.6 Влияние структурных и металлургических факторов на надежность на разрушение стальных изделий 35
1.7. Принципы разработки высокопрочных сталей 44
1.7.1. Современная концепция высокопрочного состояния 44
1.7.2. Механизмы упрочнения и процессы упрочнения напряжения
трения кристаллической решетки 46
ГЛАВА 2. Аналитический обзор технологии производства крупных слитков ответственного назначения .
2.1. Методы внепечной обработки стали 56
2.2. Методика проведения исследований 59
2.3. Технология обработки стали в агрегатах УВРВ 63
2.3.1 Перелив из сталеплавильного агрегата и подготовка к вакуумированию 63
2.3.2. Вакуумирование 65
2.3.3. Легирование и рафинирование 68
2.3.4. Обезводороживание и факторы, влияющие на него
2.4. Качество стали, прошедшей внепечную обработку 73
2.5. Рациональные режимы обработки стали на УВРВ
2.5.1. Возможные варианты обработки стали на УВРВ 75
2.5.2. Основные положения технологии производства хромоникелевых конструкционных сталей для крупных слитков 77
2.5.3. Заключение 78
ГЛАВА 3. Исследование влияния технологии плавки на качество крупных слитков отвественного назначения
3.1. Сравнительное исследование металла разных способов выплавки стали
3.1.1 Технология изготовления поковок и их термическая обработка..81
3.1.2. Исследование качества металла 82
3.2 Исследование процессов модифицирования стали.. 87
3.2.1. Влияние комплексных модификаторов на кристаллизацию и свойства стали 87
3.2.2. Исследование качества модифицированных сталей марок
3.2.2. Исследование качества модифицированных сталей марок 16ГНМА, 10ГН2МФА, 25ХЗМФА, 15Х2МФА 88
3.3 Механизм образования флокенов в легированной стали 94
3.4. Исследование поведения водорода при обработке в агрегатах ковш печь 98
3.4.1. Влияние обработки в агрегатах ковш-печь на качество стали 98
3.4.2.Исследование поведения водорода при обработке в агрегатах ковш-печь 103
3.5 Исследование изменения состава неметаллических включений в зависимости от способа раскисления металла в процессе внепечной
обработки стали 15Х2НМФА на УВРВ 106
3.5. Аналитический обзор влияния технологии раскисления металла на загрязненность стали 15Х2НМФА оксидными неметаллическими включениями 106
3.5.2. Анализ влияния технологии раскисления в процессе внепечной обработки на УВРВ на загрязненность стали газами и неметаллическими включениями 108
3.5.3. Результаты рентгеновского и петрографического микроанализа состава оксидных неметаллических включений 111
3.5.4. Фазовый состав и распределение неметаллических включений по высоте крупных слитков 113
ГЛАВА 4. Разработка технологии отливки крупных кузнечных слитков ответственного назначения .
4.1. Анализ процесса затвердевания и образования зоны внецентренной
ликвации в крупных стальных слитках 116
4.1.1 Обзор методов воздействия на процесс затвердевания 116
4.1.2 Метод прогнозирования параметров зоны внецентренной ликвации 122
4.2. Определение коэффициента осевой ликвации в крупных стальных слитках 125
4.2.1. Исследование влияния степени зональной ликвации на фазовые и структурные превращения в стали 15X3НМФА 126
4.3. Выбор оптимальных параметров слитка массой 420 т 129
4.4 Исследование качества слитков 420 т 134
4.5 Исследование осевой зональной ликвации и качества металла крупногабаритной обечайки из 360-т слитка стали 15Х2НМФА для атомного реактора 138
4.5.1. Исследование качества металла [145] 138
4.5.2. Исследование степени осевой зональной ликвации 360-т слитка. 143
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОВКИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
5.1. Технология ковки обечаек из стали 15X3НМФА от слитка массой 360 для корпуса атомного реактора 148
5.1.1. Технология выплавки, обработки на УВРВ и отливки слитков массой 360 т из стали 15X3НМФА 148
5.1.2. Исследование температурного интервала пластичности 150
5.1.3. Расчет температурных режимов ковки 151
5.1.4. Разработка и исследование фактического процесса ковкиобечаек из слитков массой 360 т 153
5.2. Термическая обработка поковок 155
ГЛАВА 6. Исследование влияния технологических факторов производства на качество металла заготовок роторов турбогенераторов .
6.1. Краткий анализ технологии плавки роторных сталей 163
6.2. Технология ковки заготовок роторов 164
6.2.1. Ковка роторов с диаметром бочки менее 1400 мм 165
6.2.2. Ковка роторов с диаметром бочки более 1400мм с глубокой осадкой со степенью деформации более 50% 165
6.2.3. Ковка слитков после корректировки технологии на сталеплавильном переделе 167
6.3. Анализ технологии термообработки и результатов испытаний механических свойств заготовок роторов 171
6.3.1. Термокинетические диаграммы стали 26ХНЗМ2ФА 171
6.3.2. Предварительная термообработка заготовок роторов ЦНД и ЦВД 173
6.3.3. Окончательная термообработка заготовок роторов ЦНД и ЦВД. 174
6.3.4. Исследование механических свойств 175
6.3.5. Исследование причин снижения уровня механических свойств металла из зоны среднего паза поковок 177
6.3.6. Заключение 179
ГЛАВА 7. Исследование качества поковок из стали sa336f11с12 и сдвига критической температуры хрупкости после теплового охрупчивания .
