К вопросу о влиянии состава жидкой низколегированой стали и условий вакуумирования на содержание в ней водорода
Бойченко С.Б.Днепропетровский исследовательско-инструментальный завод, РоссияПройдак Ю.С., Стоянов А.Н., Махаева Е.А.НМетАУУДК 669.18
Состояние вопроса и постановка задач исследования
Наличие водорода в сталях является одной из важных причин ухудшения их эксплуатационных характеристик, которые связаны с возникновением хрупкости, волосовин, раковин, пузырей, трещин и других макро - и микроскопических несовершенств их структуры [1]. Особенно актуально понижать содержание водорода в сталях для железнодорожных колес в связи с их ответственным назначением.
Не менее важно и то, что к этим сталям, по мнению авторов, относится оригинальная концепция [2] относительно фундаментального характера комплексного водородного влияния на металлические материалы путем его управляемости и обратимости (то есть путем последующего удаления водорода из материала после их взаимодействия).
Условия проведения исследований
На участке внепечной обработки стали сталеплавильного завода А размещен агрегат "ковш - печь" (АКП), машина для скачивания шлака из сталеразливочных ковшей, однопозиционный вакууматор. Технологическая цепь, как обычно, такая - из сталеразливочного ковша удаляют печной шлак, ковш подают на АКП, где в течение 20 - 50 минут ведется рафинирование постоянные шлаком и продувка металла аргоном. Одновременно в ковш добавляют раскислители. Потом ковш устанавливается в вакууматор, где продолжи 30 - 40 минут находится под сниженным давлением и продувается аргоном. После вакуумирования к металлу добавляют (при необходимости) силикокальций, алюминий, титан, ниобий, ванадий. Далее ковш передается под разливку.
Выпуск стали осуществляется в два ковша, потому второй ковш, через который перепускают весь сталеплавильный шлак, ожидает своей очереди на стенде и попадает на обработку после того, как освободится место на АКП. За время ожидания температура металла во втором ковше значительно уменьшается, потому время обработки на АКП увеличивается.
Отмеченная технология позволяет получать стали, по качеству полностью удовлетворяющие требованиям пользователей.
Исследования проведены на массиве, полученном из агрегатов 52 плавок, то есть 104 ковшей, которые прошли обработку на вакууматоре.
Марка стали - КП-2 (для железнодорожных колес). Обработку проводили на ЭВМ в электронных таблицах "Exsel".
Общие сведения по массиву представлены в таблицах 1., 2., где отображены состав металла, полученного после вакуумирования, и условия вакуумирования.
Таблица 1 - Средний химический состав стали
Таблица 2 - Режимы вакуумирования
На вакууматор металл поступает со средней температурой 1609 oС (охлаждение на 10 oС). Средняя температура стали после вакуумирования - 1563 oС. За время вакуумирования металл охладили на 46 oС.
Затраты аргона на большинстве плавок были в интервале 3200 - 3400 дм3, но на некоторых плавках они достигали до 10000 дм3. Перед вакуумированием в ковш добавляли алюминий (0,24 кг/т стали) и силикокальций (0,5 кг/т).
В ходе вакуумирования присаживали плавиковый шпат в количестве (0,2 -0,8), ферросилиций (0,6 - 1,0), силикомарганец (0,3 - 1,0 кг/т).
После окончания вакуумирования добавляли 0,15 кг/т алюминия и 0,75 кг/т силикокальция.
Частотное распределение концентрации водорода в стали приведено на рис. 1.
Рис. 1 - Частотное распределение стали по содержанию водорода
Как видно из данных, приведенных на рис. 1., все плавки массива отвечают техническим условиям относительно колесной стали. Максимальное содержание водорода не превышает 2,0 ppm.
Результаты исследований
Исследованы зависимости содержания водорода в стали от ее химического состава. Как обнаружено, химический состав стали практически не влияет на концентрацию водорода. Некоторая тенденция к уменьшению содержания водорода наблюдается при повышении содержания углерода в пределах, допустимых для данной марки стали. Корреляционная зависимость между водородом, с одной стороны, и марганцем или фосфором, с другой, отсутствует полностью. Тенденция к некоторому росту содержания водорода в металле отмечена при повышении содержаний кремния и алюминия.
Влияние содержания серы на концентрацию водорода имеет экстремальный характер. При росте содержания серы от 0,004% к 0,009% растет также концентрация водорода в стали. При дальнейшем росте содержания серы концентрация водорода уменьшается.
Влияние, что оказывают углерод, кремний и алюминий, можно связать с протеканием самораскисления стали углеродом в ходе вакуумирования. При увеличении содержания алюминия и кремния уменьшается окисленность стали и концентрация кислорода, растворенного в металле. Это ухудшает условия развития реакции окисления углерода, то есть уменьшается количество газа СО, который выделяется из ванны. Напротив, повышение содержания углерода в стали способствует протеканию этой реакции. Взаимосвязь между серой и водородом, видимо, связана со шлаковым режимом вакуумирования.
В ходе исследования было проанализировано влияние условий, при которых ведется вакуумирование, на содержание водорода в стали. Эти данные отображены на рисунках 2-7.
Рис. 2 - Зависимость содержания водорода в стали от длительности вакуумирования
Рис. 3 - Зависимость содержания водорода в стали от давления в вакууматоре
Рис. 4 - Зависимость содержания водорода в стали от затрат аргона на вакуумирование
Рис. 5 - Зависимость содержания водорода в стали от температуры перед вакуумированием
Рис. 6 - Зависимость содержания водорода от конечной температуры
Рис. 7 - Зависимость содержания водорода в стали от уменьшения температуры за время вакуумирования
Достаточно четкой является зависимость содержания водорода от давления в камере вакууматора, что отвечает термодинамике реакции растворения водорода в металле. Однако, по закону Сивертса содержание водорода пропорционально кореню квадратному от парциального давления.
В нашем случае имеет место линейная зависимость. Объяснением этого может быть то, что диапазон, в котором изменяется давление, очень мал.
Вследствие этого имеет место линейная зависимость.
Таким образом, давление в камере является одним из весомых факторов, что влияет на содержание водорода в стали и может быть использовано для регулирования процесса. На всех исследованных плавках выдержка стали под глубоким вакуумом была 25 минут ( за исключением 3 плавок). В то же время, общая длительность вакуумирования, которая включает набор вакуума и сброс давления, колебалась в достаточно широком диапазоне (от 28 до 40 минут). На плавках, что были исследованы, общий цикл вакуумирования составил в среднем 35 минут. Зависимость содержания водорода от этого фактора, практически, отсутствует. В то же время, при увеличении общей длительности вакуумирования снижается температура металла в ковше со скоростью в среднем 1,5 oС/мин.
Таким образом, оптимизация общей длительности вакуумирования на уровне 30 - 32 минут позволит уменьшить потери теплоты сталью на 5 - 7 oС. Из мировой практики известно, что при увеличении расходов аргона в ходе вакуумирования содержания водорода в стали уменьшается. Зависимость, которая получена нами в ходе исследования, противоречит этому положению. В нашем случае при увеличении расходов аргона от 3000 до 7500 дм3 наблюдалось повышение содержания водорода в металле. При дальнейшем увеличении расхода аргона содержание водорода уменьшается. Возможно, это объясняется способом подвода аргона к металлу. Аргон подается в металл сквозь пористые огнеупорные пробки, которые имеют максимальную пропускную способность 250 дм3 на минуту. Затраты аргона изменяются в ходе вакуумирования обычно таким образом - низкие расходы при наборе вакуума, которые в дальнейшем увеличиваются.
Большие расходы аргона связаны с нарушением этого регламента, то есть он использовался не рационально. Повышение степени самораскисления стали углеродом позволит уменьшить удельные расходы аргона.
Достаточно весомым является влияние температуры металла на содержание водорода в стали. Чем выше температура в конце вакуумирования, тем ниже содержание водорода. При этом, температура стали перед вакуумированием, влияет на процесс гораздо меньше, чем конечная. Чем больше снижается температура за время вакуумирования, тем выше содержание водорода в металле.
В среднем за время обработки стали на вакууматоре температура металла снижается на 46,2 градуса со средней скоростью около 1,5 град/мин.
Средняя конечная температура составляла 1563 oС, а начальная - 1609,2 oС.
Потери температуры металла вследствие подогрева аргона составляют десятые доли градуса. Основные потери теплоты связаны с теплообменом между металлом и футеровкой, шлаком, обнажением от шлака зеркала ванны. Влияние повышения конечной температуры объясняется ускорением кинетических звеньев процессов.
Заключение
Аналитическая обработка материалов промышленных плавок одного из украинских заводов показала, что содержание водорода в стали определяется глубиной вакуума в камере, интенсивностью продувки стали в ковше аргоном, степенью раскисления металла и ее температурой. Уменьшение давлениия в вакууматоре, содержаний алюминия и кремния и повышение содержания углерода, и повышения температуры стали в конце вакуумирования способствуют уменьшению содержания водорода в стали.
По статистическим данным среднее значение давления в камере во время глубокого вакуума составляло 2,21мбар. Общая длительность вакуумирования - 32,4 мин., в том числе - 25,4 мин. выдержки металла под глубоким вакуумом; длительность набора вакуума и повышения давления в камере - 7 мин. Установлено, что содержание водорода в стали практически не коррелирует с длительностью вакуумирования в том диапазоне, которое было исследовано, - от 20 до 45 мин. Это дает основание для сокращения общей длительности вакуумирования, как минимум, на 5 минут.
Поэтому общий срок вакуумирования предлагается сократить до 27 минут, или на 5,4 мин., в том числе время набора вакуума и подъема давления в камере по окончанию процесса на 1 мин.
Давление в камере во время глубокого вакуума предлагается уменьшить до 1,8 мбар (против 2,21 мбар), что снижает конечное содержание водорода в стали, приблизительно, на 0,1 ppm (с 1,55 до 1,45 ppm). Скорость уменьшения температуры стали во время вакуумирования составляла, в среднем 1,5 oС/мин. При уменьшении длительности вакуумирования на 5,4 мин. потери температуры уменьшатся, приблизительно, на 8 oС. Если конечная температура нужна неизменной, то начальная температура уменьшается на 8 oС, что позволит снизить расходы электроэнергии на АКП.
Библиографический список:
- Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. Водород и несовершенства структуры метала. //М.: Металлургия. – 1979. – 221с.
- Взаимодействие водовода с металлами / Агеев В.Н., Бекман И.Н., Бурмистрова О.П. и др. – М.: Наука. – 1987. – 296 с.
© Бойченко С.Б., Пройдак Ю.С., Стоянов А.Н., Махаева Е.А., 2011