2.4. Особенности плавки литейных сталей со специальными свойствами

2.4.1. Особенности плавки высокомарганцевых износостойких сталей

Высокомарганцевые литейные стали по структуре относятся к аустенитному классу, а по назначению являются износостойкими. В соответствии с ГОСТ 977-88 и ГОСТ 21357-87 в этих сталях содержание углерода колеблется от 0,9 до 1,5 %, а марганца – от 8,5 до 15,0 %. Согласно структурной диаграмме Кошелева (Рис. 2.5.1), для получения аустенитной структуры высокому содержанию углерода в стали должно соответствовать пониженное содержание марганца и наоборот. Кроме того, для обеспечения комплекса эксплуатационных свойств (высокой прочности, пластичности, ударной вязкости и износостойкости), сталь должна быть чистой по содержанию фосфора и серы.

Изложенные выше сведения о металлургических аспектах плавки сталей разными методами в различных плавильных агрегатах позволяют оценить применимость их для выплавки высокомарганцевых сталей. Наиболее подходящим плавильным агрегатом для этого являются дуговые электропечи с основной футеровкой - в них выплавляют  90 % всей высокомарганцевой стали. Это обусловлено двумя факторами:

1. только при плавке в таких печах можно обеспечить эффективное удаление фосфора и серы;

2. повышенное содержание марганца в расплаве обусловливает высокое содержание MnO в шлаке, поэтому высокомарганцевые стали нельзя выплавлять в печах с кислой футеровкой, поскольку продукт окисления марганца (MnO) будет активно взаимодействовать с кремнезёмом (SiO₂), вызывая повышенный угар марганца и быстрое разъедание футеровки.

Высокое содержание углерода и марганца в стали создает предпосылки для использования в качестве легирующего материала наиболее дешевых марок высокоуглеродистого ферромарганца, в которых содержится 65-82 % марганца и до 7-8 % углерода. Однако, в них содержание фосфора составляет 0,05-0,30 для класса А и до 0,7 % для класса Б. При выплавке стали для отливок общего назначения ввиду высокого допустимого содержания фосфора (≤ 0,12 %) это условие нетрудно выполнить. Но при выплавке сталей для отливок ответственного и особо ответственного назначения содержание фосфора не должно превышать 0,060-0,075 %, а в хладостойких сталях допускается не более 0,020 %. В этих случаях обеспечение низкого содержания фосфора в готовой стали становится нелегкой или скорее дорогостоящей задачей. Она становится ещё более значимой ввиду того, при высоком содержании марганца в расплаве затруднено эффективное проведение дефосфорации, поскольку вместе с фосфором при скачивании окислительного шлака будет безвозвратно теряться и большая часть марганца. Поэтому имеется проблема максимального использования в составе шихты возвратных отходов.

С учетом изложенных аспектов, а также конкретных условий производства и предъявляемых к отливкам требований, высокомарганцевые стали в дуговых печах с основной футеровкой выплавляют методами окисления, переплава отходов и сплавления свежих материалов.

Плавка методом окисления предусматривает использование следующих шихтовых материалов:

1. в качестве металлической части шихты – лома и отходов только углеродистой стали и чугуна при полном исключении возвратных отходов высокомарганцевой стали;

2. в качестве науглероживателей – электродного боя, графитированного коксика и др.;

3. в качестве шлакообразующих – извести или известняка, шамотного боя и плавикового шпата;

4. в качестве окислителя – железной руды;

5. в качестве легирующих и раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия, титана и РЗМ.

Завалку печи составляют из углеродистого лома и отходов (100 %), железной руды ( 2 %) и извести (1,5-2,5 %). При необходимости используют и науглероживатель.

