ЛИТАЯ ЖАРОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ КОЛОСНИКОВ АГЛОМЕРАЦИОННЫХ МАШИН
CAST HEAT-RESISTANT STEEL FOR FIRE BARS OF SINTER MACHINES

Данное изобретение относится к металлургии, в частности разработке состава литой ферритной стали, используемой для изготовления мелких отливок, работающих в условиях циклического действия высокотемпературных газовых потоков, например, колосников агломерационных конвейерных машин.
Данные отливки являются сменными деталями и их эксплуатационная стойкость и стоимость оказывают существенное влияние на производительность оборудования и себестоимость получаемого агломерата.
Анализ производства колосников показал, что для изготовления колосников используется сталь 75Х24ТЛ (ТУ 14.12.44-84), имеющая следующий химический состав, мас.%: 0,60÷0,90 С; 0,40÷0,90 Si; 0,40÷0,80 Mn; 22,0÷26,0 Cr; 0,10÷0,30 Ti; н.б. 0,040 S; н.б. 0,040 Р.
Гарантированный срок эксплуатации колосников из этой стали - 12 месяцев. Колосники выходят из строя по причине утонения, что увеличивает зазор между ними в собранном состоянии, при этом снижается производительность машины, увеличивается отсев из производственного цикла кондиционных фракций агломерата.
Схема получения агломерата следующая: собирают колосниковую решетку - в специальную паллету, горизонтально и вплотную друг к другу собирают колосники. Средние части колосников образуют зазоры шириной 4 мм. В процессе эксплуатации при высоких температурах допускается увеличение зазора до 9 мм. Колосниковую решетку помещают на дно спекательных тележек, которые, двигаясь по рельсам, образуют конвейер (ленту) агломерационной машины.
2
На колосниковую решетку загружают так называемую постель высотой 30÷35 мм, состоящую из возврата крупностью 10÷25 мм, затем загружают шихту (200÷250 мм). Под колосниковой решеткой создают разрежение около 100 кН/м, в результате чего с поверхности в слой засасывается наружный воздух. Горном нагревают поверхностный слой шихты до температуры 1200÷1300°С и топливо, находящиеся в слое спекаемого материала, воспламеняется. При достижении зоны горения постели процесс спекания заканчивается. Длительность процесса - 10÷20 мин. Затем агломерат ссыпается с паллеты.
Изучение технологии обжига показало следующие особенности.
1. Колосники омываются газами в виде продуктов сгорания кокса из шихты и разложения природного газа, поступающего из горелок на поверхностный слой шихты, т.е. колосники эксплуатируются в восстановительной среде.
2. Колосники отделены от зоны с температурой 1200÷1300°С постелью и слоем шихты высотой 230÷285 мм, что обуславливает их более низкую рабочую температуру и защищает от прямого попадания пламени на их поверхность.
3. Температура отходящих из зоны обжига газов, просасываемых через колосники, 520°С [2].
4. Время нахождения колосников в зоне высоких температур примерно 20 минут, в том числе при температурах более 1000°С - 6÷8 минут [2].
5. Колосники после удаления агломерата охлаждаются и затем снова попадают в печь.
Учитывая вышеизложенные особенности, а также довольно низкую теплопроводность высокохромистых сталей, вопрос оптимизации их химического состава остается актуальным.
Для сравнения ранее известных данных из государственных стандартов были выбраны составы жаростойких сплавов, применяемых для деталей, работающих без динамических нагрузок при температурах выше 1000°С. Данные приведены в табл.1.
Таблица 1Химический состав, эксплуатационные свойства и области применения жаростойких сплавов
№
Марка сплава
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
Ti
Ni
S
Al
1
15Х25ТЛ
0,10
0,50
0,50
23
0,40
н.б.
ГОСТ
0,20
1,20
1,80
27
0,80
-
0.030
-
977-88
Коррозионная, жаростойкая до 1100°С обладает удовлетворительной сопротивляемостью межкристаллитной коррозии.Детали, не подвергающиеся действиям постоянных и переменных нагрузок (печная арматура, детали химического машиностроения).
