СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
METHOD OF STRUCTURAL STEEL PRODUCTION

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при выплавке и внепечной обработке конструкционных сталей различных марок, в том числе и предназначенных для изготовления деталей энергетических установок нового поколения.
Известен способ производства конструкционной стали, включающий получение полупродукта в дуговой печи, выпуск металла в ковш без шлака, обработку основным шлаком, легирование и раскисление металла, вакуум-шлаковую обработку с одновременной продувкой аргоном [Патент РФ №2095429 от 10.11.97].
Недостатком способа является невозможность гарантированного обеспечения заданного состава неметаллических включений. Между тем для марок конструкционной хромистой стали, предназначенных для изготовления энергетических установок и паропроводов, работающих в условиях суперсверхкритических параметров пара (температура до 620°С и давление до 30 МПа) и высоких нагрузок, наличие определенных типов неметаллических включений может являться причиной катастрофического разрушения металла.
Недостаток способа-прототипа связан с тем, что количество раскислителей, вводимых в металл, определяют не по состоянию металлического расплава, а по нормам их расхода, указанным в технологической инструкции.
Технический результат предлагаемого технического решения - уменьшение количества неметаллических включений, обеспечение их заданной композиции и повышение механических и эксплуатационных свойств готового изделия.
Технический результат достигается тем, что при реализации способа производства конструкционной стали, предусматривающем получение полупродукта в дуговой печи, выпуск металла в ковш без шлака, обработку основным шлаком, легирование и раскисление металла, вакуум-шлаковую обработку с одновременной продувкой аргоном, дополнительно осуществляют контроль за формированием состава неметаллических включений измеряя окисленность металла и поддерживая на заданном уровне содержание алюминия и кремния в металлическом расплаве, причем алюминий вводят в расплав в количестве, которое определяют по формуле:
зад
о
-6
-1
[Al]=(1,3…1,6)·[Al]-(1…5)·10·α ,
зад
где [Al] - количество алюминия, вводимого в расплав, выраженное в процентах; [Al] - заданное содержание алюминия в металле, выраженное в процентах;
о
α - активность кислорода в металле, выраженная в процентах,
а содержание алюминия в конечном металле должно соответствовать
0,004-0,05% и кремния не превышать 0,10%.
Измерение окисленности и введение алюминия проводят один или более раз до получения заданного уровня содержания алюминия.
Алюминий в металл вводят в виде катаной или порошковой проволоки с помощью трайб-аппарата.
Уменьшение количества неметаллических включений обеспечивается за счет глубокого раскисления на ранних этапах внепечной обработки. При этом максимально раннее связывание кислорода в неметаллические включения дает им возможность в наибольшей мере удалиться из объема жидкого металла в шлак, поэтому первичное раскисление следует проводить сразу на выпуске. Кроме того, первичное раскисление на выпуске способствует снижению окислительного потенциала футеровки ковша и уменьшению ее окисляющего действия на последующих этапах передела, что в совокупности позволяет уменьшить количество включений, присутствующих в готовом металле. Повышение чистоты металла по включениям способствует повышению свойств металлопродукции.
Повышение свойств готового изделия обеспечивается за счет ограничения содержания кремния в металле до 0,10%. Данный элемент усиливает ликвацию серы и фосфора (особенно в крупных слитках), и увеличение его содержания в металле более 0,10% приводит с существенному снижению вязкости и повышению температуры хрупко-вязкого перехода. Кроме того, включения силикатов имеют размеры, как правило, лежащие в диапазоне критических. Модуль упругости кварцевого стекла значительно ниже, чем стали; кварцевые силикатные стекла могут выпадать в виде пленок на границе растущих кристаллов и существенно ухудшать, например, пластичность стали при горячей деформации. Такие же включения могут выпадать и при совместном раскислении кремнием и алюминием. Совокупность этих факторов объясняет более низкий уровень свойств стали, раскисленной кремнием, по сравнению со сталью, раскисленной алюминием.