Плавление шихты осуществляют, как обычно, при максимальной электрической нагрузке после погружения электродов в проплавленные в шихте колодцы. По мере расплавления шихты в печь порциями присаживают окислитель (железную руду) и шлакообразующие (известь, шамотный бой и плавиковый шпат). Ко времени полного расплавления шихты над расплавом формируют железистый шлак высокой основности (≥ 2,2) количеством до 4,5-5,0 % от массы расплава. Это позволяет перевести большую часть фосфора из расплава в шлак. Поэтому примерно 3/4 образовавшегося шлака скачивают из печи.

К этому времени содержание углерода в расплаве должно быть не менее 0,35 %, но и не более 0,65 % (ввиду сильного вспенивания шлака). Предпочтительнее иметь 0,40-0,45 % С.

Окислительный период начинают с наведения нового шлака присадкой смеси извести и плавикового шпата в количестве 2,5-3,0 %. Затем присадкой железной руды окисляют 0,2 % углерода для достижения интенсивного кипения расплава с целью рафинирования его от растворенных газов и неметаллических включений, а также гомогенизирующего перемешивания. Скорость окисления при рудном кипении составляет 0,4-0,8 %/ч. Вместо присадки железной руды для окисления углерода используют газообразный кислород, который вдувают в расплав в количестве 2,3-3,0 м³/т жидкой стали. Содержание фосфора к концу окислительного периода должно снизиться до ≤ 0,02-0,03 %, а углерода ≥ 0,15-0,35 %. При нижнем содержании углерода расплав в дальнейшем можно легировать высокоуглеродистым ферромарганцем, а при верхнем содержании углерода для этого используют также среднеуглеродистый ферромарганец.

Восстановительный период начинают со скачивания шлака окислительного периода и наведения нового шлака основностью 2,5-3,5 путем присадки извести и плавикового шпата. Затем осуществляют раскисление расплава и шлака. Жидкий металл раскисляют ферромарганцем и ферросилицием (или силикомарганцем) или алюминием, а шлак – порошкообразным ферросилицием и электродным боем (или молотым коксом)

После предварительного раскисления осуществляют легирование расплава марганцем путем присадки в него ферромарганца небольшими порциями (во избежание захолаживания). После растворения последней порции присадки ферромарганца расплав выдерживают в течение 15-40 мин для проведения десульфурации. Её осуществляют под белым или карбидным шлаком (См. раздел 2.3.1). В первом случае для раскисления шлака используют до 1-2 кг/т кокса, во втором - ≥ 3 кг/т. При формировании карбидного шлака, в котором содержание карбида кальция составляет 1,5-2,5 %, гарантированно достигается высокая раскисленность шлака (содержание в нем FeO ≤ 0,5-1,0 %), что обеспечивает эффективную десульфурацию жидкой стали. При плавке под карбидным шлаком происходит некоторое науглероживания расплава (до 0,1 %), однако при выплавке высокомарганцевых сталей с допустимым содержанием углерода в пределах 0,9-1,5 % это не является лимитирующим фактором.

Доводку стали по химическому составу производят путем присадки в расплав соответствующих компонентов, а конечное её раскисление осуществляют в печи перед выпуском плавки или в ковше во время наполнения ковша жидкой сталью присадкой в расплав алюминия в количестве 0,7-1,2 кг/т.

Плавка методом переплава в чистом виде будет иметь место, если шихта полностью (на 100 %) составлена из отходов высокомарганцевой стали. При наиболее упрощенном варианте плавку осуществляют путем завалки однородной шихты, ее расплавления, перегрева полученного расплава до заданной температуры, предварительного раскисления, доводки по химическому составу и температуре, выпуска и конечного раскисления. Такой вариант плавки позволяет существенно уменьшить расход материальных, энергетических и трудовых ресурсов и снизить затраты на приготовление жидкой стали и себестоимость отливок.

Однако этот вариант плавки, в котором фактически отсутствуют окислительный и восстановительный периоды, имеет и много недостатков. Главным недостатком является невозможность уменьшения содержания фосфора в металле и фактическое его увеличение во время плавки за счет высокого угара марганца (до 20-30 %) и дополнительного введения фосфора вместе с ферромарганцем. Другим недостатком является трудности управления содержанием кремния в расплаве. Он ввиду высокого содержания марганца в шихте практически не окисляется при плавке. При этом фактическое его содержание в расплаве увеличивается из-за сильного угара марганца. Кроме того, он ещё дополнительно вносится в расплав вместе с ферромарганцем. Третьим недостатком являются затруднения в регулировании содержанием углерода, поскольку он, как и кремний, ввиду защитного воздействия марганца, не окисляется в процессе плавки, но при этом науглероживается от электродов на 0,1-0,2 %. Четвертым недостатком является невозможность удаления при плавке растворенных в жидкой стали водорода и азота.

Таким образом, при 100 %-ном составлении шихты из возвратных отходов практически отсутствуют возможности для управления процессом обеспечения регламентируемого содержания в стали углерода, кремния и фосфора.

Указанные выше недостатки плавки стали на отходах можно частично устранить, если освежать шихту не менее, чем на 10-20 %, чистым (прежде всего, по фосфору) ломом углеродистой стали. Так, например, на многих заводах применяют следующий состав шихты для выплавки стали 110Г13Л: 30 % углеродистого лома + 60 % возвратных отходов + 10 % ферромарганца (в том числе 8 % высокоуглеродистого и 2 % средне- или низкоуглеродистого).

Дополнительные возможности управления процессом плавки высокомарганцевых сталей на отходах появляются, если её реализовать с проведением окислительного и восстановительного периодов. При проведении окислительного периода, наряду с марганцем и кремнием, окисляется также углерод. Последний образует продукт в виде газа СО, который безвозвратно удаляется из расплава. Марганец и кремний частично окисляются и переходят в шлак. При последующем проведении раскислительного периода марганец и кремний восстанавливаются и возвращаются обратно в металл, а сера, наоборот, переходит в шлак. Таким образом, в этом варианте плавки решается задача рафинирования расплава от растворенных газов, а также уменьшения содержания в расплаве углерода и серы. При скачивании шлака окислительного периода дополнительно решается задача удаления кремния, но за счет потери при этом марганца.

Плавка методом сплавления свежих материалов сочетает простоту технологии метода переплава и гибкость в управлении процессом плавки, что характерно для метода плавки с окислением. Шихту в этом случае составляют из стального лома (70 %) и марганец и кремний содержащих ферросплавов - ферромарганца и силикомарганца. Плавку осуществляют без окислительного периода, но с проведением раскислительного периода под основным шлаком. Затем осуществляют корректировку состава стали, доводят расплав до температуры выпуска и проводят конечное раскисление алюминием в ковше. При плавке методом сплавления частично или полностью устраняются трудности управления процессом плавки по обеспечению в готовой стали требуемых содержаний углерода, кремния и фосфора. Но сохраняются недостатки, обусловленные отсутствием окислительного периода - неуправляемость газонасыщенностью жидкой стали и загрязненностью её неметаллическими включениями.

Плавку методом смешения применяют при отсутствии возможности для выплавки стали в дуговых печах с основной футеровкой. В этом случае применяют двухстадийную технологию. На первой стадии в печи с кислой футеровкой по изложенной в разделе 2.4.1 технологии на углеродистой шихте, чистой по фосфору, выплавляют полупродукт в виде расплава углеродистой стали. На второй стадии этот расплав, перегретый до 1600^о С, смешивают в ковше в нагретым до 800-900^о С ферромарганцем. При этом, при использовании высокоуглеродистого ферромарганца содержание углерода и фосфора в расплаве-полупродукте должно быть ≤ 0,15 и ≤ 0,040-0,06 % соответственно. При использовании среднеуглеродистого ферромарганца в расплаве-полупродукте допускается более высокое содержание углерода. Иногда углеродистый полупродукт смешивают с жидким ферромарганцем, который расплавляют в индукционной печи. Сталь, полученная методом смешения, уступает по качеству сталям, выплавленным другими методами.