2
15Х25ТЛ
н.б.
н.б.
н.б.
24
5 [С]
н.б.
ГОСТ
0,15
1,0
0,8
27
0,90
-
0,025
-
5632-72
В интервале температур 400÷700°С не рекомендуется эксплуатировать. Детали, не подвергающиеся действиям постоянных и переменных нагрузок (печная арматура, детали химического машиностроения).
3
75Х28Л
0,50
0,50
0,50
26
н.б.
н.б.
ГОСТ
1,00
1,3
0,80
30
-
0,5
0,08
-
2176-72
Кислотостойкая, жаростойкая до 1100°С. Повышенное сопротивление износу и хорошие литейные свойства.Детали с небольшими механическими нагрузками в среде газов SO<sub>2</sub> и SO<sub>3</sub>. В щелочах, азотной кислоте, растворах солей до 1000°С (печная арматура, сопла горелок) сопла пескоструйных горелок - сильный абразивный износ.
4
185Х34Л
1,50
1,30
0,50
32
н.б.
н.б.
ГОСТ
2,20
1,70
0,80
36
-
0,5
0,10
-
2176-72
Высокая коррозионная стойкость в газах, содержащих серу. Высокое сопротивление абразивному износу.Литые гребенки печей.
5
ЧХ22
2,4
0,20
1,50
19
н.б.
(ЧХ22Д)
3,6
1,00
2,50
25
-
0,08
-
ГОСТ
7768-82
Высокоустойчивый против абразивного износа и истирания в условиях размольного, оборудования агломашин при повышенных температурах. Износостойкие детали, вставки для армирования брусьев вторичной зоны охлаждения установок непрерывной разливки стали.
6
ЧХ30
1,0
н.б.
н.б.
н.б.
Мо
н.б.
29
ГОСТ
1,2
0,5
0,7
0,15
0,5
0,08
31
7768-82
1,0
Жаростойкие в воздушной среде при температурах ниже 1100°С.Детали печей обжига колчедана.
7
ЧХ32
1,6
1,5
н.б.
30
0,1
н.б.
ГОСТ
3,2
2,5
1,0
34
0,3
0,080
-
7768-82
Высокая коррозионная стойкость в газах, содержащих серу или SO<sub>2</sub>, H<sub>2</sub>O. Жаростойкость до температур 1100°÷1150°С.Печная арматура, реторты для цементации, сопла горелок, гребки печей обжига колчедана.
8
ЧХ28
0,5
0,5
н.б.
25
н.б.
ГОСТ
1,6
1,5
1,0
30
-
-
0,08
-
7768-82
Высокая коррозионная стойкость в газах, содержащих серу или SO<sub>2</sub>, H<sub>2</sub>O. Жаростойкость до температур 1100°÷1150°С.Печная арматура, реторты для цементации, сопла горелок, гребки печей обжига колчедана
Сталь 15Х25ТЛ (п.1, 2) не нашла применения из-за повышенной стоимости, что связано с технологией ее получения, а именно:
1. Низкое содержание углерода обуславливает проведение плавки методом окисления примесей. Это увеличивает продолжительность плавки и, как следствие, расход вспомогательных материалов (огнеупорного кирпича, графитированных электродов и других) и электроэнергии, что сказывается на цене отливки.
2. Сталь имеет низкую жидкую текучесть, из-за чего ее надо перегревать, что приведет к получению крупного ферритного зерна после кристаллизации и повышению газонасыщенности.
3. Легирование низкоуглеродистой стали необходимо производить низкоуглеродистым феррохромом марки ФХ015, который дороже среднеуглеродистого ФХ100.
4. Сталь содержит большое количество титана (до 0,8 мас.%), который является сильным пленообразующим элементом и значительно снижает жидкотекучесть стали. Усвоение титана мало - 40÷50%. При использовании отходов производства в последующих плавках титан полностью выгорает.
