книги из ГПНТБ / Пути улучшения качества сталей и сплавов

ЧИСТЯКОВ С. Л., ГУРЕВИЧ Ю. Г., ФИЛАТОВ с. к.,

СТРОГАНОВ А. И., МОХИР Е. Д.

ПУТИ

УЛУЧШЕНИЯ

КАЧЕСТВА

СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

ЮжноУральское книжное издательство Челябинск

1974

ВВЕДЕНИЕ

Металлурги Южного Урала, включившись в со­ ревнование по досрочному выполнению девятого пяти­ летнего плана, явились инициаторами ряда ценных начинаний. Сталеплавильщики страны ответили на призыв сталевара Челябинского металлургического за­ вода Ивана Панфиловского — соревноваться за право варить плавку дружбы народов в честь полувекового юбилея Союза Советских Социалистических Респуб­ лик. Сталевар легендарной Магнитки Юрий Карта­ шев обратился ко всем металлургам страны и при­ звал их сделать 1973 год годом высокого подъема в производстве металла. Далеко за пределами Челя­ бинской области известен почин златоустовца Алек­ сея Кривокоры: «Больше металла, меньше затрат».

В Челябинской области выплавляют около 30 про­ центов высоколегированных сталей и сплавов, выпу­ скаемых в стране. Это придает особый смысл работе по улучшению качества металлургической продукции области.

Необходимость интенсивного поиска путей улучше­ ния качества сталей и сплавов четко определена в Ди­ рективах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971— 1975 гг.:

«В черной металлургии считать основной задачей коренное улучшение качества металлопродукции за счет внедрения прогрессивных способов производства металла и расширения сортамента проката, труб и метизов, с тем чтобы существенно повысить эффектив­ ность применения металла в народном хозяйстве».

Задачи современной качественной металлургии оп­ ределяются требованиями различных отраслей про­ мышленности к новым высококачественным матери­ алам.

Научно-технический прогресс в черной металлур­ гии привел к разработке ряда высокоэффективных процессов, в значительной степени повышающих каче­

ство сталей и сплавов. Однако требуется их непрерыв­ ное совершенствование, так как к качеству черных металлов предъявляются все более высокие требо­ вания.

Вот почему улучшение качества и технико-эконо­ мических показателей сталей и сплавов (выход год­ ного, себестоимость продукции и т. д.) — важнейшая задача не только текущего, но и последующего пяти­ летия.

Выплавка стали в открытых дуговых электропе­ чах — один из современных способов массового про­ изводства жидкой стали.

Количество выплавляемой электростали и ее доля в общем объеме производства стали непрерывно воз­ растают. Директивы XXIV съезда КПСС по девятому пятилетнему плану предусматривают дальнейшее уве­ личение доли электростали за счет строительства но­ вых дуговых электропечей большой емкости и увели­ чения производительности существующих агрегатов. Последнее направление экономически более выгодно, так как не требует больших капитальных вложений.

Внедрение прогрессивной технологии, средств ав­ томатизации и механизации производства характерно для всех стадий выплавки и разливки электростали.

В настоящее время большое внимание уделяется проблемам подготовки шихтовых материалов, приме­ няемых для выплавки стали в открытых дуговых пе­ чах. Необходимо внедрить прокаливание скрапа перед загрузкой его в печь. Это не только увеличит произво­ дительность дуговых печей, но и снизит содержание в стали некоторых вредных примесей. Требует изучения и разработки вопрос о применении в виде шихты так называемых «первородных» материалов (металлизованные окатыши, губчатое железо).

Прогрессивный метод продувки металла порошко­ образными материалами не только способствует уве­ личению производительности труда, но и улучшает технико-экономические показатели выплавки металла, облегчает условия труда обслуживающего персонала, создает необходимые предпосылки для комплексной механизации и автоматизации производства.

Преимущества мелкодробленых материалов — в значительном повышении их активности и сокращении

4

времени плавления. Они особенно проявляются, если плавление идет в дуговых печах емкостью 100—200 т

и более.

Первые промышленные плавки с продувкой мета.,, ла порошками в окислительный и восстановительный периоды были проведены на Златоустовском метал­ лургическом заводе в 1969— 1970 гг. Они подтвердили высокую эффективность процесса.

Для улучшения технико-экономических показате­ лей производства очень важно снизить угар легирую­ щих элементов в период плавления и при продувке, металла газообразным кислородом. До недавнего вре­ мени шлаки электросталеплавильного производства были отходами и, как правило, отправлялись в отва­ лы. При этом безвозвратно терялись вольфрам, хром, ванадий и другие ценные легирующие эле­ менты.

В связи с этим большое значение приобретает так называемый одношлаковый процесс выплавки элек­ тростали, позволяющий усилить степень усвоения ле­ гирующих элементов. Этот процесс весьма эффекти­ вен при выплавке быстрорежущих и нержавеющих сталей. Экономически выгодно также использование высокохромистых шлаков при выплавке хромистых конструкционных сталей в мартеновских печах. Эти процессы успешно опробованы на Златоустовском ме­ таллургическом заводе (ЗМ З).

Используются и другие технологические приемы, повышающие степень усвоения легирующих элемен­ тов.

