» » Газы в низкоуглеродистых литейных сталях
25.12.2014

При производстве стальных отливок (особенно тонкостенных) важным условием выплавки стали является нагрев металла перед выпуском до высоких температур. При таких условиях концентрация кислорода в стали остается сравнительно высокой в связи со снижением раскислительной способности элементов с повышением температуры.
Высокое содержание закиси железа в металле имеет место в получивших в последнее время широкое распространение в промышленности низкоуглеродистых литейных сталях марок 10ДНГФЛ и 12ДН2ФЛ, изучению которых посвящена настоящая работа.
Металл выплавлялся в электродуговых печах. В восстановительный период производилось осадочное раскисление металла под известковым шлаком. Содержание закиси железа в шлаке перед выпуском обычно не превышало 1%. Металл раскисляли алюминием, помещенным на дно ковша.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

Статистический анализ брака по газовым раковинам в отливках из стали 10ДНГФЛ показал, что при увеличении температуры металла перед выпуском, уменьшении содержания углерода и кремния в металле брак по-газовым раковинам возрастает (рис. 1, а, б, в), что указывает на необходимость усиления раскисления металла. Последнее может быть осуществлено в результате создания в металле избытка раскислителей, а также проведения некоторых элементов процесса раскисления в ковше при более умеренных, чем в печи, температурах.
В результате статистической обработки данных большого числа плавок построены зависимости между механическими свойствами сталей и общим содержанием алюминия в ковшевой пробе. На рис. 2 показано изменение значений ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения в зависимости от содержания общего алюминия в стали. Анализ содержания алюминия производился спектральным и химическим методами. C целью выяснения части алюминия, находящейся в виде глинозема,по отношению к общему количеству алюминия, определяемому спектральным методом, проверялось содержание глинозема в стали методом электролитического растворения.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

На рис. 3 представлена зависимость содержания алюминия, находящегося в виде глинозема, от общего алюминия. Данные показывают, что до содержания 0,08% доля глинозема остается стабильной и несколько возрастает при большем содержании алюминия в стали. Поэтому для характеристики раскисленности металла может быть принято содержание алюминия в стали, определенное спектральным методом.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

Значительное снижение пластичности и ударной вязкости имеет место при повышении содержания алюминия для сталей 10ДНГФЛ и 12ДН2ФЛ выше 0,12%. Хотя в этих случаях скопления крупных сульфидов и глинозема, расположенные по границам зерен, являются сильно разобщенными, повышение содержания алюминия приводит к значительному снижению пластичности вследствие увеличения количества глиноземистых включений в стали. Снижение пластичности определило увеличение склонности стали к образованию горячих трещин и привело к массовому браку на одной и» отливок, имеющей резкие переходы от толстых частей к тонким.
Данные рис. 2 показывают, что наилучшие механические свойства получаются при 0,04—0,08% алюминия. Аналогичные результаты были получены для стали 35Л с той только разницей, что падение пластических свойств проявлялось при содержании алюминия 0,15—0,18%, что объясняется большей стабильностью доли глинозема в общем содержании алюминия в стали, связанной с лучшей ее раскисленностью.
Таким образом, увеличение содержания алюминия с целью уменьшения склонности стали к образованию газовых раковин не может быть рекомендовано из-за резкого снижения пластичности и увеличения склонности стали к образованию горячих трещин. Особенно это сказывается на низкоуглеродистых литейных сталях.
В связи с этим исследовалось увеличение раскисленности металла в результате добавления в ковш небольших (3 кг/т) присадок — силикокальция, силикоциркония, ферротитана.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

В табл. 1 приведены механические свойства сталей, полученные при различных режимах раскисления.
Общее количество неметаллических включений в случае присадки силикокальция снизилось с 0,013—0,015 до 0,009—0,012%.
Из рис. 2 видно, что в случае присадки силикокальция (пунктирные кривые) даже при высоком содержании алюминия в стали пластические свойства почти не снижаются, что особенно-важно для низкоуглеродистой стали, склонной к образованию газовых раковин в отливках.
Данные табл. 1 показывают, что при присадке ферротитана и особенно силикоциркония резко падает ударная вязкость при —40° и незначительно возрастают прочностные характеристики стали. Уровень значений ударной вязкости зависит от количества нитридных (или карбонитридных) включений в стали.
На шлифах образцов, взятых от плавок, раскисленных сшгикоцирконием и ферротитаном, обнаруживались мелкие включения нитридов (или карбонитридов). Наибольшее падение значений ударной вязкости при -40° наблюдалось на плавках с большим количеством этих включений.
Присадка ферротитана и силикоциркония почти не оказала влияния на значение ударной вязкости при комнатной температуре. He была установлена зависимость между значением ударной вязкости и расположением образцов в пробе для механических испытаний. Было замечено, что при присадке ферротитана наиболее низкая ударная вязкость была на плавках с пониженной температурой выпуска и с кратковременной выдержкой перед разливкой. Это объясняется, по-видимому, затрудненным всплыванием из металла образующихся в процессе кристаллизации нитридов (или карбонитридов) титана.
При повышенных температурах выпуска металла происходит заметное снижение содержания азота. Это хорошо видно из табл. 2.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

В случае присадки силикоциркония низкая ударная вязкость при -40° была стабильной.
Есть основания предположить, что резкое снижение ударной вязкости при -40° связано с образованием нитридов титана или циркония.
Подтверждает это еще и то, что ранее, при раскислении ферротитаном или силикоцирконием, более 30% плавок в валовом производстве имели выпады по ударной вязкости при -40°, после же исключения присадок указанных раскислителей выпады полностью прекратились.
При выплавке стали для фасонного литья алюминий для раскисления обычно вводится на дно ковша. При разливке он часто всплывает и частично сгорает в шлаке, взаимодействуя с воздухом. Иногда вспышки пламени, связанные с горением алюминия, можно наблюдать в течение 20—30 мин от начала разливки. В результате имеет место высокий угар алюминия, который обычно колеблется в широких пределах. А так как содержание алюминия в стали при различном его содержании оказывает неодинаковое влияние на механические свойства стали, склонность к образованию газовых раковин и горячих трещин, то такой метод раскисления нельзя признать правильным. Усвояемость алюминия существенно возрастает при введении в металл ферроалюминия (рис. 4).
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

В табл. 3 приведены данные о содержании неметаллических включений' в литейных сталях при раскислении алюминием и ферроалюминием.
Данные табл. 3 свидетельствуют о существенном уменьшении количества» неметаллических включений при раскислении ферроалюминием низкоуглеродистых литейных сталей.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

В составе неметаллических включений не было замечено какого-либо уменьшения процентного содержания шпинельно-глиноземной составляющей. Поэтому можно предположить, что уменьшение количества включений обусловлено частичным всплываний легкоплавких железистых силикатов в шлак до расплавления в ковше ферроалюминия. Металлографический анализ показал, что плавки с раскислением алюминием и ферроалюминием имеют одинаковый характер распределения неметаллических включений.
На стали 35Л применение ферроалюминия не вызвало существенного изменения количества неметаллических включений, что связано с более низким содержанием кислорода в среднеуглеродистой стали.
В окислительный период, проводимый под шлаками высокой основности (CaО/SiО2<4) с присадкой извести сплавикового шпата, уменьшается содержание серы и фосфора в металле в среднем с 0,035 до 0,012 %. В течение всего окислительного периода шлак идет самотеком через порог завалочного окна. В конце периода предварительно раскисляется металл чугуном или электродами из расчета введения в металл 0,02/0,03% углерода. Положительное влияние предварительного раскисления металла углеродом давно известно. Нарушение условий равновесия, вызванное повышением содержания углерода, приводит к активному его окислению, и содержание кислорода в металле понижается. Исследование показало, что в результате предварительного раскисления содержание кислорода (определенное глиноземным методом) к концу окислительного периода снизилось в среднем для стали 10ДНГФЛ с 0,082—0,091 до 0,060 —0,080%.
После предварительного раскисления на шлак присаживается магнезитовый бой, кокс и молотый ферросилиций. Кусковой ферросилиций, силикомарганец и ферромарганец дают в ковш. Через 15 мин плавка выпускается. Таким образом, вся плавка идет без скачивания шлака.
В табл. 4 приводится среднее содержание водорода в металле в различные периоды плавки при выплавке стали по новой технологии в сравнении с данными плавок, проведенных с осадочным раскислением под известковыми шлаками. Водород в металле определялся методом вакуум-нагрева.
Газы в низкоуглеродистых литейных сталях

Как показывают данные табл. 4, в раскислительный период плавки не произошло значительного повышения содержания водорода в металле, что объясняется пониженной газопроницаемостью магнезиального шлака, а также отсутствием моментов, при которых металл был бы не защищен от вредного влияния атмосферы печи.
При работе по новой технологии среднее количество неметаллических включений снизилось с 0,013 до 0,010% (средние данные по пяти плавкам старой и пяти плавкам новой технологии). Можно предположить, что снижение связано с коагуляцией легкоплавких железистых силикатов, в большом количестве имеющихся в стали в период выпуска металла из печи, и их всплыванием одновременно с раскислением стали в ковше.
Известно, что даже при тщательном раскислении металла и шлака не всегда удается избежать увеличения содержания кислорода и неметаллических включений при разливке.
По новой технологии (хотя и имеется высокое содержание окислов железа в шлаке) окислительные процессы в период разливки не получают развития. Это связано с тем, что магнезиальный шлак имеет низкую жидкотекучесть и находящиеся в нем окислы являются менее активными. Это позволяет исключить развитие экзотермических реакций окисления металла шлаком.