Исследование процессов микролегирования стали бором с целью совершенствования технологии производства борсодержащей стали
На правах рукописи
ПОТАПОВ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ БОРОМ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БОРСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ Специальность 05.16.02 – «Металлургия черных, цветных и редких металлов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2013 3
Работа выполнена на кафедре «Металлургии стали и ферросплавов» Национального ис следовательского технологического университета «МИСиС»
Научный консультант:
профессор каф. МСиФ НИТУ «МИСиС», Семин Александр Евгеньевич доктор технических наук
Официальные оппоненты:
Профессор «МГВМИ», Смирнов Николай Александрович доктор технических наук Главный металлург представительство ООО «Аурохилл Миддл ИСТ ФЗЕ» компании AUROHILL Group, Бобылев Михаил Викторович кандидат технических наук
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Защита диссертации состоится «25» апреля 2013 года в 1000 на заседании диссертацион ного совета Д212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом университе те «МИСиС» по адресу:
119049, Москва, Ленинский проспект, д. 6, корп. 1, ауд. А-305.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».
Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Национального исследова тельского технологического университета «МИСиС» - http://misis.ru.
Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учре ждения) просьба направлять по адресу: 119049, г.Москва, Ленинский проспект, д.4, Ученый Совет. Копии отзывов можно прислать на e-mail: [email protected].
Автореферат разослан « 22 » марта 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.132.02, кандидат технических наук, доцент А.В. Колтыгин
Общая характеристика работы
Актуальность работы На современном этапе развития производства при повсеместном истоще нии природных ресурсов и ухудшении экологической обстановки наиболее ост ро встают вопросы разработки ресурсосберегающих технологий получения ме таллопродукции при одновременном повышении ее качества. В решении этой проблемы ведущая роль принадлежит микролегированным, в том числе борсо держащим, сталям. Хорошо известно положительное влияние микролегирования бором на прокаливаемость и закаливаемость конструкционных сталей. Способ ность интенсивно измельчать структуру при ускоренном охлаждении делает бор обязательным компонентом многих высокопрочных низколегированных сталей, разработка которых является одним из важнейших направлений в металлургии.
Микродобавки бора позволяют экономить такие остродефицитные легирующие элементы как никель, хром и марганец не снижая качества стали. Несмотря на технологические преимущества борсодержащих сталей, их внедрение в массовое производство сопряжено с определенными трудностями, к числу которых отно сятся сложности металлургического характера (необходимость получения строго нормированных концентраций бора в процессе выплавки стали, поддержание на заданном уровне содержания азота, титана и алюминия) и ограничения научно обоснованных рекомендаций по выбору режима легирования стали бором в за висимости от технологических особенностей производства. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный и теоретический материал, характе ризующий поведение бора в сталях и особенности их (сталей) применения. Тем не менее, такие важные аспекты, как влияние технологии металлургического производства и параметров термической обработки борсодержащих сталей на прокаливаемость, не нашли однозначного толкования. Механизм влияния бора на прокаливаемость, термодинамические условия образования сегрегаций бора и присутствие его в растворе в несвязанном состоянии раскрыты не полностью, и требуют дальнейшего изучения.
Задачи исследования 1. Исследование процесса взаимодействия бора с компонентами металли ческого расплава с целью определения приоритетных соединений бора в стали и установление предельных концентраций элементов, влияющих на долю «эффек тивного» бора.
2. Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать долю «эффективного» бора в металле в зависимости от состава стали.
3. Анализ промышленных плавок борсодержащих марок стали с целью определения основных факторов, влияющих на долю «эффективного» бора и ме ханические свойства стали.
4. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологии выплавки борсодержащих марок стали.
Научная новизна 1. На основании результатов исследования взаимодействия бора с компонен тами расплава показано, что приоритетными соединениями являются нитриды, сульфиды и оксиды. Они оказывают основное влияние на величину «эффектив ного» бора в металле, причем роль азота является определяющей для целого класса сталей (20Г2Р, 18ХГР, 35ГР и т.д.). Установлена зависимость между со держанием титана, алюминия и азота, обеспечивающая получение необходимой концентрации несвязанного в нитриды бора.
2. Предложена математическая модель, позволяющая оценить долю «эффек тивного» бора в расплаве в зависимости от содержания легирующих и наиболее активных по отношению к нему элементов, что требует управления режимами десульфурации, раскисления и деазотации, для получения заданного содержания «эффективного» бора.
3. Установлено влияние технологических факторов на усвоение бора - полу чение его заданного содержания в несвязанном виде: последовательность и ко личество вводимых в металл алюминия, кальция, титана и время выдержки ван ны после введения указанных элементов в сталь.
Практическая значимость 1. Результаты работы использованы при регламентировании состава в части оптимизации расхода легирующих материалов, борсодержащих сталей и вклю чены в нормативно - техническую документацию по выплавке металла.
2. Обосновано использование порошковой проволоки с наполнителем - фер робор взамен кусковых материалов. С учетом выполненного исследования выда ны рекомендации по использованию порошковой проволоки для производства борсодержащих марок стали.
3. Результаты работы использовались при оптимизации технологии произ водства в условиях ОАО «ОЭМК» стали типа 20Г2Р.
4. Предложена и опробована в условиях предприятия (ОАО «ОЭМК») мате матическая модель для прогнозирования содержания «эффективного» бора и расчета необходимого количества присаживаемого ферробора, исходя из хими ческого состава стали.
Апробация работы Материалы диссертации доложены на двенадцатом Конгрессе сталепла вильщиков (Выкса, 2012 г.), а также технических совещаниях в ОАО «ОЭМК» (г. Старый Оскол, 2009 – 2010 гг.) Публикации По материалам диссертационной работы опубликованы 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и при ложения, изложена на 116 страницах машинописного текста и содержит 42 ри сунка, 47 формул и 19 таблиц. Список литературы включает 101 источник.
Достоверность научных результатов Достоверность полученных результатов обеспечивается применением со временных методик исследования (HSC Chemistry® 6.0 и других компьютерных программ) и аттестованных измерительных установок и приборов. Текст диссер тации и автореферат проверен на отсутствие плагиата с помощью программы «Антиплагиат» (http://antiplagiat.ru).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуаль ность темы диссертации. Изложены цели и задачи диссертационной работы.
В первой главе проанализированы требования к современной легированной бором стали, технологические особенности и приемы, позволяющие обеспечи вать требуемые свойства стали. Представлено сравнение механических свойств стали, легированной бором, марганцем, хромом и никелем.
Стремление к повышению качества высокопрочных сложнопрофильных де талей автомобиля без дополнительных затрат на их производство выдвигает в число первостепенных задач расширение выпускаемого сортамента и примене ние экономнолегированных сталей, в том числе за счет микролегированния ме талла бором. Особенностями борсодержащей стали являются их высокая техно логическая пластичность, благоприятное соотношение прочностных и пластиче ских свойств в отожженном и термоупрочнённом состояниях. Высокий уровень характеристик прокаливаемости при значительно меньшем, чем в легированных сталях, содержании легирующих элементов (рис. 1), о чем свидетельствуют ра боты Е.М. Гринберга, Н.П. Лякишева, М.В. Бобылева, и при меньшем, чем в среднеуглеродистых сталях, уровне закаливаемости, позволяет применять стали легированные бором при производстве деталей, в том числе крепежа, для совре менных автомобилей. Применение этого класса сталей позволяет снижать расход легирующих элементов при сохранении требуемых прочностных характеристик металла.
