Рекомендации по модифицированию стали

Л.Г.Шуб (ООО НПП Технология)

Разработка технологии модифицирования стали включает в себя обоснованный выбор состава лигатуры, который может обеспечить решение поставленной задачи. К таким, наиболее часто возникающим проблемам относятся устранение дефектов газоусадочного характера, снижение загрязнённости отливок неметаллическими включениями, улучшение их механических свойств, повышение хладо- и жаростойкости литья и др. [1].

В общем виде можно отметить, что введение в сталь кальция повышает её жидкотекучесть, видоизменяет оксидные и сульфидные включения, улучшает пластические свойства отливок и др. Дополнение лигатуры барием приводит к повышению усвоения кальция и, соответственно, к усилению положительного воздействия последнего, хотя в ряде случаев отмечается эффективность использования одного бария (без кальция). Редкоземельные металлы (РЗМ) не ухудшают жидкотекучесть стали, снижают содержание в ней серы, эффективно модифицируют неметаллические включения, измельчают литую структуру отливок, ослабляют ликвационные процессы и чувствительность к водороду и др. Активные нитридообразующие элементы (титан, ванадий и др.) ослабляют отрицательное влияние повышенных концентраций азота, измельчают зерно, повышают прочностные характеристики отливок и др. [2].

Технические показатели модифицирования определяются, главным образом, содержанием в металле активных элементов (кальция, РЗМ, магния, титана и др.), и поэтому разрабатываемая технология модифицирования должна обеспечить решение двух основных задач:

  • максимальное и стабильное усвоение активных элементов жидким расплавом;
  • выявление оптимальных концентраций активных элементов, т.е. оптимизация удельного расхода модификатора.

Имеющийся опыт позволяет сделать следующие рекомендации по разработке технологии модифицирования стали.

1. Модификаторы должны присаживаться в предварительно раскисленный металл, чтобы исключить непосредственное взаимодействие активных элементов (Ca, РЗМ и др.) с кислородом расплава и сохранить их для модифицирования неметаллических включений и формирования необходимой структуры металлической матрицы. Поэтому желательно проводить раскисление стали алюминием либо в печи перед выпуском плавки, либо в раздаточном ковше во время выпуска. В последнем случае модифицирование должно проводиться уже при сливе металла в разливочные ковши.

Учитывая, что эффективность модифицирования существенно зависит от концентрации в металле алюминия [3], для надёжной и оперативной оценки полученных результатов необходим обязательный контроль его содержания в каждой плавке. Желательно также определение, хотя бы периодическое, концентраций используемых активных элементов (Ca, РЗМ, Ti и др.).

2. Необходима отработка времени и места присадки модификаторов. Например, при использовании малых ковшей и коротком сливе они задаются в ковш в самом начале выпуска. При наполнении крупных ковшей рекомендуется порционная присадка фракционированных материалов под струю, начиная примерно с одной четверти-трети высоты ковша и заканчивая при наполнении ковша на две трети. В обоих случаях не допускается предварительная засыпка материалов в горячий ковш, что приводит к возгоранию модификаторов и низкой эффективности их использования.

Имеется опыт принудительного ввода лигатур, в частности РЗМ-содержащих, на штангах после выпуска плавки или модифицирования с помощью порошковой проволоки. Опробована технология внутриформенного модифицирования и присадки материалов в центровую или литейную чашу. Эти технологии обеспечивают максимальную степень усвоения и использования активных элементов. При всех отмеченных выше способах ввода алюминий должен задаваться в расплав до присадки в него модификатора.

