Создание интегральной технологии изготовления крупных слитков и поковок из них для повышения ресурса и конкурентоспособности ответственных изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Создание интегральной технологии изготовления крупных слитков и поковок из них для повышения ресурса и конкурентоспособности ответственных изделий

Актуальность работы. Прогресс современного машиностроения во многом опирается на развитие металлургии и металловедения. Создание новых материалов и разработка передовых технологий их производства дает возможность создавать новые, не имеющие аналогов механизмы. Разработка новых материалов и технологий стимулирует появление новых технических идей и проектов.

Увеличение единичной мощности крупных энергоагрегатов, в том числе АЭС и химических установок требует, для изготовления необходимых им деталей, получение слитков и поковок большой массы, которые должны обладать необходимым уровнем свойств и качества, гарантирующих максимальную надежность при эксплуатации изделий. Вместе с тем, с повышением массы слитка увеличивается дендритная и зональная ликвации, укрупняются неметаллические включения, изменяется макроструктура, что приводит к снижению стабильности свойств по сечению поковок. Поэтому для обеспечения надежности и долговечности работы крупногабаритных изделий актуальным является получение крупных слитков высокого качества. Необходимо отметить, что многие дефекты стальных слитков, образуются не только при кристаллизации, но и закладываются уже в жидком металле.

До недавнего времени к крупным слиткам относили слитки массой до 100 т. Однако в настоящее время для нужд специального машиностроения необходимы слитки массой более 400 т., которые обладали бы максимальной равномерностью по составу, качеству и отсутствием дефектов.

До настоящего времени в отечественной литературе отсутствуют комплексные исследования, направленные на совершенствование технологии производства и повышение ресурса ответственных изделий большой массы. В России и СНГ подобные исследования возможно проводить только на предприятии ООО «ОМЗ-Спецсталь», обладающим необходимым оборудованием для производства особо крупных слитков.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось исследование и совершенствование качества металла особо крупных слитков массой более 400т и изготавливаемых из них ответственных изделий. Для решения поставленной задачи произведен выбор основных факторов, влияющих на качество крупных слитков и поковок из легированных конструкционных сталей. Учитывая важную роль неметаллических включений, особое внимание уделено управлению их морфологией за счет оптимизации технологии раскисления стали, включая углеродное и бескремнистое раскисление, применения модификаторов. Показана, за счет внепечной обработки в агрегате «ковш-печь»(УВРВ), возможность повышения качества стали при производстве крупных поковок для энергомашиностроения. Разработана технология рафинирования жидкой стали за счет продувки аргоном и вакуумирования.

Исследовано влияние осевой и внеосевой зональной ликвации на качество крупных слитков и разработаны мероприятия по их устранению.

Исследовано влияние термомеханической обработки на структуру и свойства крупных поковок и разработана технология ее применения.

Разработана технология ковки и термической обработки обечаек стали 15Х2НМФА и слитка массой 360т для корпуса атомного реактора.

Исследовано влияние технологических факторов производства на качество металла заготовок роторов турбогенераторов из стали 26ХН3М2ФА, 35ХН3МФА и 30ХН3М1ФА.

Проведено исследование и разработана технология производства заготовок из стали SA336F11cl 2, для изделий ответственного назначения. Проведен анализ природы тепловой хрупкости и оценка сопротивления стали тепловому охрупчиванию после отпуска по режиму Step cooling.

Исследовано качество металла поковок стали 15Х3МФ. Определен сдвиг критической температуры хрупкости после теплового охрупчивания. Определена температура нулевой пластичности Т_NDT и проведены испытания на вязкость разрушения при низких температурах.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

· Разработаны научные основы технологических процессов выплавки, внепечной обработки, разливки, деформации и термообработки сталей специального назначения, позволившие впервые в практике отечественной металлургии получить сверхкрупные слитки высокого качества для изделий атомного, энергетического и тяжелого машиностроения.

· Предложена оригинальная технология, вакуумного углеродного раскисления стали, позволившая, в процессе рафинирования на установке внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ), снизить содержание кислорода до 40 ppm, водорода менее 1,5 ppm.

· Установлены закономерности и экспериментально подтверждено влияние химического состава металла и шлака на процесс вакуумирования при внепечной обработке сталей на УВРВ. Установлена количественная зависимость степени обезводородораживания металла от интенсивности перемешивания.

· Разработаны принципы раскисления металла для получения мелких глобулярных неметаллических включений, равномерно распределенных по сечению слитка с применением вакуумного углеродного раскисления при разливке стали.

· На основе большого количества экспериментальных результатов выявлено, что коллекторы водорода являются основным очагом образования флокенов. Микрофлокены размером менее 1мм могут сливаться в единую обширную трещину. Флокены, образующиеся при механических испытаниях, имеют одинаковые с обычными флокенами микрофрактографические признаки и могут служить причиной образования очагов разрушения при эксплуатации.

· Оптимизирована конфигурации крупных и сверхкрупных кузнечных слитков, позволившие получить заданное строение структуры, минимальное развитие физико-химической неоднородности и создать рациональную технологию пластической деформации слитка.

· Выявлены основные параметры (температура и содержание легирующих элементов в жидком металле) и их влияние на степень неоднородности крупных слитков, полученных при многоковшевой разливке.

· Развита и экспериментально подтверждена модель, которая позволяет прогнозировать протяженность и расположение зоны шнуров внцентренной ликвации, что обеспечивает оптимизацию схемы деформации и необходимое качество ответственных изделий.

Достоверность. Результаты исследований и испытаний получены с использованием современного испытательного оборудования. Параметры, разработанных технологических процессов, установлены на основании использования современных методик моделирования металлургических процессов, анализа большого массива экспериментальных данных, теоретически обоснованы. Контроль качества металла заготовок, изготовленных по разработанным технологическим регламентам, для конкретных промышленных заказов, установил его соответствие самым высоким требованиям, подтвердив достоверность результатов выполненных разработок в условиях их промышленного внедрения

Практическая значимость и реализация результатов работы. Полученные результаты и технические решения успешно реализованы в фактических результатах работы, выполненных в ОАО «Ижорские заводы» и ООО «ОМЗ - Спецсталь».

