О целесообразности модифицирования стального литья./ Л.Г. Шуб, А.Ю. Ахмадеев

О целесообразности модифицирования стального литья./ Л.Г. Шуб, А.Ю. Ахмадеев

Модифицирование стальных слитков и непрерывно отлитых заготовок, подвергаемых в дальнейшем горячей деформации (прокатке, ковке), за последние 20-25 лет получило значительное распространение в «большой металлургии». В первую очередь, это связано с развитием технологии внепечной обработки сталей, включающей в себя присадку в жидкий металл, в ковше или на разливке, модифицирующих добавок, в основном – силикокальция.

В «малой металлургии», при производстве фасонного литья эта технология до сих пор имеет ограниченное распространение, что в определенной степени связано со слабым знанием возможностей и преимуществ модифицирования литейных сталей. Этому вопросу и посвящена настоящая статья, основанная на литературных данных и нашем собственном опыте.

Одним из важнейших результатов модифицирования – является повышение жидкотекучести стали. Так, при испытании наших модификаторов серии Insteel (торговая марка компании НПП)  на Чебоксарском ОАО «Промлит» отмечено значительное улучшение жидкотекучести стали 20ГЛ, что проявилось в сокращении времени заливки одной формы примерно на 20%; в ковшах, принимающих металл с присадками лигатур, полностью исключились случаи «закозления» днища и стенок ковшей; разливка успешно проходила даже при пониженных температурах выпускаемой стали.

Повышение жидкотекучести улучшает заполняемость форм, повышает качество поверхности отливок, что особенно важно при производстве точного литья (Ижевский механический завод).  Одним из технологических следствий повышения жидкотекучести модифицированного металла является возможность снизить температуру разливаемой стали, что, в свою очередь, позволяет реализовать новые положительные стороны этой технологии. Так, при производстве отливок из нержавеющей стали 12Х18Н9ТЛ за счет применения комплексного модификатора удалось понизить температуру примерно на 20ºС и при этом значительно снизить пораженность отливок пленами и неспаями; живучесть расплава, т.е. возможная продолжительность успешной разливки, возросла с 5-8 до 10-13 мин (при разливке 500 кг металла); одновременно отмечено улучшение механической обрабатываемости отливок (ЗАО «Поликом», г. Челябинск). На Лысьвенском металлургическом заводе снижение температуры разливки стали 110Г13Л также на 20ºС позволило исключить пригар металла к жидкостекольным стержням. В последнем случае можно дополнительно ожидать измельчения литой структуры отливок.

Понижение температуры разливаемой стали за счет уменьшения газонасыщенности жидкого металла и величины усадки позволяет ослабить развитие горячих термических трещин и других дефектов газоусадочного характера.

Большинство исследователей отмечают [1] снижение загрязненности модифицированной стали неметаллическими включениями, напрямую связывая этот факт с наблюдаемым повышением её жидкотекучести. При этом наиболее существенно уменьшается или полностью устраняется загрязненность высокоглиноземистыми включениями. Но не только. Например, нами при присадке в центровую комплексного модификатора Insteel на стали 50ХГФА при отсутствии глиноземистых строчек получено резкое снижение балла пластичных силикатов и заметное улучшение по хрупким оксидам (ОАО «Чусовской металлургический завод»). Причина этого положительного воздействия, вероятно, заключается в том, что при вводе нескольких активных элементов, в первую очередь – кальция, продуктами раскисления является не чистый глинозем, а комплексные жидкие включения алюминатов кальция с добавками других соединений, в которых активность Al2O3, естественно, ниже, чем в чистом глиноземе, что повышает раскислительную способность алюминия. Это относится и к другим раскислителям, например, кальцию. В результате, при одних и тех же температурах модифицированный металл содержит меньше равновесного кислорода, а более раннее и интенсивное образование включений повышает возможность их удаления в ковше и, особенно, в изложнице.

Меньшая загрязненность модифицированного металла является причиной получения более высоких пластических свойств, в первую очередь, ударной вязкости при обычных и пониженных температурах испытаний. Например, на ОАО «Икар» (г. Курган) удаление глиноземистых включений с границ литых зерен за счет использования силикокальций-бариевой лигатуры обеспечило требуемый повышенный уровень хладостойкости (KCU-60≥40 Дж/см2 ) отливок из стали 25Л при их упрощенной термической обработке на основе нормализации, хотя обычно для этих целей используют легированные стали с более сложной термообработкой отливок.