7.1. Требования к материалу обечаек 181
7.2 Технология изготовления заготовок обечаек 182
7.2.1. Выплавка и отливка слитков 182
7.2.2 Ковка заготовок обечаек 183
7.2.3. Основная термическая обработка заготовок 185
7.2.4. Механические свойства металла 185
7.2.5. Исследование микроструктуры 186
7.3. Специальные исследования качества металла 188
7.3.1. Построение термокинетической диаграммы переохлажденного аустенита. Определение критических точек 188
7.3.2. Исследование температурно - временных параметров роста аустенитного зерна 191
7.3.3. Определение склонности к росту аустенитного зерна методом цементации 192
7.3.4. Фрактографическое исследование изломов 192
7.2.5. Исследование фазового состава 193
7.4 Тепловое охрупчивание стали 194
ГЛАВА 8. Исследование качества поковок из стали 15ХЗМФ .
8.1. Химический состав и оценка структуры стали после термической обработки 202
8.2. Определение механических свойств и сдвига критической температуры хрупкости после теплового охрупчивания 204
8.3 Специальные методы испытаний 206
8.3.1. Определение температуры нулевой пластичности (TNDT) 206
8.3.2 Испытания на вязкость разрушения 209
Общие выводы. 215
Список литературы
- Влияние структурных и металлургических факторов на надежность на разрушение стальных изделий
- Перелив из сталеплавильного агрегата и подготовка к вакуумированию
- Аналитический обзор влияния технологии раскисления металла на загрязненность стали 15Х2НМФА оксидными неметаллическими включениями
- Исследование осевой зональной ликвации и качества металла крупногабаритной обечайки из 360-т слитка стали 15Х2НМФА для атомного реактора
Введение к работе
Актуальность работы. Прогресс современного машиностроения во многом опирается на развитие металлургии и металловедения Создание новых материалов и разработка передовых технологий их производства дает возможность создавать новые, не имеющие аналогов механизмы Разработка новых материалов и технологий стимулирует появление новых технических идей и проектов
Увеличение единичной мощности крупных энергоагрегатов, в том числе АЭС и химических установок требует, для изготовления необходимых им деталей, получение слитков й поковокбольаиой массыу которые должны обладать необходимым уровнем свойств и качества, гарантирующих максимальную надежность при эксплуатации изделий Вместе с тем, с повышением массы слитка увеличивается дендритная и зональная ликвации, укрупняются неметаллические включения, изменяется макроструктура, что приводит к снижению стабильности свойств по сечению поковок Поэтому для обеспечения надежности и долговечности работы крупногабаритных изделий актуальным является получение крупных слитков высокого качества Необходимо отметить, что многие дефекты стальных слитков, образуются не только при кристаллизации, но и закладываются уже в жидком металле
До недавнего времени к крупным слиткам относили слитки массой до 100 т Однако в настоящее время для нужд специального машиностроения необходимы слитки массой более 400 т, которые обладали бы максимальной равномерностью по составу, качеству и отсутствием дефектов
До настоящего времени в отечественной литературе отсутствуют комплексные исследования, направленные на совершенствование технологии производства и повышение ресурса ответственных изделий большой массы В России и СНГ подобные исследования возможно проводить только на предприятии ООО «ОМЗ-Спецсталь», обладающим необходимым оборудованием для производства особо крупных слитков Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось исследование и совершенствование качества металла особо крупных слитков массой более 400т и изготавливаемых из них ответственных изделий Для решения поставленной задачи произведен выбор основных факторов, влияющих на качество крупных слитков и поковок из легированных конструкционных сталей Учитывая важную роль неметаллических включений, особое внимание уделено управлению их морфологией за счет оптимизации технологии раскисления стали, включая углеродное и бескремнистое раскисление, применения модификаторов Показана, за счет внепечной обработки в агрегате «ковш-печь»(УВРВ), возможность повышения качества стали при производстве крупных поковок для энергомашиностроения Разработана технология рафинирования жидкой стали за счет продувки аргоном и вакуумирования
Исследовано влияние осевой и внеосевой зональной ликвации на качество крупных слитков и разработаны мероприятия по их устранению
Исследовано влияние термомеханической обработки на структуру и свойства крупных поковок и разработана технология ее применения
Разработана технология ковки и термической обработки обечаек стали 15Х2НМФА и слитка массой 360т для корпуса атомного реактора
Исследовано влияние технологических факторов производства на качество металла заготовок роторов турбогенераторов из стали 26ХНЗМ2ФА, 35ХНЗМФА и 30ХНЗМ1ФА
Проведено исследование и разработана технология производства заготовок из стали SA336Fllcl 2, для изделий ответственного назначения Проведен анализ природы тепловой хрупкости и оценка сопротивления стали тепловому охрупчиванию после отпуска по режиму Step cooling
Исследовано качество металла поковок стали 15ХЗМФ Определен сдвиг критической температуры хрупкости после теплового охрупчивания Определена температура нулевой пластичности Tndi и проведены испытания на вязкость разрушения при низких температурах
Научная новизна результатов работы состоит в следующем
Разработаны научные основы технологических процессов выплавки, внепечной обработки, разливки, деформации и термообработки сталей специального назначения, позволившие впервые в практике отечественной металлургии получить сверхкрупные слитки высокого качества для изделий атомного, энергетического и тяжелого машиностроения
Предложена оригинальная технология, вакуумного углеродного раскисления стали, позволившая, в процессе рафинирования на установке внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ), снизить содержание кислорода до 40 ррш, водорода менее 1,5 ррю
Установлены закономерности и экспериментально подтверждено влияние химического состава металла и шлака на процесс вакуумирования при внепечной обработке сталей на УВРВ Установлена количественная зависимость степени обезводородораживания металла от интенсивности перемешивания
Разработаны принципы раскисления металла для получения мелких глобулярных неметаллических включений, равномерно распределенных по сечению слитка с применением вакуумного углеродного раскисления при разливке стали
» На основе большого количества экспериментальных результатов выявлено, что коллекторы водорода являются основным очагом образования флокенов Микрофлокены размером менее 1мм могут сливаться в единую обширную трещину Флокены, образующиеся при механических испытаниях, имеют одинаковые с обычными флокенами микрофрактографические признаки и могут служить причиной образования очагов разрушения при эксплуатации
Оптимизирована конфигурации крупных и сверхкрупных кузнечных слитков, позволившие получить заданное строение структуры, минимальное развитие физико-химической неоднородности и создать рациональную технологию пластической деформации слитка
Выявлены основные параметры (температура и содержание легирующих элементов в жидком металле) и их влияние на степень неоднородности крупных слитков, полученных при многоковшевой разливке
Развита и экспериментально подтверждена модель, которая позволяет прогнозировать протяженность и расположение зоны шнуров внцентренной ликвации, что обеспечивает оптимизацию схемы деформации и необходимое качество ответственных изделий
Достоверность Результаты исследований и испытаний получены с использованием современного испытательного оборудования Параметры, разработанных технологических процессов, установлены на основании использования современных методик моделирования металлургических процессов, анализа большого массива экспериментальных данных, теоретически обоснованы Контроль качества металла заготовок, изготовленных по разработанным технологическим регламентам, для конкретных промышленных заказов, установил его соответствие самым высоким требованиям, подтвердив достоверность результатов выполненных разработок в условиях их промышленного внедрения
Практическая значимость и реализация результатов работы. Полученные результаты и технические решения успешно реализованы в фактических результатах работы, выполненных в ОАО «Ижорские заводы» и ООО «ОМЗ - Спецсталь» К ним относятся
разработка научных основ, технологических принципов проектирования сквозных технологических процессов производства крупных слитков легированных марок стали и поковок из них, для изделий ответственного назначения,
установление и внесение в технологические инструкции, параметров внепечной обработки стали,
внедрение усовершенствованного способа раскисления металла, позволившего снизить содержание и осуществить значительное измельчение оксидных неметаллических включений,
с целью снижения развития ликвационных процессов при отливке сверхкрупных слитков из нескольких ковшей оптимизирован гемнературно-скоростной режим разливки металла и дифференцированно ''содержание углерода и молибдена в каждом ковше, применение вакуумного раскисления углеродом в вакуумной камере во время заливки слитка, J
впервые в практике отечественной металлургии, разработка конструкции изложницы и отливха сверхкрунных слитков, легированной стали, массой до 420т Проведенные испытания подтвердили получение металла заготовок высокого качества, удовлетворяющего требованиям технических условий в полном объеме,
оптимизация химического состава стали по содержанию вредных и цветных примесей на основе оценки коэффициента охрупчивания и сдвига критической температуры хрупкости,
разработка температурно-временных режимов ковки и термической обработки крупных поковок из легированных марок стали ответственного назначения,
на основании выполненных исследований в «ОМЗ - Спецсталь» разработана и внедрена нормативно-техническая документация производства стальных заготовок из крупных слитков на всех технологических этапах изготовления,
По разработанным технологическим режимам на «ОМЗ - Спецсталь» организовано промышленное производство крупных слитков и поковок кз конструкционных хромоникелевых сталей для ответственных изделий по заказам энергетики и нефтепереработки
Поковки из крупных слитков, изготовленные в «ОМЗ - Спецсталь», соответствуют самым высоким требованиям, в том числе и по международным стандартам
Конкурентоспособность Впервые в отечественной практике произведены слитки массой 420 тонн для ответственных заказов энергетики Использование разработанных и внедренных на ООО «ОМЗ-Спецсталь» технологий позволило существенно повысить эффективность производства крупных слитков Так при производстве поковок из слитков массой 205-420 тонн расход металла снизился на 7-10%, энергозатраты снизились на 5-10%, трудозатраты на 15-20% За счет коренного повышения металлургического качества слитков существенно повысились эксплуатационные характеристики изделий производимых из этих слитков
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технических советах ОАО «Ижорские заводы», ООО «ОМЗ-Спецсталь» в 1985-2005г г, представлялись на II конгрессе сталеплавильщиков в Липецке в 1993, на Ш конгрессе сталеплавильщиков Москве в 1995, на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства в Волгограде в 2002, на XII научно-технической Международной конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» в Санкт-Петербурге 2006г
Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 41 печатная работа, включая 16 авторских свидетельств и патентов
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав и основных выводов Она изложена на 230 страницах, содержит 86 рисунков и 72 таблицы Список литературы содержит 165 наименований
Влияние структурных и металлургических факторов на надежность на разрушение стальных изделий
Элементы-раскислители снижают коэффициент активности кислорода и тем самым его реакционную способность и, следовательно, возможность взаимодействия с другими элементами. Присутствующие в стали кремний и особенно марганец значительно повышают раскислительную способность алюминия. Этот процесс протекает до концентрации алюминия в металле, близкой к 0,05 %. При более высокой его концентрации влияние кремния и марганца незначительно из-за образования чистого глинозема.