К ним относятся:

- разработка научных основ, технологических принципов проектирования сквозных технологических процессов производства крупных слитков легированных марок стали и поковок из них, для изделий ответственного назначения;

- установление и внесение в технологические инструкции, параметров внепечной обработки стали;

- внедрение усовершенствованного способа раскисления металла, позволившего снизить содержание и осуществить значительное измельчение оксидных неметаллических включений;

- с целью снижения развития ликвационных процессов при отливке сверхкрупных слитков из нескольких ковшей оптимизирован температурно-скоростной режим разливки металла и дифференцированно содержание углерода и молибдена в каждом ковше; применение вакуумного раскисления углеродом в вакуумной камере во время заливки слитка;

- впервые в практике отечественной металлургии, разработка конструкции изложницы и отливка сверхкрупных слитков, легированной стали, массой до 420т. Проведенные испытания подтвердили получение металла заготовок высокого качества, удовлетворяющего требованиям технических условий в полном объеме;

- оптимизация химического состава стали по содержанию вредных и цветных примесей на основе оценки коэффициента охрупчивания и сдвига критической температуры хрупкости;

- разработка температурно-временных режимов ковки и термической обработки крупных поковок из легированных марок стали ответственного назначения;

- на основании выполненных исследований в «ОМЗ - Спецсталь» разработана и внедрена нормативно-техническая документация производства стальных заготовок из крупных слитков на всех технологических этапах изготовления;

По разработанным технологическим режимам на «ОМЗ - Спецсталь» организовано промышленное производство крупных слитков и поковок из конструкционных хромоникелевых сталей для ответственных изделий по заказам энергетики и нефтепереработки.

Поковки из крупных слитков, изготовленные в «ОМЗ - Спецсталь», соответствуют самым высоким требованиям, в том числе и по международным стандартам.

Конкурентоспособность. Впервые в отечественной практике произведены слитки массой 420 тонн для ответственных заказов энергетики. Использование разработанных и внедренных на ООО «ОМЗ-Спецсталь» технологий позволило существенно повысить эффективность производства крупных слитков. Так при производстве поковок из слитков массой 205-420 тонн расход металла снизился на 7-10%, энергозатраты снизились на 5-10%, трудозатраты на 15-20%. За счет коренного повышения металлургического качества слитков существенно повысились эксплуатационные характеристики изделий производимых из этих слитков.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технических советах ОАО «Ижорские заводы», ООО «ОМЗ-Спецсталь» в 1985-2005г.г., представлялись на II конгрессе сталеплавильщиков в Липецке в 1993, на III конгрессе сталеплавильщиков Москве в 1995, на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства в Волгограде в 2002, на XII научно-технической Международной конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» в Санкт-Петербурге 2006г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 41 печатная работа, включая 16 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав и основных выводов. Она изложена на 230 страницах, содержит 86 рисунков и 72 таблицы. Список литературы содержит 165 наименований.

металл слиток сталь

Основное содержание работы

Введение. Во введении кратко описано современное состояние проблемы технологии производства поковок большой массы ответственного назначения, необходимых для изготовления крупных энергоагрегатов и химических установок. Обоснована актуальность работы, выделены основные параметры, определяющие повышение качества стали и ресурса изделий. На основании этого определена цель работы, показана научная новизна ее результатов и их практическая значимость. Показано, что резкое увеличение массы поковок требует комплексного подхода к решению задачи повышения их качества за счет оптимизации технологии плавки, разливки металла, его ковки и термической обработки.

Глава 1. Аналитический обзор путей оптимизации технологии плавки.

Неметаллические включения играют важную роль в формировании структуры и свойств слитков и поковок. Управление природой неметаллических включений позволяет получать стали с заданными свойствами, улучшать их качество, повышать надежность и долговечность металла. Для улучшения качества металла снижают общее количество включений и проводят их глобуляризацию путем модифицирования.

Содержание неметаллических включений в слитках конструкционных сталей составляет всего по объему 0,1-0,3%, а по массе - в 1,5-2,0 раза меньше. Тем не менее неметаллические включения оказывают весьма существенное влияние на комплекс физико-механических свойств стали, особенно на ударную вязкость и склонность к хрупкому разрушению. Это объясняется тем, что вблизи включений происходит концентрация напряжений, в результате чего вокруг этих частиц образуются области сосредоточенной пластической деформации. Величина этих напряжений зависит от химического состава, формы и размера включений, а также от характера и величины приложенной к металлу внешней нагрузки.

В окрестностях неметаллических включений происходит наиболее сильное коррозионное разрушение. Профилографирование поверхности протравленных образцов стали 27ГЛ показало, что в результате травления в течение 15мин на месте включений образуются кратеры глубиной 0,30мкм (рис.1).

Рис.1 Профилограмма поперечного разреза рельефа в окресности неметаллического включения после травления и электрополирования.

В зависимости от химического состава и характера раскисления в стали могут образовываться сульфиды трех типов (по Симсу и Далю):

I тип - мелкие глобулярные сульфиды и оксисульфиды, которые выделяются в сталях в междуветвиях дендритов аустенита в виде капель высокосернистой жидкости при раздельном или кооперативном монотектическом превращении. Эти капли при дальнейшем охлаждении затвердевают в виде сульфида марганца или оксисульфидных включений. Такой тип включений характерен для сталей, содержащих малые количества алюминия;

II тип характерен для хорошо раскисленных сталей, но содержащих малые количества избыточного алюминия. К этому типу относятся эвтектические сульфиды, образующиеся при кооперативной (совместной) эвтектической кристаллизации. Они имеют вид пленок, расположенных по границам зерен, что приводит к резкому ослаблению межкристаллитных связей и существенному снижению пластических и вязких свойств стали.

Количество остаточного алюминия, при котором образуются сульфиды второго типа, часто называют «критической концентрацией». Точные границы критических концентраций алюминия зависят от конкретного химического состава стали.