Интенсификации восстановительного периода плав­ ки и улучшению качества электростали способствуют применение осадочно-диффузионного раскисления и обработка жидкой стали в ковше известково-глинозе­ мистыми синтетическими шлаками. Последнее направ­ ление широко распространено при эксплуатации стотонных дуговых электропечей. Обработка стали жид­ ким синтетическим шлаком в ковше значительно сни­ жает загрязненность неметаллическими включениями, уменьшает содержание серы в готовом металле. Ме­ ханические свойства конструкционных сталей, обра­ ботанных синтетическим шлаком (особенно ударная вязкость и относительное сужение в поперечном на­

5

правлении), заметно повышаются, вследствие чего снижается анизотропия свойств стали.

Важное преимущество процесса рафинирования стали синтетическим шлаком состоит в том, что, на­ ряду с улучшением качества стали, производитель­ ность крупных дуговых печей повышается на 10— 15 процентов.

Важнейшим направлением электрометаллургии стали является поиск путей искусственного изменения (модифицирования) структуры литого и деформиро­ ванного металла. Модифицирование сталей и сплавов редкоземельными металлами улучшает не только структуру литого металла, но и положительно сказы­ вается на количестве, форме и величине неметалличе­ ских включений, а также на ряде других качествен­ ных характеристик сталей и сплавов. Эффективным средством решения этого вопроса является примене­ ние редкоземельных металлов (РЗМ) и бора.

Существенно повышает качество металла внепечная обработка жидкой стали в ковше вакуумом или инертным газом. Вакуумирование стали в ковше при оптимальных условиях приводит к заметному пони­ жению концентрации кислорода, водорода и азота в металле. Снижается количество неметаллических включений. Однако при обработке жидкой стали в ковше инертным аргоном положительные результаты более устойчивы. Этот процесс, по сравнению с ваку­ умированием, проще в конструктивном и технологиче­ ском исполнении. Эти преимущества способствовали быстрому внедрению метода продувки металла арго­ ном в массовое промышленное производство.

Существенно улучшается качество металла, выход годных слитков и в условиях применения прогрессив­ ных способов разливки. На ЗМЗ, например, достигнут значительный экономический эффект от разливки ста­ ли под слоем жидкого шлака. Этот способ позволяет:

—защищать поверхность металла в изложнице от окисления кислородом воздуха;

—поглощать и офлюсовывать шлаком тугоплав­ кие включения окислов, всплывающие на поверхность металла;

—уменьшать тепловые потери с поверхности раз­

ливаемого металла.

6

Г Л А В А I

СВОЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

ИИХ СПЛАВЫ

Впериодической системе элементов Д. И. Менде­ леева редкоземельными металлами (РЗМ) называют лантан и следующие за ним 14 элементов: от церия (№ 58) до лютеция (№ 71). К группе РЗМ относят также скандий (№ 21) и иттрий (№ 39). По своим запасам в земной коре РЗМ превосходят такие эле­ менты, как цинк, свинец, олово, молибден, вольфрам

иблагородные металлы, а сырьевые возможности на­ шей страны позволяют полностью обеспечить потреб­ ность народного хозяйства в РЗМ.

Для производства сталей и сплавов чаще всего

применяются ферроцерий и мишметалл. Сплавы РЗМ для массового промышленного применения получают­ ся главным образом методом электролиза.

Ферроцерий выпускают в виде слитков трапецеи­ дальной формы, весом 2—5 кг каждый, с рифленой

поверхностью. Слитки покрыты слоем изолирующего материала, защищающего их от загрязнения и окис­ ления. Содержания РЗМ в ферроцерии должно быть не менее 90 процентов.

Ниже приводится химический анализ одной из партий ферроцерия, взятый из сертификата (в %):

В мишметалле сумма РЗМ — 98 процентов, в том числе содержание церия — не менее 45, лантана — не менее 25 процентов.

Разработана и опробована технология получения

8

мишметалла электропечным способом (1). В лабора­ торных и полупромышленных опытах получены лига­

5,0 г/смг, температура плавления 1500— 1550°. Авто­

ры указанной технологии отмечают слабую окисляемость лигатур, возможность их дробления до любой крупности, полное отсутствие пирофорного эффекта.

Работы по определению оптимальных составов промышленных сплавов РЗМ в настоящее время про­ должаются. Например, имеются данные, что сплав,

содержащий (в %) РЗМ — 15—65, S i— 12—45, Са ^ < 6 , Fe ^ 65, РЗМ/Si = 0,8 — 5, РЗМ/Са = 5 — 150,

обеспечивает хорошую растворимость в металличе­ ской ванне и однородное распределение. Небольшое содержание кальция и углерода способствует очище­ нию жидкого металла от неметаллических включений.

Иногда РЗМ вводят в металл в виде магниевоце­ риевой лигатуры ФЦМ-5.

Все РЗМ относятся к металлам средней тугоплав­ кости. Температура их плавления повышается с уве­ личением атомного номера элемента (за исключени­ ем европия), составляя у церия 815°С, лантана 860— 886° С. Удельный вес церия и лантана ниже, чем у железа, соответственно 6,8—6,2 г/смъ.

Летучесть РЗМ, несмотря на относительно низкую температуру плавления, значительно ниже, чем у кальция, магния, которые являются распространен­ ными модификаторами стали и сплавов. Это облегча­ ет применение РЗМ при производстве стали и спла­ вов.

По данным Г. Кинне, А. Ф. Вишкарева, Ю. В. Кряковского, В. И. Явойского [2], давление паров раст­ воренных РЗМ и растворителя над раствором, с уче­ том их активности, при температурах 1600° и кон­ центрации РЗМ, равной 1%, составляет {мм рт. ст.):

Можно полагать, что при концентрациях, пред­ ставляющих практический интерес, церий и лантан почти не должны испаряться из железа при темпера­

9