Исследования показали, что подобные изменения раскислительной способности характерны и для комбинаций более сильных раскислителей: алюминия, кальция, церия. Эти раскислители в комплексе действуют значительно эффективнее, чем каждый в отдельности. Так, в сталях с 0,2-0,4%С, раскисленных А1, А1+- Са, А1 + Са + Се, содержание кислорода снижается с 0,0040 до 0,0025 %.
Изменение морфологии неметаллических включений может быть столь же эффективно для повышения конструкционной прочности, как измельчение зерна. Состав и морфология неметаллических включений определяются химическим составом стали, технологией раскисления и модифицирования, условиями кристаллизации и термической обработки.
Окончательное раскисление конструкционных сталей практически всегда осуществляется алюминием, который обеспечивает достаточно низкое содержание кислорода в стали (0,003-0,005%) и получение плотного металла. Кроме того, алюминий благодаря способности вступать в химическую реакцию с азотом, растворенным в стали может быть регулятором размера зерна аустенита при производстве сталей с наследственно мелкозернистой структурой. Получение мелкозернистой структуры является эффективным средством упрочнения стали и повышения ее сопротивляемости разрушению. Алюминий, хотя и не образует химических соединений с серой, оказывает значительное влияние на форму и характер расположения сульфидных включений.
В зависимости от химического состава и характера раскисления в стали могут образовываться сульфиды трех типов (по Симсу и Далю). I тип - мелкие глобулярные сульфиды и оксисульфиды, которые выделяются в сталях в междуветвиях дендритов аустенита в виде капель высокосернистой жидкости при раздельном или кооперативном монотектическом превращении. Эти капли при дальнейшем охлаждении затвердевают в виде сульфида марганца или оксидсульфидных включений. Такой тип включений характерен для сталей, содержащих малые количества алюминия; II тип характерен для хорошо раскисленных сталей, но содержащих малые количества избыточного алюминия.
К этому типу относятся эвтектические сульфиды, образующиеся при кооперативной (совместной) эвтектической кристаллизации; сульфид марганца в эвтектической колонии растет в виде непрерывно разветвленного скелета со случайно изогнутыми ветвями или в виде дендрита с в основном кристаллографически закономерно направленными ветвями; при росте колоний дендритной эвтектики ведущую роль обычно играет сульфид, но нередко рядом выделяющийся аустенит случайно изменяет направление роста сульфидных ветвей. Такие сульфиды играют роль пленок, расположенных по границам зерен, что приводит к резкому ослаблению межкристаллитных связей и существенному снижению пластических и вязких свойств стали. Чтобы предотвратить образование неблагоприятной формы сульфидов в стали, необходимо обеспечить концентрацию марганца 0,5-0,6 % и воздействовать на этот процесс добавками алюминия и десульфурирующих элементов.
Количество остаточного алюминия, при котором образуются сульфиды второго типа, часто называют «критической концентрацией». Точные границы критических концентраций алюминия зависят от конкретного химического состава стали III тип - ограненные, якореобразные и дендритные сульфиды, образующиеся в условиях раздельной эвтектической кристаллизации при дальнейшем увеличении концентрации алюминия. Сульфиды этого типа сравнительно крупные, неправильной остроугольной формы частиц. Они в меньшей степени снижают качество стали, чем включения второго типа, но все же в большей степени ухудшают свойства металла, чем включения первого типа.
Количество алюминия, обусловливающее образование сульфидов того или иного типа, зависит от состава стали и в значительной мере от содержания углерода. Согласно Симсу, критическое содержание алюминия, при котором образуются включения второго типа, составляет примерно 0,01-0,10 % в низкоуглеродистой стали, 0,005-0,015 % - в среднеуглеродистой и 0,005-0,020 % - в высокоуглеродистой. Однако значительное увеличение содержания алюминия в стали может в некоторых случаях при медленом охлаждении приводить к образованию нитридов алюминия по границам зерен. Нитридные включения пленочного типа, как и сульфидные, обусловливают межзеренный излом, низкие пластические и вязкие свойства стали и повышенную ее склонность к образованию трещин.
Для получения сульфидов первого типа необходимо иметь в стали докритическое содержание алюминия. Однако этого количества алюминия, как правило, недостаточно для изготовления плотного слитка с мелкозернистой структурой. Поэтому для получения качественного слитка необходимо введение в сталь сверхкритического количества алюминия. Так, в соответствии с термодинамическими расчетами содержание растворенного кислорода в низкоуглеродистой стали 12ХГФЛ, не раскисленной алюминием, может достигать 0,007 %, что не позволяет получить плотную отливку. Следовательно, для снижения концентрации растворенного кислорода необходимо раскислять сталь сильными элементами-раскислителями. Критическое содержание алюминия в этой стали составляет 0,02 %, а оптимальная его концентрация должна быть в пределах 0,03-0,06 %.