3. Обязательная регламентация минимального размера используемых модификаторов связана с необходимостью отсева мелких и пылевидных фракций, сгорающих в воздухе до попаданиия частиц материалов на струю выпускаемого металла. Максимальный размер используемого модификатора определяется степенью его усвоения, которая, в свою очередь, зависит от температуры сливаемой стали, мощности струи, от ёмкости ковша и продолжительности его наполнения. При слишком крупном размере присаживаемых материалов они не успевают раствориться в металле и сгорают на его поверхности в ковше. Например, при использовнии Si-Ca-Ba-cодержащей лигатуры с подачей её в виде крупки в ковши ёмкостью 1,0..1,5т хладостойкость отливок возрастала при переходе от фракции минус 5,0мм к фракции 1,0…10,0мм, а максимальной она была при фракции 3,0…10,0мм; в ”чипсовом” варианте фракция 1,0…15,0мм оказалась лучше по сравнению с 1,0…10,0мм. Для ковшей ёмкостью 400кг оптимальными оказались фракции 1,0…10,0мм в ”чипсовом” варианте и 0,8…3,0мм - при использовании крупки.

Необходимо учитывать, что при хранении на воздухе обычных кусковых модификаторов, содержащих кальций и барий, в результате взаимодействия с влагой атмосферы происходит их разложение с образованием значительного количества мелочи. Это может привести к нестабильности результатов модифицирования. Указанным недостатком в гораздо в меньшей степени обладают быстроохлаждённые (”закалённые”) мелкокристаллические модификаторы, имеющие практически неограниченный срок хранения [4]. Пассивация модификаторов гарантируется также введением в их состав примерно 3% алюминия. При этом полностью исключается выделение токсичных и горючих газов.

4. Оптимальный удельный расход модификатора зависит от его состава, способа ввода и конкретных особенностей данного производства. Поэтому при отработке технологии модифицирования должна быть оценена эффективность использования нескольких удельных расходов. Для некоторых активных элементов существует их оптимальная концентрация. Например, большинство исследователей отмечает наличие оптимального расхода РЗМ, который определяется, в основном, содержанием серы в металле. Так, в работе [5] указывается, что повышение остаточного содержания РЗМ более 0,05% вызывает образование скоплений оксисульфидных и сульфидных включений (”цериевая неоднородность”) в макроструктуре низколегированной ферритно-перлитной стали с содержанием серы 0,02%. Одновременно подчёркивается, что для стали с низким содержанием серы (менее 0,008%) подходят другие критерии оптимальности концентраций РЗМ. Для литой стали с аустенитной структурой (C=0,21%; Cr=25,8%; Ni=19,5%; Si=1,7%;S=0,011%) оптимальное содержание Ce при модифицировании металла церием или цериевым мишметаллом находится в пределах 0,020…0,025%, т.е. результаты этой работы [6] при оценке оптимума по критерию [%РЗМ]/[%S] близки к данным [5].

Области оптимальных концентраций отмечаются также при использовании алюминия, титана и других активных элементов. В то же время большинство исследователей считают, что при использовании кальция перемодифицирование стали не наблюдается [6]. Не отмечен этот эффект также на литой феррито-карбидной стали, содержащей C=0,86%; Cr=28,7%; Si=1,2%; S=0,009%, при модифицировании её мишметаллом или смесью церия с силикокальцием в соотношении 1:1 [6].

5. При длительном нахождении раскисленного алюминием металла в печи (фракционная разливка) или в раздаточном ковше, особенно при их кислой футеровке и наличии окислительного шлака, химический состав металла к концу разливки может заметно измениться по сравнению с её началом. В частности, происходит увеличение концентрации азота [7], существенное снижение содержания алюминия и марганца. Может происходить также уменьшение концентрации активных элементов (Ca, РЗМ, Ti и др.), в результате чего эффект модифицирования становится не стабильным или может даже снижаться. Поэтому разработчикам технологии модифицирования необходимо предварительно оценить изменение химического состава металла по ходу разливки с тем, чтобы выбрать место отбора наиболее представительных проб для определения состава и механических свойств стали. При этом возможна некоторая корректировка химического состава стали, например, по содержанию в ней алюминия.

