Внепечная обработка и модифицирование стали

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Внепечная обработка и модифицирование стали

В. А. Голубцов

Обработка металла вне печи направлена на снижение в нем концентрации вредных примесей, загрязненности неметаллическими включениями (НВ), улучшение механических и специальных свойств, уровень которых выявляется в ходе эксплуатации металлоизделий (жаропрочность, усталостная выносливость, хладостойкость, коррозионная стойкость и др.). Вместе с тем при использовании внепечной обработки не всегда успешно решаются вопросы, связанные с качеством металла: ликвидация трещин на слитках и прокате, снижение химической неоднородности металлопроката и изделий из него, а при производстве стали для труб - обеспечение высокой коррозионной стойкости и др.

Сокращение цикла плавки в плавильных агрегатах наряду с разливкой плавок сериями на установках непрерывной разливки приводит к тому, что на ряде заводов продолжительность обработки металла вне печи часто превышает длительность плавки в современных дуговых печах или кислородных конвертерах, а внепечная обработка стали становится узким местом в общем цикле производства металла в сталеплавильных цехах.

Дальнейшее развитие методов внепечной обработки металла, помимо прочих направлений, должно идти, по мнению авторов, следующими путями:

1. Снижение продолжительности обработки металла вне печи за счет отказа от глубокой десульфурации (например, при производстве стали для нефте- и газопромысловых труб).

В связи с развитием ликвационных процессов в слитках и непрерывнолитых заготовках низкое содержание серы (до 0,001...0,003 %) в ряде случаев не гарантирует достижения полной изотропности механических свойств стали. Наиболее эффективным методом повышения качества металла является модифицирование жидкого расплава, изменение на более благоприятную морфологию НВ. Подсчитано, что минимальная стоимость обработки (десульфурация + ввод редкоземельных металлов) достигается при содержании в металле 0,009...0,012 % S [1], а нейтрализация отрицательного влияния серы осуществляется путем модифицирования стали, в первую очередь редкоземельными металлами (РЗМ).

Следующим доводом за "высокую" концентрацию серы в металле является снижение вероятности появления флокенов, которое происходит в результате того, что в жидком металле сера способствует уменьшению растворимости водорода [2], а в твердом - связывает его в сероводородные группировки, не позволяющие водороду участвовать во флокенообразовании.

Чрезмерное снижение содержания серы в ряде случаев оказывает негативное влияние на некоторые свойства стали - ухудшается обрабатываемость резанием, возрастает балл зерна аустенита, растет склонность стали к образованию камневидного излома и др. Поэтому серу, так же как и азот, неправильно было бы всегда относить к числу вредных примесей.

Целесообразность безграничного снижения содержания серы в металле подвергают сомнению результаты работы сотрудников ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина. Ими были получены данные, что срок эксплуатации труб (приблизительно в одинаковых условиях), изготовленных из стали 20 с содержанием серы 0,024 %, составил 12 лет (скорость коррозии 0,5 мм/год), а труб из этой же стали с 0,005 % S - 3 мес (скорость коррозии около 40 мм/год) [3]. Авторы работы делают вывод, что достижение низкого содержания серы не является достаточным условием обеспечения высокого уровня коррозионной стойкости углеродистой стали.

С операцией десульфурации стали тесно связан вопрос содержания водорода в металле, так как при длительной и интенсивной обработке металла в ковше усиливается переход в него водорода из высокоосновных рафинировочных шлаков.

Целесообразность проведения глубокого обезводороживания металла, по крайней мере, при производстве стали для труб, эксплуатирующихся в контакте с водородсодержащими средами (нефтью, нефтепродуктами, природным газом), авторами также подвергается сомнению. 2. Оптимизация вакуумирования или отказ от этой операции при производстве стали для труб - второй путь повышения экономической эффективности внепечной обработки стали.

Анализ содержания водорода в металле, прошедшем эксплуатацию, показал значительное повышение его содержания по сравнению с металлом, отобранным от той же трубы до ее эксплуатации. Концентрация так называемого металлургического водорода, имеющегося в металле после завершения всех операций металлургического передела, в сталях 20, 17Г1С, 12ГБЮ составляла 1,7...4,5 ppm, а в металле после его эксплуатации - 4,4...15,6 ppm [4]. Так стоит ли вакуумировать жидкую сталь? Более рационально, по-видимому, связывать водород в стойкие гидриды за счет введения в металл гидридообразующих элементов (особенно РЗМ), чем добиваться низких концентраций водорода (менее 2 ppm) в металле за счет проведения длительного и дорогостоящего процесса вакуумирования жидкой стали.

Сделанный вывод подтверждается и опытами, проведенными на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе (НТЗ)*, которые показали, что качество неваккумированного, но модифицированного металла не уступает, а часто и превосходит качество вакуумированного, но не модифицированного металла (рис. 1, табл. 1).

3. Третий путь развития внепечной обработки стали связан с повышением эффективности процесса микролегирования и модифицирования металла в ковше и на разливке с использованием комплексных модификаторов.

В России в последние 10...15 лет произошел прорыв по совершенствованию техники и технологии ввода модификаторов и микролегирующих элементов в металлический расплав. При этом вместо использования методов присадки реагентов кусками в ковш или инжекционной металлургии перешли на способ введения легкоокисляющихся реагентов в виде порошковой проволоки (ПП), что значительно снижает потери легкоокисляющихся элементов из-за окисления кислородом воздуха, шлаковой фазы. Однако и этому, несомненно, прогрессивному способу введения легкоокисляющихся реагентов присущ ряд недостатков.

Трудно решается проблема зарастания сталеразливочного канала отложениями алюминатов кальция, для предупреждения образования которых необходимо строгое соблюдение соотношения концентраций кальция, алюминия и активных примесей стали - кислорода и серы. Конечные результаты по улучшению качества металла носят нестабильный характер из-за непредсказуемой величины усвоения легкоокисляющихся элементов, в частности кальция.

Жидкая сталь перед выпуском из плавильного агрегата и последующей обработкой его в ковше однородна по химическому составу и отличается высокой чистотой по НВ. Однако в последующем ситуация меняется. В ходе выпуска металла из печи, его раскисления и вторичного окисления при разливке эффект рафинировочных операций, проведенных в ковше, в некоторой степени нивелируется или снижается. Кроме того, при затвердевании металла протекают ликвационные процессы перераспределения в кристаллической структуре слитка углерода, серы и фосфора, а также трансформация ранее образовавшихся включений, зародышеобразование и рост новых НВ. Таким образом, формирование качества конечной продукции в определяющей степени зависит не только от тех операций, которые были проведены с металлом в ковше-печи, но и от технологии разливки и методов обработки металла в ходе разливки. Следовательно, необходимо активное вмешательство в процессы при переходе металла из жидкого в твердое состояние, а не только в ходе его выплавки в сталеплавильном агрегате и обработки в ковше.

Основной путь, по которому необходимо, по мнению авторов, идти - это перенесение микролегирования и модифицирования стали из сталеразливочного ковша на разливку. Как показывает опыт комбината "Азовсталь" [5, 6], целесообразно проводить эту завершающую операцию в промежуточном ковше или кристаллизаторе (рис. 2, 3), а при разливке металла на слитки, как показывает опыт авторов, на струю стали, поступающую из ковша в центровую. При получении крупных слитков эффективна "сверхпоздняя" обработка металла модификаторами после окончания разливки [7, 8].

При этом повышается усвоение легкоокисляющихся элементов (табл. 2), увеличивается их доля в неокисленном состоянии в жидком расплаве, усиливается микролегирующее действие "полезных" примесей в твердом металле. Кроме того, введение РЗМ (или комплексных лигатур, содержащих РЗМ) в ходе разливки металла исключает затягивание сталевыпускных каналов разливочных ковшей.

Метод модифицирования на разливке стали в слитки, подвергающейся в последующем деформации, в 70...80-е годы прошлого века широко обсуждался в литературе, но из-за отсутствия надежных устройств для ввода модификаторов и баз по производству модификаторов мелких фракций (1...20 мм) не получил заметного развития.

В настоящее время имеются все возможности для внедрения этих процессов.

Во-первых, создана аппаратура, позволяющая вводить в металл точно дозируемые количества реагентов. При организации работы по методу "Модинар" могут быть использованы недорогие и компактные механические аппараты-дозаторы, которые просты в изготовлении и эксплуатации. Аппарат-дозатор навешивается на ковш или устанавливается на сталевозную тележку. Подающая труба, закрепленная на устройстве, подводится к месту выхода струи металла, вытекающей из ковша. Для обслуживания процесса модифицирования не требуется подвод коммуникаций (электроэнергии или сжатого воздуха), а сама операция не вызывает затруднений у обслуживающего персонала. Расход комплексных модификаторов, содержащих в разных соотношениях магний, кальций, барий, РЗМ, алюминий, титан и другие элементы, составляет 0,5...1,5 кг на 1 т получаемой стали. Экономический эффект может быть получен за счет снижения брака, улучшения качества металла, а также исключения из схемы производства операции вакуумирования и снижения затрат при обработке металла на установке ковш-печь.

Во-вторых, накоплен практический опыт модифицирования стали широкого сортамента, разливаемой на слитки. Наивысшая эффективность проведения процесса микролегирования и модифицирования металла, а вместе с тем и всего процесса обработки металла вне печи (в ковше и на разливке), по мнению авторов, возможна при условии применения не одинарных, а многокомпонентных - комплексных и комбинированных микролигатур. Обработка металла многокомпонентными реагентами позволяет достигать более высокой степени рафинирования металла от окисных НВ, способствует более равномерному распределению в затвердевшем металле не удаленных на предыдущих стадиях процесса или вновь образовавшихся включений в слитке. Этот эффект связан с тем, что возникновение комплексных зародышей окисной фазы в расплавах железа, вследствие их более низкого межфазного натяжения, может происходить при более низких пересыщениях, а формирование крупных и в дальнейшем полнее удаляемых из расплава первичных продуктов раскисления идет более активно.

В-третьих, в Челябинске, в НПП "Технология" созданы производственные мощности, позволяющие обеспечить заводы порошковой проволокой или фракционированными комплексными модификаторами любого состава, при этом полученными принципиально новым способом - методом мгновенной закалки исходного расплава [9]. Получение модификаторов таким способом исключает ликвацию элементов в лигатуре, обеспечивает физико-химическую изотропность продукта и стабильность получаемых результатов.

Таким образом, рациональное проведение операции модифицирования позволяет в ряде случаев отказаться от глубокой десульфурации металла или обязательного проведения его вакуумирования. Только максимальное приближение момента присадки легкоокисляющихся примесей к температурам металла, близким к солидусу, т.е. на разливку, в условиях исключения их контакта с футеровкой ковша и ограничения развития процессов вторичного окисления, позволяет в максимальной степени получить более эффективные и устойчивые результаты по улучшению качества металла.

Библиографический список

Ицкович Г. М. Раскисление стали и модифицирование неметаллических включений. М.: Металлургия. 1981. 96 с

Дерябин А. А., Горшенин И. Г., Матвеев В. В. и др. Влияние химического состава металла на содержание водорода и флокеночувствительность рельсовой стали // Электрометаллургия. 2003. № 9. С. 10...18.

Филиппов Г. А., Родионова И. Г., Бакланова О. Н. Коррозионная стойкость стальных трубопроводов и др // Технология металлов. 2004. № 2. С. 24... 27.

Тетюева Т., Иоффе А. Исследование причин преждевременного выхода из строя стальных нефтегазопроводных труб // Научно-технический вестник ЮКОС. 2003. № 8. С. 2...8.

Белов Б. Ф., Николаев Г. А., Позняк Л. А. и др. Улучшение качества непрерывнолитой стали путем микролегирования плакированными порошковыми модификаторами // Сталь. 1992. № 1. С. 24...27.

А.С. 1133022 СССР. Способ введения жидких присадок в кристаллизатор для непрерывного литья заготовок / Потанин P. В., Добровольский В. Б., Чернышёва С. Н. и др. // Изобретения и открытия. 1985. Бюлл. № 1.

Еронько С. П., Быковских С. В. Разливка стали: Оборудование. Технология. Киев: Техника. 2003. 214 с.

Зинченко В. Г., Судоргин И. В. Внепечная обработка валковой стали комплексными модификаторами. Современные проблемы электрометаллургии стали: Материалы XII Международной конф. Челябинск: изд-во ЮУрГУ 2004. С. 127...128.

Рябчиков И. В., Грибанов В. П., Соловьёв Н. М. и др. Энерго- и ресурсосберегающие технологии получения и применения комплексных сплавов-модификаторов // Сталь. 2001. № 1. С. 34...36.

Таблица 1. Результаты механических и коррозионных испытаний металла нефтегазопроводных труб из стали марки 20ХФ производства НТЗ.

сталь нефтегазопроводный коррозионный

Таблица 2. Условия и результаты модифицирования металла в процессе разливки [5].

Размещено на Allbest.ru