Сталь 75Х28Л имеет более высокое содержание хрома, что очевидно не дает повышения стойкости колосников пропорционально увеличению их стоимости.
Чугун ЧХ30 (п.6) имеет высокую стоимость из-за большого содержания дорогостоящего алюминия. Его применяют в печах для обжига колчедана, где присутствует атмосфера сернистого газа. После нагрева и выдержки при 900°С, удаления концентрата колосники охлаждаются водой [6]. Поэтому они должны обладать повышенной трещиноустойчивостью.
В сплавах 185Х34Л, ЧХ28, ЧХ32 больше хрома, чем в стали 75Х24ТЛ, а в чугуне ЧХ22 значительно больше углерода. Колосники из этих сплавов имеют низкую трещиноустойчивость в холодном состоянии. В процессе очистки отливок в галтовочных барабанах и при транспортировке их навалом отмечались многочисленные сколы, например, для сплава ЧХ32 брак по сколам находился в пределах 3÷10%.
Таким образом, сталь 75Х24ТЛ в настоящее время является основным материалом для изготовления колосников агломерационных машин.
Сталь имеет хорошую жидкотекучесть, более низкое содержание титана (0,1÷0,3 мас.%) и достаточную трещиноустойчивость в холодном состоянии, что и определило ее широкое применение в нашей стране.
Между тем, данная сталь имеет существенные недостатки.
1. Вопрос оптимального содержания в стали хрома в сочетании с другими элементами остается до конца не выясненным.
2. Присутствие в составе стали титана является не обоснованным и требует исследований.
3. Для мелких колосников весом до 3 кг жидкотекучесть стали, содержащей 0,60÷0,65 мас.% углерода является недостаточной.
Целью изобретения является повышение жаростойкости колосников агломерационных машин, работающих в условиях многократных и циклических нагревов в восстановительной атмосфере с постепенным охлаждением.
Поставленная цель достигается разработкой состава высокохромистой стали. Новая сталь 90Х20В(М)Л имеет следующий состав в мас.%: 0,75÷0,95 С; 0,50÷1,25 Si; 0,40÷0,80 Mn; 18,0÷22,0% Cr; 0,20÷0,65 W; н.б. 0,040 S; н.б. 0,040 Р; 0,01÷0,06 Al; 0,05÷0,25 Мо.
Содержание элементов было определено на основании известных данных об их влиянии на структуру и свойства стали.
Снижение содержания углерода в стали менее 0,75 мас.% приводит к заметному ухудшению ее жидкотекучести, что обуславливает повышение температуры заливки и угара хрома, увеличения усадки, создает трудности при разливке мелких форм в условиях конвейерного производства и, главное, способствует формированию крупного зерна при кристаллизации.
Нижний предел содержания углерода в стали определяется возможностью заливки сталью из ковша емкостью 0,3÷1,5 т (по условиям производства различных литейных цехов, специализирующихся на крупносерийном и массовом производстве мелких отливок) 10÷20 литейных форм без брака по недоливу и спаям, т.е. оптимальной практической жидкотекучестью.
Повышение содержания углерода более 0,95 мас.% увеличивает хрупкость стали, при этом на отливках наблюдаются сколы кромок при технологических манипуляциях.
Значительно повысить жаростойкость стали может кремний. Но при содержании его более 1,2…1,3 мас.% сталь становится хрупкой в холодном состоянии, ухудшается ее термостойкость. Кроме того, заметно ухудшается жидкотекучесть стали.
При содержании кремния менее 0,50 мас.% заметно увеличивается угар хрома во время выплавки.
Содержание марганца, как правило, в сталях ферритного класса не превышает 0,80 мас.%, т.к. марганец является аустенитообразующим элементом. Раскислительная способность марганца совместно с кремнием выше, чем у этих элементов в раздельности.
Основным легирующим элементом коррозионно-стойких сталей является хром. Резкое повышение коррозионной стойкости сталей начинается с содержания хрома 11,7 мас.% [3]. Большое значение имеет соотношение содержаний хрома и углерода. Для сохранения высокой окалиностойкости сплава с повышенным содержанием углерода необходимо увеличивать и содержание хрома, однако точно определить необходимое для высокой окалиностойкости содержание хрома практически невозможно, так как с изменением в сплаве содержания хрома и железа изменяется и содержание этих элементов в железохромистых карбидах [4]. Коррозионная стойкость сплавов Fe-Cr зависит от степени легированности феррита и природы карбидной фазы [4].
Не смотря на положительное влияние хрома на устойчивость сталей к коррозии, необходимо отметить его недостатки, связанные с большими потерями хрома во время плавки из-за его сильного окисления и более высокой скоростью образования и растворения его карбидов по сравнению с другими карбидообразующими элементами.
Затвердевание колосников после заливки формы происходит сравнительно быстро, т.к. они имеют небольшую толщину - 25÷45 мм в верхней части и 12÷25 мм в нижней в зависимости от типа колосника. Как показали металлографические исследования структуры колосников из стали 75Х24ТЛ размеры карбидов в поверхностной зоне (≈3 мм) колосников меньше, чем в центральной части - 1÷2 балл и 6÷7 балл согласно ОСТ 23.165-86 соответственно. Размер допуска на толщину колосника составляет - 2,5 мм на одну сторону, т.к. при большем утончении колосника в собранном состоянии увеличивается зазор между ними, что приведет к потерям окатышей, и колосники подлежат замене. Таким образом, глубина рабочей зоной колосника практически составляет 2,5 мм.
В связи с тем, что процесс карбидообразования в поверхностной зоне колосника полностью не завершается, существует возможность легирования матричного зерна другими элементами, способными одновременно образовать более жаростойкие карбиды. К таким элементам относятся вольфрам и молибден. Не смотря на то, что они являются сильными карбидообразующими элементами, их растворимость в феррите достаточно, чтобы повысить его коррозионную устойчивость. Растворимость вольфрама и молибдена в феррите по данным [5] составляет 5,45 и 3,55 мас.% соответственно.
Известно [6], что молибден и в большей степени вольфрам повышают температуру рекристаллизации твердого раствора, затрудняя тем самым диффузионные перемещения и способствуя сохранению упрочнения стали при высоких температурах. Скорость диффузии молибдена и вольфрама в твердых растворах α и γ очень мала. Поэтому применение этих элементов при условии кратковременного пребывания стали в зоне с повышенными температурами в восстановительной среде является перспективным.
Вольфрам и молибден очень дорогие материалы, поэтому их использование должно быть ограничено. Применение вольфрама и молибдена позволяет снизить содержание хрома в стали без ухудшения эксплуатационной стойкости литых колосников.
Содержание элементов в предлагаемой стали было уточнено по результатам лабораторных испытаний опытных и серийных составов высокохромистых сталей.
2
Стойкость стали к высоким температурам определяли, выдерживая образцы в лабораторной печи при температуре 1000°С в течение 500 часов. Критерием оценки окалиностойкости служил привес образцов диаметром и высотой, равным 15±0,1 мм, отнесенный к 1 см поверхности образца. Образцы испытывали в фарфоровых чашечках, прокаленных при 1000°С. Точность измерения образцов и чашечек ±0,001 г. Для снижения окислительного потенциала печи в ее рабочее пространство вводили периодически серебристый графит. Образцы через 30 минут вытаскивали на спокойный воздух и таким образом чередовали теплосмены аналогично режиму обжига агломерата. Визуальный осмотр не показал наличия трещин.
В табл.2 приведены составы сталей и результаты привеса образцов после испытаний. Химический состав и значение потери веса являются средним от исследования 5 образцов, разница в результатах не превышала 4,5%.
Варианты 1÷8 представляют собой опытные составы сталей с содержанием углерода, хрома, вольфрама на нижнем и верхнем пределах в различных сочетаниях. Вариант 9 является оптимальным с точки зрения удовлетворительной жаростойкости и минимально возможной для данного случая себестоимости стали (минимальное содержание дорогостоящего вольфрама). Варианты 10, 11, 12 представляют собой составы серийной стали с минимальным, средним и максимальным содержанием хрома соответственно при оптимальном содержании углерода и кремния. Содержание алюминия во всех составах находилась в пределах 0,03÷0,05 мас.%.
Таблица 2Окалиностойкость высокохромистых сталей после испытания в течение 500 часов при температуре 1000°С
№
Содержание элементов, мас.%
Привес ΔР, г/см<sup>2</sup>
С
Si
Mn
Cr
W
S
Р
1
0,75
0,71
0,44
18,2
0,21
0,019
0,036
0,055
2
0,77
0,73
0,43
18,1
0,64
0,024
0,031
0,024
3
0,97
0,74
0,46
18,2
0,21
0,022
0,033
0,056
4
0,98
0,75
0,45
18,2
0,64
0,022
0,032
0,026
5
0,74
0,74
0,43
21,9
0,21
0,023
0,032
0,033
6
0,74
0,74
0,44
21,8
0,64
0,027
0,030
0,014
7
0,97
0,73
0,44
21,8
0,21
0,029
0,031
0,036
8
0,98
0,73
0,45
21,9
0,64
0,026
0,030
0,017
9
0,74
0,72
0,47
19,8
0,25
0,029
0,029
0,040
10
0,71
0,70
0,44
22,2
-
0,026
0,022
0,050
11
0,73
0,72
0,44
24,0
-
0,030
0,024
0,040
12
0,73
0,71
0,46
25,8
-
0,023
0,030
0,036
2
Представленные в табл.2 результаты показали, что наилучшим является составы опытной стали №6 и №8, имеющие ΔР соответственно 0,014 и 0,017 г/см, в этих составах содержится максимальное количество хрома и вольфрама. Хорошие показатели также у составов №2 и №4, где при высоком содержании вольфрама присутствует минимальное для этой марки стали количество хрома. Следует отметить, что изменение содержания углерода от 0,74 до 0,98 мас.% практически не повлияло в данном случае на величину ΔР.
Величина ΔР опытных образцов составов №5 и №7 с максимальным содержанием хрома (21,8÷21,9 мас.%) сопоставима с ΔР серийных образцов (вариант №12), содержащих хром на верхнем пределе - 25,8 мас.%.
Худшие показатели ΔР по сравнению со средним составом серийной стали №11 имеют опытные составы №1 и №3, т.е. в случае низких содержаний хрома и вольфрама - 18,1 и 0,21 мас.% соответственно.
Таким образом, для повышения жаростойкости стали 90Х20В(М)Л необходимо следить за соотношением содержаний хрома и вольфрама.
Оптимальное содержание этих элементов, позволяющих иметь лучший результат по сравнению с базовым составом №11, является: 21,0÷22,0% Cr и 0,20÷0,30% W. Большему содержанию хрома будет соответствовать меньшее содержание вольфрама.
Следует отметить отсутствие в опытной стали титана, который не может заметно влиять на уменьшение зерна стали, т.к. ранее указывалось, что в верхней (рабочей) зоне колосника за счет высокой скорости кристаллизации образуется мелкозернистая структура.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воскобойников В.Г., Макаров Л.П. Технология и экономика переработки железных руд. - М.: Металлургия, 1977, 256 с.
2. Кудрявцев В.С., Тулин Н.А., Пчелкин С.А. и др. Развитие бескоксовой металлургии. - М.: Металлургия, 1987, 327 с.
3. Бабаков А.А., Приданцев М.В. Коррозионостойкие стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1971, 390 с.
4. Александров Н.Н., Ключнев Н.Н. Технология получения и свойства жаростойких чугунов. - М.: Машиностроение, 1964, 167 с.
5. Кубашевский О., Гонкинс Б. Окисление металлов и сплавов. - М.: Ил., 1955, 312 с.
6. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. - М.: Металлургия, 1976, 216 с.