На растворимость серы в жидком металле и процессы образования сульфидных включений, а следовательно, и на критические содержания алюминия влияет химический состав стали и особенно содержание углерода.
При раскислении конструкционной стали алюминием концентрация его обычно не достигает равновесной с азотом и в жидком металле нитриды алюминия, как правило, не образуются. Однако после затвердевания по мере охлаждения стали растворимость азота значительно снижается и в случае отсутствия более сильных нитридообразующих элементов он выделяется из твердого раствора в виде нитридов алюминия. Максимальное количество нитридов выделяется при 800-1000 С. При этом чем ниже температура нитридообразования, тем больше пленочных нитридов алюминия выделяется по границам зерен, что способствует формированию меж-зеренного излома и резкому снижению механических характеристик и хладостойкости.
В работе [11] показана возможность нейтрализации отрицательного влияния алюминия путем дополнительного микролегирования стали титаном, который связывает азот в жидкой стали и препятствует образованию нитридов алюминия. Однако титан оказывает сложное влияние на свойства стали. С одной стороны, вследствие образования нитридов титана измельчается структура и уменьшается размер зерна аустенита. С другой стороны, при введении титана в стали могут образовываться пленочные титансодержащие карбиды и сульфидные включения, вызывающие снижение ударной вязкости металла. В связи с этим содержание титана в стали следует ограничивать. Так, несмотря на то, что в ранее упоминавшейся стали 12ХГФЛ есть нитридообразующий элемент ванадий, добавка 0,01-0,03% Ті позволила уменьшить размер зерна на 1-2 балла и стабильно повысить ударную вязкость KCV60 с 20-25 до 30-35 Дж/см2.
В последние годы широкое применение при производстве сталей для слитков и отливок получили ЩЗМ и РЗМ. Благотворное влияние этих элементов на механические и эксплуатационные свойства связывают с их высокой раскислительной способностью, рафинирующим эффектом и глобуляризацией неметаллических включений. Однако применение этих элементов эффективно после предварительного раскисления алюминием. Бескремнистое раскисление.
Одним из путей повышения вязкости стали является использование метода бескремнистого раскисления (или иначе марганцево-алюминиевого раскисления). Сущность способа заключается в том, что раскисление стали осуществляется алюминием, алюминием и титаном или алюминием и марганцем, В этом случае кремний при необходимости вводят в полностью раскисленную сталь. Этот метод раскисления предложен С.М.Барановым еще в 40-х годах. Бескремнистое раскисление обеспечивает очищение стали от поверхностно-активной примеси - монооксида кремния, располагающейся по границам зерен, и приводит к снижению критической температурф хрупкости, а также к существенному повышению составляющих характеристик ударной вязкости - работы зарождения и развития трещины.
Бескремнистое раскисление благоприятно влияет на форму неметаллических включений, в результате чего более чем в 1,5 раза повышается отношение количества включений глобулярной формы к количеству включений остроугольной формы. В металле, обработанном силикокальцием, степень глобуляризации увеличилась незначительно, но существенно изменилась степень дисперсности неметаллических включений: их размеры уменьшились с 6-12 до 2-5 мкм. Количество вязкой составляющей в изломе составило около 100% при снижении температуры испытания до - 40С.
Перелив из сталеплавильного агрегата и подготовка к вакуумированию
Одновременное повышение твердости, прочности и ударной вязкости обеспечивает никель во всем диапазоне концентраций и марганец в количестве до 2,0%. Хром мало влияет на твердость феррита, но при содержании до 1,5% увеличивает его вязкость. Увеличение содержания кремния более 0,8% приводит к резкому снижению ударной вязкости. Кремний и марганец во всем исследованном диапазоне концентраций значительно повышают твердость феррита. Введение в сталь марганца до 2 % и кремния до 0,8 % приводит к заметному упрочнению ферритной матрицы, почти не ухудшая ее пластичности и вязкости.
Влияние легирующих элементов на усталостную прочность сталей примерно такое же, как на их твердость и временное сопротивление.
Большое влияние на характер разрушения оказывает размер зерна стали. При измельчении зерна растет предел текучести и одновременно снижается температура перехода в хрупкое состояние. Увеличение средних размеров зерен низколегированной стали от 15 до 50 мкм за счет изменения режима аустенитизации и скорости охлаждения приводит к повышению критической температуры на 60 С и снижению ударной вязкости на 40-50Дж/см2.
Для одновременного повышения прочности и хладостойкости стали широко применяют микролегированиесильными карбонитридообразующими элементами. С этой целью используют металлы IV и V групп: ванадий, ниобий, титан и цирконий. Их действие рассмотрено в параграфе 1.5.
Влияние вредных примесей и газов
Резко отрицательное действие на хладостойкость оказывают вредные примеси: фосфор и сера. Растворяясь в феррите, фосфор заметно искажает кристаллическую решетку твердого раствора и повышает температуру перехода в хрупкое состояние. Охрупчивающее влияние фосфора усиливается при обогащении им межзеренных границ благодаря развитию ликвационных процессов. Обогащение фосфором границ аустенитных зерен может также явиться следствием перераспределения примесей из-за неодновременного протекания процессов превращения неравновесных структур. Обратимая отпускная хрупкость способствует не только абсолютному уменьшению уровня ударной вязкости, но и существенному повышению порога хладноломкости. Легирование молибденом снижает как склонность стали к отпускной хрупкости, так критическую температуру хрупкости. Охрупчивающее влияние фосфора возрастает при увеличении содержания углерода, особенно более 0,3%. Повышение содержания фосфора на 0,01% в литой стали 35Л увеличивает критическую температуру хрупкости на 20С.
В отличие от фосфора сера практически нерастворима в феррите и присутствует в стали в виде сульфидов. Сернистые включения могут иметь вид обособленных сульфидов и в виде строчек располагаются по границам зерен. Последний вид включений особенно вреден с точки зрения хладостойкости стали, так как приводит к ослаблению границ зерен и затрудняет пластическую деформацию. Введение марганца в жидкую сталь приводит к образованию сульфида марганца вместо сульфида железа, что несколько уменьшает вредное влияние серы. Однако сульфиды марганца пластичны при, температурах горячего деформирования и не улучшают ударную вязкость в направлении, перпендикулярном направлению прокатки.
Из газов, растворенных в стали, особенно неблагоприятное действие на хладостойкость оказывает водород. Водород в стали может находиться либо в твердом растворе внедрения в виде атомов или ионов, либо в молекулярной форме. В последнем случае он располагается в порах, иногда называемых коллекторами, водорода, причем давление водорода в коллекторах может достигать значительных величин. При повышенных температурах и давлении водород может взаимодействовать с углеродом с образованием метана. Реакция образования метана протекает преимущественно по границам зерен, что ослабляет связь между ними. Внутреннего давления водорода в порах недостаточно для образования трещин. Разрушение развивается при миграции водорода в очаг деформации перед растушей трещиной. Подвижность водорода и его способность легко перемешаться вместе с дислокациями приводит к скоплению водорода в местах концентрации напряжений, на границе включение - матрица, что способствует хрупкому разрушению стали, особенно при низких температурах.. Эффективное очищение стали от вредных примесей и газов достигается при использовании установок внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ). В них наводится высокоактивный шлак, применяется вакуумное раскисление углеродом и дегазация. В табл. 1.5 приведены некоторые показатели выплавки толстолистовой высокопрочной среднелегированной стали марки 35Х2Н4МДФА по двум вариантам. Первый вариант предусматривал обработку полупродукта на УВРВ с применением РЗМ для раскисления и десульфурации, вакуумирование, раскисление кремнием на 0,15-0,18% и окончательное раскисление алюминием из расчета 0,3 кг/т с введением РЗМ в количестве также 0,3 кг/т. Второй вариант предусматривалобычную мартеновскую выплавку с раскислением, аналогичным первомуварианту. Обработка на УВРВ позволяет существенно уменьшить содержание вредных примесей, газов и неметаллических включений, что благоприятно влияет на уровень механических свойств при низких температурах
Средние показатели выплавки стали 35Х2Н4МДФА Номер варианта [О], % [S], % Содержание неметаллических включений, % по объему оксиды сульфиды 1 0,0021 0,004 0,015 0,010 2 0,005-0,009 0,01-0,02 0,052 0,045 Влияние неметаллических включений на трещиностойкость Влияние неметаллических включений на трещиностойкость, помимо структуры и состава стали, определяется внешними условиями нагружения: температурой, характером нагружения, средой и т.д. Наибольшее влияние неметаллические включения оказывают на рост вязкой трещины, где они действуют как система пор в металле. Энергия разрушения затрачивается на пластическую деформацию матрицы и на преодоление межфазной поверхности энергии при отрыве деформируемой матрицы от включения [3].
Природу и характер распределения неметаллических включений исследовали на деформируемых сталях марок ЗОХМА, 35ХМФА, 38Х2Н2МА. Результаты оценки загрязненности сталей неметаллическими включениями приведены в табл 1.6.
Влияние загрязненности стали неметаллическими включениями на трещиностойкость зависит также от выбранного критерия трещиностойкости. Более слабо оно выражено при использовании в качестве критерия трещиностойкости критического коэффициента интенсивности напряжений (Кіс, К ), определяемого в рамках линейной механики разрушения .
Аналитический обзор влияния технологии раскисления металла на загрязненность стали 15Х2НМФА оксидными неметаллическими включениями
Обычно окончательное раскисление вакуумированного металла проводится алюминием. Ввиду его большого сродства к кислороду [79], образуются первичные равновесные неметаллические включения. Но их количество, вследствие низкого исходного содержания кислорода, невелико. К тому же перемешивание металла создает благоприятные условия для удаления неметаллических включений.
В работах [74, 80-83] установлено, что уже через 5-10 минут после раскисления металла алюминием концентрация в стали кислорода достигает минимальных значений, определяемых содержанием в расплаве алюминия. Из данных, приведенных на рис. 1.5 следует, что при концентрации в металле растворенного алюминия большей 0,02% конечное содержание в нем свободного кислорода составляет 5-25 ррм. При меньшем содержании алюминия концентрация кислорода в стали существенно возрастает.
Одной из причин, позволяющих получать на установках ковш-печь низкую окисленность металла, является также возможность тщательного раскисления шлака в восстановительной атмосфере. В работе [32] сообщается, что суммарное содержание в конечном шлаке закисей железа и марганца удается понизить до 0,25%.
Окончательное раскисление шлака при обработке стали на установках внепечного рафинирования без устройства для подогрева затруднено. Поэтому конечное содержание в шлаке закисей железа и марганца при обработке низкоуглеродистых сталей остается соответственно на уровне 4,0 -8,0% и 2,0 - 5,0% соотвественно [47, 75]. При обработке высокоуглеродистых сталей концентрация закиси железа в шлаке составляет 1,0 - 2,5 [57]. В этом случае конечная концентрация в металле кислорода имеет более высокие значения, чем при обработке на установках типа «ковш-печь».
Следует отметить, что низкое содержание в стали кислорода (на уровне 20 ррт) на установках АСЕА - СКФ удается получить и при использовании только осадочного раскисления металла алюминием без предварительного вакуумного углеродного раскисления. Исследования, проведенные на 50 установках АСЕА - СКФ, показали, что скорость удаления включений при электромагнитном перемешивании металла больше, чем при продувке расплава аргоном [84]. При одновременном электромагнитном перемешивании металла и продувке его аргоном получены наибольшие значения скорости удаления неметаллических включений и наименьший конечный уровень концентрации в стали общего кислорода.
Однако сравнение особенностей процессов вакуумного углеродного и осадочного раскисления затруднительно, так как эти исследования проводились на различных установках в разных условиях.
Процесс десульфурации стали при ее обработке на установке АСЕА -СКФ за счет перераспределения серы между металлом и шлаком протекает довольно медленно [82]. Конечное содержание в металле серы в этом случае, как правило, не опускается ниже 0,010%. Поэтому для проведения глубокой десульфурации стали присаживаются РЗМ [82, 85]. Термодинамические расчеты показывают, что для эффективного удаления серы с помощью РЗМ необходимо понижение концентрации в металле кислорода до значений, меньших 5 ррм. В связи с этим РЗМ вводятся в период повторного подогрева в хорошо раскисленный металл. Из приведенных данных видно, что удаление из металла серы происходит только при введении в расплав РЗМ в количестве более 0,44 кг/т. Авторы объясняют это тем, что при меньшем их вводимом количестве РЗМ расходуются на процессы раскисления расплава. Однако не уточняется, на какие именно процессы расходуются РЗМ, не указывают и режим раскисления металла до их введения.
В опубликованных работах не рассматриваются закономерности изменения концентрации в металле кислорода в период повторного подогрева без присадки элементов раскислителей.
Процесс дегазации металла вообще и обезводороживание в частности состоит из нескольких, протекающих последовательно стадий: диффузии атомов, растворенных в металле газов, к поверхности раздела металл - газ; десорбции и молизации их на поверхности раздела металл - газ; перехода газов в виде молекул в газовую фазу и последующее удаление их от поверхности жидкого металла.
Исследованиями установлено, что процессы десорбции и молизации водорода на межфазной поверхности металл - газ протекают быстро и не лимитируют скорость обезводорожнвания [86].
Лимитирующим звеном обезводороживания является массоперенос водорода в жидком металле к поверхности раздела металл - газ [87].
В общем виде поведение водорода в системе газ - металл может быть описано исходя из первого закона Фика: dH „S = pUH-Hp) (2.9) или dr V где: Н, Н0, Нр - соответственно текущее, начальное и равновесное с газовой фазой содержание водорода; Р = — - коэффициент массопереноса водорода в металле, зависящий от о коэффициента молекулярной диффузии - D, и толщины диффузионного слоя -о; V - объем металла; S - межфазная поверхность; т - время. Коэффициент молекулярной диффузии определяется вязкостью расплава.
Наиболее достоверным значением величины коэффициента молекуляр-ной диффузии является, по-видимому, 3,5-10" см -с" [88,89]. Из уравнений 2.9, 2.10 следует, что скорость обезводороживания зависит от скорости массопереноса водорода в металле и величины удельной межфазной поверхности S/V, а глубина дегазации - от его равновесного содержания. Массоперенос атомов водорода в металле зависит от скорости движения металла, которая в различных металлургических агрегатах колеблется в весьма широких пределах: от 0,1 до 1,0 м-с в мартеновских печах, до 0,05-ь0,1 м-с"1 в установках ЭШП. Определяется она принудительным перемешиванием (углеродное кипение, продувка инертными газами, ЭМП, механическое), и естественной конвекцией под действием температурного градиента по высоте ванны.
Теория удаления газов в процессах кипения и продувки металла инертными газами впервые была разработана Н. М. Чуйко[90]. Для кипения металла необходимо, чтобы общее, давление газов - Р2 было больше остаточного давления Р0 Н.М. Чуйко установил пропорциональность содержания окиси углерода и водорода во всплывающем пузырьке их парционному давлению в металле - Рн , Рсо V Р 15Ь. = - (2.11) V Р со 1 со Основываясь на этом положении А. Д. Крамаров [91] показал, что при углеродном кипении особую трудность вызывает удаление водорода при низком его содержании, то есть при малом значении Рн .
Исследование осевой зональной ликвации и качества металла крупногабаритной обечайки из 360-т слитка стали 15Х2НМФА для атомного реактора
При выплавке стали в открытых сталеплавильных печах (дуговых, мартеновских) содержание водорода, как правило, находится в пределах 4,0-6,0 ррт. Продувка аргоном перед выпуском или в ковше позволяет снизить его концентрацию на 10-15%. В то же время известно, что отсутствие флокенов во флокеночувствительной стали, особенно в крупных поковках, гарантируется при содержании водорода менее 2,0 ррт. В настоящее время в массовом производстве это достигается: - разливкой стали в вакууме; - вакуумированием в ковше перед разливкой; длительной, дорогостоящей противофлокенной термической обработкой
Если в первом случае получение требуемого содержания водорода определяется только степенью разрежения при разливке, то во втором -рядом технологических факторов при внепечной обработке.
Были исследованы факторы, определяющие содержание водорода в период от выпуска стали из сталеплавильной печи до окончания обработки в агрегатах внепечной обработки стали [102].
Технологический процесс состоял из выплавки полупродукта в электродуговой печи (ЭДП) или основной мартеновской печи. (ОМП). Полупродукт выпускали в промежуточный ковш, из которого с отсечением печного шлака переливали в ковш УВРВ, где наводили новый шлак известью и плавиковым шпатом. При использовании УВРВ сталь выплавляли в ОМП с проведением глубокой дефосфорации и легированием никелем и молибденом по нижнему пределу их содержания. В УВРВ проводили глубокую десульфурацию, вакуумно-углеродное раскисление, дополнительное легирование и окончательное раскисление. Металл подогревали на стенде электронагрева и вакуумировали на вакуумном стенде при разрежении до 100 Па. При подогреве и вакуумировании проводили продувку аргоном через дно ковша и/или электромагнитное перемешивание металла (ЭМП). При повторном подогреве металл корректировали по химическому составу, температуре и разливали на воздухе или в вакууме.
Результаты, полученные при выплавке стали 14ГНМА в ОМП и ОМП с последующей обработкой в УВРВ (ОМП -УВРВ), приведены в табл. 3.10 -3.15. Сталь, обработанная в УВРВ, имеет значительно более низкое содержание вредных примесей (серы, фосфора) (табл. 3.10) и меньший разброс содержания легирующих элементов (табл. 3.11), что позволяет не только экономить легирующие элементы, особенно дорогостоящие никель и ферромолибден, но и стабилизирует свойства готового металла.
Загрязненность стали газами и неметаллическими включениями (НВ) также значительно ниже, чем выплавленной в ОМП. При этом уменьшается не только общее количество неметаллических включений, но меняется также их состав и характер. В стали ОМП в основном присутствуют частицы глинозема различного размера, после обработки в УВРВ - глобулярные мелкие алюмосиликаты. Кроме снижения общего количества неметаллических включений, в стали ОМП - УВРВ значительно уменьшается количество крупных, наиболее нежелательных неметаллических включений.
Меньшая загрязненность стали ОМП - УВРВ по сравнению с ОМП вредными примесями, газами и неметаллическими включениями способствует повышению ее качества.
Хотя сталь 14ГНМА, выплавленная в ОМП и ОМП - УВРВ, имеет практически одинаковые прочностные и пластические свойства при указанных значениях температуры, ударная вязкость стали ОМП - УВРВ особенно при низкой температуре значительно выше (табл. 3.15).
Таким образом, обработка стали ОМП в УВРВ позволяет, кроме экономии ферросплавов, улучшить свойства металла. Это дает возможность использовать ОМП совместно с УВРВ при производстве стали типа 10-20ГНМ для изготовления особо ответственных изделий (типа сосудов высокого давления).
Производство стали типа 25-35ХНМ для роторов турбин и турбогенераторов. Металлургический комплекс ОАО «Ижорские заводы», ныне ООО «ОМЗ - Спецсталь», является одним из главных поставщиков роторов для мощных турбин и турбогенераторов различных классов, включая атомные. До ввода в строй УВРВ качество стали, необходимое для УВРВ изготовления особо ответственных изделий типа роторов турбин и турбогенераторов,
Существовавшие сталеплавильные печи позволяли отливать по этим схемам слитки массой до 220 т, тогда как энергомашиностроение требовало изделия из слитков массой более 400 т.
Кроме этого, было показано, что кремний, повышающий в крупных слитках степень ликвации элементов, главным образом, серы, является в этом случае одной из основных вредных примесей, в связи с чем содержание его в стали не должно превышать 0,05%. В то же время известно, что технологически в КМП качественную сталь нельзя выплавить с содержанием кремния менее 0,10%. С другой стороны, нежелательными в рассматриваемом случае являются также включения глинозема или хрупкие алюмосиликаты, образующиеся при раскислении металла алюминием.
В связи с этим возникла задача получить большие массы жидкого высококачественного металла без использования обычно применяемых раскислителей - кремния и алюминия. Она была решена с разработкой технологии выплавки - вакуумно-углеродного раскисления стали типа 25-35ХНМ по схеме ОМП -УВРВ, ДСП -УВРВ.
В этом случае сталеплавильную печь использовали для проведения глубокой дефосфорации и легирования никелем и молибденом, в УВРВ проводили глубокое раскисление и десульфурацию без применения стандартных раскислителей.
Сталь, выплавленная в ОМП -УВРВ, имеет требуемое для крупных слитков содержание кремния (менее 0,05%) и более низкую по сравнению со сталью КМП концентрацию серы и фосфора (табл. 3.16)
Несмотря на чрезвычайно низкое содержание в стали кремния и алюминия, концентрация кислорода в стали ОМП - УВРВ была, меньше, чем в стали КМП (табл.3.17), а вакуумно-углеродное раскисление обеспечило также и более низкое содержание водорода и неметаллических включений (табл. 3.18).
