Обработка в ковше раскисленной алюминием стали AISI 1018 кальциевой проволокой, армированной стальной оболочкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обработка в ковше раскисленной алюминием стали AISI 1018 кальциевой проволокой, армированной стальной оболочкой

С. Л. Чоу, Ф. С. Шир, П. С. Янг, Ю. И. Куо,

В. С. Ванг, В. Ю. Be.

Инжекционная металлургия'86: Труды конференции С. 363-372

Были проведены промышленные опыты, в которых раскисленная алюминием сталь AISI1018 обрабатывалась металлическим кальцием, вводимым в ковш в виде проволоки, армированной стальной оболочкой. Степень усвоения кальция при 1610 °С составляла 10...12 %. В процессе обработки содержание фосфора и серы изменялось незначительно, а содержание азота увеличивалось от 0,0008 до 0,0020 % в зависимости от развития реакций на поверхности металла и интенсивности продувки аргоном. Благодаря введению кальция в виде проволоки он присутствовал в металле наряду с алюминием в раскисленной алюминием стали и первичные неметаллические включения, образованные в результате раскисления, были легкоплавкими алюминатами кальция Химический состав и морфология неметаллических включений в процессе охлаждения кристаллизации регулировались путем выявления наличия алюминатов кальция и количества растворенного кальция. Тип алюминатов кальция и чистота жидкой стали в промежуточном разливочном устройстве, которые влияют на возможность зарастания металлом отверстия для струи стали, определялись отношением Са/Al. Когда отношение Са/Аl > 0,11, продукты раскисления состояли из СаО·Аl₂О₃-12СаО·7Аl₂О₃ и не наблюдалось никаких настылей на внутренней поверхности разливочного стакана. Кроме того, количество включений типа MnS резко уменьшалось при Ca/S = 0,7 и для полного их исключения, очевидно, необходимо, чтобы Ca/S > 0,7.

В условиях все возрастающих требований к высококачественным сталям металлургическая промышленность должна поставлять металл по очень жестким техническим условиям, обеспечивающим высокую технологичность при горячей обработке высокую прочность, улучшенную ковкость, свариваемость и т. д. Для удовлетворения этих потребностей металлурги должны разрабатывать исключительно сложные технологические рафинирующие процессы для улучшения чистоты стали по неметаллическим включениям. Кроме того, значительные усилия прилагаются для улучшения качества стали путем изменения формы неметаллических включений и их химического состава [1...6] Когда раскисленная алюминием жидкая сталь продувается аргоном или подвергается циркуляционной обработке в ковше по способу RH, продукты раскисления выделяются из металлической ванны и (или) прилипают к огнеупорной кладке ковша. Таким образом, значительно улучшается чистота стали по неметаллическим включениям [7, 8]. Однако эти способы удаления неметаллических включений из раскисленной алюминием стали не влияют на морфологию включений, которые осаждаются в металле в процессе кристаллизации.

В последнее время в значительном количестве работ сообщалось об улучшении механических свойств сталей, раскисленных алюминием, путем удаления скоплений А1₂О₃ и (или) модификации их морфологии. Из предполагаемых способов обработка металла кальцием приобрела исключительную важность [4...6, 9, 10]. Известно, что обработка металла кальцием является необходимой для а) превращения неметаллических включений уже выделившихся в жидком металле, т. е. сфероидизации скоплений глинозема; б) регулирования химического состава и морфологии неметаллических включений, часть которых остается в металле после кристаллизации. Благодаря этому имеется возможность образования равномерно распределенных и небольших сложных оксисульфидов, которые при температурах прокатки деформируются пластически.