3 8 Х Г НМ, 20ГФР Временное сопротивление разрыву стали в 1100 4 0 Х Н2 МА термоулучшенном состоянии, МПА 1 2 Г Ф Р, 4 0 Х Н, 20ХГ Р 30Г 1Р 900 1 2 Г 1 Р, 1 2 Х Н 800 30Г, 30Х 20Г2Р 38ХА 15Г, 15Х 20, 20с п, 20кп 300 08, 08с п, 08кп, 10, 10с п, 10кп 15, 15с п, 15кп 200 30 0 4 00 500 600 70 0 80 В р е м е н н о е со п р о ти в л е н и е р а з р ы в у ста л и в о то ж ж е н н о м с о с то я н и и, М П А Рисунок – 1 Соотношение прочностных характеристик различных марок стали для холодной объемной штамповки В отечественной практике разработаны и нашли широкое применение бор содержащие марки стали следующих систем легирования: C-Mn-B, C-Mn-Cr-B, C-Mn-Cr-Ni-B. Однако, несмотря на видимые преимущества борсодержащей стали, её внедрение в массовое производство сдерживается рядом в основном чисто технологических трудностей, к числу которых следует отнести - необхо димость подготовки расплава перед введением бора по таким примесям как кис лород и азот с целью максимального сокращения возможности связывания бора с этими элементами. Это обусловлено тем, что только «свободный» бор оказыва ет влияние на прокаливаемость. При этом в случае борсодержащих марок стали традиционные термины, такие как «общее содержание легирующих элементов в стали», отступают на второй план, уступая место таким терминам, как «форма присутствия элементов в стали»;
пренебрежение которыми приводит к возник новению нестабильности свойств. Этим, как правило, объясняется достаточно низкая доля потребления борсодержащей стали отечественными заводами, про изводителями нормалей (не более 45 %), в то время как на европейских и амери канских заводах доля потребления этой стали значительно выше.
Несмотря на длительный, начиная с 1970 г., период исследования и произ водства борсодержащей стали за рубежом, в литературе ограничены сведения о влиянии на закаливаемость и прокаливаемость борсодержащих марок стали, технологических особенностей их производства: типа процесса выплавки стали (кислый, основной), характеристик используемых шихтовых материалов, агрега та (конвертер, электродуговая печь). Практически отсутствуют данные о влия нии продолжительности отдельных периодов плавки, последовательности вве дения легирующих и раскислителей, температурного режима плавки, условий разливки и скорости кристаллизации.
Показано, что по всем рассмотренным аспектам о влиянии микролегирова ния бором и параметров термической обработки на закономерности структуро образования и свойства низколегированных конструкционных борсодержащих марок стали, сохраняются не однозначные мнения, как при экспериментальных исследованиях, так и в объяснении физической природы высокой эффективности этого элемента.
Во второй главе рассмотрено образование приоритетных соединений бора, разработана методика и приведены данные по лабораторным плавкам борсодер жащей стали, представлена математическая модель взаимодействия бора с ме таллическим расплавом, позволяющая прогнозировать содержание «эффектив ного» бора в стали.
Как известно, на прокаливаемость стали влияет «свободный» или «эффек тивный» бор, т.е. бор, не связанный в различные соединения. Соединения бора образуются преимущественно в процессе кристаллизации стали, поэтому требу ются определенные воздействия на расплав, чтобы обеспечить его состав по кислороду, сере и азоту за счет рафинирования либо микролегирования, позво ляющие достичь определенного уровня (конкретную долю) «эффективного» бо ра в металле после кристаллизации. Как правило, долю «эффективного» бора опеределяли по разности между данными анализов общего бора (методом раз ложения концентрированной фосфорной кислотой) и нерастворимого бора (ме тодом растворения в йод-метаноле).
В данной же работе «эффективный» бор оценивали на основе анализа термо динамического равновесия системы Fe – Al – Ti – B – N. Для расчета содержания «эффективного» бора, то есть растворенного в стали, необходимо оценить коли чество бора, связанного в соединения. Наибольшее сродство бор имеет к кисло роду, углероду и азоту. Выполненный термодинамический анализ показал, что по используемой технологической схеме, когда окончательное раскисление осу ществляется алюминием, достигаемые значения по остаточному кислороду и се ре весьма низкие (менее 10 – 20 ppm и 50 ppm соответственно), и эти элементы не оказывают определяющего влияния на долю «эффективного» бора. На осно вании чего было принято считать, что основным элементом, оказывающим клю чевое влияние на величину «эффективного» бора, является азот. Соответственно, предложенная математическая модель должна позволить определять долю «эф фективного» бора исходя из азота и нитридообразующих элементов в стали (ти тана и алюминия).
