книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

С т а л и

S i 0 2

С о д е р ж а н и е о к и сл о в , %

T i О .

A l , О ,

F e O t-M n O

C r ,0 .,

C a O

M g O

20

2,16

1,28

0,57

1,62

14,67

91,55

12Х2Н4А

2,97

1,11

3,37

4,92

—

76,66

ЗОХГСНА

4,50

4,70

Сл

1,50

18,3

Сл.

67,2

ЗОХЗСНМФВ

0,43

1,30

0,54

—

21,29

—

76,47

П р ео б л ад ан и е в

составе

вклю чений глинозем а под­

твер ж даю т так ж е данны е

м еталлограф и ческого

и петро­

граф ического исследований ,

согласно

которы м

вклю че­

ния

представляю т

собой

главны м

образом а -к о р ун д ,

ш пинели различного со става ,

в том числе алю м ом агние-

вую

ш пинель

M g O -А ІгО з

и

силикаты переменного со ­

до и после п ереплава показан па рис. 27.

В п р очем ,

как

будет вы яснено в дальней ш ем ,

в результате В Д П

м еняет­

ся не только ф орм а и разм ер вклю чений,

но так ж е

и их

состав .

основные

процессы ,

приводящ ие к

у д а ­

Р ассм от р и м

лению

из стали

кислорода

в

ходе

вакуум ной

дуговой

плавки .

К а к

мы

у ж е

отм ечали ,

одним

из

них

является

раскисление

м еталла

углеродом .

В

этом

сл учае

углерод

взаи м одействует

либо с растворенны м в

м еталле кисло ­

родом ,

либо

с

кислородом

включений

по

реакциям :

МеО[О+]

+

[С]—>-СОг; Me

].

О том , насколько

[С ]-э-СО г + [

этих процессов,

сущ ественна роль

м ож но

судить

по результатам

переплава

партии р а сх о ­

дуем ы х

электродов из

ж ел еза

с

содерж ан и ем

углерода

от 0,02

до 0,7%

[5 7 ]. И сходн ы й

м еталл

вы плавляли в

10

-т дуговой электропечи с раскислением

перед вы пус­

ком алю м инием

в количестве

1— 5

кг/т.

П ер еп л ав

о су ­

щ ествлялся

в

вакуум е

и

в аргоне

при

давлении

70—

100

мм рт. ст.

С од ер ж ан и е кислорода

в м еталле

сн и ж ал ось в обоих

сл у ч ая х (рис. 2 8 ),

однако

переплав в вакуум е

обеспечил

более полное очищ ение, неж ели переплав

в аргоне. А н а ­

логичную картину

наблю дал ранее

и Г.

II .

О кор оков

Р и с . 27.

Н е м е т а л л и ч е с к и е в к л ю ч е н и я , в ы д е л е н н ы е э л е к т р о л и т и ч е ск и м р а с ­

т в о р е н и е м о б р а з ц о в с т а л и 4 0 Х З С Н М В Ф г( а ,

б)

и 20 (о ,

г)

в и сх о д н о м ( а ,

в)

и п е р е п л а в л е н н о м ( б ,

)

со ст о я н и и .

Х300

[5 2 ]. П о -ви д и м ом у , повыш енное давление

препятствует

развитию

реакции раскисления

углеродом

и тем сам ы м

сн и ж ает

эф ф ективность раф инирования .

К а к

видно

из

рис. 28, в результате этих реакций в ходе

В Д П

р аск и с­

ленной

стали из м еталл а уходи т лиш ь

порядка

20— 30%

общ его

количества удал яем ого

кислорода.

Такой ж е

ре-

зѵльтат был получен

при переплаве в вакуум е и в аргоне

стали 1 2 Х 2 Н 4 А [5 8 ].

того, что восстановление окисных

П од твер ж ден и ем

конденсате,

собранном со

стенок кристаллизатора:

Содержание углерода,

%:

0,05

0,50

в исходном

металле . . .

в конденсате........................

4.05

3,25

П ричиной такого

повышения

является хем осорбция

вы деляю щ ейся

окиси

углерода на

конденсате с последу­

ю щ им

частичны м разлож ением

ее

по

реакции

Б ел л а :

2

С

0

г=

С

02

г+ С , протеканию которой

способствует к а т а ­

литическое действие сам ого конденсата

[5 9 ].

в пере­

И н тересн о , что м еж ду

содерж анием

углерода

плавляем ом м еталле и в конденсате нет прямой

зави си ­

м ости .

Э т о

м ож н о объяснить тем ,

что м асса п ереходящ е­

го

в конденсат

углерода

определяется

исклю чительно

ем

(2— 5 к г/т ),2

в

з а в и с и м о с т и

о т с о д е р ж а н и я у г л е р о д а :

/ — в э л е к т р о д е ;

—

в сл и т к е п р и п е р е п л а в е в а р г о н е ;

3 —

в

количеством

сл и т к е п ри п е р е п л а в е в в а к у у м е

из

м еталл а . П о ­

кислорода, удаливш егося

следнее

ж е с

ростом

углерода, как видно из рис. 28, не

растет,

а ум еньш ается.

углерода

в

конденсате и

С в я зь

м еж д у появлением

его взаим одействием

с кислородом вообщ е

не вы зы вает

чтобы в усл ови ях

В Д П

и спар ялся

элем ентарны й

у гл е ­

род. В то ж е время

им ею щ ихся дан н ы х пока

н едостаточ ­

но для того, чтобы

ск азать , в какой

степени

процесс р а с ­

кисления углеродом протекает в разны х у ч аст к ах

ванны ,

т. е. на поверхности

или

в объем е.

В связи с этим

ц ел е ­

У м естн о предполож ить, что

роль восстановительны х

реакций и полнота

удаления из

м еталла кислорода д о л ­

ж ны возрастать в

тех сл у ч а я х ,

когда нем еталлические

вклю чения в стали представлены терм одинам

ически м е­

нее устойчивы ми соединениями .и в том числе,

если в со ­

ставе

вклю чений

содерж и тся

повыш енное

количество

крем н езем а.

Е сл и

бы

такое предполож ение

подтверди ­

л ось,

м ож н о

было

бы

считать,

что в ходе В Д П получает

ванны . О д н ак о ,

при сравнении состава вклю чений до

и

после переплава

(рис. 29) обн ар уж и вается , что почти

во

восстановительны е процессы в объеме ванны

не и гр а ­

ют определяю щ ей роли в ходе рафинирования

м еталла

Вы делени е нем еталлических включении из

расплава

в ходе В Д П непосредственно подтверж дается

о б р азо в а ­

зем . Н ап р и м ер ,

при

вы плавке стали 12Х 2 Н 4 А ш лаковая

пленка содерж и т

100

%

2

3

а при

вы плавке

стали

А І О2 ,

З О Х З С Н М Ф В —

60%

С а 0 -2 А 1

0

3; 35%

2

3

- S i 0

2

2 C a 0 - A l 0

содер ж ан и е

в

м еталле кислорода и

неметаллических

вклю чений

(по м ассе о садка ,

полученного путем электро ­

л и з а ) . П р и

этом на части плавок до и после переплава

контролировали

раздельно

содерж ание

глиноземо-ш пн-

П редставлен н ы е на

рис.

30 результаты этого иссле­

дования свидетельствую т о

том , что общ ее количество

к и слорода,

удаляем ого

при

переплаве,

увеличивается с

ростом его

содерж ания

в расходуем ы х

электродах. Н а ­

блю д ается тенденция к некоторому повышению конечно­

го содер ж ан и я кислорода с

ростом загрязненности пе­

личество окисны х включений в стали .

О дн ако разны е их

составл яю щ и е ведут себя при этом

неодинаково.

Н аи б о ­

лее полно

(70— 90% ) удаляю тся

вы сокоглиноземисты е

вклю чения

(глиноземо-ш пинельная

ф р ак ц и я ).

О тн оси ­

ное абсолю тное

содерж ание таких

включений

долж но

несколько

возрастать.

Силикатны е

вклю чения

у д ал яю т ­

ся х у ж е , и это

особенно заметно проявляется при их не­

больш ой исходной концентрации.

И зм енение состава

окисных неметаллических вклю че­

ний и ссл ед о в ал и

1

такж е при одноразовом

и двойном в а ­

куум ном

переплаве

кремнистой

стали

З О Х З С Н М Ф В

с содерж ан и ем

кремния ~ 1 % . О к азал ось ,

что в резуль­

тате п ереплава

не только увеличивается

доля

силикат-

'Si'

* £ < ? •

Р и с . 30. В л и я н и е з а гр я з н е н н о с т и и сх о д н о го м е т а л л а к и сл о р о ­

д о м и о к н сн ы м н н е м е т а л л и ч е с к и м и в к л ю ч е н и я м и н а а б с о ­

л ю т н о е с н и ж е н и е п р и В Д П к о н ст р у к ц и о н н о й с т а л и к о н ц е н т ­

р а ц и и к и с л о р о д а (Д О ) и в к л ю ч е н и й ( Д В ) ,

а т а к ж еВ(

н а о т ­

н о си т е л ь н о е у м е н ь ш е н и е к о л и ч е ст в а в к л ю ч е н и й ( Д

В)

с и ­

л и к а т н о й

(1)

и гл н н о зе м о ш п н н е л ь н о й

(2) ф р а к ц и и

ной составл яю щ ей

вклю чений , что особенно

сильно про ­

является

при двухкр атн ом В Д П

(табл .

15),

но

такж е

зам етно

меняется

и состав этой

ф ракции :

в ней повы ш а­

ется доля крем н езем а, а концентрация глинозема

стано ­

вится м еньш е.

Изменение состава

неметаллических включении

при одноразовом п двойном переплаве стали ЗОХЗСНМФВ

Отиоеитсль-

Содержание, %

Вариант

мое количе­

ство включе­

SiO:

FeO-1-MnO Сг203

CaO i-MgO

A!,o„

ний, %

Плавка на воз­

32,5

22,26

1,44

1,53

22,3

25,40

67,5

Сл.

духе

—

0,86

26,73

61,07

Одноразовый

54,2

46,74

1,52

2,05

16,43

18,83

в д п

45,8

—

1,31

0,91

25,38

67,46

Плавка па воз­

16,8

67,03

1,19

1,55

7,82

13,77

83,2

1,92

0,87

20,70

духе

71,40

Двойной ВДП

70,8

76,52

1,12

1,74

0.53

3,63

29,2

—

5,35

1,42

27,4

43,20

П р и м е ч а н и е .

В числителе —

данные

для

силикатов,

в знаменателе —

дли іннппели.

В се это

убедительно

подтверж дает известные

пред ­

полож ения

[60,

61] о преимущ ественном удалении

в х о ­

де вакуум н ого

переплава вы сокоглинозем исты х вклю че­

ний, для которы х характерно

значительно больш ее,

чем

для си ликатов,

поверхностное

натяж ение

на границе

р азд ела с ж идкой сталью .

В

результате повы ш ается ве­

роятность

их выделения

из

расплава в тех сл у ч а я х ,

ког­

го перем еш ивания вклю чение

хотя

бы одной

своей

гранью оказы вается

на поверхности.

П ри этом появля­

ется дополнительная

вы талкиваю щ ая

си ла ,

которая тем

больш е, чем вы ш е поверхностное натяж ение

на

границе

м еталл — вклю чение, поскольку

в этом случае

ум ен ьш е ­

ние поверхности раздела

ф аз

сопровож дается

больш ей

убы лью энергии.

выделения

нем еталлических

Н а р я д у с процессам и

подтверж дение

получено

при

и ссл ед ован и и 1 р асп р ед ел е ­

ния окпсиы х ключений

по сечению

слитков

стали

2 0 -В Д

ди ам етром

320

м м .

И сходны й м еталл раски сл ял и

в

о д ­

ном сл учае только кремнием , а в другом —

алю м инием .

В ви д у того, что

после

переплава концентрация к и слор о ­

да и вклю чений бы ла

небольш ой ,

состав

осад ко в ,

вы де­

ленны х путем электролитического

растворен и я ,

удал ось

исследовать только

петрограф ическим методом .

К а к видно из таб л .

16,

при раскислении исходной с т а ­

ли алю м инием вклю чения в виде корун да,

алю м ом агии -

свой ш пинели и небольш ого

количества

прозрачн ы х

си ­

ликатны х

глобулей

переменного состава

распределены

по сечению слитка достаточно равном ерно.

Т а б л и ц а

16

Распределение кислорода и изменение состава

окисмых включений по сечению слитка стали 20-ВД

л

С о с т а з пкл ю ч ен н й , %

(о т н .)

и

s

«*

о 2?

си л и каты

В а р и а н т р а ск и сл е н и я

о

О

х

CJ

гл о б у л я р н ы е

и схо д н о й ста л и

S È

ои.

к о р у н д

ш п и н ел ь

° 5

а.

п р оз»

ии кСО

З ч

3

о

черны е

р ачн ы е

О.

X

U

со cl

О

X

X

Раскисление

алю-

0

0 , 0 0 1 2

65— 70

20— 25

_

5 - 8

м ш ш е м

30

0,0015

65— 70

20— 25

5— 8

60

0,0016

60

30

—

5— 8

90

0,0014

70

20

—

5—

10

120

0,0019

65— 70

20— 25

___

5— 8

160

0,0018

60— 65

25— 30

—

5—

10

Раскисление

крем-

0

0,0019

_

_

.___

шіем

30

0,0015

—

—

___

___

60

0,0020

5

65—70

20

3—5

90

0,0014

3—5

60

30—35

3

120

0,0015

5—8

30

50

3—5

В то ж е

160

0,0018

—

20

70

3 - 5

время

при

раскислении

кремнием

состав

ка в

сторону ум еньш ения

доли шпинели и

повыш ения

количества непрозрачны х

ж елезо -силикатны х

глобулей

(рис.

3 1 ). Х о т я такое изменение и не связано с зональной

ликвацией кислорода (содерж ан и е его

по сечению слит­

ка прим ерно оди н ако во ), его м ож но объяснить

только

влиянием условий затвердевания. Н е

о бсуж д ая

м еха ­

низма этого влияния, зам етим , что сам

ф акт четкой свя ­

зи

м еж д у услови ям и

затвердевания и составом вклю че­

ний является достаточ ­

е.

і

--- -гтт

ным свидетельством

в

•

пользу того,

что они о б ­

%

1

р азовал и сь

из

р а сп л а ­

ва в п роцессе его пере­

*

Ф

хода в твердое со сто я ­

ние. В м есте

с

тем мы

не

м ож ем утвер ж д ать ,

что

однородность со с ­

тава вклю чений по се ­

ф

9ф

чению слитка в сл учае

раскисления исходного

І,Г

Ль

м еталла

алю минием

-

............................. --І

доказы вает их экзоген ­

ное

происхож дение:

Р и с . 31.г л о бНуелпир овз рлаичтон ыйе

сжт аеллие з о20X300-с и л и к а т н ы е

эти

вклю чения,

подоб ­

но

си л и к атам ,

могли

обр азоваться и при кри ­

что в этом

сл учае у с ­

сталлизац ии с той лиш ь разницей,

ловия процесса

не повлияли на их состав.

Н екоторы е дополнительны е сведения по р ассм атр и ва ­

ем ом у вопросу

дает

исследование

распределения неме­

таллических

включений

в

дендритной ячейке литой стали

1 2 Х 2 Н 4 А -В Д . М етал л для

расходуем ы х

электродов

р а с ­

кисляли алю м инием .

И сп ол ьзуя прибор

для

измерения

м икротвердости , на нетравлены х

ш ли ф ах

с помощ ью

нндентора ставили отпечатки по

месту

располож ения

вклю чений определенного типа. Затем

вы являли

ден ­

дритное строение и подсчиты вали

при

небольш ом

у в е ­

личении количество

вклю чений, располож енны х в

осях

дендритов,

в м еж осны х

участках ,

а такж е

в

переходной

области м еж д у ними (табл. 17).

Ран ее эта методика была

применена для исследования

распределения сул ьф и ­

дов [63].

которые во всех сл у ч ая х р асполагаю тся

в

м еж осны х

п р о м еж у тк ах , часть включений глинозема

и

силикатов

Т а б л и ца

17

Распределение неметаллических включений

в дендритной ячейке стали

I2X2H4A

в зо н е , %

З о н а д ен д р и тн ой ячейки

О тн о си те л ьн о е

к ол и ч е ств о

вклю чен ий

глинозем а

си л и к а т о в

с у л ь ф и д о в

н и тр и д ов

Ось дендрита . .

12

32

___

—

Переходная зона .

75

55

—

—

Межосный участок

13

13

1 0 0

дендритов

в структуре,

и это в общ ем

1 0 0

о

свидетельствует

неравном ерном распределении .

Больш инство

частиц

глинозема

и силикатов

оказалось в

м еж осн ы х

уч аст к а х ,

но не в центре и х, а вблизи

границы р аздела с осями

дендритов

(рис. 3 2).

Т акое

располож ени е

м ож ет

быть

результатом

действия

двух

различны х м еXа ииз м о в.

В о -п ервы х,

граница

р а з ­

дела

ф аз в процессе затв ер ­

девания

является

наиболее

удобны м

местом

з а р о ж д е ­

ния

и роста

вклю чений, так

как здесь

сущ ествует

необ­

ходим ая

твердая

подлож ка

для

образования вклю чений

II имеется

повы ш енная

кон­

центрация кислорода и эле-

м ептов-раскислителей в так

м е т а л л и ч е с к и х

в к л ю ч е н и и

в

д е н ­

назы ваем ом

пограничном

слое. То,

что

оксиды

р асп о ­

Р и с . 32. Р а с п р е д е л е н и е о к и сн ы х н е ­

лож ены бли ж е к оси ден дри ­

д(мр ие сттнао й рс ат српуоклт оу ржее н исят а л ив к л12ю

Хч2е

Нн и4 Ай

у к а з а н ы

с т р е л к а м и ) .

Х 3 2

т а , а нитриды и сульф и ды —

к центру м еж осного уч аст к а ,

м ож но

объяснить

о б р а зо ­

В о -вторы х, описанное располож ени е

включений

во з­

м ож н о II в том сл учае ,

если они сущ ествовали в р асп л аве

перед затвердеванием .

Сл едует только

допустить,

что