» » Влияние разливки в вакууме на содержание газов в стали
25.12.2014

Ha Уралмашзаводе, начиная с 1952 г., ведется систематический контроль за содержанием водорода в стали. В случае высокого содержания водорода (свыше 4,5 см3/100 г) в кислой стали для поковок ответственного назначения принимаются меры по изменению режима термической обработки в целях предупреждения образования флокенов.
Водород определяется методом вакуумного нагрева при температуре 600—700° С.
Разница в содержании водорода при определении различными аппаратами (УЗТМ, Уфана, УПИ и др.) получалась незначительной и не превышала 0,1 см3/100 г. В результате исследовательских работ разработана методика отбора образцов, их хранения и определения водорода.
Образцы заливаются в чугунную разъемную форму с внутренним диаметром канала 10 мм, состоящую из двух-трех секций и рассчитанную на изготовление нескольких образцов длиной по 40 мм.
Более удобно отбирать образец в кварцевую трубку посредством резиновой груши.
Отлитая проба немедленно закаливается в холодной воде, что позволяет удержать в твердом образце большую часть водорода. Выявлено, что потери водорода при закалке через 3—5 мин составляют уже более 1,0 см3/100 г, а в не закаленных образцах —до 50% от общего содержания водорода. Установлено влияние окисной пленки на результаты анализа. Влияние пленки особенно заметно на образцах из углеродистой стали. В незачищенных образцах окислы взаимодействуют с водородом, образуя воду, и содержание водорода занижается в среднем на 1,5 сv3/100 г.
При выплавке стали в основных мартеновских печах в случае низкого содержания водорода по расплавлении к концу плавки содержание водорода повышается, в случае же высокого содержания водорода по расплавлении (5 см3/100 г и выше), к концу плавки содержание водорода снижается. Среднее содержание водорода в плавках основной углеродистой стали составляет 5,1 cv3/100 г при незначительном колебании по годам, что свидетельствует об устойчивости условий выплавки стали.
Выпуск металла из печи или перелив из основной печи в кислую сопровождается дегазацией металла. Содержание водорода по расплавлении в кислой печи ниже, чем в основной.
По ходу процесса плавки в кислой печи содержание водорода находится почти на одном уровне, что может быть Объяснено исключительно низкой водородопроницаемостью кислых вязких шлаков.
Наименьшее содержание водорода в основной мартеновской стали получается при выплавке на магнезиально-глиноземистых шлаках и составляет в среднем у углеродистых сталей 4,85 см3/100 г.
Применение предложенной К. Н. Ивановым технологии выплавки стали на основных мартеновских печах не дало положительных результатов. При содержании углерода 0,10% и ниже содержание водорода оставалось на прежнем уровне, а последующее науглероживание металла еще больше повышало окончательное содержание водорода в стали.
При соблюдении всех технологических факторов, способствующих получению минимального содержания водорода в стали, а также при применении чистой металлической шихты, свежеобожженной извести, прокаленных железной руды, боксита, ферросплавов не удается понизить содержание водорода в основной мартеновской стали менее 4,0—4,5 см3/100 г.
Влияние разливки в вакууме на содержание газов в стали

Существенно содержание водорода снижается при вакуумированиистали. Вакуумирование стали, как обязательная операция при заливке крупных слитков для роторных валов, производится на Уралмашзаводе с 1956 г Газ, выделяющийся в процессе вакуумирования, отбирался в бюретки аппарата Коро на выхлопном трубопроводе и анализировался на газоанали заторе ВТИ с фракционным определением метана и водорода.
Выделяющийся в вакууме из металла газ после исключения 8—10% воздуха в среднем состоит при разливке кислой стали из 70% окиси углерода, 16% азота, 11,0% водорода и 3,0% метана. Изменение состава газа от начала разливки стали видно на рис. 1. При разливке основной стали окись-углерода составляет -40, азот-25, а водород возрастает до 40—45% Количество газа, выделяющегося в процессе вакуумирования, измерялось ротационным газовым счетчиком РС-100. Количество отсасываемого газа из металла не одинаково и колеблется от 0,12 до 0,28 м3 на 1 т металла (12—28 см3/100 г). В среднем количество отсасываемого газа из кислой стали составляет 16,6, в том числе 1,8 см3/100 г водорода. Наибольшее количестве газа выделяется при разливке кислой стали, в составе неметаллических включений которой высокий процент силиката.
Для определения влияния вакуума на удаление водорода до и после операции из прибыли слитков разных марок сталей отбирались пробы кварцевой трубкой. Результаты определения водорода в стали приведены в табл. 1.
Влияние разливки в вакууме на содержание газов в стали

По всем маркам сталей содержание водорода в дегазированном металле резко уменьшается.
Как известно, количество удаленного водорода зависит от разряжения в камере. Так, при остаточном давлении более 20 мм рт. ст. водород удаляется только до 35—40%, а при давлении 2,0 мм рт. ст. до 65% и более.
Влияние разливки в вакууме на содержание газов в стали

Для получения нефлокеночувствительного металла нужно, чтобы остаточное содержание водорода в стали было менее 2,0 см3/100 г. Если в невакуумированной кислой стали водорода 3,5—4,5 см3/100 г, то для получения нефлокеночувствительного металла необходимо более чем 50%-ное его удаление, что возможно только при глубоком вакууме.
Слитки весом 10,3 т из кислой стали 34XH3M и весом 37,5 т из стали Р-2, отлитые под вакуумом, исследовались на содержание остаточного водорода и азота. Содержание водорода определялось в образцах диаметром 10 и длиной 45 мм, взятых с верхнего, среднего и нижнего сечений слитка (по пять образцов из каждого сечения). Содержание азота определялось методом отгонки из стружки, взятой в тех же участках, где брались образцы на водород. Остаточное количество водорода в слитке стали 34xH3M, отлитом под вакуумом, составило в среднем 0,65 см3/100 г в контрольном слитке при разливке на воздухе — 1,03 см3/100 г. Содержание водорода в жидкой стали составляло 2,7 см3/100 г. Разница между содержанием водорода в пробе, взятой при разливке (2,7 см3/100г), и в пробе из слитка объясняется, очевидно, удалением водорода при отжиге и последующем длительном хранении темплетов. Содержание азота в контрольном слитке равняется 0,0036%, а в слитке, отлитом под вакуумом, 0,0027%.
В слитке весом 37,5 т из кислой стали Р-2 содержание водорода составило 4,07 см3/100 г. Для сравнения был залит при атмосферном давлении слиток весом 28,5 т.
Слитки 37,5 и 28,5 т в отличие от 10,3 т не отжигались и были быстро разрезаны. Среднее содержание остаточного водорода в обычном слитке составило 3,93, а в слитке, отлитом под вакуумом, 1,76 см3/100 г. Распределение водорода по сечению слитка неравномерное (рис. 2).
Содержание азота в обычном слитке 0,0051%, среднее содержание азота в слитке, отлитом в вакууме, составляет 0,0039%. По аналогии с водородом наибольшее содержание азота находится в центральной зоне слитка, наименьшее — на периферии.
Влияние вакуумирования изучалось и на фасонных отливках. При этом хромоникельмолибденовая сталь, выплавленная в основной мартеновской печи, переливалась под вакуумом из ковша в ковш. Перелив 15—16 т металла производился в подогретый до 150—200° ковш за 4 мин при остаточном давлении 5 мм рт. ст. Температура металла понизилась на 60° С. Из вакуумированного металла и параллельно из обычного были залиты фасонные отливки и слитки. Результаты определения газов представлены в табл. 2.
Влияние разливки в вакууме на содержание газов в стали

Отливка из вакуумированного металла имеет небольшое снижение водорода, некоторое снижение кислорода и азота. Количество неметаллических включений снизилось на 25%, механические свойства остались на прежнем уровне. Таким образом, при заливке фасонных отливок из вакуумированного металла положительные результаты достигнуты не были, в то время как при заливке слитков под вакуумом содержание водорода снижается более чем в два раза, количество неметаллических включений — в три-четыре раза.
Слитки, отлитые под вакуумом, характеризуются улучшением макроструктуры по сравнению с обычными слитками: осевая рыхлость в теле вакуумного слитка выражена в меньшей степени, слиток является более плотным и обладает более тонким кристаллическим строением.
Вакуумная отливка позволяет также значительно повысить характеристики пластичности металла крупных поковок из легированной стали при одинаковом уровне прочности.