Следовательно, встает задача оценить распределение азота между нитри дообразующими элементами расплава присутствие которых возможно в металле, а именно бор, титан и алюминий.
Реакция образования нитридов указанных элементов в аустените в общем виде имеет вид:
[R] Fe + [N ] Fe = RN тв (1) Для низколегированных марок стали равновесные условия образования нитридов в аустените можно определить, используя константы равновесия реак ции образования данного соединения либо эмпирически установленные уравне ния, описывающие произведения их растворимости.
lg %B %N =- +5, T (2) lg %Ti % +5, = T (3) lg %Al %N =- +1, T (4) Чтобы рассчитать содержание «эффективного» бора, т.е. растворенного в стали, необходимо предварительно оценить количество бора, связанного в со единения. Возникла необходимость расчета количества связавшегося в нитриды азота в присутствии нескольких нитридообразующих элементов (бор, титан и алюминий). При решении этой задачи в качестве основы был принят подход из ранее опубликованых работ, использованный авторами для жидкой стали. Разви тие методики предлагалось с целью оценки процессов нитридообразования в твердом металле в аустените.
Для формализации задачи были приняты следующие ограничения и допу щения:
• расчет проводится с учетом существования двух фаз: металлического рас твора и твердой нитридной фазы;
• каждый нитрид выделяется в самостоятельную фазу, активность нитрида в этой фазе равна единице.
Для решения задачи по расчету взаимодействия отдельных микролегиру ющих элементов с азотом уравнения равновесия необходимо дополнить уравне нием баланса масс, расписанным в соответствии со стехиометрией образующих ся нитридов, отражающем факт снижения концентрации азота в растворе с рас ходом микролегирующих на образование соответствующих нитридов.
N 0 - N = B 0 - B 14/AB + Ti 0 - Ti 14/ATi + Al 0 - Al 14/AAl lg %B %N =- +5, T lg %Ti %N =- T +5, 10475 (5) lg %Al %N =- T +1, Исходными данными для расчета приняты начальные концентрации азота, бора, титана и алюминия, а также шаг изменения концентрации ведущего эле мента (задается пользователем) и температуры.
Расчет начинается с определения констант равновесия всех реакций обра зования нитридов. Далее производится расчет равновесной концентрации азота для каждого из нитридообразующих элементов. После сравнения полученных !
равновесных концентраций азота с начальной фактической ! факт, концентрацией азота в металле и выполнения условия произ водится новый цикл расчетов.
Одним из допущений предлагаемой модели является введение понятия «ведущий» элемент. Под «ведущим» понимается нитридообразующий элемент, который на данном этапе расчета обладает наибольшим химическим сродством к азоту и образует соответствующий нитрид.
!
Далее программа производит поиск минимального соответствую щего микролегирующему элементу с номером i требующий для образования нитрида минимальной равновесной концентрации азота и является «ведущим» элементом Таким образом, при данной температуре расчет позволяет определить ведущий элемент R, содержание которого в расплаве за один цикл расчета сни жается на величину шага. Соответствующее снижение содержания азота опре деляется путем умножения величины [ R ] на стехиометрический коэффициент (14 / Ar ), где Ar - относительная атомная масса i – го элемента.
' =' ', () (6) = 14 ',, () (7) После изменения концентрации азота и микролегирующих элементов в стали выполняется следующий цикл расчетов. Расчеты при данной температуре !
проводятся до тех пор, пока равновесная с каждым из нитридов величина факт.
не будет равна текущей фактической После этого расчет при данной температуре T прекращают и промежуточные результаты выводятся в результи рующий файл.
При продолжении расчетов температура уменьшается - = - - на вели чину шага расчета -, и для новой текущей температуры проводится весь ком плекс ранее изложенных итерационных расчетов.
Таким образом, пользователь в результате расчета получает файл с дан ными о существовании и количестве нитридов элементов, входящих в сталь в заданном температурном интервале. Эти данные позволяют определить темпе ратуру начала выделения каждого нитрида в данной стали при заданных услови ях, а также распределение азота между образовавшимися нитридными фазами и динамику выделения нитридов при охлаждении расплава данного состава.
