Введение к работе
Актуальность работы^ В современных условиях одним из
важнейших направлений в производстве стального проката является повышение качества поверхности за счет совершенствования технологии термообработки, которая нередко завершает технологический процесс в металлургии.
В процессе термообработки стали поверхность металла (проката, деталей) претерпевает нежелательные изменения (окисление, обезуглероживание) под влиянием химического взаимодействия с окислительной газовой средой (воздух, продукты сгорания топлива). Следствием этого взаимодействия являются потери металла в окалину, а также в дефектный обезуглероженный слой, удаляемый в процессе механической обработки при производстве деталей (в некоторых случаях - проката). Действенным фактором повышения качества поверхности является применение и совершенствование контролируемых атмосфер при термической обработке.
Применение наиболее распространенных в металлургии контролируемых атмосфер - защитных - должно, в зависимости от требований к качеству поверхностного слоя, обеспечивать отсутствие обезуглероживания, исключение окисления поверхности, сохранение светлой поверхности холоднокатаного листа, сохранение поверхностью свойств основного металла.
Защитные свойства атмосфер (в термодинамическом плане) определяются химическим балансом между восстановительными (СО, Hg) и окислительными (С02 ,. HgO) компонентами в состоянии равновесия. Азот в большинстве защитных атмосфер является газом-носителем или разбавителем. Традиционный взгляд на азот как нейтральную составляющую атмосферы не учитывает его массопере-дачу в сталь и не рассматривается в термодинамических расчетах. Однако, его содержание в защитных атмосферах достаточно большое (от 25% в диссоциированном аммиаке до 96« в экзогазе и бедном азотоводородном газе), и это требует на современном этапе углубления знания о его поведении при термообработке стали.
Большинством исследователей"a priori считается, что азот не является активной составляющей защитной атмосферы при термической обработке.Отмеченное положение свидетельствует о том,что современные знания о влиянии азота защитных атмосфер на сталь в аспекте его воздействия на технологические и служебные характе-
ристики еще не полны и в этой области остается много проблем, требующих своего разрешения. В настоящей работе проведено целенаправленное изучение влияния молекулярного азота на технологические и служебные свойства термообработанной стали, раскрыты механизмы этого влияния, даны рекомендации по оптимизации атмосферы.
В связи с постановкой промышленностью конкретных вопросов повышения качества металла необходимо было проведение специальных исследований по изучению негативного влияния азота на тонколистовую конструкционную сталь при отжиге в таких традиционных азотосодержащих атмосферах как экзогаз и азотоводородные смеси. Производственный опыт обработки в этих средах обнаружил ухудшение свариваемости изделий ответственного назначения.
При отжиге холоднокатаного проката из нержавеющей стали в азотосодержащих атмосферах происходит массопередача азота в сталь с ухудшением коррозионной стойкости. В связи с этим пред-предпринят поиск оптимальной защитной атмосферы для отжига холоднокатаной полосы из нержавеющих марок стали, который потребовал тщательного анализа применяемых и альтернативных сред для повышения качества поверхности и повышения коррозионной стойкости.
Рассмотрен также распространенный вариант применения защитных атмосфер, когда отсутствуют требования по свариваемости и коррозионной стойкости, а указанное микроазотирование* не имеет негативных последствий. Для этого случая (основная масса термически обрабатываемой в защитных атмосферах прокатной продукции) актуальным является создание дешевой атмосферы. Глава диссертации посвящена созданию экономически оптимальной защитной атмосферы с использованием азота кислородных станций. Такая атмосфера вводится непосредственно в печь и не требует строительства дорогостоящих газоприготовительных станций.
Таким образом,актуальность работы обусловлена решением в ней двух масштабных промышленных задач: повышения качества листового холоднокатаного проката из конструкционной легированной и нержавеющей стали и создания экономически оптимальной защитной атмосферы на базе азота кислородных станций металлургических заводов.
* Термин "микроазотирование" применен в отличие от известной упрочняющей химико-термической обработки, при которой азотирование стали является целенаправленным, а концентрация азота превышает во много раз полученные при микроазотировании значения.
Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ ЦНИИчермета по решению конкретных прикладных задач на металлургических и машиностроительных заводах.
_Цель_работыЛ Дать анализ процессов массообмена в пограничном слое в системе сталь - контролируемая атмосфера, содержащая молекулярный азот. Установить количественные зависимости, характеризующие роль молекулярного азота защитных сред как источника диффузионной массопередачи в сталь при термообработке, и как фактор, влияющий на технологические и служебные характеристики стали. На основе этих данных оценить'пригодность традиционных и разработанных альтернативных защитных сред для различных материалов. Для марок стали без требований по свариваемости и коррозионной стойкости разработать дешевую защитную атмосферу на базе азота кислородных станций, исключающую процесс газоприготовления и строительство соответствующих газозащитных станций.
Научная_новизна. Для легированной конструкционной стали впервые детально исследованы процессы массопередачи азота в сталь при смягчающем отжиге тонколистового проката в атмосферах, содержащих молекулярный азот (микроазотирование), в том числе кинетика процесса. Выявлено негативное влияние микроазотирования на свариваемость тонколистовой стали - технологическую характеристику производства ответственных изделий. Показано, что атмосфера чистого водорода является оптимальной средой для получения качественного металла без негативного микроазотирования и с обеспечением удовлетворительной свариваемости и требуемых стандартами механических свойств (подтверждено математической статистикой).
Подвергнут пересмотру традиционный необоснованный взгляд на азот как нейтральный компонент защитных атмосфер при отжиге тонколистовой конструкционной легированной стали.
Исследовано поведение тонколистовой нержавеющей стали различных структурных классов с определением количественных данных по негативному микроазотированию и влиянию на служебные характеристики (коррозионная стойкость) после термообработки в средах, содержащих азот или его соединения (азотоводородные смеси, диссоциированный аммиак). Полученные зависимости позволили успешно реализовать применение безазотной и экологически оптимальной атмосферы водорода для данного назначения.
Экспериментально и в промышленных условиях с привлечением методов математической статистики показано, что применение атмо-
/
сферы водорода вместо бедных азотоводородных смесей иэкзогаэа при отжиге проката не оказывает какого-либо,негативного влияния на механические свойства.листовой конструкционной легированной стали как в смягченном, так и упрочненном (закалка с отпуском) состояниях. Изучена кинетика редиффузии водорода из стали в процессе вылеживания термообработанного в атмосфере водорода металла, а также кинетика изменения механических свойств металла в течение этого процесса.
.- Исследовано влияние влагосодержания водорода на концентрацию кислорода в нержавеющей стали, и впервые разработан объективный анализ качества светлой поверхности стали после термообработки с помощью прибора, определяющего коэффициент зеркального отражения, который по указанному критерию позволяет также оптимизировать параметры защитной атмосферы.
Изучение физико-химического механизма, термодинамический анализ и экспериментальные данные показали, что микроазотирова-ние вызывает образование в нержавеющей стали химических соединений - нитридов. Изучены морфологические особенности нитридообра-зования: преимущественное расположение по границам зерен с характерной картиной межкристаллитной коррозии.
Исследован экономически и экологически оптимальный состав защитной атмосферы на базе азота с добавками природного газа для применения при смягчающей обработке толстолистового проката из конструкционной стали. Определены оптимальные цараметры такой атмосферы, обеспечивающие ее защитные функции для термообработки стали с лимитируемым обезуглероживанием (но без жестких требований по свариваемости и коррозионной стойкости). В.этом плане намечены пути утилизации азота кислородных блоков разделения воздуха.
Практическая ценность. На основе приводимых в диссертации научных и технологических разработок существенно, дополнено и развито представление об азоте как активном компоненте большинства -защитных атмосфер. Изучено малоизвестное явление микроазотирования тонколистовой конструкционной и нержавеющей стали и его следствия на технологические и служебные характеристики стали.
Внедрение на Новолипецком металлургическом комбинате технологии отжига тонколистовой холоднокатаной легированной конструкционной стали толщиной до 2 мм в атмосфере водорода позволило исключить ухудшение свариваемости листов из-за микроазотирования поверхностных слоев металла. Повышение качества отожженного ме-
талла повысило выход годного на 30-50%. Реальный экономический эффект составил не менее 560 тыс.рублей в год ( с расширением внедрения - около 1,4 млн.рублей). На основе результатов исследований разработана действующая технологическая инструкция по отжигу 'стали указанного сортамента в атмосфере чистого сухого водорода.
Полученные зависимости микроазотирования нержавеющей стали и связи его с коррозионной стойкостью позволили определить допустимую максимальную продолжительность термообработки в азото-содержащих средах и - в общем случае - повысить качество листов путем повышения их коррозионной стойкости за счет рекомендации и применения оптимальной атмосферы водорода. Применение атмосферы водорода при термообработке рекомендовано в технологических заданиях на проектирование и строительство новых цехов производства холоднокатаных листов из нержавеющих марок стали.
Разработан и предложен объективный метод контроля качества поверхности холоднокатаной нержавеющей стали, полученной на многовалковых станах Сендзимира, с использованием прибора, измеряющего коэффициент зеркального отражения от металлической блестя-'щей поверхности.
На основе изучения влияния добавок углеводородов (природного газа) в чистый азот на защитные свойства такой атмосферы создана новая защитная среда для проведения необезуглероживающего отжига толстолистовой конструкционной стали. Уточнены параметры оптимальной и экономичной защитной атмосферы (на базе азота кислородных станций).- Защитная атмосфера создана на основе безгэне-раторного смешения непосредственно в печи компонентов атмосферы и исключает необходимость строительства дорогостоящих газоприготовительных станций. Параллельно решены вопросы оптимизации тем-пературно-временных режимов отжига и сокращена на 10 ч (в 2 раза) его продолжительность для ряда марок конструкционной стали. Освоенная технология позволяет ожидать экономический эффект не менее 207 тыс.рублей в год при продолжении эксплуатации проходных печей.
Апробация_работы. Основные положения и отдельные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Экономия материалов и энергии на основе прогрессивных процессов термической и химико-термической обработки" (г. Пенза, 1984).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3'печатные работы и получено I положительное решение на выдачу автор-
ского свидетельства.
Стру_кту_ра_и_объем_работы^ Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 22 таблицы. Список литературы на 10 страницах, включающих 82 наименования.