Получение более высоких свойств также достигается за счет управления составом неметаллических включений и обеспечения их наименее вредной композиции, что, в свою очередь, достигается вводом в металл строго определенного количества алюминия, рассчитанного по измеренной окисленности металла. При этом количество вводимого алюминия, определяют как разность между его заданным содержанием и фактическим:
зад
o
-6
-1
[Al]=(1,3…1,6)·[Al]-(1…5)·10·α .
-6
-6
-6
-6
2
3
Последнюю величину рассчитывают через измеренную активность кислорода в металлическом расплаве. Коэффициент (1…5)·10 представляет собой удельную (приходящуюся на один моль алюминия) константу равновесия реакции окисления алюминия до AlO. Ее значение характеризует окислительный потенциал контактирующих с металлом фаз - футеровки и шлака. При низкой окисляющей способности соседствующих фаз значение степенного коэффициента приближается к 1·10, при большем окислительном потенциале величина коэффициента увеличивается. Значение коэффициента, меньшее чем 1·10, не может быть установлено в силу термодинамики процесса, большие чем 5·10 значения имеют место тогда, когда окислительный потенциал футеровки или шлака очень высок и является недопустимым при производстве рассматриваемого типа стали (металл будет иметь очень высокую загрязненность неметаллическими включениями).
Коэффициент 1,3…1,6 задают, исходя из особенностей применяемого метода разливки. При плохой защите металла от вторичного окисления значение коэффициента увеличивают, при полном предотвращении взаимодействия металла и кислорода воздуха значение данного коэффициента устанавливают равным 1,3.
зад
зад
Значение величины [Al] следует задавать, руководствуясь следующими соображениями. В случае, если в готовой металлопродукции необходимо обеспечить оксидную фазу, представленную преимущественно хромомарганцовистыми шпинелями, заданное содержание алюминия составляет 0,004…0,005%; если заданный тип включений - алюминаты хрома, требуемое значение величины [Al] - 0,009…0,015%; для обеспечения корунда, как доминирующего типа включений, заданное содержание алюминия принимают равным 0,02…0,05%. Конкретное значение содержание алюминия для обеспечения того или иного типа включений зависит от состава стали.
Выбор желаемой композиции оксидной фазы следует осуществлять по результатам многочисленных исследований влияния состава включений на свойства конструкционной стали, раскисляемой алюминием, показавшими, что наиболее высокий уровень свойств, в том числе жаропрочных, наблюдают тогда, когда основным типом неметаллических включений является корунд. При отсутствии в металле крупных экзогенных включений и равномерного распределения оксидной фазы именно в случае, когда корунд является доминирующим типом неметаллических частиц, сталь имеет наиболее высокие технологические и жаропрочные свойства. Наименее отрицательное влияние частиц корунда, например, на технологическую пластичность объясняется тем, что включения глинозема выпадают в виде дисперсных частиц менее критического размера (сопоставимых с размером зерна), модуль упругости их значительно выше, чем у стали, они не могут образовывать пленочных включений и имеют низкую работу адгезии на границе с металлом. Поэтому на границе частица корунда - металл или в областях, прилегающих к этим частицам, высокие напряжения не возникают, чем и объясняется повышенный уровень свойств стали, раскисленной алюминием.
Частицы хромомарганцовистой шпинели (составляющие основу оксидной фазы нераскисленной хромистой стали) являются наиболее нежелательными в стали рассматриваемого типа. В основном, они представляют собой относительно крупные включения (существенно большие, чем выделения корунда). Кроме того, частицы такого состава имеют высокую работу адгезии к хромистой стали, поэтому вблизи их поверхности в металле возникают весьма высокие напряжения, что приводит к облегчению зарождения и развития трещины.
зад
Таким образом, наименее вредным типом оксидных включений в хромистой стали является корунд, следовательно, для получения наименьшего снижения свойств, обусловленного неметаллическими включениями, металл следует раскислять алюминием и величину [Al] следует задавать равной 0,02…0,05%. Но, тем не менее, предлагаемый способ позволяет обеспечить в металле и другие типы неметаллических включений, поэтому содержание алюминия в конечном металле должно находится в интервале 0,004-0,05%. Если после замера окисленности металла и введения алюминия не достигают заданного уровня его содержания, то эту операцию повторяют один или более раз до получения заданного уровня содержания алюминия.
Примеры реализации способа. Промышленное опробование разработанных рекомендаций было проведено в условиях ООО "ОМ3-Спецсталь".
Было проведено три плавки стали марки 25ХНЗМФА. Из металла опытных слитков отбирали пробы металла для дальнейших исследований. На всех плавках полупродукт выплавляли в 50-тонной электропечи с использованием металлизованных окатышей с содержанием серы 0,005% и лома с содержанием серы 0,015%. Масса жидкого металла составляла 56 т (плавки вели с перегрузом). Перед выпуском из печи температура металла составляла 1650…1655°С, содержание углерода - 0,040…0,055%, содержание серы - около 0,007%. Выпуск полупродукта производили в сталь-ковш с полным отсечением шлака. После заполнения примерно 1/4 ковша производили присадку твердо-шлаковой смеси (357 кг) затем марганца (229 кг) и алюминия (86 кг). К концу выпуска для раскисления шлака и усиления его десульфурирующей способности присаживали дополнительное количество (29 кг) алюминиевой сечки. После этого металл передавали на установку внепечной обработки ASEA-SKF, где присаживали еще одну порцию шлакообразующих и легирующих и производили усреднительную продувку. Далее измеряли активность кислорода и вводили расчетное количество алюминиевой проволоки. Коэффициент усвоения алюминия при таком способе ввода составляет 0,75.
зад
На первой плавке активность кислорода в металлическом расплаве перед раскислением составляла 0,0015%. Заданный тип неметаллических включений - корунд, т.е. [Al]=0,040%. Требуемая концентрация алюминия составила 0,061% в металлическом расплаве, а расход проволоки составил 45,5 кг.
зад
На второй плавке активность кислорода в металлическом расплаве перед раскислением составляла 0,0008%. Заданный тип неметаллических включений - корунд, т.е. [Al]=0,040%. Требуемая концентрация алюминия составила 0,058% в металлическом расплаве. Расход проволоки составил 43,3 кг.
зад
На третьей плавке активность кислорода в металлическом расплаве перед раскислением составляла 0,0007%. Заданный тип неметаллических включений - корунд, т.е. [Al]=0,040%. Требуемая концентрация алюминия составила 0,057% в металлическом расплаве, расход проволоки составил 42,6 кг.
2
3
После ввода алюминия проводили вакуумирование металла. Длительность выдержки под вакуумом составляла 20…25 мин, давление при этом поддерживали около 0,8 мм рт.ст. Расход аргона при выдержке металла под вакуумом поддерживали на уровне 214 л/мин. Состав шлака в период вакуумирования на опытных плавках был следующий, мас.%: СаО - 50…53, AlO - 21…27, FeO<0,7. Толщина шлака - 140…165 мм. По окончании вакуумирования проводили вымешивание включений путем продувки металла через донные пористые пробки аргоном в течение 15 мин при расходе газа 43 л/мин без оголения зеркала металла. Разливку стали проводили в 225-тонной вакуумной камере со скоростью 6,2 т/мин. Во время перелива металла из сталь-ковша в промежуточный ковш струю защищали специальной трубой. Место соединения защитной трубы с шибером сталь-ковша зачехляли и обдували аргоном. Прибыли утепляли смесью "Nermat".
Пробы для анализа неметаллических включений отбирали из средней части слитка на расстоянии 1/3 радиуса от продольной оси (от центра).
Химический состав металла, выплавленного в ходе данных трех плавок, и состав оксидной фазы в нем приведен в табл.1 и табл.2, соответственно.
Табл.1.
Химический состав металла опытных плавок
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
V
Al
Заданный
0,25-0,30
не более 0,04
0,3-0,6
<0,010
<0,010
1,3-1,7
3,4-3,8
0,5-0,7
0,12-0,18
0,04
Плавка 1
0,27
0,03
0,35
0,005
0,006
1,5
3,41
0,51
0,17
0,039
Плавка 2
0,28
0,01
0,37
0,005
0,005
1,6
3,55
0,57
0,14
0,042
Плавка 3
0,26
0,02
0,45
0,005
0,005
1,35
3,74
0,53
0,15
0,041
Табл.2.
Состав неметаллических включений в металле опытных плавок
плавка
[O], %*
ОКНВ, %**
Состав оксидного осадка, мас.%
[O]нв, %***
SiO<sub>2</sub>
MnO
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
FeO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Плавка 1
0,0040
0,0080
5,7
0,8
0,0
1,6
80,0
0,0033
Плавка 2
0,0045
0,0095
6,3
4,7
1,9
3,2
81,0
0,0042
Плавка 3
0,0041
0,0080
2,0
3,8
1,0
1,6
91,6
0,0037
* содержание кислорода, определенное методом вакуумного плавления
** общее количество неметаллических включений
*** содержание кислорода, рассчитанное по данным о составе и количестве неметаллических включений
2
3
Как видно из способа, выплавка стали в соответствии с данным способом позволила получить металл с оксидной фазой заданного состава - основным типом неметаллических включений был корунд (AlO). Как показали результаты металлографического исследования, оксидные частицы были равномерно распределены в объеме металла, их максимальный размер не превышал 10 мкм.
2
По результатам исследований металла проб, отобранных от слитков, полученная сталь имеет однородную структуру и повышенные значения характеристик жаропрочности, пластичности и кратковременных механических свойств, что обуславливает высокую надежность изготовленных из нее изделий. Уровень длительной прочности выплавленной стали в при 600…630°С составил 73…95Н/мм и превосходил заданный уровень свойств.
Для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению в условиях ползучести (в зонах конструктивных концентраторов напряжений - проточек, канавок, переходов и др.) определяли уровень длительной пластичности металла ротора. Критический уровень этой характеристики находится в диапазоне 4…8%. Полученные значения длительной пластичности составляют не менее 17%, в основной массе находятся в интервале более 20% и значительно превосходят критический уровень.
Проведенные исследования позволили выявить взаимосвязь в системе окисленность металла - содержание раскислителя - неметаллические включения, с помощью которой можно достоверно прогнозировать состав формирующихся оксидных включений и разработать способ производства конструкционной стали, позволяющий управлять составом оксидной фазы и обеспечивать в готовом металле ее минимальное количество при заданном составе.
Табл.3.
Параметры и результаты испытания опытного металла на длительную прочность.
Температура испытания, °С
Напряжение, Н/мм<sup>2</sup>
Время до разрушения, ч
Конечное удлинение, δ, %
Примечание
600
180
116
16,8
осевая зона
180
280
21,3
поверхность
160
1950
22,4
осевая зона
160
1480
24,3
поверхность
140
2500<sup>*</sup>
19,6
осевая зона
140
6400<sup>*</sup>
22,4
поверхность
120
2050→
Испытания продолжаются
осевая зона
120
7525<sup>*</sup>
27,3
осевая зона
120
1600→
Испытания продолжаются
поверхность
120
13187<sup>*</sup>
29,4
поверхность
650
160
12
24,1
осевая зона
160
28
27,3
поверхность
140
39
19,6
осевая зона
140
94
22,4
поверхность
120
110
27,3
осевая зона
120
187
29,4
поверхность
100
520→
Испытания продолжаются
осевая зона
100
540→
Испытания продолжаются
поверхность
<sup>* </sup>пересчет с температуры 650°С.