Значительное улучшение механических, особенно пластических свойств получено также при модифицировании углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей на Самарском сталелитейном заводе.

Особо следует остановиться на возможности существенного снижения серы в металле за счет применения РЗМ-содержащих модификаторов. Эта проблема представляет большой интерес для литейщиков, выплавляющих сталь в кислых печах, где обеспечить требуемые значения концентрации серы, возможно, только при использовании чистой шихты. Нами было показано [2], что возможности РЗМ-содержащих модификаторов в этом отношении достаточно велики: за их счет содержание серы в выпускаемом из печи металле может быть снижено в среднем на 25%. При этом наблюдаемое значительное различие средних и максимальных величин десульфурации (до 20%) говорит о наличии больших резервов этой технологии, заключающихся в оптимизации вещественного, количественного и гранулометрического состава модификаторов, условий их присадки, в порядке раскисления стали и др. Дополнительно следует отметить, что отмеченное снижение серы сопровождается улучшением механических свойств и повышением хладостойкости отливок, а также исключает накопление серы в общем объеме металлошихты, что имеет место при значительном   использовании собственного возвратного литья.

Значительную роль могут сыграть модификаторы в ослаблении или устранении отрицательного влияния находящихся в металле газов – азота и водорода. В случае их повышенных концентраций отливки поражаются ситовидной пористостью, раковинами, трещинами и даже флокенами. Для устранения дефектов, вызываемых азотом, могут быть полезными модификаторы, в составе которых есть сильные нитридообразующие элементы – титан или цирконий. Для нейтрализации вредных последствий, связанных с водородом, рекомендуются РЗМ-содержащие модификаторы, способствующие связыванию водорода в прочные гидриды и таким образом препятствующие или замедляющие его выделение в твердом металле в виде флокенов [3]. За счет этого может быть повышен безопасный уровень концентраций водорода, снижена интенсивность и длительность процесса вакуумирования жидкой стали, а также сокращена противофлокеновая термообработка отливок вплоть до полного исключения последней.

Все вышесказанное не исчерпывает многообразия возможностей модифицирования по улучшению качественных показателей стали. Поэтому следует, хотя бы кратко, обозначить некоторые дополнительные положительные аспекты применения этой технологии:

  • за счет изменения параметров кристаллизации (повышение её скорости, уменьшение зоны транскристаллизации и др.) оптимальное модифицирование приводит к существенному измельчению литой и термообработанной структуры отливок;
  • модифицирование ослабляет развитие ликвационных явлений повышая тем самым равномерность распределения в отливке углерода, серы, фосфора, примесей цветных металлов, что особенно важно при производстве крупных отливок, например, валковых слитков [4];
  • за счет измельчения литой структуры высоколегированных сталей, снижения содержания α-фазы в аустенитных нержавеющих сталях можно существенно улучшить их служебные характеристики (жаростойкость, стойкость к межкритсаллитной коррозии и др.;
  • снижение загрязненности стали неметаллическими включениями, изменение их состава и свойств обеспечивают модифицированному металлу повышенную коррозионную стойкость в агрессивных сероводородсодержащих средах и тем самым значительно удлиняет срок службы магистральных нефтепроводов [5];
  • переводя примеси цветных металлов из легкоплавкого состояния в достаточно тугоплавкие соединения, модифицирование ослабляет их отрицательное влияние на горячую пластичность литого металла, снижает его трещиночувствительность и др.;
  • модифицирование – эффективное средство ослабления отпускной хрупкости термообработанного металла.

Результаты модифицирования определяются, главным образом, содержанием активных элементов (Ca, Ti, РЗМ и др.) как в жидком металле (в ковше, изложнице, кристаллизаторе), так и в готовой стали. Величина этих концентраций зависит от многих факторов – марки стали, степени её раскисленности, места и способа присадки модификатора, наличия и состава шлака в ковше, продолжительности разливки и др. Поэтому заранее определить оптимальные параметры или предусмотреть результаты модифицирования практически невозможно, а сама технология модифицирования отрабатывается только эмпирическим путем с учетом конкретных условий производства.

При этом, по нашему опыту, следует учесть и оценить возможное влияние следующих технологических факторов:

  • время присадки модификатора - в ковш, в самом начале выпуска металла из печи или при наполнении разливочного ковша на 1/3-1/2 его высоты; всю порцию задать сразу или присадку вести частями; следует помнить, что дача модификатора на дно горячего ковша до начала слива металла приводит к бесполезному сгоранию активных элементов;
  • модификатор следует присаживать в хорошо раскисленный металл, поэтому надо рассмотреть возможность и эффективность предварительного раскисления алюминием или, по крайней мере, кремнием и марганцем;
  • выбор оптимального удельного расхода модификатора – при малом расходе – его действие проявляется слабо, при излишнем – неоправданно возрастают затраты; кроме того эффективность некоторых активных элементов, например, редкоземельных, имеет экстремальный характер, а оптимальный расход в значительной степени зависит от ряда факторов – состава металла, степени его легированности и раскисленности, содержания серы и др.; в некоторых случаях отмечается наличие оптимальных концентраций также для кальция [6];
  • оптимальный фракционный состав модификатора определяется, в основном, ёмкостью разливочного ковша, а также временем присадки модификатора, продолжительностью слива и др. Например, при использовании Si-Ca-Ba-содержащей лигатуры с подачей её в виде крупки в ковши ёмкостью 1,0-1,5 т хладостойкость возрастала при переходе от фракции минус 5,0мм к фракции 1,0-10,0мм, а максимальной была при фракции 3,0-10,0мм; в «чипсовом» варианте фракция 1,0-15,0 оказалась лучше по сравнению с 1,0-10,0мм;
  • при проведении опытов необходимо контролировать химический состав каждой плавки, в том числе – обязательно по алюминию; желательно знать содержание в готовом металле Ca, Ti, N, РЗМ и др. При использовании в составе модификатора нескольких активных элементов оптимальная величина концентраций алюминия может смещаться по сравнению с немодифицированной сталью;
  • при наличии в ковше кислого или окисленного основного шлака, при выпуске плавки в несколько разливочных ковшей, при длительной выдержке металла в печи или в раздаточном ковше необходимо учитывать возможное изменение по содержанию алюминия и газов в металле начала и конца разливки [7], что может привести к нестабильности результатов модифицирования.

В заключение следует отметить, что проведенное выше обобщение возможностей и некоторых особенностей технологии модифицирования сделано, в основном, по результатам опытных испытаний или промышленного использования модификаторов производства ООО «НПП Технология». Одновременно возможных потребителей модификаторов следует информировать о том, что НПП Технология изготавливает модификатолры не только сортамента, предусмотренного своими техническими условиями, но возможна также организация производства иных составов, предлагаемых специалистами заказчика, с поставкой готовых к использованию фракционированных материалов в требуемом потребителю виде (крупка, «чипсы», кусок, порошковая проволока). При этом заказчику оказывается необходимая техническая помощь, связанная с испытанием поставляемых модификаторов.

Приглашаем литейщиков, заинтересованных в улучшении качества стальных отливок, к взаимовыгодному сотрудничеству.

Литература

  1. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г., «Модифицирование и микролегирование чугуна и стали», М. «Металлургия», 1986, 271 с.
  2. Шуб Л.Г., Макаров В.В., Лялин О.П., Усманов Р.Г., «Десульфурация стали 25Л с помощью комплексных модификаторов с РЗМ», Литейное производство, №3, 2003, с. 30-31.
  3. Белов Б.Ф., Троцан А.И., Бродсцкий И.Л. и др., «Снижение флокеночувствительности конструкционной стали, микролегированной церием», Металлург, №9, 2004, с. 40-41.
  4. Зинченко В.Г., Судоргин И.В., «Внепечная обработка валковой стали комплексными модификаторами», В сб. «Современные проблемы электрометаллургии стали», Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2004, с. 127-128.
  5. Голубцов В.А., Воронин А.А., Тетюева Т.В. и др., «Происхождение неметаллических включений и пути снижения загрязненности ими металла», Металлург, №4, 2005, с. 73-77.
  6. Зайцев А.И., Родионова И.Г., Бакланова О.Н. и др., «Разработка рекомендаций по освоению производства в ОАО «Северский трубный завод» стальных труб повышенной стойкости против локальной коррозии», В сб. «Коррозионно-активные неметаллические включения в углеродистых и низколегированных сталях», М.: Металлургиздат, 2005, с. 67-81.
  7. Шуб Л.Г., Макаров В.В., Лялин О.П., Усманов Р.Г. «Поведение азота в кислой индукционной печи», Металлургия машиностроения, №5, 2003, с. 5-6.

Другие Сталь: