Особенности изменения свойств конструкционных сталей, полученных из продуктов прямого восстановления железа

Стремительное развитие энергетики, авиационной, судостроительной, автомобильной, нефтехимической промышленности, транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, других отраслей народного хозяйства сопровождается повышением требований к качеству металла. В связи с созданием машин, механизмов, приборов и. металлоконструкций, работающих в широком диапазоне температур и давлений, в условиях агрессивных сред, а также внедрением автоматических поточных линий в машиностроении требуется увеличение производства особо высококачественных сталей и сплавов, обладающих комплексом высоких эксплуатационных и технологических характеристик.

Современный, процесс производства стали по схеме доменная печь. — кислородный конвертердоведен до весьма высокой производительности — около 10 тыс. т в сутки (при продолжительности плавки в конвертере емкостью 300 т менее I часа). Но этот процесс связан с большими капиталовложениями и характеризуется отсутствием гибкости. Кроме того, для работы доменной печи требуется кокс, получаемый лишь из специальных сортов угля, запасы которого ограничены. К тому же в конвертере технологически трудно осуществить выплавку средне и высоколегированных качественных сталей.

Развитие электросталеплавильного производства зависит от наличия необходимого количества стального лома. Использование при этом производстве неконтролируемого низкосортного привозного скрапа не всегда обеспечивает получение необходимого уровня качества металлопродукции.

Проблемы, связанные с производством чугуна в доменных печах, явились стимулюм для развития процессов прямого (внедомеиного)' восстановления железа из руды. В настоящее время эти процессы нашли широкое развитие как в нашей стране, так и за рубежом. Основным преимуществом процессов прямого восстановл? ения железа является то, что для их осуществления не требуется дефицитный кока. В качестве: восстановителя приэтом можно использовать газообразное или любое, низкосортное: топливо. Получаемый таким способом полупродукт характеризуется стабильными показателями качества.

ХХУТ съезд КПСС наметил, на II пятилетку формирование и развитие в нашей стране, системы территориально-промышленных комплексов. В этой системе важное место занимает территориально-производственный комплекс. — Курская магнитная аномащя. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 19 811 985 годы и на период до 1990 года предусмотрено: «Продолжить формирование территориально-производетвеннота комплекса на базе Курской магнитной аномалии, ввести в строй первую очередь Оскольско-го электрометаллургического1 комбината» [ I ] .

Одной из существенных особенностей этого комплекса является то, что металлургический комбинат будет работать по принципиально новой технологической схеме, без доменного передела.

Оскольский электрометаллургический комбинат — один из крупнейших в мире металлургических комбинатов по производству метал-лизованных окатышей (губчатого железа) и использования их в качестве шихты при выплавке стали.

Помимо использования металлизованных окатышей на Оскольском электрометаллургическом комбинате предусмотрена поставка их предприятиям черной и цветной металлургии, машиностроительным заводам для использования в качестве охладителя жидкого металла при производстве конвертерной стали., получения: порошковых материалов и других назначений.

Пуск в эксплуатацию Оскольского электрометаллургического комбината, оснащенного современным оборудованием, ориентированного на использование новой прогрессивной технологии, обеспечит значительное увеличение объема производства высококачественной стали, позволит повысить уровень качества изделий металлопотребляющих отраслей народного хозяйства.

Технологическая схема работы этого комбината предусматривает получение окатышей из концентрата руд Лебединского горно-обогатительного комбината, отличающихся высотсой степенью чистоты по примесям, металлизацию их до степени восстановления не менее 94% в шахтных печах газообразным восстановителем, выплавку стали в большегрузных электродуговых печах с непрерывной загрузкой метал-лизованных окатышей, вакуумирование жидкого металла в ковше, продувку его инертным газом и порошкообразными реагентами, разливку на машинах непрерывнолитой заготовки. В процессе разливки предусмотрены защита жидкого металла от окисления инертным газом от сталеразливочното ковша до кристаллизатора, и электромагнитное перемешивание его в кристаллизаторе.

Прогрессивные технологические приемы и методы выплавки, разливки, прокатки и термической обработки металлопродукции Оскольского электрометаллургического комбината направлены на улучшение качественных показателей стального проката. Использование при выплавке стали чистых шихтовых материалов является одним из основополагающих факторов повышения ее качества.

