Д.т.н К.Н. Вдовин, к.т.н Н.А. Феоктистов, к.т.н. К.Г. Пивоварова

Магнитогорский государственный технический университет, Россия

Исследование структурных превращений

углеродистой стали для крупных шлаковых чаш

Одним из видов литых изделий, без которого невозможно представить цикл металлургического предприятия, является шлаковая чаша объёмом 16 м³, предназначенная для приема жидкого шлака из плавильного агрегата и транспортировки его на шлаковые отвалы.

В литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» (МРК) имеется опыт изготовления чаш из различных марок углеродистой стали (15Л, 25Л, 35Л). Чаши, отливаемые в МРК, используются в разных цехах ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»: доменном, кислородно-конвертерном, электросталеплавильном. Кроме того, чаши поставляются на Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), Норильский комбинат и др. [1].

Проанализировав условия работы, установили, что шлаковые чаши в процессе эксплуатации подвергаются действию высоких температур (более 800 ⁰С) и термоциклов. Кроме того, выбивка затвердевшего шлака на отвалах производится ударом копра весом более 5 т. Все это в процессе эксплуатации приводит к образованию трещин на поверхности шлаковых чаш (рис.1.), и как следствие к низкой их стойкости [2].

Рис. 1. Трещины, образующиеся на шлаковых
чашах в процессе эксплуатации

Систематических данных о причинах образования трещин в процессе эксплуатации шлаковых чаш в научной литературе мало однако возможные причины образования горячих трещин, возникающих в отливках в процессе их изготовления, достаточно хорошо изучены и подробно описаны в литературных источниках [3 – 4]. Так А.А. Рыжиков в своей работе [5], выделяет одиннадцать типов горячих трещин, в том числе тип трещин, образующихся в результате фазовых переходов и связанных с усадкой сплава.

Исследование структурных (фазовых) превращений углеродистой стали, из марки 25Л в процессе нагрева и охлаждения является целью настоящей работы.

Для изучения фазовых превращений провели калориметрический (ДСК) анализ с использованием синхронного термоаналитического прибора STA (Iupiter 449 F3), в условиях непрерывного нагрева (охлаждения) образца со скоростью 20 ⁰/мин в инертном газе (аргоне) до температуры 1000 ⁰С на образцах круглой формы диаметром 3 – 4 мм и высотой 2 – 3 мм.

Исследовали образцы, из углеродистой стали 25Л, изготовленные в литейной лаборатории ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет». Сталь 25Л выплавляли в индукционной печи ИСТ-006 с основной футеровкой. Выплавленная сталь 25Л имеет следующий химический состав, мас.%: 0,24 C; 0,40 Si; 0,64 Mn; 0,15 Cr; 0,12 Ni; 0,016 P; 0,014 S.

При нагреве исследуемого образца стали на кривой ДСК (рис. 2, а) наблюдали эндотермический эффект с максимумом при температуре 769,4 °С, соответствующий превращению перлита в аустенит (аустенитное превращение). Считается, что затраты теплоты, происходящие при аустенитном превращении, связаны с затратами энергии на разрушение межатомных связей в составе орторомбического цементита при его диссоциации в условиях перегрева выше критической температуры (выше 727 °С) и перестройке решетки из ОЦК в ГЦК. Начало превращения перлита в аустенит отмечается при температуре 755,1 °С, конец превращения – при температуре 788,0 °С. Незначительный эндотермический эффект (пик при температуре 942,7 °С) вероятнее всего связан с началом распада (растворения) карбидов в металлической основе.

При охлаждении образца стали на кривой ДСК (рис. 2, б) наблюдали два экзотермических эффекта: первый с максимумом при температуре 736,6 °С, связан, по – видимому, с выделением феррита и второй эффект (с максимумом при температуре 663,5 °С) соответствует превращению аустенита в перлит (перлитное превращение). Начало превращения аустенита в перлит отмечается при температуре 675,7 °С, конец превращения – при температуре 636,1 °С.

а)

б)

Рис. 2. Термограмма стали марки 25Л при нагреве (а) и
охлаждении (б) со скоростью 20 град/мин

При наполнении чаш шлаком доменной печи с температурой 1200 – 1300 ⁰С, они нагреваются до высокой температуры. Максимальная температура чаш (800 ⁰С), согласно данным источника [6], достигает в зоне, расположенной около 800 мм от верхнего края чаши, а минимальная температура шлака приходится на верхний край чаши и внешнюю поверхность.

Более тяжелые условия работы шлаковых чаш – в конвертерном и электросталеплавильном цехах. Это связано с более высокой температурой скачиваемого шлака: в конвертерном цехе минимальная температура шлака составляет 1340 – 1370 ⁰С, в зависимости от его химического состава может достигать 1520 ⁰С; при выплавке стали в электропечи температура шлака во время выпуска в чашу колеблется в интервале 1450 – 1520 ⁰С.

Проведённые исследования свидетельствуют, что фазовые переходы при нагреве и охлаждении стали, из марки 25Л, происходят в диапазоне температур 600 – 800 °С, что совпадает с температурой, до которой прогреваются чаши при наполнении шлаком доменной печи и ниже температуры прогрева при наполнении шлаком конвертерным и из электропечи. Эти данные свидетельствуют, что фазовые превращения будут происходить намного интенсивнее и полнее для чаш, эксплуатируемых в конвертерном и электросталеплавильном цехах, и согласуются с показателями стойкости чаш во время эксплуатации, представленными на рис.3.

Рис. 3. Максимальная и минимальная стойкость шлаковых чаш
в кислородно-конвертерном и доменном цехах ОАО «ММК»

Данные, представленные на рис. 3, свидетельствуют о том, что показатели стойкости, численно выражающиеся количеством наливов жидкого шлака из плавильного агрегата, значительно разнятся, превышая друг друга в два и более раз.

Учитывая, что механические свойства определяются структурой отливок, то можно предположить, что фазовые превращения, протекающие при эксплуатации чаш, могут влиять на механические свойства.

Для оценки влияния механических свойств металла на стойкость чаш в условиях ММК провели мониторинг их стойкости без литых дефектов с различными механическими свойствами. Полученные данные графически представлены на рис. 4 [1].

Проанализировав представленные на рис. 4 зависимости, установили, что с увеличением механических свойств углеродистой стали происходит повышение стойкости шлаковых чаш, выражающейся в увеличении числа наливов жидкого шлака из плавильного агрегата.

а) б)

Рис. 4 Зависимость стойкость шлаковых чаш от механических
свойств стали марки 25Л:
а – предел прочности, МПа; б – ударная вязкость, Дж/см²

Из результатов проведенного исследования можно сделать следующий вывод:

1. При скорости нагрева (охлаждения) 20 ⁰/мин исследуемого образца из углеродистой стали 25Л фазовые превращения протекают в диапазоне температур 600 – 800 ⁰С, что приводит к изменению параметров кристаллической решётки металла, следовательно, в теле отливки возникают термические напряжения, которые являются одной их возможных причин образования эксплуатационных трещин.

2. Действие высоких температур в процессе эксплуатации шлаковых чаш приводит к протеканию фазовых превращений в металле, что влияет на механические свойства, а, следовательно – на их эксплуатационную стойкость.

Литература

1. Вдовин К. Н., Феоктистов Н. А. Стойкость шлаковых чаш в условиях ОАО «ММК». Литейное производство сегодня и завтра: труды 8-й Всероссийской научно-практической конференции. СПб: Политехн. институт, 2010 г. – С. 163 – 167.

2. Vdovin K.N., Feoktistov N.A. Researching of hot cracks formation reasons on the casting “slag chalice” by modeling of potting and crystallization process. Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012. Вып. 2. Т. 8. - Одесса: Куприенко. - 2012. - С. 32 – 38.

3. Новокрещенова С. М., Виноград М. И. Дефекты стали. Справочник. – М.: Металлургия. - 1984. – 199 с.

4. Оно А. Затвердевание металлов. – М.: Металлургия. - 1980. – 152 с.

5. Рыжиков А. А. Теоретические основы литейного производства. – М.: МАШГИЗ. - 1961. – 448 с.

6. Благонравов Б. П., Грачёв В. А., Сухарчук Ю. С., Казанцев С. Н., Черный А. А. Печи в литейном производстве: Атлас конструкций: Учеб. пособие – М.: Машиностроение. - 1989. – 156 с.