Особенности выплавки и разливки сталей, используемых для поковок ответственного назначения

Выплавка сталей. Анализ особенностей различных процессов выплавки стали и многолетний опыт производства крупных поко­вок убеждают в том, что применение мартеновской печи с основ­ным подом для выплавки сталей, идущих на изготовление поковок ответственного назначения, практически исключается, так как выплавленная в ней сталь не гарантирует высокого качества металла, обусловленного техническими требованиями. При со­временных методах выплавки основной мартеновской стали — даже при использовании специальных технологических приемов для борьбы с повышенной газонасыщенностью и загрязненностью металла — металлургические дефекты в виде флокенов, повы­шенного содержания неметаллических включений, пониженной пластичности на поперечных и тангенциальных образцах сопутст­вуют, как правило, большинству крупных поковок ответственного назначения, изготовленных из легированных сталей, выплавлен­ных в мартеновской печи основным процессом.

Относительно надежные результаты как по чистоте, так и по минимальной газонасыщенности металла дает кислая мартенов­ская сталь, обладающая некоторыми положительными физиче­скими особенностями, в частности меньшей жидкотекучестью и меньшей водородопроницаемостью шлаков [5]. Выплавка этой стали обеспечивается подбором особо чистой шихты, тщатель­ностью ведения технологического процесса и для ответственных поковок проводится в большинстве случаев дуплекс-процессом (кремневосстановительным методом). Именно такой процесс за­креплен, например, на Уралмашзаводе при изготовлении поковок турбинных деталей из специальных сталей перлитного и мартенситного классов.

Для широкой номенклатуры поковок используется сталь, выплавленная в.основной дуговой электропечи методом окисления или переплава. Для выплавки некоторых марок высоколегирован­ной стали, например аустенитного класса, электропечь является единственно возможным плавильным агрегатом. Что касается среднелегированных сталей, то по некоторым основным призна­кам качества металла, особенно газонасыщенности, она заметно уступает кислой мартеновской стали.

Сопоставление содержания водорода в плавках кислой стали и основной электростали применительно к среднелегированным маркам показывает, что среднее содержание водорода в первой стали составляет около 3—4 см³ / 100 г металла, 'во второй — 5 — 8 см³ / 100 г, т. е. в основной электростали содержание водорода примерно в 1,5—2 раза выше, чем в кислой мартеновской стали.

Физико-химические свойства шлаков и технологические осо­бенности процесса позволяют выплавлять в электропечах металл с низким содержанием вредных примесей и шлаковых включений. Так, при электроплавке можно получать сталь с содержанием серы до 0,010—0,015%, что весьма сложно при мартеновском про­цессе. При этом, однако, следует иметь в виду, что на качество по­ковок оказывают влияние не только количественное содержание неметаллических включений, но и их тип и характер распределе­ния в стали. Исследовательскими работами и анализом многих производственных поковок, изготовленных из стали, выплавлен­ной разными методами, установлено, что минимальное влияние на механические свойства стали и ее технологичность при горячем деформировании оказывают беспорядочно распределенные в ме­талле включения глобулярного типа, не создающие концентрато­ров напряжений. Более вредными являются включения, распо­ложенные в виде пленок, цепочек или сетки эвтектического типа, которые в основном и создают низкие механические свойства по­ковок в поперечном и тенгенциальном направлениях. С этой точки зрения характер включений, получаемых в кислой мартенов­ской стали, как правило, более благоприятен, чем в основной элек­тростали, хотя принципиально он и в последней может быть по­ложительно изменен различными технологическими приемами выплавки.

Имея в виду универсальность использования дуговых электро­печей с основным подом для выплавки широкой номенклатуры легированных и высоколегированных специальных сталей, вопрос о повышении качества основной электростали, в частности уменьшения ее газонасыщенности, является особенно акту­альным.

Опыт HЗЛ и некоторых других заводов свидетельствует о воз­можности значительного повышения качества электростали за счет ряда технологических мероприятий. К ним в первую оче­редь относятся подбор шихты с пониженным содержанием газо­образующих элементов, использование для наиболее ответствен­ных плавок специально выплавленной шихтовой заготовки, прокаливание извести, окислителей и ферросплавов, подбор опти­мального режима плавки и шлакового режима, применение ком­плексных раскислителей, эффективное использование диффузион­ного раскисления. Эти мероприятия дают возможность изготовлять относительно крупные поковки из разных легированных сталей ("например, поковки газотурбинных дисков с высотой ступицы 400 мм из стали ЭИ415), удовлетворяющих по всем признакам качества металла жестким требованиям технических условий на ответственные детали турбостроения.

Для лучшего раскисления и модифицирования специальных сталей, особенно аустенитного класса, в последние годы все шире используются редкоземельные металлы (РЗМ), главным образом мишметалл и ферроцерий. Выявлено, что РЗМ активно взаимодей­ствуют с примесями металла, способствуют его очистке от неме­таллических включений и растворенных газов, измельчению зерна и устранению дефектов кристаллизации, а в аустенитных хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталях Х18Н9Т и Х18Н12М2Т — снижению количества α-фазы. В связи с этим при­садка РЗМ повышает чистоту металла, уменьшает анизотроп­ность механических свойств и оказывает положительное влияние на деформируемость стали при ковочных температурах.

Разливка сталей. Рациональные методы и режимы разливки способствуют формированию плотной макроструктуры слитка, уменьшению содержания в стали газов и неметаллических вклю­чений, минимальному развитию поверхностных дефектов. Следует подчеркнуть важность последнего фактора, непосредственно свя­занного с решением одной из проблем производства поковок из специальных сталей — ковкой слитка с горячего посада (горячей посадки на нагрев) с исключением операций обдирки, местной вырубки дефектов и других видов подготовки слитков. Для малопластичных труднодеформируемых сталей, к числу которых относится большинство специальных сталей аустенитного, мартенсйтного и феррито-мартенситного классов, передача слитков в горячем состоянии допустима только при отсутствии на поверхности слитка трещин и других грубых дефектов, наличие которых неизбежно влечет за собой неблагоприятные результаты ковки, вплоть до разрушения слитков при первых обжатиях. Но одновременно при условии удовлетворительной поверхности слит­ков горячий посад имеет ряд несомненных преимуществ, к числу которых относятся более экономичное использование производ­ственных площадей в сталеплавильном цехе, меньшая длительность нагрева слитков под ковку и главное технологическая эффектив­ность процесса. Как установлено исследованиями и заводской практикой, непрерывность горячего цикла является для многих легированных и высоколегированных сталей, в том числе аустенитного класса, важным условием для успешного выполнения поковок высокого качества.

Из двух основных способов разливки сталей — сифоном и сверху — разливка специальных сталей производится, как пра­вило, только сверху, при которой в меньшей степени развиваются осевые дефекты слитка и металл меньше загрязняется шлаковыми включениями.

При разливке сверху на стенках изложницы оседают брызги жидкой стали, которые, окисляясь, образуют на поверхности слитка грубые плены и заплески металла. Окисленные брызги металла, реагируя с жидкой сталью, остаются в виде включений и в глубинных зонах слитка, увеличивая тем самым содержание в стали неметаллических включений типа оксидов. Особенно это касается специальных сталей, легированных титаном, алюминием, хромом, вследствие повышенной склонности этих элементов к окис­лению в период разливки.

Серьезное влияние на качество слитка оказывают метод раз­ливки стали (непосредственно из ковша или через промежуточное устройство) и атмосфера в изложнице во время ее наполнения. Эти факторы иногда решающим образом влияют на загрязнен­ность стали неметаллическими включениями, качество поверхно­сти слитков и образование трещин.

Разливка металла через промежуточную воронку значительно улучшает условия заполнения изложницы. Даже в начальный период разливки металл поступает в изложницу при малом ферростатическом напоре ровной и строго центрированной струей. Сила удара струи о поддон в первый момент разливки значительно уменьшается. Все это способствует повышению качества слитка. Поэтому во всех случаях, когда теплофизическое состояние жидкой стали позволяет заполнять изложницы через промежуточные воронки, этот процесс, безусловно, предпочтительней разливки металла непосредственно из ковша. Только в случае повышенной вязкости жидкого металла, когда использование промежуточной воронки затруднено, допустима разливка специальных сталей непосредственно из ковша.

Некоторые опасения вызывает возможное загрязнение стали продуктами механического и химического воздействий жидкого металла на футеровку промежуточной воронки. При изготовлении из слитков поковок турбинных деталей и других ответственных изделий этот фактор требует серьезной практической оценки. Но в настоящее время существуют достаточно стойкие огнеупор­ные материалы, использование которых для футеровки воронок дает вполне надежные результаты, что подтверждается многолет­ним опытом разливки легированных и высоколегированных сталей на НЗЛ.

Чем меньшая площадь поверхности жидкого металла при раз­ливке контактирует с воздухом, тем меньше металл окисляется и, следовательно, меньше загрязняется неметаллическими включе­ниями. Образование окислов в процессе разливки является глав­ной причиной, вызывающей поверхностные дефекты в слитках. Поэтому устранение или, по крайней мере, уменьшение дефектов возможно путем создания в изложницах восстановительной или нейтральной атмосферы. Для этой цели используется, в частно­сти, нейтральный газ аргон, подаваемый в изложницу перед раз­ливкой стали, который вытесняет из ее полости окислительные газы и снижает загрязнение жидкого металла неметаллическими включениями. Качество поверхности слитков при этом заметно повышается. Аргон используется при разливке высоколегирован­ных сталей, в том числе аустенитных ЭИ572, Х18Н22В2Т2 и др.

В последнее время при разливке специальных сталей, осо­бенно легированных титаном, хромом и алюминием, на заводах начинают широко пользоваться способом, предложенным инж. К. Н. Ивановым. Этот способ заключается во ведении в изложницу (перед разливкой) магния в виде стружки, мелких кусков или порошка в количестве около 75.—80 г/т металла для полного по­глощения кислорода и создания в изложнице безокислительной атмосферы. Перед разливкой изложница плотно закрывается стальной крышкой. При поступлении в нее первой порции металла магний сгорает, связывая кислород, находящийся в изложнице. Слитки, отлитые с магнием, заметно отличаются повышенной чи­стотой поверхности.

Опыт параллельного использования аргона и магния при разливке высоколегированных сталей 0Х18НЮТ, ЭИ572, Х18Н12М2Т, X18Н22В2Т2 и др. на слитки весом до 16 т по­казал преимущества магния перед аргоном.

Для уменьшения поверхностных дефектов на слитках высоко­легированных сталей некоторые заводы производят разливку ме­талла под слоем жидкого шлака [6, 7]. Изучение макроструктуры слитков, залитых таким способом, показало, что запутыва­ния шлака в металле не происходит и качество слитков по загрязненности и пористости металла, во всяком случае, не усту­пает слиткам, залитым обычным способом. В то же время наблю­дается резкое улучшение качества их поверхности. На заводе фирмы «Нейшил Саплай» в Торренсе (США) под слоем жидкого шлака с эффективными результатами залиты опытные слитки весом от 6,5 до 32 т [8].

По-видимому, весьма целесообразным является проведение дальнейших работ по изучению и совершенствованию метода раз­ливки металла под слоем жидкого шлака применительно к спе­циальным сталям, используемым для крупных поковок ответ­ственного назначения.

Охлаждение слитков. На качество слитков из легированных и высоколегированных сталей большое влияние оказывают тер­мические условия охлаждения. В частности, резко повышается чувствительность стали к образованию межкристаллитных тре­щин и к их развитию при передаче горячих слитков из сталепла­вильного цеха в прессовый при пониженной температуре металла (ниже 600—650° С). Это относится не только к мартенситным ста­лям, но и к некоторым маркам стали аустенитного класса (Х18Н22В2Т2, ЭИ572 и др.) Поэтому в отдельных случаях для бо­лее длительного сохранения температуры слитка передачу его в прессовый цех целесообразно производить в изложницах. В прак­тике НЗЛ такой прием успешно использовался для слитков мел­кого развеса из сталей ЭИ802, 15Х11МФБ, Х17Н2, Х18Н22В2Т2, ЭИ572 и некоторых других. Статистическим анализом установлено, что поковки, откованные из захоложенных слитков, имеют более высокий процент брака по расслоениям и другим несплошностям металла, обнаруживаемым ультразвуковым контролем. Наблю­дается также и заметное ухудшение деформируемости при ковке.

Если по установленному технологическому процессу или про­изводственным условиям слитки подлежат охлаждению до нормаль­ных температур, то оно осуществляется в термических печах от температуры 600—700° С по специальному режиму в зависимости от конкретной марки стали.

Специальные методы производства высококачественных сталей. Развитие газотурбостроения и других отраслей современной тех­ники потребовало выплавки сталей специального назначения, обладающих высокой степенью физической однородности металла и плотностью макроструктуры, отсутствием неметаллических включений и повышенными механическими свойствами. Обычные способы производства стали в мартеновских и электросталепла­вильных печах, даже при условии применения специальных технологических приемов выплавки, не всегда могут обеспечить получение металла, отвечающего столь высоким требованиям. Решение этой проблемы в известной мере достигается использо­ванием новых радикальных средств производства стали: вакуумирования при разливке, электрошлакового переплава и выплавки стали в вакуумных печах. В ближайшие годы в технике производ­ства специальных сталей намечается широкое развитие указан­ных способов выплавки и разливки стали.

Разливка жидкой стали под вакуумом — один из способов эффективного повышения качества металла. Вакуумирование стали получило широкое распространение на заводах СССР и за рубежом. В частности, в США около 80% стали, предназна­ченной для поковок, подвергается вакуумной обработке [9].

Вакуумная разливка способствует дегазации металла, в част­ности уменьшению концентрации водорода, снижению содержа­ния неметаллических включений и более равномерному распре­делению их в слитке.

По данным Уралмашзавода [10], содержание водорода в стали такой марки, как Р2, снижается под действием вакуума на 30— 40%, а общее количество неметаллических включений уменьшается в 2—3 раза. Аналогичное влияние процесса вакуумирования на дегазацию и содержание неметаллических включений в стали отмечено на Ново-Краматорском машиностроительном заводе (НКЗМ) [11] при разливке стали ЭИ415. Данные зарубежного опыта [9] также подтверждают резкое уменьшение содержания водорода и оксидных включений в вакуумированной стали по сравнению со сталью, разлитой обычным способом. Отмечено, например, что содержание водорода в обработанной стали сни­жается на 40—60%, а оксидных включений—не менее чем на 60— 70%. При этом уменьшаются не только количество, но и размеры неметаллических включений, что положительно отражается на физико-механических свойствах стали.

Радикальным средством повышения качества металла является электрошлаковый переплав, который обеспечивает высокую чи­стоту металла по неметаллическим включениям, высокую плот­ность и однородность макроструктуры, повышенную технологич­ность металла при ковке.

В.. настоящее время уже накоплен значительный опыт по про­изводству поковок из специальных сталей, полученных методом электрошлакового переплава. Крупнейшая электрошлаковая печь, рассчитанная на получение слитков весом до 12—14 т, введена в действие в 1962 году на Ново-Краматорском машино­строительном заводе (в Донбассе). Проектируются печи для изго­товления слитков весом до 40—50 т.

Другим направлением в решении главных проблем производ­ства высококачественной стали является вакуумная плавка. Наибольшее распространение имеют дуговые вакуумные печи с расходуемым электродом. Установлено, что даже в условиях неглубокого вакуума в стали значительно снижается количество растворенного водорода, кислорода и азота. Одновременно резко уменьшается содержание неметаллических включений, главным образом оксидных, причем распределение их по слитку становится более равномерным. Слитки из вакуумной стали отличаются по­ниженными ликвацией и пористостью и лучшей деформируе­мостью. При вакуумной плавке удаляются вредные примеси: олово, свинец, сурьма, висмут [12]. В комплексе перечисленные факторы способствуют повышению уровня механических и спе­циальных свойств стали, в том числе жаропрочности.

Получение стали особо высокого качества со стабильными повышенными показателями жаропрочности и длительной пла­стичности достигается двух- и даже трехкратным вакуумно- дуговым переплавом, в результате которого качество металла повышается значительно более заметно, чем при однократном переплаве.

5. Закономерности распределения неметаллических включений и водорода в слитке

На основании большого количества экспериментальных работ установлено, что максимальное количество неметаллических вклю­чений типа оксидов расположено в нижней части слитка (в преде­лах нижней трети его высоты). В направлении от низа слитка к его головной части содержание включений постепенно снижается. По сечению слитка более высокое содержание неметаллических включений соответствует его осевой части.

Качественный характер распределения включений вдоль оси слитка сохраняется примерно одинаковым в слитках разного развеса с той лишь разницей, что при увеличении развеса макси­мум содержания окисных включений располагается ближе к дон­ной части слитка.

Преимущественное скопление неметаллических включений в части поковки, соответствующей нижней трети слитка, под­тверждается многолетней практикой изготовления крупных по­ковок из легированных сталей. В заводских условиях эта законо­мерность весьма четко выявляется при ультразвуковом контроле деталей ответственного назначения: по данным статического ана­лиза подавляющее количество поковок, забракованных на НЗЛ по недопустимым скоплениям неметаллических включений, из­готовлено из нижней части слитков. Это положение подтвер­ждается и опытом других заводов.

В отдельных случаях при изготовлении весьма ответственных изделий технологическим процессом предусматривается спе­циальный контроль промежуточных заготовок ультразвуковым дефектоскопом с целью отбраковки частей слитка, имеющих наи­большую концентрацию неметаллических включений, Такая тех­нология применялась, в частности, при ковке большого количе­ства гладких плит из слитков стали Р2 весом до 145 т. Слиток, обжатый по всей длине на плиту, подвергался ультразвуковой дефектоскопии и дальнейшему раскрою в зависимости от результатов контроля. Оказалось, что у всех слитков подавляющая часть дефектов (неметаллических включений) располагалась в дон­ной части, занимая зону в основном от ¹/₄ до ¹/₃ высоты слитка. Этот пример интересен тем, что закономерность распределения не­металлических включений выявлена на крупных слитках в широ­ких производственных масштабах.

Обогащение оксидными включениями нижней части слитка, по-видимому, является следствием вторичного окисления стали при разливке ее в изложницы. Брызги жидкого металла, обра­зуемые при ударе струи о дно изложницы, окисляются на воздухе и, запутываясь в заливаемом металле, выявляются, в конечном итоге, в виде включений.

Уменьшение загрязненности слитка неметаллическими вклю­чениями достигается разливкой стали в безокислительной среде. В частности, в этом одна из главных причин резкого уменьшения содержания неметаллических включений в слитках, залитых в вакууме.

Закономерность распределения водорода в слитке имеет сле­дующий характер: содержание водорода по оси слитка повышается от донной части к головной, а в поперечных сечениях—от перифе­рии к центру. По данным исследования слитка хромоникельмо- либденовой стали [13] весом 2 т, содержание водорода по оси слитка повышается от 3,7 см³/ 100 г в нижней части до 6,4 см³/ 100 г в середине и до 7,4 см³/ 100 г в верхней части слитка, а по среднему сечению — от 1,7 см³/ 100 г на периферии до 6,4 см³/ 100 г в центре слитка, причем наиболее высокое содержание водорода имеют ликвационные зоны. Аналогичный характер распределения водо­рода в слитке отмечен и рядом других исследований.

Тенденция к увеличению содержания водорода от периферии к центру наблюдается и в слитках аустенитной стали, но при этом распределение водорода по сечению более равномерное, чем в слитках конструкционной перлитной стали. В качестве примера могут служить данные по слитку аустенитной стали Х18Н9Т весом 2,1 т, в котором содержание водорода от периферийных зон к центру изменялось от 6,6—7,8 до 9—14 см³/ 100 г [5].

Приведенная закономерность распределения водорода в слит­ках подтверждается и результатами контроля в заводских усло­виях поковок из легированных сталей: более высокое содержание водорода, как правило, имеют поковки, откованные из верхней части крупных слитков.

Дата добавления: 2014-01-07