III тип - ограненные якореобразные и дендритные сульфиды, образующиеся в условиях раздельной эвтектической кристаллизации при дальнейшем увеличении концентрации алюминия. Сульфиды этого типа сравнительно крупные, неправильной остроугольной формы частиц. Они в меньшей мере снижают качество стали, чем включения второго типа, но все же в большей степени ухудшают свойства металла, чем включения первого типа.

В последние годы широкое применение при производстве сталей для слитков и отливок получили ЩЗМ и РЗМ. Благотворное влияние этих элементов на механические и эксплуатационные свойства связывают с их высокой раскислительной способностью, рафинирующим эффектом и глобуляризацией неметаллических включений. Однако применение этих элементов эффективно после предварительного раскисления алюминием. ЩЗМ и РЗМ обладают высоким химическим сродством к кислороду и сере. Поэтому в случае недостаточной раскисленности стали они расходуются не на модифицирование и десульфурацию, а на раскисление.

Рис. 2 Влияние ЩЗМ на ударную вязкость низколегированной стали при температуре -60?С :1-без обработки ШЗМ; 2-с обработкой ЩЗМ.

Из рис.2 следует, что при концентрации остаточного алюминия в стали 0,02% наблюдается минимальная ударная вязкость, связанная с образованием пленок сульфидных эвтектик (II тип включений). Обработка стали силикокальцием малоэффективна в связи с тем, что основная его часть расходуется на раскисление и незначительно уменьшает загрязненность ее пленочными сульфидами. Значительное повышение ударной вязкости стали, обработанной ЩЗМ, наблюдается при относительно высоких (? 0,03%) концентрациях алюминия. В этом случае кальций принимает активное участие в формировании оксисульфидных глобулярных включений и кроме того вызывает значительное снижение загрязненности стали неметаллическими включениями и уменьшение их размеров.

Эффективное очищение стали от вредных примесей и газов достигается при использовании установок внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ). В них наводится высокоактивный шлак, применяется вакуумное раскисление углеродом и дегазация.

3 Действительное зерно низколегированной стали 14Г2 (а) и стали с карбонитридным упрочнением 16Г2АФ (б), х200

В табл.1 приведены некоторые показатели выплавки толстолистовой высокопрочной среднелегированной стали марки 35Х2Н4МДФА по двум вариантам. Первый вариант предусматривал обработку полупродукта на УВРВ с применением РЗМ, вакуумирование, раскисление кремнием на 0,15-0,18% и окончательное раскисление алюминием из расчета 0,3кг/т с введением РЗМ в количестве также 0,3кг/т. Второй вариант предусматривал обычную мартеновскую выплавку с раскислением, аналогичным первому варианту.

Таблица 1 Содержание кислорода, серы и неметаллических включений в стали 35Х2Н4МДФА, выплавленной в ОМП и ОМП-УВРВ

Метод выплавки	О2 ,%	S ,%	Содержание неметаллических включений, % по объему
			оксиды	сульфиды
ОМП	0,0021	0,004	0,015	0,010
ОМП-УВРВ	0,005-0,009	0,01-0,02	0,052	0,045

Обработка на УВРВ позволяет существенно уменьшить содержание вредных примесей, газов и неметаллических включений, что благоприятно влияет на уровень механических свойств стали, прежде всего ее вязкости и пластичности.

Глава 2. Аналитический обзор технологии производства крупных слитков ответственного назначения.

В условиях ОАО Ижорские заводы (ныне ООО «ОМЗ-Спецсталь») металл крупных слитков массой более 200т из сталей для изготовления роторов мощных энергоустановок и установок гидрокрекинга проходил внепечную обработку с вакуумированием. Технологическая схема обработки стали предусматривала расплавление металла, дефосфорацию, обезуглероживание в сталеплавильных агрегатах и выпуск в промежуточный ковш (ПК) металла вместе со шлаком. На стенде перелива металл из ПК переливали в ковш УВРВ с отсечением печного шлака. Ковш УВРВ устанавливали на ковшевоз и подавали на стенд подогрева, где наводили шлак и частично легировали.Все операции на УВРВ проводили при включенном электромагнитном перемешивании (ЭМП) и продувке аргоном. Затем ковш подавали на стенд вакуумирования. После окончания вакуумирования ковш вновь подавали на стенд нагрева, где подогревали до необходимой температуры, проводили раскисление, десульфурацию, легирование, после чего ковш отправляли на разливку в изложницу, установленную в вакуумной камере.

Таким образом, процесс обработки металла в УВРВ состоял из трех этапов: перелива из сталеплавильного агрегата в ковш УВРВ и подготовки его к вакуумированию; собственно вакуумирования; легирования и рафинировки.

При вакуумировании слабо раскисленого металла продувка аргоном создает дополнительную поверхность раздела металл-газ, увеличивает коэффициент массопереноса кислорода на этой поверхности, что должно приводить к возрастанию скорости вакуумного углеродного раскисления. Установлено, что соотношение между количеством выгорающего углерода при вакуумировании стали и концентрацией в металле кремния выражается уравнением: lg ?C = 1,01 lg Si - 2,64.

Из приведенной зависимости следует, что при уменьшении концентрации в металле кремния с 0,10 до 0,03% количество окисляющегося углерода возрастает с 0,023 до 0,076%. На увеличение количества окисляющегося при вакуумировании углерода в случае обработки стали без предварительного раскисления указывается и в ряде других работ.

Установлено, что уже через 5-10 минут после раскисления металла алюминием концентрация в стали кислорода достигает минимальных значений, определяемых содержанием в расплаве алюминия. Из полученных данных следует, что при концентрации в металле растворенного алюминия больше, чем 0,02% конечное содержание в нем свободного кислорода составляет 5-25ррm. При меньшем содержании алюминия концентрация кислорода в стали существенно возрастает.

Скорость удаления оксидных включений при электромагнитном перемешивании металла больше, чем при продувке расплава аргоном. При одновременном электромагнитном перемешивании металла и продувке аргоном получены наибольшие значения скорости удаления неметаллических включений и наименьший конечный уровень концентрации в стали общего кислорода.

Для проведения глубокой десульфурации стали (ниже 0,010%) присаживаются РЗМ. Термодинамические расчеты показывают, что для эффективного удаления серы с помощью РЗМ необходимо понижение концентрации в металле кислорода до значений. меньших 5ррm. В связи с этим РЗМ вводятся в период повторного подогрева в хорошо раскисленный металл.

Оптимальный с точки зрения десульфурации состав шлака в конце периода рафинирования 50-60% СаО, 25-35% Al₂O₃, 10-15% SiO₂ позволяет получать содержание серы не более 50ррm. Повторное вакуумирование под таким шлаком, а также дополнительное применение РЗМ при содержании алюминия боле 0,03% позволяет получать концентрацию в стали кислорода менее 20ррm, а содержание серы не более 20ррm.

Использование предложенных режимов раскисления обеспечивает не только повышение качества металла и технологичность процесса обработки, но и дает возможность увеличить степень усвоения легирующих элементов. Усвоение кремния при этом повышается до 95-98%, а марганца и хрома до 96-100%.

Исследования качества стали, прошедшей внепечную обработку, показали, что содержание в ней кислорода и неметаллических включений меньше, чем в стали, выплавленной в традиционных агрегатах. Уменьшается размер включений, имеет место более равномерное их распределение. Сталь, прошедшая обработку на УВРВ практически не содержит неметаллических включений размером более 75мкм.

На ОАО «Ижорские заводы» (ныне ООО «ОМЗ-Спецсталь») разработаны основные положения технологии производства слитков из хромоникелевых конструкционных сталей для крупных изделий энергомашиностроения с использованием УВРВ. Основной задачей выплавки металла в обычных сталеплавильных печах является проведение процесса дефосфорации и нагрев металла. Специальное обезуглероживание металла с целью его дегазации не проводится.

Металл из сталеплавильной печи выпускается в промежуточный ковш без раскисления. Для предохранения от выбросов переокисленного металла и шлака из ковша на шлак перед выпуском из печи или в конце перелива в ковш дается ферросилиций из расчета содержания в стали кремния не более 0,10%.

При переливе металла из промежуточного ковша в ковш УВРВ шлак, содержащий до 0,15% P₂O₅ во избежание рефосфорации отсекается. Новый шлак наводится известью и плавиковым шпатом и раскисляется молотым коксом и силикокальцием. Сразу после перелива в ковш УВРВ металл интенсивно перемешивается за счет аргонной продувки и ЭМП.

Перед вакуумированием металл нагревается до 1600-1610?С. Желательное содержание углерода при этом должно быть не менее, чем на 0,02% выше верхнего предела выплавляемой стали, кремния не более 0,03%. Содержание У (FeO + MnO) в пределах 15-20%. Продолжительность вакуумирования 20-30мин. Последние 10мин. вакуумирования металл интенсивно продувается аргоном и перемешивается ЭМП с максимальной мощностью. К концу вакуумирования содержание в металле кислорода лежит в пределах 40-80ррm и водорода 1,5ррm.

После окончания вакуумирования шлак раскисляется ферросилицием из расчета 0,10% по кремнию и порошком алюминия. В ковше наводится десульфирующий шлак следующего состава: СаО 50-60%, Al₂O₃ 25-35%, SiO₂ 10-15% и проводится корректировка химического состава металла. Продолжительность периода составляет 30-40мин. При этом содержание водорода повышается до 2,0-3,0ррm. Металл вновь подогревается до 1620-1640?С и подвергается повторному вакуумированию. Интенсивное перемешивание металла со шлаком аргоном и ЭМП в течение 20мин. приводит к снижению содержания кислорода до 20-40ррm, серы до 20ррm и водорода до 1,5ррm. В соответствии с температурой металла после второго вакуумирования он либо подогревается к разливке до 1600?С, либо подается на разливку без подогрева. Оптимальное содержание кислорода во время разливки в вакууме составляет 40-60ррm. Металл разливается в вакуумной камере.

Глава 3. Исследование влияния технологии плавки на качество крупных слитков ответственного назначения.

В разделе приведены результаты исследований процессов модифицирования, поведения водорода при обработке в агрегатах печь-ковш, влияние режима раскисления на состав и морфологию неметаллических включений в стали.

По классификации П.А.Ребиндера модифицирующие добавки делятся на модификаторы I и II рода. Модификаторы II рода увеличивают число зародышей при кристаллизации и тем самым способствуют получению мелкозернистой структуры. К иннокуляторам относятся оксиды и нитриды алюминия, бериллия, бора, титана, ванадия, циркония и др. элементов.

Роль модификаторов I рода сводится к образованию на поверхности растущих кристаллов адсорбционных пленок, тормозящих их рост. Наиболее активными модификаторами I рода являются РЗМ и ЩЗМ.

Особенно эффективно применение РЗМ и ЩЗМ в виде комплексных сплавов. Опыты показали, что максимальное улучшение свойств стали достигается при совместной обработке ее мишметаллом (1-1,5 кг/т) и силикокальцием (1-2 кг/т). Использование РЗМ и ЩЗМ в виде комплексных сплавов имеет ряд преимуществ по сравнению с применением одного мишметалла или ферроцерия: раскислительная способность комплексных сплавов выше, чем индивидуальных РЗМ и мишметалла; содержащиеся в комплексных сплавах элементы с низкой температурой кипения (кальций, магний) вызывают дополнительное перемешивание и дегазацию расплава; в составе комплексных сплавов более эффективно используются такие активные элементы как РЗМ, кальций и др.; комплексные сплавы позволяют регулировать состав, дисперсность и распределение неметаллических включений; себестоимость единицы РЗМ в комплексных сплавах, получаемых методом восстановления оксидов, значительно ниже, чем в мишметалле, производимым электролизом расплавленных солей.

При отношении [РЗМ]/[S] в пределах 1-2 принципиально меняется состав и форма образующихся неметаллических включений. На основании проведенных совместно с ИПЛ НАН Украины исследований определены рациональные составы комплексных сплавов типа силикомишметалла для модифицирования стали широкого назначения, масс.%: РЗМ 15-25; кальций 4-8; алюминий 3-10; кремний 30-45; магний 1-2; железо - остальное.

Модифицирование комплексными сплавами было применено с целью повышения качества крупных слитков из сталей, идущих на изготовление деталей парогенераторов АЭС и других ответственных изделий энергомашиностроения.

В результате модифицирования происходит принципиальное изменение природы и распределения неметаллических включений в стали.

В стали, модифицированной силикомишметаллом, содержание кислорода уменьшается в среднем на 25%, а серы на 30-40%. Происходит заметное измельчение размера и состава включений, практически полное исчезновение цепочкообразных сульфидов и сульфидов эвтектического типа. При этом произошло перераспределение серы во включениях и соответствующее уменьшение количества сульфидов. Характерными включениями в стали, модифицированной сплавом, являются глобулярные оксисульфиды, представляющие собой оксиды в сульфидных оболочках. Такие включения меньше всего охрупчивают сталь по сравнению с другими типами неметаллических включений. Вследствие взаимодействия активных элементов сплава в первую очередь РЗМ, кальция, магния с кислородом и серой происходит дополнительное глубокое раскисление и десульфурация стали. В результате взаимодействия модификатора с кислородом и серой происходит заметное уменьшение загрязненности стали неметаллическими включениями (табл.2). В процессе охлаждения стали в предкристаллизационный период и особенно в процессе кристализации происходит дальнейшее протекание реакций взаимодействия активных элементов силикомишметалла с серой, что приводит к повышению тугоплавкости сульфидных включений, и они выделяются на более ранней стадии кристаллизации, причем, как правило, на поверхности оксидных фаз, формируя глобулярные оксисульфиды. Последние захватываются растущими кристаллами и более равномерно распределяются в структуре слитка. Микрорентгено-спектральный анализ показал, что активные элементы сплава входят в состав как оксидных, так и сульфидных фаз.

Таблица 2 Влияние модифицирования стали 16ГНМА силикомишметаллом на загрязненность ее неметаллическими включениями.

Количество сплава кг/т	Индекс загрязненности, Jх10-4
	сульфидами	оксисульфидами	оксидами	общий
-	10,5	5,7	1,6	17,8
1,4	5,0	6,3	0,8	12,1
2,0	3,2	7,3	0,4	10,9

В обычной основной мартеновской стали 10ГН2МФА критическая температура хрупкости колеблется в пределах от -10?С до - 30?С, а в модифицированной стали положение ее более стабильно и она снижается на 15-25?С в сторону более низких температур (рис. 4).

В результате модифицирования стали комплексными сплавами из расчета остаточного содержания РЗМ в металле к сере УРЗМ/S?2 произошло снижение химической неоднородности и улучшение макроструктуры крупных кузнечных слитков массой до

200т. Снижение химической неоднородности и улучшение макроструктуры поковок обнаружено на сталях марок 10ГН2МФА, 16ГНМА, 25Х3МФА, 15Х2МФА.



Рис.4 Влияние количества введенного модификатора Сиитмаш-3 на критическую температуру хрупкости стали 10ГН2МФА.

Исследование влияния способа диффузионного раскисления стали 15Х2НМФА порошковым алюминием через шлак показало, что при этом происходит значительное измельчение оксидных неметаллических включений. Основным видом включений, загрязняющих сталь, являются шпинели алюминатного типа: магнезиальная MgO·Al₂O₃ и в-кальциевый глинозем (CaO·6Al₂O₃). Они располагаются в скоплениях мелких от 5мкм кристаллах, в строчках вытянутых в направлении деформации. Произошло уменьшение количества включений типа глиноземной шпинели, корунда и сложных алюмосиликатов кальция. Размеры строчек, скоплений и сложных по составу частиц уменьшились. Характер распределения включений алюминатного и силикатного типов по высоте слитка не изменился. Наибольшее количество алюминатов наблюдается в нижней части слитка, а количество силикатов увеличивается к верху. В верхней части слитка включения сопровождаются сульфидами марганца в незначительных количествах - до 5% от площади отдельных включений в скоплении. Встречаются также отдельные вытянутые эвтектические сульфиды марганца.

Внедрение способа диффузионного раскисления порошкообразным алюминием в процессе внепечной обработки привело к измельчению неметаллических включений алюминатного типа. Значительно уменьшились размеры сложных оксисульфидов. Строчки и скопления мелких включений вытянуты в направлении деформации.

Донная часть (конус осаждения) сильнее загрязнена оксидными неметаллическими включениями, чем верхняя подприбыльная часть слитков. Содержание кислорода в нижней части слитка - 0,0100%, в верхней - около 0,0020%. Массовое количество оксидных неметаллических включений в нижней части слитка составило- 0,0140-0,0180%, в верхней - 0,0040%

Наличие включений периклаза MgO, не прореагировавших с алюминием, в пробах металла, отобранных перед выездом на разливку, говорит о преимущественно механическом разрушении футеровки ковша. Это наблюдение подтверждается тем, что включений чистой MgO больше в металле, обработанном в ковше с новой неошлакованной футеровкой.

В главе также рассмотрен механизм образования флокенов и поведения водорода при обработке в агрегатах печь-ковш.

Флокен - это хрупкая внутризеренная трещина в виде оторочки (кольца) с радиально направленными рубцами от коллектора водорода. Флокены являются опасными саморазвивающимися при эксплуатации дефектами. В изломе флокены выявляются в виде светлых пятен округлой или овальной формы с кристаллической поверхностью серебристого или светлого оттенка в зависимости от марки стали и продолжительности образования дефекта. Светлые пятна в изломах следует разделить на трещины с зеркальным блеском (рис. 5, а), грубые скопления неметаллических включений округлой формы (рис. 5, б) и флокены (рис. 5, в, г)

В результате изучения микрорельефа разрушения флокенов было установлено, что все выявленные флокены, в том числе и флокены, образовавшиеся при механических испытаниях, имеют один механизм развития. Они развиваются радиально направленно от коллектора водорода по хрупкому внутризеренному механизму, а именно, вокруг коллектора водорода, имеющего обычно неправильную форму, образуется хрупкая внутризеренная радиально направленная от коллектора трещина, которая обусловливает округлую форму флокена в изломе.

Размеры флокенов могут быть от десятков микрон (микрофлокены < 1мм) до 40-60мм.

Выявленные коллекторы водорода можно разделить на три группы по времени образования их в металле.

1. Кристаллизационного и металлургического происхождения, к которым относятся единичные сульфиды марганца и их скопления, единичные оксиды и их скопления, газовые поры, усадочные дефекты, а также горячие кристаллизационные трещины напряжения.

Рис.5 Светлые пятна в изломах образцов (х2), испытанных на разрыв: а- горячая трещина кристаллизационного происхождения; в- флокен; г- флокен разрыва; б- грубые скопления неметаллических включений округлой формы.

2. Холодные трещины напряжения, образовавшиеся после ковки или в процессе термической обработки.

3. Трещины-флокены, которые явились коллекторами водорода для новых флокенов.

В производственных условиях по частоте случаев неметаллические включения (единичные и скопления), как коллектор водорода, занимают первое место, на втором месте - усадочные дефекты.

Таким образом, причиной образования флокенов является повышенное содержание водорода и наличие растягивающих напряжений, когда любой металлургический дефект стали может стать коллектором молекулярного водорода, который при последующих нагревах и охлаждении из коллекторов не уходит, а собирает вокруг себя диффузионно-подвижный атомарный водород, охрупчивая матрицу.

При эксплуатации изделия молекулярный водород, имеющийся в коллекторах, и добавочные эксплуатационные напряжения (циклические и динамические нагрузки) могут привести к образованию в изделиях эксплуатационных флокенов. В свою очередь эксплуатационные флокены -- это причина возникновения очагов разрушения изделия в процессе эксплуатации. Поэтому появление флокенов механических испытаний должно служить сигналом для проверки примененной технологии производства заготовок и узлов агрегатов.

В связи с тем, что частью флокена является хрупкая внутризеренная трещина, с позиции линейной механики разрушения чем ниже трещиностойкость стали, тем больше опасность образования флокенов механических испытаний и эксплуатационных флокенов в процессе работы оборудования.

Отсутствие флокенов во флокеночувствительной стали, особенно в крупных поковках, гарантируется при содержании водорода менее 2,0ррm.

Были исследованы факторы, определяющие содержание водорода в период от выпуска стали из сталеплавильной печи до окончания обработки в агрегатах внепечной обработки стали.

При использовании УВРВ сталь марки 14ГНМА выплавляли в основной мартеновской печи (0МП) с проведением глубокой дефосфорации и легированием никелем и молибденом по нижнему пределу их содержания. В УВРВ проводили глубокую десульфурацию, вакуумно-углеродное раскисление, дополнительное легирование и окончательное раскисление. Металл подогревали на стенде электронагрева и вакуумировали на вакуумном стенде при разрежении до 100Па. При подогреве и вакуумировании проводили продувку аргоном через дно ковша и/или электромагнитное перемешивание металла (ЭМП). При повторном подогреве металл корректировали по химическому составу, температуре и разливали на воздухе или в вакууме.

Сталь марки 14ГНМА, обработанная по схеме ОМП-УВРВ по сравнению с ОМП, характеризуется более, чем вдвое меньшим содержанием вредных примесей, газов и неметаллических включений.

Хотя сталь 14ГНМА, выплавленная в ОМП и ОМП - УВРВ, имеет практически одинаковые прочностные и пластические свойства при разных значениях температуры, ударная вязкость стали ОМП - УВРВ особенно при низкой температуре значительно выше (при - 40?С KCV ОМП-25 против ОМП-УВРВ-80Дж/смІ).В табл.3-5 приведено содержание газов и неметаллических включениях в стали 14ГНМА, выплавленной по обеим вариантам.

Таблица З Содержание газов в стали 14ГНМА, выплавленной в ОМП и ОМП-УВРВ (среднее по десяти плавкам)

Метод выплавки	Кислород, %	Азот, %	Водород, ppm
ОМП	0,0044	0,0015	4,5
ОМП-УВРВ	0,0027	0.0012	2,3

Таблица 4Количество (п) и состав неметаллических включений в стали 14ГНМА, выплавленной в ОМП и ОМП-УВРВ (среднее по десяти плавкам)

Метод выплавки	п, %	Si02, %	МпО,%	FeO,%	Al2O3,%
ОМП	0,0058	40,9	6,5	2,8	74,1
ОМП-УВРВ	0,0027	16,4	2,1	0,9	54.1

Таблица 5Неметаллические включения в стали 14ГНМА, выплавленной в ОМП и ОМП-УВРВ

Метод выплавки	Количество неметаллических включений различного размера (мкм) на площади 80 см2	Всего
	4-8	8-16	16-32	>32
ОМП	871	240	58	12	1181
ОМП-УВРВ	539	86	21	-	646

Основным технологическим фактором, определяющим степень обезводороживания металла при вакуумировании, является интенсивность вакуумно-углеродного раскисления, которая в свою очередь определяется окисленностью металла и шлака (FeO + MnO), а также содержанием в металле углерода. За это время удаляется до 80 % всего удаляемого водорода, т. е. до 3,5ррm.

Удаление водорода в этот период идет в основном путем его диффузии в пузырьки образующегося СО. На это указывает ~идентичность регистрограмм, характеризующих состав и скорость удаления этих газов в период вакуумно-углеродного раскисленияМногочисленные анализы промышленных плавок показали, что при вакуумировании нераскисленной или слабо раскисленной стали концентрация водорода в конце вакуумирования [Н]_К не зависит от начальной [Н]_Н, а степень обезводороживания характеризуется только степенью приближения [Н]_К к равновесному значению.

Глубина обезводороживания связана с интенсивностью перемешивания металла, которая определяется количеством окисленного углерода (рис. 6).



Рис.6. Зависимость удаляемого при вакуумировании водорода от количества выгорающего углерода.

Глава 4. Разработка технологии отливки крупных кузнечных слитков ответственного назначения.

Для крупных слитков характерно скопление застывших примесей, обогащающих расплав между дендритами, называемое ликвационной зоной. Различают две главные разновидности химической неоднородности - осевую (V - сегрегацию) и внецентренную (Л- сегрегацию)

Внецентренная ликвация в виде шнуров поражает значительную часть тела слитка. Зону внецентренной ликвации нельзя удалить в процессе ковки, как поступают с прибыльной частью и иногда с осевой зоной. В целях минимизации отрицательного влияния зоны шнуров на качество изделий, необходима количественная информация о степени ее развития и возможностях управления параметрами зоны. Наиболее достоверной гипотезой об образовании шнуров является гипотеза зонной плавки (ЗПТГ), развитая в работах В.С.Дуба с сотрудниками. Суть ее состоит в следующем. Имеется твердый образец с жидкой зоной (начальная зона). Начальная зона обогащена примесями и поэтому находится в жидком состоянии. Вдоль образца устанавливается температурный градиент в результате чего температуры границ зоны разные. Такое распределение температур приводит к тому, что на "горячей" границе начинается растворение твердого металла, а у "холодной" границы - затвердевание, сопровождающееся накоплением в этой области ликвирующих элементов. Таким образом, зона как бы продвигается по температурному градиенту. Образующаяся в процессе затвердевания, обогащенная ликвирующими элементами жидкость может перемещаться по механизму ЗПТГ, оставляя след - шнур внецентренной ликвации.

Кремний способствует образованию зоны внецентренной химической неоднородности. Применение вакуумно-углеродного раскисления стали с пониженным содержанием кремния (менее 0,1%) обеспечивает значительное снижение химической неоднородности слитка. Увеличение содержания углерода, серы и фосфора также способствует развитию внецентренной ликвации. Снижение отношения высоты к диаметру слитка позволяет уменьшить развитие внецентренной ликвации.

Методика прогнозирования развития зоны внецентренной ликвации разработана ЦНИИТМАШ в совместных исследованиях с ОАО «Ижорские заводы».

В ее основу положена теория образования шнуров по механизму ЗПТГ. Полученная модель оказалась адекватной с надежностью 0,95. Анализ возможностей методики прогнозирования внецентренной ликвации позволил выделить направления ее использования при разработке технологии, исключающей или снижающей отрицательное влияние зоны шнуров на качество поковок. Методика позволяет осуществить разработку формы слитка, параметров оснастки и технологии разливки при заданных содержаниях примесей. Пример расчетов представлен на рис. 7. Приведенные графики позволяют в зависимости от содержания кремния определить протяженность зоны шнуров и координаты ее границ на любом горизонте слитка. Данная методика может быть использована для расчета параметров зоны шнуров в слитке с целью оптимизации технологии пластической деформации.



Рис. 7 Расположение зоны внецентренной ликвации в слитке массой 137,4 т стали 15Х2НМФА:а - схема серного отпечатка; б - расположение границ зоны шнуров; 1 - содержание кремния 0,17%; 2 - содержание кремния 0,35%

На ОАО «Ижорские заводы» разработанный метод был использован при оптимизации технологии ковки деталей атомных реакторов из стали 15Х2НМФА с целью устранения выхода на поверхности этих деталей длинных протяженных шнуров.

При использовании скрещивающихся бойков, находящиеся в теле металла шнуры закручиваются относительно оси поковки и не попадают целиком на свободные поверхности поковок. Кроме того, применение скрещивающихся бойков приводит к повышению механических свойств металла в тангенциальном направлении, в результате чего снижается коэффициент анизотропии.

При исследовании осевой ликвации различают отрицательную ликвацию в донной части слитка и положительную ликвацию в подприбыльной зоне. Неравномерность распределения примесей оценивают коэффициентом ликвации К, представляющим отношение фактического содержания элемента в данном месте слитка Сф к его содержанию в маркировочной пробе См: К= Сф/См.

Степень развития ликвационного процесса по высоте слитка может достигать таких размеров, что химический состав прибыльной и донной частей тела слитка можно рассматривать, как две разные марки стали.

Согласно полученным экспериментальным данным с увеличением массы слитков степень зональной ликвации возрастает.

Выбор параметров слитка массой 420т производился с целью обеспечения плотной структуры и минимального развития ликвации. Исследования, проведенные на ОАО «Ижорские заводы» показали, что с увеличением массы слитка целесообразно соблюдать отношение H/D, близким к единице.

Крупные слитки с малым отношением H/D имеют более здоровую осевую зону и их использование более предпочтительно для изготовления поковок роторов, испытывающих большие напряжения.

С увеличением конусности слитка его строение становится более однородным. Принятая конструкция слитка массой 420т представлена на рис.8. Слиток 24-х гранный; высота годной части слитка 4030мм, из которых верхняя часть (1200мм) цилиндрическая, а нижняя часть (2830мм) коническая с конусностью на обе стороны 14,1%. Верхний диаметр слитка принят 3600мм; нижний диаметр - 3260мм, что дает отношение Н/Дср=1,15.

При принятых размерах слитка масса годной части составляет 275т, что соответствует 65,5% от общей массы слитка 420т, масса прибыли 119т, донной части 26т. Прибыльная часть слитка должна обеспечивать питание тела слитка и выведение усадочной раковины в прибыль. Жидкая сталь в прибыли теряет тепло вверх через зеркало металла, вниз в тело слитка и в радиальном направлении через огнеупорную футеровку и кожух прибыльной надставки. Конструкция надставки должна обеспечивать максимальную передачу тепла в тело слитка и минимум потерь в окружающую среду. Для надежного питания слитка в течение всего периода затвердевания должны быть приняты меры для снижения потерь тепла из прибыли вверх, через зеркало металла, и в стороны через футеровку и кожух надставки. Поэтому футеровать прибыльную надставку следует с обязательным применением между кожухом и огнеупорной футеровкой изоляционного кирпича с минимальной теплопроводностью и теплоемкостью, зеркало металла в прибыли по окончании заливки должно быть защищено слоем вермикулита, а сама надставка должна закрываться утепляющей крышкой.