6. По нашему мнению, при выявлении преимуществ технологии модифицирования и оценке её технико-экономических показателей целесообразно учитывать следующие рекомендации:

- модифицирование снижает угар вводимых раскислителей– алюминия, кремния, марганца. Например, на стали 110Г13Л среднее маркировочное содержание марганца возросло на 0,6%. Необходимо также учитывать количества алюминия и кремния, вносимые модификаторами, и, соответственно, уменьшать расход этих раскислителей в виде кускового алюминия и кремнийсодержащих сплавов;

- использование комплексных и фракционированных модификаторов существенно упрощает подготовку материалов к использованию: исключаются операции просушивания, дробления, рассева, смешения отдельных компонентов; устраняются пылеобразование и пожаровзрывоопасность при проведении этих операций; появляется возможность использования труднодробимых материалов и др.;

- необходимо сопоставительная оценка всего комплекса качественных показателей модифицированного и обычного металла, а также изменений технологии их производства. Так, при сравнении качество только по величине аустенитного зерна стали 100Г13Л положительного эффекта не наблюдается, более того, при модифицировании его размер может возрасти. Но при этом за счёт очищения границ ударная вязкость отливок существенно повышается [8].

Другой пример. Повышение жидкотекучести модифицированного металла приводит к улучшению его разливаемости, особенно в конце разливки. Одновременно оно позволяет снизить температуру металла и за счёт этого – уменьшает брак по трещинам, устраняет пригар, улучшает качество поверхности отливок и др.

- следует учитывать возможность отдалённых последствий операции модифицирования. Так, при повышении хладостойкости отливок появляются предпосылки для улучшения их качества по пневмоплотности и коррозионной стойкости, упрощению режимов термической обработки литья и др.

- преимущества модифицирования стали могут быть реализованы через увеличение доли возвратного лома, использования менее качественной шихты (например, по содержанию серы), переход на более простые марки стали, снижение расхода дорогостоящих легирующих. Возможен поиск и получение новых заказов на производство отливок с повышенными техническими и служебными характеристиками.

- улучшение служебных свойств модифицированного стального литья делает необходимой работу с его потребителями, чтобы компенсировать дополнительные затраты и издержки и взаимовыгодно использовать преимущества от применения отливок повышенного качества. Целесообразна поставка улучшенной продукции по новым техническим условиям.

В заключение следует отметить, что большинство из приведенных выше рекомендаций получено на основе опыта использования комплексных лигатур производства ООО НПП Технология. Возможных потребителей модификаторов следует дополнительно проинформировать о том, что НПП Технология не только изготавливает лигатуры самого различного состава с поставкой готовых к использованию фракционированных материалов требуемом потребителем виде (крупка, ”чипсы”, кусок, порошковая проволока), но и оказывает заказчику всю необходимую техническую помощь, связанную с испытанием и использованием поставляемых модификаторов.

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

Литература

1. Шуб Л.Г., Ахмадеев А.Ю. О целесообразности модифицирования стального литья./ Металлургия машиностроения. 2006. №5. С.38-41.

2. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. -271с.

3. Шуб Л.Г., Макаров В.В., Лялин О.П., Усманов Р.Г. Десульфурация стали 25Л с помощью комплексных модификаторов с РЗМ./ Литейное производство. 2003. №3. С.30-31.

4. Дынин А.Я. Компания НПП – 10 лет непрерывного роста!/ Литейное производство. 2006. №5. С.6-8.

5. Скок Ю.Я., Мовчан М.Б., Алымов А.А. и др. Модифицирование неметаллических включений в стали 17ГС./ Сталь. 1983. №8. C.63-66.

6. Нöтеr K.E., Fiegenschuh H. Модифицирование аустенитных и ферритных литых сталей./ Технология и оборудование литейного производства. Экспресс-информация М.: ВИНИТИ, 1983. №4. Реф. 15. С .1-8.

7. Шуб Л.Г., Макаров В.В., Лялин О.П., Усманов Р.Г. Поведение азота в кислой индукционной плавке. / Металлургия машиностроения. 2003. №5. С.5-6.

8. Аникеев В.В. Промышленные испытания модификаторов при внепечном модифицировании углеродистых, низколегированных, марганцовистых и коррозионностойких сталей в условиях ОАО ”Самарский сталелитейный завод”./ Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей. Сб. докладов Литейного консилиума №1. Челябинск, 2006. С.22-30.


Другие Сталь: