Анализ причин повышенного содержания углерода и азота в стали класса if для условий ОАО «ММК»

УДК 672.1

Горкуша Д.В., Комолова O.A., Григорович К.В.

АНАЛИЗ ПРИЧИН ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И АЗОТА В СТАЛИ КЛАССА IF ДЛЯ УСЛОВИЙ ОАО «ММК»

Аннотация. Проведен анализ технологии выплавки и внепечной обработки стали класса IF для условий ККЦ ОАО «ММК» и выявлены причины повышенного содержания в нейуглерода и азота. Отобраны пробы металла по всей технологической цепочке и проведены исследования проб на содержание углерода, азота, серы, кислорода, неметаллических включений. Изучено влияние технологических операций на изменение концентраций углерода и азота вметалле.

Ключевые слова: анализ технологии, внепечная обработка, IF стали, содержание углерода, азота, кислорода, серы, неметаллических включений.

В настоящее время большое количество металлических деталей при производстве бытовой техники и кузовов легковых автомобилей получают из тонкого холоднокатанного стального листа методами штамповки и глубокой вытяжки. Основные требования к листовым сталям для глубокой вытяжки - повышенная деформируемость, высокая прочность и хорошее качество поверхности изделий. Данным требованиям удовлетворяют № стали, достижение свойств в которых определяется как требованиями по химическому составу - сверхнизким содержанием углерода, азота, низкими содержаниями примесей цветных металлов (Сг < 0,03%, Си < 0,03%), кремния (81 < 0,2%), серы (Б< 0,01%), так и требованиями к механическим свойствам и качеству поверхности листа. Лучшие зарубежные производители стабильно получают в № сталях сверхнизкие концентрации углерода менее 0,002% и азота менее 0,002%, что обеспечивает повышенные пластические свойства и хорошую штам-пуемость. Одним из важных критериев качества стали является также чистота по неметаллическим включениям. В настоящее время технологии, которые используются на ряде российских металлургических предприятий, не позволяют стабильно получать сверхнизкие содержания углерода и азота в конечном продукте.

Выбор марок сталей, которые используются в кузове современного автомобиля, осуществляется на основе норм безопасности, эксплуатационных характеристик и экономических критериев для каждой отдельной детали. Для обеспечения прочности кузова используется ВИ-эффект - повышение прочности стали при горячей сушке [1]. Увеличение прочности достигается за счет процесса закрепления растворенных свободных атомов углерода на дислокациях в процессе низкотемпературного отжига. Сложность технологии производства стали класса ВИ заключается в том, что необходимо весьма точно обеспечить заданное низкое содержание азота и углерода в металле (([N^<0,0015%, [С]<0,0030%)) и соответствующие концентрации микролегирующих элементов №, Т1, А1.

При производстве Ш-ВИ сталей необходимо обеспечить удаление азота из металла до заданных значений и не допустить попадания его из внешней среды, так как избыточное содержание азота в стали приводит к эффекту старения, снижению пластичности технологических свойств [2]. При условии обеспечения низкого содержания азота в металле ВИ-эффект обеспечивается за счет содержания растворенного углерода [3-4].

Стандартной технологией выплавки № сталей в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» является выплавка полупродукта в кислородном конвертере. При выпуске металла из конвертера для раскисления, легирования и наведения шлака в ковш отдают алюминий, металлический марганец или ферромагра-нец, а также известь. Далее металл рафинируют на циркуляционном вакууматоре и проводят микролегирование металла ниобием и титаном на агрегате ковш-печь [6].

Был проведен анализ массива данных из 63 плавок по всей технологической цепочки, начиная от конвертера и заканчивая разливкой металла. Анализ показал, что существует значительный разброс концентраций углерода и азота на каждом переделе для одной и той же марки стали.

Как показано на рис. 1, содержание углерода в металле при выпуске из конвертера изменяется в диа -пазоне от 0,027 до 0,058%. Минимальное значение углерода на выпуске составляет 0,027%, максимальное - 0,058%. Весь диапазон содержания углерода в полупродукте разбили на интервалы размером 50 ррт.

Содержание углерода в большинстве плавок (60%) попадает в диапазон от 0,035 до 0,05%. Все значения содержания углерода, полученные на выпуске из конвертера, удовлетворяют требованиям технологической инструкции по содержанию углерода. Но достаточно сильный разброс концентраций углерода в стали на выпуске из конвертера, который составляет 290 ррт, говорит о нестабильности технологии выплавки стали в кислородном конвертере.

* ^ л* & & У №

///// У ^

Анализ паспортов плавок на содержание углерода и азота в стали после обработки на циркуляционном вакууматоре показан на двух диаграммах (рис. 2).

По результатам анализа результатов обработки металла на циркуляционном вакууматоре можно сделать вывод, что содержание углерода практически во всех в случаях (96 %) попадает в диапазон от 25 до 40 ррт. Однако данные содержания углерода в металле велики для получения качественной, удовлетворяющей мировым стандартам № стали. Содержание азота в металле изменяется в широком диапазоне, лишь 11% плавок из обработанного массива попадает в диапазон от 30 до 35 ррт. Это говорит о не достаточной эффективности обработки металла на циркуляционном вакууматоре.

Самый большой разброс значений как по содержанию углерода (рис.3, а), так и по содержанию азота (рис 3, б) наблюдается на этапе разливки стали.

Рис 1. Диаграмма разброса содержанияугперода в полупродукте

2А%

1%

31«

2В 1*  -

Ж

У У

44%

ш 1

17% 1

11«

1 «к

_ _

г

Рис 2. Диаграммы содержания углерода (а) и азота (б) в стали после обработки на циркуляционном вакууматоре

229)

£ I I

^ Л? $ Ж ¿Р ^

¿г ¿р ¿р ^

Л? ,

Рис. 3. Диаграммы содержания углерода (а) и азота (б) в стали на этапе разливки

Содержание углерода в стали на этапе разливки до 30 ррт не более 2% случаев, наиболее часто (57%) значения углерода попадают в диапазон от 35 до 45 ррт, однако в 28% случаев значения углерода превышают 45 ррт, что является слишком высоким значением для марок стали класса №. В промежутке после обработки стали на циркуляционном вакууматоре и на разливке наблюдается прирост концентраций углерода в расплаве в среднем на 10 ррт.

Содержание углерода в металле от этапа циркуляционного вакуумирования до этапа разливки прирастает на всех плавках. Увеличение содержания углерода в стали может происходить за счет легирующих материалов, при контакте расплава с электрическими дугами во время обработки на установке ковш-печь, также на всех плавках видна тенденция прироста углерода от пробы к пробе при разливке стали, это говорит о науглероживании стали от защитных шлаковых смесей и футеровки.

Наблюдается большой разброс по содержанию азота в стали на МНЛЗ. Наиболее часто значения ложатся в диапазон от 40 до 45 ррт (23%) и от 60 до 65 ррт (27%), что еще раз доказывает нестабильность технологии производства. На всех плавках от этапа циркуляционного вакуумирования до этапа разливки наблюдается увеличение содержания азота в расплаве в среднем на 12 ррт, что говорит о вторичном окислении металла.

Из анализа массива данных можно сделать выводы:

- существующая технология производства стали класса № на данный момент не позволяет стабильно получать металл с суммарным содержанием углерода и азота менее 50 ррт, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к химическому составу, для сталей класса

- технология производства сталей класса № не является стабильной, так как присутствует сильный разброс по содержанию азота и углерода в металле на разных этапах производства;

- минимальное содержание азота в расплаве после выпуска из конвертера;

- содержание азота в металле во всех случаях от этапа циркуляционного вакуумирования до этапа разливки растет в среднем на 10-15 ррт, что говорит о вторичном окислении металла;

- содержание углерода в металле во всех случаях на этапе циркуляционного вакуумирования и до разливки растет. Увеличение содержание углерода в металле может происходить по нескольким причинам: поступление из электрических дуг при подогреве металла на установке ковш-печь (УПК), из присадок ферросплавов и легирующих, из футеровки, из утеплительных смесей и т.д.

Массив паспортных данных был проанализирован на предмет отклонения последовательности агрегатов от стандартной технологии.

В зависимости от графика разливки и загруженности агрегатов технология производства одной и

той же марки стали может отличаться от стандартной технологии. В общем виде все разнообразие технологических цепочек производства IF стали можно представить двумя схемами:

а) КК-УПК (УУПС)-УВ С-УПК(УУПС)-МНЛЗ;

б) КК-УВС-УПК (УУПС)-МНЛЗ*.

После вакуумирования металл подвергается обра -ботке либо на установке ковш-печь, либо на установке усреднительной продувки стали, далее поступает на МНЛЗ. Для выяснения возможных причин науглероживания металла по технологической схеме а производства IF стали были отобраны и проанализированы пробы металла на каждой технологической операции. Получены результаты химического состава отобранных проб металла, содержания газов (N, O) и количества неметаллических включений. Содержание неметаллических включений в металле было определено с помощью метода фракционного газового ана -лиза. Метод фракционного газового анализа позволяет определить содержание кислорода в различных типах неметаллических включений, содержание кислорода в конкретном типе неметаллического включения эквивалентно объемной доли данного типа неметаллического включения в стали [5]. На Рис. 4 приведены результаты определения в отобранных пробах металла содержания кислорода в различных типах неметаллических включений, общего кислорода, азота, углерода и серы.

В результате анализа отобранных проб металла было показано:

• Наименьшее содержание азота наблюдается после выплавки стали на кислородном конвертере, далее азот увеличивается при взаимодействии металла с дугами при электронагреве в ковше-печи. На этапе циркуляционного вакуумирования азот в стали не уменьшается, это говорит о недостаточной эффектив -ности работы вакууматора. Азот немного снижается при вводе в сталь ферротитана за счет образования нитридов титана и удаления их в шлак. На этапе разливки азот увеличивается, что говорит о неэффективности мероприятий по защите стали от вторичного окисления.

• Минимальное содержание углерода (25 ppm) достигается при обработке металла на циркуляционном вакууматоре, далее при вводе ферросплавов содержание углерода возрастает. Содержание углерода повышается (-15 ppm) на этапе разливки при взаимодействии металла со шлакообразующими смесями и футеровкой.

• Металл значительно загрязнен оксидными (рис.5, а) и нитридными (рис.5, б,в) неметаллическими включениями, что отрицательно влияет на качество готовой продукции.

* КК - кислородный конвертер; УПК - установка печь-ковш; УУПС - установка усреднтельной продувки стали; УВС - установка вакуумирования стали; МНЛЗ - машина непрерывного литья заготовок.

110

100

[NNN4 Силикаты

Алюминаты

| (AI.Ca.S0xO,

Рис.4. Содержание кислорода вразличных типах неметаллических включений, общего кислорода, азота, углерода и серы

в отобранных пробах металла, плавка 1.

« чь

V

Рис.5. Результаты металлографического анализа: а - строчка оксидных неметаллических включений; б - крупное нитридное включение; в - строчка нитридных включений

Список литературы

1. Elsen P. and Hougardy H.P. Steel Research, vol. 64, 1993, pp. 431 - 436.

2. William C. Leslie. The Physical Metallurgy of Steels. TechBooks, 1991, p. 396.

3. Baker L.J., Daniel S.R. and Parker J.D. Materials Science and Technology, vol. 18, 2002, pp. 355 - 367.

4. Филлипов Г.А., Родионова И.Г. Пути повышения потребительских свойств сталей для автомобилесторения //

Современные достижения в металлургии производства сталей для автомобильной промышленности. 2006. С. 144-149.

5. Исследование структуры и металлургического качества рельсовых сталей разных производителей / Григорович К.В., Трушникова A.C., Арсенкин A.M., Шибаев С.С., Гарбер А.К. // Металлы. 2006. №5. С.1-16.

6. Технологические особенности производства стали с нормированным содержанием азота / Якшук Д.С., Паршаков А.Н., Вдовин K.M., Волошин Ю.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2009. №2 (26). С. 29-31.

Сведения об авторах

Горкуша Дмитрий Витальевич - магистрант каф. металургии стали и ферросплавов, НИТУ «МИСиС», г. Москва.

Комолова Ольга Александровна - каид. техн. наук, ст. преп. каф. металлургии стали и ферросплавов, НИТУ «МИСиС», г. Москва.

Григорович Константин Всеволодович - член-корреспондент АН РФ, д-р техн. наук, проф., зав. каф. металлургии стали и ферросплавов, НИТУ «МИСиС», г. Москва.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

ANALYSIS OF CAUSES OF HIGH CARBON AND NITROGEN IN THE IF STEEL FOR THE CONDITIONS MAGNITOGORSK IRON & STEEL WORKS

Gorkusha Dmitry Vitalievich - Student, NRTU «MISA», Moscow.

Komolova Olga Aleksandrovna - Ph.D. (Eng.), Assistant Professor, NRTU «MISA», Moscow.

Grigorovich Konstantin Vsevolidovich - D.Sc. (Eng.), Professor NRTU «MISA», Moscow.

Abstracts. The analysis of technology of smelting and secondary refining IF steel for the conditions Magnitogorsk Iron & Steel Works and identified the causes of the increased carbon content and nitrogen. Sampled metal throughout the processing chain and studies on samples of carbon, nitrogen, sulfur, oxygen and nonmetallic inclusions. The effect of technological change in the concentration of operations on carbon and nitrogen in the metal.

Keywords: Analysis technology, secondary refining IF steel, carbon, nitrogen, oxygen, sulfur, non-metallic inclusions.

♦ ♦ ♦