Однако эти преимущества нелегко получить. Кальций - летучий элемент, кипящий при 1492 °С, что значительно ниже температур сталеварения. Его удельный вес равен 1,55 г/см³, что составляет ~ 1/5 веса стали. Кроме того, растворимость кальция в стали весьма ограниченна и в чистом железе составляет 0,0320 % [11]. Имеются несколько способов обработки металла кальцием, но обработка в ковше посредством введения кальция в виде армированной сталью проволоки является альтернативой обычному введению кальция в жидкую сталь [12...14]. При подаче проволоки в ковш со скоростью 2...5 м/с наряду с одновременной продувкой металла аргоном через пористую пробку в дне ковша в соответствующем режиме можно внедрить проволоку на такую глубину, что металлостатическое давление столба жидкой стали подавит кипение кальция и большее количество кальция растворится в жидкой стали

Работой [15] показано, что на морфологию алюминатов кальция влияет количество кальция, введенного в раскисленную алюминием сталь. Форма оксидной фазы алюмината кальция в процессе отливки стали зависит от количественного соотношения Са/Al и их оксиды влияют на жидкотекучесть раскисленной алюминием стали. Эти выводы были сделаны на основе лабораторных исследований Правомерность таких выводов должна подтвердиться, опытами в промышленных условиях.

Проведение опытов

Промышленные опыты проводились на плавках стали AISI 1018, раскисленной алюминием, выполненных в ВОF конвертере с последующей обработкой RH способом. Химический состав стали следующий, %: 0,18 С; < 0,06 Si, 0,75 Mn; <0,025 S; 0,030 Аl. После дегазации RH способом ковш поступал на участок продувки металла газом, где металл обрабатывали заранее рассчитанным количеством кальциевой проволоки при 1610 °С. Кальциевая проволока содержала 60 % кальция и 40 % плавикового шпата (CaF₂). Десульфурация полностью завершалась в сигарообразном ковше на тележке и в конвертере. Для проведения, каждой из опытных плавок расходовалось 1000 кг СаО и 120 кг CaF₂ в процессе разливки для наведения шлака в ковше и для устранения образования дыма в процессе обработки металла кальциевой проволокой.

Опытные данные по соотношениям Са/Al и Са/S менялись на каждой из опытных плавок. Перед обработкой металла кальцием общее содержание кислорода в жидкой стали устанавливалось на уровне < 0,0040 % и в металле поддерживалось минимальное содержание нерастворенного алюминия.

Для выполнения этой работы использовали установку для введения в металл алюминиевой проволоки. Вертикальная направляющая трубка для алюминиевой проволоки была модифицирована для закрепления в ней кальциевой проволоки перед подачей ее в ванну с жидким металлом (см. рис. 1 в предыдущей статье). Использовалась кальциевая проволока диаметром 13 мм. Использовались катушки с горизонтальным расположением осей и проволока вводилась с противоположной стороны относительно расположения пористой пробки для продувки аргоном.

Технология введения в металл кальциевой проволоки следующая:

1. В течение 3...5 мин производится интенсивная продувка газом для снижения содержания FeO и MnO в ковшовом шлаке с целью улучшения флотируемости первичных продуктов раскисления.

2 При введении кальция в металл продувку необходимо вести в плавном режиме. Скорость введения кальциевой проволоки обычно равна 3 м/с и может меняться до 5 м/с.

3. В течение 3 мин осуществляется додувка металла на участке продувки металла газом после введения кальция. Общее время, необходимое для введения в металл кальциевой проволоки, составляет 10 мин.

После ковшовой обработки разливка жидкой стали, осуществлялась на разливочной машине MHI-Olsson на блюмы сечением 260x220 мм. Температура стали в промежуточном ковше четырехручьевой установки 1560 °С, и сталь разливали под уровень через алюмографитовые воронки, установленные в днище промежуточного ковша. Для предотвращения окисления струи металла воздухом через пазы разливочной воронки подавался аргон. Промежуточный разливочный ковш и разливочные стаканы предварительно прогревались до необходимой температуры. Для анализа отбирают образцы металла, ковшовых шлаков, металла из ковша, металла из промежуточного разливочного ковша, от блюмов стали и прутков Большинство этих образцов подвергают полному химическому анализу. Некоторые образцы от каждой из плавок исследуются на сканирующем электронном микроскопе параллельно с исследованием с помощью дисперсионного рентгеновского анализа. Кроме того, после отливки блюмов разливочные стаканы, погруженные при разливке в металл, разрезают вдоль оси для минералогического исследования отложений оксидов на стенках стакана. неметаллический кристаллизация кальций сталь

Результаты и обсуждение

Кальцием обработано пять плавок стали AISI 1018, проведенных в ВОF конвертере с последующей дегазацией RH способом.

Эффект обработки металла в ковше

Несмотря на принятые меры, избежать образования языков пламени и дыма не удалось. В процессе введения кальциевой проволоки снижение температуры на одной из плавок составило 10...15 °С в зависимости от времени обработки и интенсивности продувки аргоном. Результаты обработки металла кальцием в ковше приведены в табл. 1. Давление паров кальция > 0,18 МПа при 1610 °С, а критическая глубина погружения кальция в металл перед кипением составила 1,3 м. Вследствие гибкости кальциевая проволока подавалась в жидкий металл по криволинейной траектории, поэтому глубина проникновения проволоки в металл оказалась меньше, чем предполагалось. Большинство глобулей кальция испарялось на критической глубине кипения и вытеснялось на поверхность жидкой ванны. Это приводило к значительному всплеску на поверхности металла и степень усвоения кальция уменьшалась. Степень усвоения кальция для стали AISI 1018 при 1610 °С составила 10...12 %.

В результате обработки кальцием содержание серы в жидкой стали уменьшилось на 0...0,0020 %, а фосфора увеличилось на 0...0,0020 % (табл. 1). Кальций является одним из сильнейших раскислителей; этим объясняется низкая активность кислорода при введении кальция. При малой активности кислорода фосфор восстанавливается в жидкую сталь через поверхность раздела фаз шлак-металл. Это обстоятельство благоприятствует также реакции растворенного кальция или дисперсным алюминатам кальция с серой в жидкой стали.

При обработке металла кальциевой проволокой отмечена незначительная десульфурация стали.

При обработке металла кальцием, когда наблюдаются сильные всплески и пузыри аргона вырываются на свободную поверхность металлической ванны, она подвергается окислению воздухом. Это усиливает поглощение азота. Количество поглощенного азота составляет 0,0010...0,0020 % в зависимости от степени оголения поверхности или интенсивности барботажа, вызываемого продувкой аргоном.

Таблица 1 - Металлургический эффект обработки металла кальциевой проволокой в ковше

* В индексах: н - начальное, к - конечное содержание.

Из данных табл. 1 следует, что чистота стали, выраженная через количество А1₂О₃, улучшилась после обработки кальцием. Стенки ковша выкладывались цирконовым кирпичом, содержащим 60 % ZrO₂, а дно - кирпичом «розеки» (roseki), состоящим из 76 % SiO₂ и 22 % А1₂О₃. Эта чистота стали достигалась за счет формирования оксидов с низкой температурой плавления, которые легко всплывают. Когда кальций вводят в жидкий металл в виде проволоки, он преобразует первичные продукты раскисления, состоящие из А1₂О₃, в жидкие глобулярные включения с низкой температурой плавления известковых алюминатов. Жидкие глобули известковых алюминатов легко всплывают вверх при продувке аргоном и последующей выдержке, а затем поглощаются шлаком в ковше. Это также подтверждается изменением содержания А1₂О₃ в ковшовых шлаках.

Зарастание металлом разливочного стакана при разливке стали

Как известно, раскисленные алюминием стали имеют пониженную жидкотекучесть вследствие того, что твердый оксид алюминия отлагается на стенках разливочного стакана, препятствуя таким образом течению металла. Для решения этой проблемы исходили из того [16...18], что кальций может преобразовывать глинозем в низкоплавкие алюминаты кальция. При этом проблема зарастания разливочного стакана устраняется, поскольку жидкие оксиды не проявляют склонности к отложению на стенках разливочного стакана, как это происходит в случае глиноземистых частиц. Экспериментально показано [15], что при отношении содержания кальция к алюминию > 0,14 полностью предотвращается отложение оксидов на стенках разливочного стакана и его зарастание. На основе термодинамических расчетов [19] можно предположить, что для образования жидких алюминатов; кальция необходимое отношение алюминия и кальция должно соответствовать равновесному состоянию.

Результаты промышленных экспериментов приведены в табл. 2. Соответственно отношение концентраций Са/Al в стали было одним из параметров контроля при определении ее жидкотекучести. Чистота стали по неметаллическим включениям, выраженная через количество А1₂О₃, по-видимому, является еще одним из важнейших факторов контроля жидкотекучести. Таким образом, необходимо снижать содержание Аl₂О₃ в стали до минимума для обеспечения хороших условий разливки стали.

Таблица 2 - Характеристика разливаемости стали в зависимости от отношения концентраций Са/Al в промежуточном разливочном устройстве

Разливочные стаканы от опытных плавок разрезались вдоль оси для исследования отложений на внутренней стенке стакана или намерзающих на нем материалов. Типичные продукты раскисления, образующихся в промежуточном разливочном ковше, определялись отношением концентраций Са/Al, при этом разные типы продуктов раскисления обусловливали образование отложений различных окислов на стенках разливочного стакана. Если иметь в виду раскисленные алюминием плавки Rfl и Rf2, то можно отметить, что малая чистота металла в промежуточном разливочном ковше по содержанию неметаллических включений способствовала лучшему отложению оксидов на поверхности разливочного стакана, хотя он и был защищен алюмографитовым огнеупорным материалом и струя защищалась от окисления обдувкой аргоном через пазы в стакане. Тщательное микроскопическое исследование застывшего на поверхности стакана материала (плавки Rfl и Rf2) показало, что отложения оксидов являются результатом образования высокотемпературной сетки частиц А1₂O₃. В случае плавки Rf3, недостаточно раскисленной алюминием, жидкий металл в промежуточном разливочном ковше был достаточно чист и во время разливки на поверхности разливочного стакана не происходило отложений глинозема.

На обработанных кальцием плавках, когда отношение концентраций Са/Al было равным 0,04 (плавка А), зарастание стакана обусловливалось достаточно большим содержанием оксидов и высокой точкой плавления алюминатов кальция, содержащихся в стали в промежуточном разливочном ковше. Исследованием на приборе SEM (спектральным электронном микроскопе) установлено наличие спекшихся частиц СаО·6А1₂О₃, обнаруженных также и в материале, наросшем на разливочном стакане. Когда отношение концентраций Са/Al равно 0,06 (плавка В), причиной образования отложений оксидов на поверхности разливочного стакана является формирование известковых алюминатов с высокими вязкостью и точкой плавления. При исследовании на приборе SEM включения СаО·2А1₂О₃ и СаО·6А1₂О₃ были обнаружены в материале, отложившемся на поверхности разливочного стакана. Когда Са/А1 = 0,08 (плавка С) течение стали было более плавным в процессе разливки. Лишь на головке разливочного стакана был обнаружен тонкий слой оксида. Включения типа СаО·2А1₂О₃не отлагались на стакане в сколько-нибудь значительной мере благодаря наличию алюмографитовых огнеупоров и продувке инертного газа (аргона) через пазы разливочного стакана.

Когда отношение концентраций Са/Al составляло 0,11 (плавки D и Е), поверхность разливочных стаканов была полностью свободной от отложений оксидов. Включения типа СаО·А1₂О₃ и (или) жидкие включения типа 12СаО·7А1₂О₃ были идентифицированы как главные продукты раскисления. Однако на этих двух плавках чистота стали в промежуточном разливочном устройстве по неметаллическим включениям может быть еще одной из причин успешной ее разливки.

Кроме того, интересно отметить, что чистота стали в промежуточном разливочном устройстве пропорциональна отношению концентраций Са/Al. Это подтверждает, что низкоплавкие алюмокальциевые продукты раскисления имеют то преимущество, что они легко всплывают и таким образом получается высокочистая сталь.

Контроль неметаллических включений

Неметаллические включения в раскисленной алюминием стали являются, как правило, алюминатами, сульфидами марганца и (или) оксисульфидами системы Al-О-Mn-S. Формирование больших скоплений оксидов алюминия в процессе затвердевания протекает в несколько стадий. Например, в прутковой стали отмечены случаи скопления включений глинозема. Сульфид марганца и оксиды системы Al-О-Mn-S в процессе прокатки блюмов стали легко деформировались в линейные строчечные. Все эти особенности включений в раскисленной алюминием стали обусловливают нежелательные механические свойства стали. Однако образцы стали, отобранные от прутков из металла, обработанного кальциевой проволокой, содержали малое количество беспорядочно расположенных включений. Обычно величина включений составляет < 5 мкм. Чистые оксидные включения редко встречаются в обработанной стали. Большинство оксидов были достаточно сложными, содержащими алюминаты кальция вместе с сульфидами, называемыми «сложными оксидными включениями» типа Са-Al-О-Mn-S. Сульфидные включения в обработанной стали состояли из сложных фаз (Са, Mn) S и некоторого количества сульфидов марганца. Иногда выпадали чистые сульфиды кальция. Сложные сульфидные включения, вероятно, выпадали во время охлаждения и кристаллизации жидкого металла.

Таблица 3 - Состав неметаллических включений в зависимости от отношения концентрации Са/Al и Са/S в стали

Из табл. 3 следует взаимосвязь отношения концентрации Са/Al и Са/S и процесса выпадения включений системы Са-Al-О-Mn-S для образования сложных оксидных включений и системы Са-Mn-S для образования сложных сульфидных включений. При отношении Са/Аl = 0,04 в прутке стали были обнаружены высокоплавкие скопления известкового алюмината. Когда Са/Аl = 0,13, a Ca/S = 0,70, появляются сложные оксидные включения (жидкие включения) СаО·Аl₂О₃-(Са, Mn) S и крупные сложные сульфиды (80 % Са, 20 % Mn)S. Но существуют также и мелкие включения типа MnS. В жестких технических условиях оговаривается необходимость более высокого отношения Са/S для полного устранения строчечных включений MnS.

Улучшение степени усвоения кальция

Как и в случае введения любой легирующей микродобавки в сталь, на степень ее усвоения влияют такие факторы, как неравномерность распределения и устранение местных скоплений, а также максимальное увеличение времени нахождения ее в жидком металле. В частности, для летучего элемента (кальция) при температуре стали 1610 °С длительность существования жидких кальциевых глобулей для их растворения в жидкой стали до испарения очень мала. Для увеличения степени усвоения кальция необходимо в достаточной мере увеличить вертикальную часть направляющей трубки для обеспечения более прямолинейной траектории проволоки, внедряющейся в жидкую ванну, и для более глубокого проникновения ее в металл с целью увеличения времени существования в металле жидких кальциевых глобулей. Кальциевая проволока подавалась в ванну по возможности близко к поверхности шлака в ковше с целью внедрения ее на большую глубину, намного превышающую критическую глубину испарения кальция, для обеспечения более равномерного распределения кальция в объеме ковша.

Фирмой «Pfizer Inc.» запатентовано устройство и разработана технология инжектирования в металл легирующих добавок через трубку [20]. В результате металлическую кальциевую проволоку можно вводить в металл через огнеупорную трубку, погруженную в металлическую ванну значительно ниже ее поверхности. Очевидно, это является хорошим решением проблемы. Кроме того, следует изучить удобную систему перемешивания металла, обеспечивающую быстрое равномерное распределение жидких кальциевых глобулей в процессе плавления проволоки и устраняющую местное пересыщение металла легирующим элементом. Когда устранение зарастания разливочного стакана ковша становится большой проблемой при обработке кальцием, раскисленных алюминием сталей, экономичнее вводить металлическую кальциевую проволоку непосредственно в промежуточное разливочное устройство. Температура стали в промежуточном разливочном устройстве меньше, чем в ковше, и усвоение кальция в промежуточном устройстве будет облегчено.

Выводы

Итак, проведены промышленные опыты, в которых сталь AISI 1018, раскисленная алюминием, обрабатывалась кальциевой проволокой, армированной сталью. Плавку вели в ВОF конвертере, дегазацию осуществляли в RH установке. Целью опытов было изучение влияния обработки металла кальцием в ковше, изменение продуктов раскисления, устранение зарастания стакана разливочного ковша и изменение морфологии неметаллических включений.

· Обработка в ковше кальциевой проволокой сталей, раскисленных алюминием, является весьма эффективной технологической операцией введения кальция в металл. Степень усвоения кальция для стали AISI 1018 при 1610 °С составляет 10...12 %

· После обработки содержание фосфора и серы изменилось незначительно, а содержание азота увеличилось на 0,0008...0,0020 % в зависимости от степени развития реакции на поверхности металла в ковше и интенсивности перемешивания.

· Тип продуктов раскисления и чистота по неметаллическим включениям стали в промежуточном разливочном устройстве, которые влияют на степень зарастания стакана разливочного ковша, зависят от соотношения концентраций Ca/Al.

· Морфология оксидных и сульфидных включений хорошо контролируется в процессе охлаждения и кристаллизации слитка. Эти включения малы, неравномерно распределены и хорошо деформируются при прокатке.

· Обработка кальцием в ковше стали AISI 1018, раскисленной алюминием при 1610 °С с использованием более надежной армированной сталью металлической кальциевой проволоки и установка для ее введения в металл, заслуживают внимания специалистов. Проблема сводится к увеличению степени усвоения кальция и снижению частоты появления языков пламени и дыма.

Список использованных источников

1. Англо-русский словарь по технологии машиностроения и металлообработке. - М.: Русский язык, 1990. - 0 c.

2. Багдасарова, Т. А. Токарь. Технология обработки / Т.А. Багдасарова. - М.: Академия, 2010. - 0 c.

3. Беккерт, М. Железо. Факты и легенды / М. Беккерт. - М.: Металлургия, 1984. - 0 c.

4. Беляев, А. И. Поверхностные явления в металлургических процессах / А.И. Беляев, Е.А. Жемчужина. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1952. - 0 c.

5. Блинов, О. М. Теплотехнические измерения и приборы. Учебник для вузов / О.М. Блинов, А.М. Беленький, В.Ф. Бердышев. - М.: Металлургия, 1993. - 0 c.

6. Болобов, В. И. Безопасность применения титана в автоклавных процессах цветной металлургии с применением газообразного кислорода: моногр. / В.И. Болобов. - М.: Лань, 2015. - 0 c.

7. Вереина, Л. И. Фрезеровщик. Оборудование и технологическая оснастка / Л.И. Вереина. - М.: Academia, 2008. - 0 c.

8. Вигдорович, В. И. Электрохимическое и коррозионное поведение металлов в кислых спиртовых и водно-спиртовых средах / В.И. Вигдорович, Л.Е. Цыганкова. - М.: Радиотехника, 2009. - 0 c.

9. Время свершений. История Ленинградского сталепрокатного завода. - М.: Лениздат, 1987. - 0 c.

10. Выращивание кристалловолокон из расплава. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 0 c.

11. Гарофало, Ф. Законы ползучести и длительности прочности металлов / Ф. Гарофало. - М.: Металлургия, 1968. - 0 c.

Размещено на Allbest.ru