Несмотря на то, что в СССР и за рубежомимеются действующие промышленныеустановки прямого восстановления железа из руды и получаемые на них металлизованные полупродукты используются в сталеплавильном производстве, к началу постановки настоящей работы не было проведено систематизированных исследований по изучению влияния применения шихты, полученной методами, прямоговосстановления (ПВ), на качественные характеристики легированных и низколегированных сталей.

Исходя из этого в настоящей работе выполнено:

— исследование влияния исходной шихты ПВ на механические свойства, структуру и степень чистоты по примесям и неметаллическим включениям легированных и низколегированных сталей;

— изучение эксплуатационных и технологических характеристик конструкционных сталей, выплавленных на шихте ПВ;

— исследование влияния отдельных примесей и рафинирующих обработок на показатели механических свойств сталей;

— определение природы влияния исходной шихты ПВ на свойства конструкционных сталей;

— выявление преимуществ конструкционных сталей, выплавленных на шихте ПВ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1, Исследовано влияние шихты прямого восстановления (ПВ) на стандартные механические свойства, холодную и горячую пластичность, сопротивление хрупкому и вязкому разрушению, хладо-стойкость, склонность к обратимой отпускной хрупкости, водородному охрупчиванию, задержанному разрушению и структурные характеристики низколегированной и легированных сталей, полученных в промышленных условиях. Изучена природа влияния этой шихты на качество конструкционных сталей путем дифференцированной оценки рож примесей легкоплавких цветных металлов и фосфорана модельных сталях с примесными добавками в различных количествах и сочетаниях, а также серы и неметаллических включенийна сталях, рафинированных ЭШП, и газов — на сталях, рафинированных ВДП.

2. Установлено, что за счет выплавки сталей на шихте ПВ уменьшается содержание постоянных примесей серы и фосфора, а также случайных примесей: мышьяка, меди, сурьмы, олова, свинца и других цветных металлов, попадающих в сталь из чугуна и скрапа. Суммарное количество этих элементов в сталях, выплавленных с применением шихты ПВ, в ~ 3 раза меньше, чем обычных сталях, выплавленных на скрапе. Загрязненность неметаллическими включениями сталей ПВ несколько меньше, чем обычных сталей из скрапа, содержание газов в сталях ПВ такое же, как и в обычных или несколько меньше.

В результате ЭШП независимо от исходной шихты содержание серы уменьшается до 0,005 $ масе, а количество сульфидных и кислородных включений в ~ 1,5 раза.

В результате ВДП уменьшается количество кислорода в ~ 3 раза, азота и водорода в ^ 1,5 раза, цинка в ^ 2 раза, и кислородных включений в ~ 2 раза.

3. Выявлено, что использование при выплавке конструкционных сталей шихты ПВ вместо скрапа приводит к увеличению на 35−50 $ показателя горячей пластичности (минимальное число оборотов до разрушения при испытании на кручение в интервале температур 900-Ю00°С).

ВДинирование ЭШП. стали, выплавленной на шихте ПВ, позволяет дополнительно повысить этотпоказатель, на ~ 30 $ за счет уменьшения содержания серы и неметаллических включений, в то время как введение в эту сталь примесных добавок сурьмы, олова, свинца, цинка или висмута в количестве ~ 0,005 $ масс, снижает его на 30−60 $, совместное введение в сталь названных примесей в тех же количествах снижает показатель горячей пластичности на ~ 70 $.

За счет использования шихты ПВ вместо скрапа при выплавке конструкционных сталей улучшается их деформируемость в холодном состоянии. Величина относительной деформации при испытании на осадку увеличивается от 50 до 67 $ без обточки и от 80 до 90 $ в обточенном состоянии.

4. Показано, что за счет выплавки конструкционных сталей на шихте ПВ в зависимости от режима термической обработки при одинаковом уровне временного сопротивления со сталями, выплавленными на скрапе, увеличиваются показатели: пластичности <$V и Y) на 7+15 $, ударной вязкости (KCU и KCV), сопротивления хрупкому (К с и Kic) и вязкому (KCV) разрушениям на 15−40 $, усталостной прочности при чистом изгибе на 10 $ и хладостойкости (температуры условных порогов хладноломкости снижаются на.

5. Выявлено, что за счет использования шихты ПВ при выплавке легированных сталей уменьшается их склонность к обратимой отпускной хрупкости" Величина смещения температуры порога хладноломкости: T^q в результате пребывания при температуре 500 °C стали ПВ по сравнению с таковой для обычной стали из скрапа умень шается в 2 раза, за счет применения ВДП эта величина уменьшается на 20 $.

Введение

в сталь примесных добавок меди, свинца, висмута или цинка, также как и рафинирование ее ЭШП, практически не оказывает влияния на склонность к обратимой отпускной хрупкости.

Установлено, что наиболее сильное относительное влияние на склонность к обратимой хрупкости из расчета 0,001 $^ масс, оказывает фосфор и сурьма, значительно слабее — олово, очень слабое — мышьяк. Совместное влияние этих примесей определяется аддитивно.

Полученные результаты являются основанием для создания на базе чистой шихты ПВ экономнолегированных молибденом и вольфрамом сталей, устойчивых против отпускной хрупкости.

6. Показано, что применение при выплавке легированной стали I8X2H4BA шихты ПВ вместо скрапа приводит к уменьшению на.

15−30 $ количества поглощаемого водорода, вследствие облегчения рекомбинации атомов водорода на поверхности образцов при электролитическом наводороживании и увеличению сопротивления водородному охрупчиванию. Уровень пороговых напряжений этой стали при испытании на растяжение непрерывно наводороживаемых образцов. на базе 360 часов повышается за счет исходной шихты ПВ в термоулучшеином состоянии в 1,5 раза, в состоянии обратимой отпускной хрупкости — в 2,5 раза.

Это является предпосылкой для создания на базе чистого металла ПВ сталей, стойких к сероводородному охрупчиванию и коррозии под напряжением.

7. Установлено, что выплавка легированных C*t~NlWfflo) -сталей на шихте ПВ приводит к уменьшению их склонности к задержанному разрушению в закаленном состоянии, при этом уровень пороговых напряжений повышается на 20−60 $ по сравнению со сталыа обычной выплавки.

Сильное относительное влияние на характеристики задержанного разрушения стали 18Х2Н4ВД из расчета 0,001 $ масс, оказывают фосфор и сурьма, влияние олова значительно слабее (в 3−4 раза). Совместное действие этих: примесей определяется аддитивно. Наряду с оловом примеси свинца, висмута, цинка в количестве — 0,005 $ масс, оказывают слабое влияние на характеристики задержанного разрушения закаленной легированной стали.

8. Структурными исследованиями выявлено, что стали, выплавленные с использованием шихты ПВ, по сравнению со сталями, выплавленными на скрапе, более склонны к росту аустенитного зерна при нагреве выше температуры Ю00°С за счет более интенсивного протекания в них процесса миграции границ зерен. Вззмер зерна стали ПВ при температуре 1250 °C, как правило, крупнее на 1−3 балаа.

Это вызывает необходимость более жесткого) регламентирования температуры нагрева при термической обработке и применения технологических приемов, исключающих длительное пребывание стали ПВ при температуре выше Ю00°С, в частности, горячую пластическую деформацию стали ПВ необходимо заканчивать при температуре ниже Ю00°С. До температуры Ю00°С различия в склонности к росту аустенитного зерна стали ПВ и обычной выплавки не обнаружено.

Низколегированная сталь 17ГС ПВ обладает меньшей устойчивостью аустенита и пониженной прокаливаемостью.

Повышенная чистота низколегированной стали ПВ по содержанию хрома, никеля и других элементов дает возможность получения сталей с прокаливаемостью в заданных пределах и меньшим разбросом прочностных характеристик.

В закаленном состоянии в структуре стали 17ГС ПВ преобладает нижний бейнит, в структуре стали 17ГС обычной выплавки — мартенсит. Это является причиной повышенной вязкости и пластичности стали 17ГС ПВ в закаленном и термоулучшенном состояниях при незначительной разнице по временному сопротивлению.

Структура закалки легированных сталей не зависит от исходной шихты ПВ. Однако в термоулучшенном состоянии карбидные частицы на границе аустенитных зерен сталей ПВ имеют меньшие размеры, чем карбиды сталей обычной выплавки.

9. Установлено, что примесь фосфора в аустенитном состоянии стали I8X2H4BA. образует сегрегации вблизи границ зерен на расстоянии ~ б нм от границы зерна. Концентрация фосфора на поверхности интеркристаллитного излома закаленной на мартенсит стали I8X2H4BA более чем в 40 раз превышает среднее его содержание в стали. Одновременно выявлена зернограничная сегрегация углерода на расстоянии от границы ~ 3 нм.

Концентрационная кривая распределения углерода на расстоянии ~ I нм от границы зерна имеет максимум с содержанием углерода в ~ 1,5 раза большим, чем среднее в стали.

10. Установлено, что' примеси сурьмы, олова, мышьяка и меди в количестве до 0,3 $ увеличивают термодинамическую активность и диффузионную подвижность углерода в железе. Последнее дает основание полагать, что при: наличии зерно граничных сегрегаций этих примесей диффузионная подвижность углерода в зерногранич-ных областях будет больше, чем в теле зерна и он будет активно диффундировать к границе зерна, но атомы примесей, сегрегированные на поверхности зерна, будут препятствовать выходу атомов углерода на поверхность, вследствие чего они будут скапливаться перед фронтом сегрегаций примесных элементов вблизи границы зерна. При этом взаимораспределение сегрегаций примесных элементов и углерода" будет аналогичным распределению фосфора и углерода.

Кроме того, сегрегации углерода вблизи границ аустенитных зерен способствуют выделению и росту карбидных частиц вдоль исходных аустенитных зерен при отпуске.

11. В промышленных условиях с использованием шихты ПВ выплавлено 500 т стали марки 30Х2НМФА, из которой изготовлены промышленные партии высокопрочных болтов с гарантированной прочностью на разрыв не менее 1550 МПа и повышенной пластичностью.

С У = 35 $). Болты использованы при монтаже металлоконструкций ответственного назначения, в частности, при строительстве доменной печи объемом 5000 завода «Криворожсталь» и при монтаже промышленных зданий.

При монтаже и эксплуатации болтовых соединений в течение 10 лет случаев разрушения болтов не было.

Экономический эффект от использования высокопрочных болтов с прочностью 1550 МПа из стали 30Х2НМФА ПВ вместо болтов с прочностью 1100 МПа из стали 40Х" селект" при монтаже промышленного здания за счет экономии металла, уменьшения габаритов узлов, сокращения количества болтов, гаек, шайб в монтажном соединении и уменьшения суммарных затрат на подготовку и монтаж узлов составил- 360 тыс.рублей.

12. Б результате проведенных исследований показано, что за счет использования при выплавке конструкционных сталей шихты ПВ можно получать стали особой чистоты скомплексом высоких показателей механических свойств, гарантирующих надежную работу изделий в сложных условиях.

Впервые показано, что доминирующим фактором, влияющим на повышение показателей механических свойств стали ПВ, является чистота по содержанию фосфора, сурьмы, олова, мышьяка, висмута, свинца и других примесей. Определяющее значение среди них принадлежит фосфору и сурьме.

Полученные результаты являются предпосылкой для создания новых марок сталей на базе чистой железной основы, отличающихся повышенной эксплуатационной надежностью.

Рекомендован базовый марочный сортамент Оскольского электрометаллургического комбината, в который включены типовые стали, используемые для изготовления изделий ответственного назначения следующих марок: 15^40ХА, 15−38ХГСА, 20−40ХНА, I2−20XH3A, Х8Х2Н4 В (М)А, 40Х2Н2МА, 25ХГМА, 12Х2МФСЖ, 50ХФА, 28−43ХЗСНМФА, 32−42Х2НВМТВ1, 60С2А, 14−18Г2АФ, 09−14Г2, 09−36ГС, 09Г2ФБ и др.

Рекомендованный марочный сортамент принят к освоению на Оскольском электрометаллургическом комбинате.