На рисунке 2 приведена блок – схема расчетов образования нитридов.
Рисунок – 2 Блок – схема расчета условий совместного нитридообразования Ниже приведены результаты расчетов в виде графиков, зависимости «эф фективного» бора от содержания титана, построенных с использованием предла гаемой модели. На основании предложенной термодинамической модели в рабо те оценено влияние титана (при вариациях на пяти уровнях – 0,01;
0,015;
0,02;
0,025 и 0,03 %) бора (при вариациях на двух уровнях – 0,0025 и 0,004 %) и азота (при вариациях на двух уровнях – 0,008, и 0,01 %) алюминия (на трех уровнях 0,03;
0,04 и 0,05 %) на величину «эффективного» бора при кристаллизации непрерывнолитого слитка борсодержащей стали). Результаты расчетов приведе ны на рисунках 3 - 6.
На рисунке 3 представлен график зависимости содержания «эффективно го» бора от содержания титана при трех различных содержаниях алюминия, по строенный с использованием результатов расчета по разработанной модели. Рас чет выполнен для общего содержания в стали бора 0,0025 % и азота 0,008 %. Из графика следует, что для получения «эффективного» бора 0,001 % (минимальное значение для повышения механических свойств) требуется введение 0,002% ти тана, если в металле содержится 0,05% алюминия. При снижении алюминия до 0,03% потребность в титане несколько увеличивается до 0,022 % (показано стрелками на рис. 3).
Кроме того, график показывает содержание «эффективного» бора. Так по графику видно, что при содержании титана 0,025 % только 0,002 % бора будет не связанно в нитриды при общем его содержании 0,0025 %.
Аналогично объясняются результаты расчета по модели проведенные для стали содержащей [N]0=0,008 %;
[B]0=0,004 %;
[N]0=0,010 %;
[B]0=0,0025 %;
[N]0=0,010 %;
[B]0=0,004 %, на рисунках 4 – 6.
0, Al = 0,03% 0, Al=0,04% Al = 0,05% 0, B эфф,% 0, 0, 0, 0,01 0,015 0,02 0,025 0, [Ti, %] Рисунок – 3 Зависимость содержания «эффективного» бора в стали от кон центрации азота, титана, алюминия и бора при [N]0=0,008 %;
[B]0=0,0025 % 0, Al = 0,03% 0, Al=0,04% 0, Al = 0,05% 0, B эфф,% 0, 0, 0, 0, 0,01 0,015 0,02 0,025 0, [Ti, %] Рисунок – 4 Зависимость содержания «эффективного» бора в стали от кон центрации азота, титана, алюминия и бора при [N]0=0,008 %;
[B]0=0,004 % 0, Al = 0,03% 0, Al=0,04% 0, Al = 0,05% 0, B эфф, % 0, 0, 0, 0, 0, 0,01 0,015 0,02 0,025 0, [Ti, %] Рисунок – 5 Зависимость содержания «эффективного» бора в стали от кон центрации азота, титана, алюминия и бора при [N]0=0,010 %;
[B]0=0,0025 % 0, Al = 0,03% 0, Al=0,04% 0, Al = 0,05% B эфф, % 0, 0, 0, 0, 0,01 0,015 0,02 0,025 0, [Ti, %] Рисунок – 6 Зависимость содержания «эффективного» бора в стали от кон центрации азота, титана, алюминия и бора при [N]0=0,010 %;
[B]0=0,004 % Разработанная математическая модель позволят производить расчета «эф фективного» бора в зависимости от химического состава стали.
Проверка адекватности модели Для поверки адекватности предлагаемой модели было проведено сравне ние с формулой расчета бора «эффективного», предложенной Kapadia и другими авторами (рис. 7, 8).