Отливка слитков производилась в вакуумной камере в следующей последовательности: 1 ковш - из кислой мартеновской печи КМП (ОМП-УВРВ-КМП) 135 т; 2 ковш -(ОМП-УВРВ) 145 т; 3 ковш -(ОМП-УВРВ) 140 т. Плавки имели следующий среднеслиточный состав, %: С=0,17; Mn=0,84; Si=0,33; P=0,006; S=0,006; Ni=1,06; Mo=0,51. С целью снижения ликвации углерода по высоте тела слитка предусматривалось дифференцация содержания углерода и молибдена по ковшам: в первом ковше выше, а во втором и третьем концентрацию этих элементов уменьшали. Химический состав плавок одного из слитков массой 420 т стали 16ГНМА приведен в табл.6.

Рис.8 Принципиальная схема литейной оснастки для отливки слитков массой 420т.

Таблица 6 Химический состав плавок слитка стали 16ГНМА массой 420т,%

№ ковша	С	Мп	Sм	Р	S	Сг	Ni	Mo	Температура выпуска,°С
1	0,20	0,85	0,36	0.005	0,006	0.27	1,10	0,56	1625
2	0,16	0,78	0,31	0,005	0.005	0,20	1,12	0,49	1600
3	0,11	0,69	0,28	0,008	0,008	0,16	1,27	0,43	1600

Для уменьшения естественной конвекции в слитке целесообразно в первом и втором ковшах иметь более низкую температуру, чем в последующих. В сочетании с повышенным содержанием молибдена в первых ковшах в нижней части слитка металл окажется более холодным и несколько более тяжелым. В результате конвекция жидкого металла в слитке должна несколько уменьшиться.

Разработанная технология получения слитков массой 420 т обеспечила достаточную плотность и однородность металла, а также незначительное развитие зональной ликвации. Так ликвация углерода, серы и фосфора в слитке № I не превышала соответственно 50%, 33%, 80%, в слитке № 2 - 62%, 33%, 37%. Ликвация других элементов незначительная.

Из слитков были изготовлены поковки и отобраны темплеты от головной и донной частей. Проведено исследование темплетов, которое показало, что принятая технология обеспечивает достаточную однородность металла по объему слитка.

Достаточно хорошую однородность металла подтверждают и результаты механических испытаний. Механические свойства в головной и донной частях поковки, а также свойства, полученные на продольных, поперечных и вертикальных образцах близки между собой.

Таким образом, впервые в России на ОАО «'Ижорские заводы» изготовлены слитки массой 420т для промышленного применения их в машиностроении. Разработана технология выплавки и разливки стали. Слитки отлиты из нескольких сталеплавильных агрегатов с использованием установки внепечного рафинирования и вакуумирования.

Глава 5. Разработка технологии ковки крупных слитков и термической обработки поковок.

Высокое качество поковок обуславливается качеством исходного слитка, оптимальной схемой построения процесса ковки, правильностью назначения и точностью выполнения термомеханических режимов ковки и термической обработки заготовок.

Ковка, кроме придания заготовке заданной геометрической формы, позволяет улучшить структуру металла и получить требуемые механические и физические свойства, равномерно распределенные по сечению. Благодаря этим преимуществам методом горячей ковки возможно изготовление широкой номенклатуры поковок для деталей ответственного назначения массой до 420т и более.

В основу разработки и проведения технологических процессов ковки ответственных крупных поковок заложены два главных принципа - достижение достаточно высокого качества поковок и обеспечение экономичности и минимальной трудоемкости, как самого процесса изготовления поковки, так и последующих операций превращения её в чистовую деталь.

Повышение надежности атомного реактора обусловлено увеличением толщины его стенки и использованием материалов с высокими характеристиками качества. Аттестованной и проверенной в эксплуатации является сталь 15Х3НМФА, обеспечивающая после технологических отпусков предел текучести при 350°С не менее 400МПа и критическую температуру хрупкости Т_к = -10°С в толщинах стенки до 650мм.

Для одновременной подготовки 360т жидкой стали были использованы пять сталеплавильных агрегатов: основная (ОМП) и кислая (КМП) мартеновские печи,

дуговая печь ДСП-50 и два ковша-печи установки для внепечного рафинирования и вакуумирования стали. Была разработана следующая схема работы этих агрегатов:

ОМП-УВРВ-КМП-на разливку - 130т ;ОМП - УВРВ- на разливку - 125т; ДСП-50-УВРВ- две плавки - на разливку - 105т. Слитки отливали в 500-тонной вакуумной камере.

С целью определения температурного режима ковки металла слитка массой 360,0т было проведено исследование температурного интервала пластичности стали 15Х3НМФА методом осадки.

Из проб, отобранных от выдры были изготовлены образцы типа «крешер» по 3 образца на точку. Крешер представляет собой цилиндрический образец диаметром 30мм и высотой 40мм с четырьмя симметричными по образующей цилиндрической поверхности надрезами, глубиной 4мм с углом развала 60°. Образцы испытывались в диапазоне температур 700ч1250°С, с интервалом через 50°С. Образцы осаживались на гидравлическом прессе усилием 100 тс. со степенью деформации 75%. Способность стали к деформированию оценивалась по 12-ти бальной шкале и определялась по формуле:

П = (12-К), где П - балл пластичности; К- число трещин и надрывов в углах трех образцов, испытанных при одной температуре.

Двенадцатому баллу пластичности соответствует отсутствие трещин и надрывов на всех двенадцати надрезах трех образцов. Нулевому баллу -наличие надрывов и трещин на всех двенадцати надрезах трех испытуемых образцов.

Испытания показали высокую пластичность стали 15Х3НМФА в диапазоне температур от 750°С до 1250°С. Деформация при температурах ниже 750°С может в зависимости от степени обжатия привести к трещинообразованию. Процесс ковки должен осуществляться за три выноса с выполнением следующих операций; вырубка блока, осадка и прошивка, раскатка до поковочных размеров. Были установлены температурные и временные характеристики ковки.

Нагрев заготовок на третий вынос имеет особое значение, поскольку температурное поле в поковке в момент окончания ковки оказывает существенное влияние на механические характеристики материала. Поэтому нагрев, с одной стороны, должен обеспечить выполнение запланированного объема работ на выносе, с другой стороны, уровень температур по окончании ковки не должен быть слишком высоким (не более 1050°С).

...