0, 0, 0, B эфф, % 0, Al = 0,03% -0, Al=0,04% Al = 0,05% -0, Расчет по формуле Kapadia -0, 0,01 0,015 0,02 0,025 0, [Ti, %] Рисунок 7 – Зависимость содержания «эффективного» бора в стали от начальной концентрации азота, титана, алюминия и бора при [N]0= 0,010 %;
[B]0=0,004 % в сравнении с формулой предложенной Kapadia и др.
0, 0, 0, 0, B эфф, % 0, 0, Al = 0,03% -0, Al=0,04% -0, Al = 0,05% -0, Расчет по формуле Kapadia -0, 0,01 0,015 0,02 0,025 0, [Ti, %] Рисунок 8 – Зависимость содержания «эффективного» бора в стали от начальной концентрации азота, титана, алюминия и бора при [N]0= 0,008 %;
[B]0=0,025 % в сравнении с формулой предложенной Kapadia и др.
Как видно из представленных графиков, формула, предлагаемая Kapadia и др., при содержании титана в стали меньше 0,02 % прогнозирует содержание бо ра эффективного в отрицательной области, что лишено физического смысла.
В третьей главе изучены особенности технологии производства борсодер жащей стали в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «ОЭМК». Рассмот рены различные технологические схемы производства этого класса стали. Про веден анализ различных вариантов присадки ферробора в металл: в виде куско вого материала и порошковой проволоки.
В соответствии с принятой технологией проволоку с наполнителем «фер робор» вводили на АКОС (агрегат комплексной обработки стали) после присад ки всех материалов. Обработка плавок на АКОС производилась в соответствии с действующими технологическими инструкции со следующими особенностями:
- раскисление шлака гранулированным алюминием в количестве 50 кг;
- за 12 – 15 минут до передачи плавки на УНРС (установка непрерывной разлив ки стали) при этом температура металла в стальковше на 8 – 12 С выше регла ментируемой температуры отдачи на УНРС производили корректировку по со держанию алюминия;
- через 1 минуту после ввода алюминия осуществляли обработку металла сили кокальцием;
- через 3 минуты после ввода силикокальция для получения температуры в стальковше на 4 – 8 С выше температуры передачи на УНРС, при необходимо сти производили нагрев или продолжали продувку ванны аргоном без изменения интенсивности;
- при необходимости вводили порошковую проволоку с ферротитаном;
- через 1 минуту, вводили порошковую проволоку с ферробором;
В условиях ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» было проведено сравнение двух техно логий легирования металла бором: кусковым ферросплавом и порошковой про волокой с наполнителем «ферробор». Испытания проводились по базовой техно логии производства борсодержащей стали марок 40Г1Р и 20Г2Р.
На плавках бор вводили после вакуумной обработки металла. Данные о технологических параметрах представлены в таблице 1 (опыт – с использовани ем порошковой проволоки, база – с применением кусковых ферросплавов) Таблица – 1 Сравнение технических показателей при использовании порошко вой проволоки и кусковых материалов марка стали 40Г1Р 20Г2Р опыт 9 Количество плавок база 14 Количество бора в чистом эле- опыт 4,26 4, менте, кг. база 4,49 5, Содержание бора в маркировоч- опыт 0,0023 0, ной пробе, % база 0,0022 0, опыт 83.8 85. Усвоение бора по маркировочной пробе, % база 73.3 72. Основная задача при производстве стали, легированной бором, состоит в следующем - получить стабильное содержание «эффективного» бора в расплаве.
Полученные данные позволяют определить при какой технологической схеме проще осуществить обеспечение стабильного содержания активного бора. По старой технологической схеме с использованием кускового материала усвоение бора составляет 73 – 75 %, по новой схеме (с использованием порошковой про волоки) усвоение достигает 84 – 86 %. (Рис. 9).
Потери бора связаны со сложностью соблюдения оптимальных технологи ческих параметров – кусковой борсодержащий материал подается сверху, при этом шлаковая фаза может оказывать влияние на усвоение бора металлом. По второй схеме роль шлака сводится к минимуму. В этом случае на усвоение бора основное влияние оказывают параметры металлического расплава, а также со держание элементов, имеющих повышенное сродство к бору. Основная роль при этом отводится азоту. Результаты заводских плавок подтверждают расчеты, вы полненные с использованием разработанной модели о влиянии содержания азота в стали на величину «эффективного» бора в металле.
90, 85, Усвоение бора из ферросплава на марке 80,0 40Г1Р Усвоение бора из порошковой проволоки на 85,9 марке стали 40Г1Р 75,0 83,9 Усвоение бора из ферросплава на марке стали 20Г2Р 70, 73,3 Усвоение бора из 72, порошковой проволоки на стали 20Г2Р 65, Усвоение бора по маркировочной пробе, % Рисунок – 9 Усвоение бора из порошковой проволоки и кускового ферробора Наряду с вышеизложенным, проведено сравнение механических свойств металлопроката стали 20Г2Р (состав представлен в таблице 2), изготовленной по технологии с использованием вакуумной обработки и без вакуумирования.
Таблица – 2 Химический состав стали 20Г2Р (ТУ 14-1-5490-2004).
Химический состав, % С Mn Si P S Cr Ni Cu Al Ti N B 0,23 1,19 0,14 0,006 0,005 0,26 0,02 0,04 0,03 0,019 0,005 0, Стоит отметить, что в остальном технология производства была идентич на. Расчетное значения «эффективного» бора при вакуумной обработке стали со ставляет порядка 95 – 98 % от общего содержания бора, в то время как для ме талла, не прошедшего вакуумную обработку этот показатель не превышает 70 – 80 %. Повышение содержания азота с 50 – 70 до 80 – 100 ppm приводит к сни жению твердости образцов на 2 – 3 единицы HRC и увеличению разброса дан ных.
Рисунок – 10 Диаграмма распределения твердости образцов стали 20Г2Р по сле закалки при содержании азота 50 – 70 ppm Рисунок – 11 Диаграмма распределения твердости образцов стали 20Г2Р по сле закалки при содержании азота 80 – 100 ppm В сталях, произведенных без вакуумной обработки, содержание азота дости гает 80 – 100 ppm, что на 40 – 60 % выше по сравнению с металлом прошедшим вакуумную обработку. Как видно из примера на рисунках 10 и 11, на плавках с вакуумной обработкой прочностные свойства стали увеличиваются на 10 – 15 %.
Что особенно важно, доля плавок с твердостью от 41 до 42 единиц HRC состав ляет около 65 %.
В четвертой главе был проведен анализ заводских данных о производстве борсодержащей стали. Были обработаны более 100 паспортов плавок борсодер жащей стали 20Г2Р. По данным паспортов были определены коэффициенты усвоения бора из ферросплава ФБ19 (табл. 3). Результаты представлены на ри сунке 12.
Таблица – 3 Химический состав ферробора ФБ19 по ГОСТ 14848-69, % B Si Al C S P Cu ФБ 19 =19 3 5 0,20 0,02 0,03 0, Рисунок – 12 Диаграмма распределения коэффициента усвоения бора Видно (рис. 12), что коэффициент усвоения бора варьируется в довольно широких пределах с максимумом при нормальном распределении между 75 и 80%. Определение причин разброса данных по усвоению бора и их устранение одна из задач представленной работы. Так как концентрация бора в стали весьма мала, а оптимальное значение «эффективного» бора колеблется в узких преде лах, такой разброс коэффициентов усвоения может отрицательно сказаться на свойствах готового продукта. Следует сократить интервал коэффициентов усвоения за счет использования более эффективных ферросплавов, содержащих бор и нитридообразующие элементы, например, "Грейнал-79", "Грейнал-СС" и «BATS», что обеспечивается более тщательной подготовкой металлического расплава по элементам, вступающим во взаимодействие с бором, корректиров кой технологических периодов (операций).
На рисунке 13 показано влияние времени выдержки металла после присад ки бора на его усвоение. Как видно, наблюдается плавное снижение коэффици ента усвоения бора от 90 до 70 % при увеличении времени выдержки с 10 до минут. Это может объясняться несколькими причинами, а именно: увеличением доли азота в металле (это было обнаружено на ряде плавок);
увеличением окис ленности ванны за счет шлака и футеровки ковша.
Рисунок – 13 Зависимость коэффициента усвоения бора от длительности выдержки металла Однако, на основании выше приведенных данных по термодинамической оценке влияния различных элементов на уровень «эффективного» бора, опреде ляющая роль может быть отведена азоту. В любом случае время выдержки ме талла после присадки борсодержащих материалов должно быть ограничено. В дальнейших исследованиях полезно этому моменту стоит уделить больше вни мания, в том числе, тщательному анализу футеровки, шлакового режима, чисто ты аргона и других параметров процесса.
Анализ плавок также показал, что при выплавке не всегда соблюдаются требования технологических инструкции, например, легирование стали бором осуществляется одним и тем же количеством порошковой проволоки с наполни телем «ферробор», но масса обрабатываемого расплава часто не одинакова. Это влечет за собой низкое усвоение бора и получение содержания общего бора в металле ниже рекомендованного.
Выводы 1. Разработана математическая модель, позволяющая оценить долю «эффективного» бора в расплаве в зависимости от содержания легирующих и наиболее активных по отношению к бору элементов. Используемая модель поз воляет рассчитывать предельные концентрации легирующих элементов, влияю щих на величину «эффективного» бора и позволяет прогнозировать требования, предъявляемые к химическому составу металла перед присадкой борсодержа щих материалов. При этом режимы раскисления, десульфурации, деазотации должны подбираться для конкретных марок стали.
2. Осуществлена проверка адекватности предлагаемой модели. Выпол нено сравнение с формулой для расчета содержания «эффективного» бора, раз работанной другими исследователями.
3. На основании исследования взаимодействия бора с компонентами расплава показано, что приоритетными соединениями являются нитриды, суль фиды и оксиды, которые оказывают основное влияние на величину «эффектив ного» бора в металле, причем роль азота относится к определяющей для целого класса марок стали.
4. Предложенная термодинамическая модель может быть рекомендова на для освоения новых видов борсодержащей стали в условиях ОАО «ОЭМК» с химическим составом, отличным от стали 20Г2Р. Использование модели позво лит снизить брак при освоении новой продукции и просчитать содержание «эф фективного» бора при заданном химическом составе стали. А также при необхо димости проводить корректировку содержания различных элементов в стали.
5. Проведен анализ заводских плавок борсодержащих марок стали.
Установлено, что усвоение бора изменялось от 72 до 90 %. Показано, что на этот показатель может влиять степень подготовленности расплава по кислороду, уро вень азота в металле, длительность перемешивания расплава после присадки бо ра. Рекомендовано обеспечивать раскисление расплава до содержания кислорода не более 20 ppm, а присадку бора осуществлять после ввода силикокальция. При этом длительность перемешивания ванны после присадки ферробора не должна превышать 5 – 6 минут при интенсивной подаче аргона без оголения металла.
Анализ заводской технологии производства стали 20Г2Р показал её высокую стабильность и возможность получать продукцию требуемого качества с мини мальным уровнем брака.
6. Установлены преимущества технологии вакуумирования при произ водстве борсодержащей стали. Показано влияние содержания азота и «эффек тивного» бора в металле на механические свойства борсодержащей стали.
7. Предложено использование порошковой проволоки с наполнителем «ферробор» вместо кускового материала. На основании выполненного исследо вания сформулирована рекомендация использовать порошковую проволоку, расход которой необходимо рассчитывать, исходя из химического состава рас плава.
Публикации по теме диссертации 1. Потапов А.И., Маликов И.Т., Уразов В.И., Семин А.Е. Влияние химиче ского состава и режима аустеницации на прокаливаемость стали 35ГР // Электрометаллургия № 11, 2. Потапов А.И., Семин А.Е. Технологические особенности легирования ста ли бором // Известия высших учебных заведений Черная металлургия № 9, 3. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В., Кузнецов М.С., Потапов А.И. Улучшение технологии внепечной обработки стали силикокальцием в ОАО «Ураль ская Сталь» // Электрометаллургия № 4,