Изучение и оптимизация типа и морфологии неметаллических включений в низколегированных высокопрочных сталях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Агбоола Оладипо Фолоунсо

• Агбоола Оладипо Фолоунсо
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Агбоола Оладипо Фолоунсо

ВВЕДЕНИЕ.

1. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛИ.

1.1. Природа неметаллических включений.

1.2. Влияние неметаллических включений на качество стальных изделий.

1.2.1. Влияние неметаллических включений на разрушение и механические свойства стали.

1.2.2. Роль свойств матрицы в определении роли неметаллических включений.

1.2.3. Роль неметаллических включений на образование дефектов в низколегированных сталях, обработанных кальцием.

1.3. Влияние содержания вредных примесей на неметаллические включения.

2. МОДИФИЦИРОВАНИЕ НВ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ РАСКИСЛЕНИИ И ДЕСУЛЬФУРАЦИИ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ.

2.1. Модифицирование оксидных и сульфидных включений.

2.2. Термодинамический анализ процессов, происходящих при раскислении и десульфурации низколегированной стали.

2.2.1. Определение состава продуктов раскисления и уровня окисленности металла.

2.2.2. Анализ процессов десульфурации.

2.2.3. Уточнение термодинамического анализа с учетом реальных активностей компонентов.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Краткое описание технологии плавок.

3.2. Методика отбора материалов для исследования.

3.3. Приготовление шлифов для анализа включений.

3.4. Методы металлографического исследования включений.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

В ВЫСОКОПРОЧНЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ.

4.1. Неметаллические включения в стали, выплавленной по традиционной технологии.

4.1.1. Качественный оптический анализ включений.

4.1.2. Качественный микрорентгеноспектральный анализ включений.

4.2. Неметаллические включения в стали опытных плавок.

4.2.1. Качественный оптический анализ включений.

4.2.2. Качественный микрорентгеноспектральный анализ включений.

4.3. Количественный анализ неметаллических включений в традиционной и опытной серии плавок.

4.3.1. Количественный анализ включений в плавке 1.

4.3.2. Количественный анализ включений в плавке II.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение и оптимизация типа и морфологии неметаллических включений в низколегированных высокопрочных сталях»

Актуальность темы. Надежность металлоизделия является основной характеристикой их качества. Способность материала к долговременной эксплуатации определяется низкой вероятностью наличия в нем дефектов. Повышение качества стали является одной из основных задач развития черной металлургии. В рамках этой задачи, улучшение свойств металла, предназначенного для производства труб для магистральных трубопроводов, является важным и своевременным. Настоящая работа направлена на исследование и совершенствование технологии производства таких сталей с целью повышение их качества, что является, несомненно, актуальной задачей. Известны и систематизированы различные виды дефектов, имеющих металлургическое происхождение, вместе с тем, одним из наиболее характерных и одним из самых распространенных видов продолжают оставаться неметаллические включения. Влияние неметаллических включений на качество металла является многомерной проблемой, вместе с тем известно, что в процессе разрушения стали значимую роль играют не только количество неметаллических включений, но и их морфология (размер, форма, состав) и распределение. За прошлые 5-6 десятилетий в России и за рубежом были проведены многочисленные исследования по вопросу о происхождении, природе и влиянии неметаллических включений на механические и служебные свойства стали. Известны работы В.И. Явойского, А.Ф. Вишкарева, Ю.А. Шульте, Кислинга, М.А. Штремеля. Но в связи с новыми условиями эксплуатации стальных изделий, а следовательно, требованиями к их надежности, использованием новых технологий выплавки и обработки стали, роль и влияние неметаллических включений на качество стали приобретает новую значимость.

Данная работа проводилась в Московском государственном институте стали и сплавов и частично в конвертерном производстве ОАО «Северсталь». Решение поставленных задач (повышения качества трубной стали) носит общеотраслевой характер.

Цель работы. Получение трубной стали категории прочности К52-К60 с заданными характеристиками неметаллической фазы на основе подробного исследования неметаллических включений и влияния на них технологических факторов.

В работе решались следующие задачи

1. Анализ влияния неметаллических включений (НВ) на свойства стали, в частности на свойства низколегированных трубных сталей.

2. Проведение термодинамического анализа процессов комплексного раскисления и десульфурации стали при использовании алюминия, титана и кальция.

3. Комплексное исследование неметаллических включений металла промышленных плавок:

- качественный оптический анализ включений,

- количественный оптический анализ включений,

- рентгеноструктурный микроанализ включений. Научная новизна.

Предложена методика определения количественного фазового состава сложных алюмокальциевых неметаллических включений, позволяющая по соотношению содержании оксида алюминия и кальция определить тип (химическую формулу) включений.

Предложена методика построения, и получены функциональные зависимости объемного содержания включений от их размера, позволяющие уменьшить объем количественных металлографических анализов.

Установлено, что, присутствие крупных неметаллических включений оказывает доминирующее отрицательное влияние на ударную вязкость низколегированных трубных сталей при низких температурах, а, следовательно, на надежность металлоизделий, по сравнению с общим количеством включений, если их размер не превышает критического.

Установлена взаимосвязь между составом неметаллических включений, присутствующих в низколегированных сталях, и их преобладающими размерами.

Показано, что в зависимости от вида химических соединений, алюмокальциевые неметаллические включения могут оказывать разное влияние на свойства низколегированных сталей, т.е. установлена связь между свойствами различных кальцийсодержащих включений со свойствами трубной стали. При этом достоверно доказано, что:

- присутствие алюмината кальция преимущественно имеющего в своем составе 12Са07А1203 не является желательным для трубной стали 10Г2ФБ;

- алюминат кальций типа ЗСаОА12Оз имеет наиболее благоприятную морфологию для данной марки стали.

Достоверность полученных результатов основана на большом массиве экспериментальных данных, полученных на образцах литого и деформированного металла конвертерного производства ОАО «Северсталь» и обработанных с использованием методов математической статистики, а также апробированных и аттестованных методик. Результаты прогнозов, сделанных в работе, подтверждены при проведении серии промышленных плавок и испытаний механических свойств.

Практическая значимость работы. Полученные данные позволяют выработать методы совершенствования технологии выплавки низколегированных трубных сталей с целью получения требуемого уровня свойств готовых продукций и повышения эффективности внепечной обработки.

Показано, что использование специальных режимов раскисления, продувки и защиты металла при разливке позволяет снизить загрязненность трубной стали неметаллическими включениями. Примененные мероприятия позволили существенно снизить долю алюмината кальция состава 12Са07А120з, являющегося нежелательным для данной марки стали.

Снижение балла загрязнения стали неметаллическими включениями с 3.5 до 1.5 привело к возрастанию ударной вязкости с 235 Дж/см2 до 318 Дж/см2.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований доложены на научно-техническом межкафедральном семинаре и научно-технической конференции «Северсталь - пути к совершенствованию» в г. Череповце.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы будут опубликованы в журнале «Электрометаллургия», №7-9, 2004 г. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 105 список цитированных источников. Её объём составляет 135 страницы, включающих 40 рисунков и 20 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Агбоола Оладипо Фолоунсо

Выводы по работе

1. Разработана математическая термодинамическая модель, позволяющая прогнозировать состав (долю оксида кальция или алюминия) неметаллических включений в зависимости от содержания алюминия и кальция в стали и активности кислорода.

2. Наиболее предпочтительным видом включения для данной марки стали является включение, состоящее из ЗСаО-А^Оз, т.к. такой состав имеет максимальную сульфидную емкость, достаточно высокую температуру плавления и сравнительно хороший коэффициент термического расширения.

3. В результате исследования неметаллической фазы низколегированной трубной стали выявлено 4 типа неметаллических включений:

- мелкие глобулярные включения, содержащие оксиды и оксисульфиды алюминия и кальция в различных пропорциях;

- крупные глобулярные неметаллические включения диаметром до 150 мкм, состав которых отличается от предыдущей группы присутствием магния;

- включения строчечные хрупкие, пластичные и смешанного вида длиной до 0,9 мм, состоящие из оксидов кальция, алюминия и магния не содержащие серы;

- строчечные сульфиды марганца до 0,5 мм.

4. Установлено, что размеры неметаллических включений изменяются в широких пределах от 2.5 до 5 балла и зависит от технологии производства.

5. Основным типом неметаллических включений для низколегированной трубной стали, определяемый особенностями технологии раскисления, вне зависимости от общего балла загрязненности являются относительно мелкие (не более 12 мкм.) алюминаты кальция переменного состава.

6. Предложена методика построения, и получены функциональные зависимости объемного содержания включений от их размера, позволяющие уменьшить объем количественных металлографических анализов.

7. Использования специальных режимов раскисления, продувки и защиты металла при разливке позволяет снизить загрязненность трубной стали неметаллическими включениями. Примененные мероприятия позволили существенно снизить долю алюмината кальция состава 12Са07А120з; являющегося нежелательным и получить включения с более благоприятной морфологией для данной марки стали, прежде всего за счет уменьшения размеров, исключив включения размерами более 12 мкм.

8. Установлено, что снижение балла загрязнения стали неметаллическими включениями с 3.5 до 1.5 привело к возрастанию ударной вязкости с 235 Дж/см до 318 Дж/см .

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Агбоола Оладипо Фолоунсо, 2004 год

1. Кисслинг Р. //Сб. "Чистая сталь", Труды второго международного симпозиума по чистовой стали. М.: Металлургия, 1987, с.9-18.

2. Шпис X. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. М.: Металлургия, 1971, с. 126.3. 'Даль В., Хенгстенберг X., Дюрен К. Черные металлы. 1966, т. 86, № 13, с. 17-42.

3. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф. и др. Включения и газы в сталях. М.: Металлургия, 1979, с. 272.

4. Губенко С.И. Трансформация неметаллических включений в стали. М.: Металлургия, 1991, с. 224.

5. Спектор А.Г., Зельбет Б.М., Киселева С.А. Структура и свойства подшипниковых сталей. М.: Металлургия, 1980, с. 264.

6. Шульте Ю.А. Неметаллические включения в электростали. М.: Металлургия, 1984, с. 207.

7. Явойсткий В.И. Теория процессов производства стали. М.: Металлургиздат, 1963, с. 820.

8. Поволоцкий Д.Я. Раскисление стали. М.: Металлургия, 1972, с. 208.

9. Бидуля П. Н., Сарамутин В.И. В кн. : Вопросы металлургии стали и стального литья. М.: Металлургиздат, 1966.

10. Сарамутин В.И., Бидуля П. Н. // Известия вузов. Черная металлургия, 1966, №5, с. 171 174.

11. Мчеддишвили В.А., Любимова И.И., Самарин А.М. Роль марганца в в устранении вредного влияния серы на качество стали.

12. М.: Металлургиздат, 1980, с. 55.

13. Sims С.Е., Dahle F.B. Trans. American Foundrymeris Association, 1938, vol. 46, p. 65- 132.

14. Kiessling R. Jernkontoret Annaler, 1969,153, № 7, p. 295-302.

15. Bergh S. Jernkontoret Annaler, 1962,146, № 9, p. 748-762.

16. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: МИСиС,1999, с. 18-19.

17. Родионова И.Г., Столяров В,И., Бакланова О.Н. и др. //Инновационные процессы в производстве труб для нефтяной и газовой промышленности на примере "Трубной металлургической компании" /Материалы октябрьской конференции, 2001.

18. Ицкович Г.М. Раскисление стали и модифицирование неметаллическихвключений. М.: Металлургия, 1981, с. 296.

19. Дуб А.В. Оптимизация соотношения содержания О, S и А1 в низкоуглеродистых сталях. Диссертация на соискание ученой степени к. т. н., МИСиС, М., 1986.

20. Белянчиков J1.H., Бородин Д.И., Валавин B.C. и др. Сталь на рубеже столетии. М.: МИСиС, 2001, с. 664.

21. Волчок И.П. //Проблемы прочности. 1978, № 9, с. 87.

22. Gladman Т., Holmes В., Mclvor I.D. The Iron and Steel Institute, London, 1971, p. 68.

23. Hahn W.C., Rosenfield A.R. Metallurgical Transactions, 1975, vol. 6A, № 4, p. 653-668.

24. Бельченко Г.М., Губенко С.И. Неметаллические включения и качество стали. Киев: Техника, 1980, с. 168.

25. Wieczorek Е., Lubuska A. Proceedings of The 5th International Conference, Aachen, vol. 1, Toronto, 1980, p. 749-753.

26. Baralis G., Marone M. Proceedings at The International Conference on analyses and Experience of Fracture Mechanic, Rome, 1980; June 23-27, Alphen aan den Rijn-Rockkyille, Md., 1981, p. 453-464.

27. Simpson I.D., MacDonald G.J.M., Dyer L., MacDonald J.K. Bulletin of The Geological Society of America, 1979, Part 1, vol. 90, № 12, p. 108-117.

28. Баранцева З.В. Изучение влияния неметаллических включений на пластичность и разрушение металла. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1979.

29. Fudrimori Т., Yamamoto V., Okada Y. Journal of Iron and Steel Institute of

30. Japan, 1976, vol. 62, № 4, p. 265-280.

31. Симе К., Форкен В. Неметаллические включения. Производство стали в электропечах. //Сб. трудов М.: Металлургия, 1965, с. 349-375.

32. Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П. и др. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1983, с. 288-322.

33. Forstes Е., Klapdar W., Richter Н. et al. Stahl und Eisen, 1974, Bd. 94, №11, s. 474.

34. Нарута К. Кристаллическая структура неметаллических включений в стали. Пер. с японск. М.: Металлургия, 1969, с. 191.

35. Brooksbank D., Andrews К. London, Iron and Steel Institute, 1972, p. 186196.

36. Зайцев Г.П. //Физика металлов и металловедение, 1956, т.2, № 3,с. 494-503.

37. Куслицкий А.Б. Неметаллические включения и усталость стали. Киев, Техника, 1976,128, с. 14.

38. Иванов В.П., Мордухович А. М., Финкель В. М. В сб. " Проблемы разрушения металлов", МДНТП, 1975, с.175.

39. Нархов А.В., Клыпин Б.А., Рей А. и др. //Институт "Черметинформ-я", Сер. МиТОМ, Вып. 1,1992, с. 22.

40. Eshelby J.D. Proceedings, Royal Society, 1957, 241 A, № 1230, p. 376-378.

41. Kiessling R., Nordberg H. London, Iron and Steel Institute, 1972, p. 179185.

42. Cottrell C.L. Chartered Mechanical Engineers, 1965, vol. 12, № 8, p. 400-405.

43. Hayden H.W., Froreen S. Acta metallurgies 1969, vol. 17, № 3, p. 217-225.

44. Klevebring B.L. Scandinevian Journal of Metallurgy, 1976, vol. 5, № 2, p. 217-225.

45. Baker T., Charles J. London, Iron and Steel Institute, 1971, p. 79-87.

46. Kiessling R. Jernkontoret Annaler, 1969, 153, № 7, p. 295 302.

47. Billington J.C., Asante J.C.B. Radex-Rundschau, 1981, № 1&2, S. 391-406.

48. Kiessling R. London, Iron and Steel Institute, 1968, Publication 115, p. 128.

49. Штремель M.A. //МиТОМ, 1980, № 8, с. 2-6.

50. Kozasu I., Schimizu I., Kubota H. Transactions of The Iron and Steel Institute Japan, 1973, vol. 13, № 1, p. 20-28.

51. Browning A., Chambers F. Journal of The Iron and Steel Institute, 1970, vol. 208, № 12, p. 1078.

52. Коновалов Р.П. Слиток кипящей стали. M.: Металлургия, 1986, с. 176.

53. Malkiewicz T., Rudnic S. Journal of The Iron and Steel Institute, 1963, vol. 201, № l,p. 33-38.

54. Kiessling R. Journal of Metals, 1969, vol. 21, № 10, p. 48-53.

55. Бьючер Дж. Д., Эириэтто Дж. Ф. В кн. : Разрушение металлов. Сб. № 6, Перев. англ. /Под ред. M.JI. Бернштейна. М.: Металлургия, 1976, с. 246-295.

56. Сэйдж A.M. Металлофизический обзор высокопрочных низколегированных сталей для труб и фиттингов // Стали для газопроводных труб и фиттингов: Труды конференции. Пер. с англ. /Под ред. А.В. Рудченко. М.: Металлургия, 1985, с. 480.

57. Накасуш X., Матсуда X., Тамехиро X. Сверхнизкоуглеродистые бейнитные стали для газопроводов // Стали для газопроводных труб и фиттингов: Труды конференции. Пер. с англ. /Под ред. А.В. Рудченко. М.: Металлургия, 1985, с. 485.

58. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч.П., М.: Металлургия, 1966, с. 703.

59. Журавлев В.К., Жуховицкий А.А. В кн.: Производство и обработка стали и сплавов. Научнтр. /МИСиС, М.: Металлургиздат, 1958, № 38, с. 226-244.

60. Краснослободцев И.А. Влияние раскисленности стали на химическую неоднородность крупных кузнечных слитков. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., МИСиС, М., 1991.

61. Колпаков С.В. и др. Технология производства стали в совраменных конвертерных цехах. М.: Машиностроение, 1991, с. 461.

62. Marique С. Experience with various calcium treatments of steel // Steel Times, 1988, vol.216, №3, p. 124-127.

63. Enekes S. Production and application of clean steels. 1972, vol. 215, The Iron and Steel Institute, London.

64. Tricot R. Production and application of clean steels. 1972, vol. 199, The Iron and Steel Institute, London.

65. Брик С.Д. Черная металлургия: //Бюл. института Черметинформация. 1980, Вып. 12/872, с. 9-25.

66. Ицкович Г.М. //Сталь, 1976, № 12, с. 1082-1087.

67. Гуляев А.П. //Чистая сталь, М.: Металлургия, 1975, с. 183.

68. Ицкович Г.М. //Сталь, 1973, № 7, с. 590 616.

69. Kiessling R., Nordberg Н. Production and application of clean steels. L., Iron and Steel Institute, 1972, p. 179-185.

70. Fuchs A., Taffner K., Krisch A. e. a. Archiv fur Eisenhuttenwesen. 1975, Bd 46, №2, S. 127-136.

71. Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М.: Металлургия, 1977, с. 327.

72. Колла У., Кройцер Г., Райхенштейн Э. //Черная металлы. 1977, № 8, с. 12-23.

73. Buhler Н. Radex-Rundschau. 1975, № 3, S. 464-480; № 4, S. 485-513/

74. Korchynsky М., Stuart Н. In: Symposium on Low Alloy High Strength ' Steels. Nuremberg, May 21-23, 1970, Dusseldorf, 1971, p. 17-27.

75. Лагнеборг P., Экелунд С., Верлефорс Т. //Сб. "Чистая сталь", Труды второго международного симпозиума по чистовой стали. М.: Металлургия, 1987, с.42-59.

76. Фонштейн Н.М. //МиТОМ, 1978, № 2, С. 18 22.

77. Кодэасу И. //Влияние сульфидных включений на пластичность и вязкость конструкционных сталей. Тэцу то хаганэ, 1975, т. 61,с. 78-101.

78. Forstes Е., Klapdar W., Richter Н., Rommerswinkel H.W. et al. Stahl und Eisen. 1974, Bd 94, N 11, S. 474.

79. Wilson W.G., Wells R.G. Metals Progress. 1973, vol. 104, p. 75.

80. Tamamoto, Sasaki, Nashiwa, Sugita, Mori. Tetsu to Hagane, 1977, №63, p. 2110.

81. Takenouchi, Suzuki. Tetsu to Hagane, 1977, № 63, p. 1653.

82. Okamoto K., Shiloh S. Nippon Steel Technical Report, 1973, № 273, p. 220-280.

83. Baker T.J., Charles J.A. Effects of second phase particles on the mechanical properties of steel. The Iron and Steel Institute, London. 1971, p. 79.

84. Andrews K.W., Brooksbank D. Journal of Iron and Steel Institute. 1972, vol.210, p. 765.

85. Paul S.K., Chacrabatry A.K., Easu S. Metallurgical Transactions. 1982, vol. 13B,p. 185.

86. Paul S.K., Chacrabatry A.K., Easu S. Transactions of the Indian Institute of Metals. 1986, vol. 39, p. 219.

87. Явойский В.И., Свяжин А.Г. и др. В кн.: Взаимодействие газов с металлами. М.: Наука, 1973, с. 98-108.

88. Григорян В.А., Белянчиков JI.H., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1979,с. 271.

89. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975.

90. Михайлов Г.Г., Байбуленко Б.П. //Известия вузов. Черная металлургия, 1981, № 8, с. 37-39.

91. Олетт М., Гателье С. //Сб. "Чистая сталь", Трудывторого международного симпозиума по чистовой стали. М.: Металлургия, 1987, с.128-143.

92. Кудрин В.А., Парма В.Н. Технология получения качественной стали. М.: Металлургия, 1984.

93. Михайлов Г.Г., Тюрин А.Г. //Известия АН СССР. Металлы. 1984, №4, с. 10-15.

94. Ohno T., Takana S. Transaction of ISIJ, 1980, vol. 20, № 12, p. 748.

95. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1984, с. 320.

96. Harvey D.C. La coulee continue d'aciers calmes a l'aluminium. Revue de Metallurgie, CIT, Mai, 1986.

97. Тарди П. Использование комплексной системы для оценки неметаллических включений. //Сб. "Чистая сталь", Труды второго международного симпозиума по чистовой стали. М.: Металлургия, 1987, с.9-18.

98. Виноград М.И., Громова Г.П. Включения в легированных сталях. М.: Металлургия, 1971, с. 216.

99. Иохансон С. Как осуществлять количественную оценку чистоты стали. //Сб. "Чистая сталь", Труды второго международного симпозиума по чистовой стали. М.: Металлургия, 1987, с.9-18.

100. ГОСТ 1778-70, "Металлографические методы определения Неметаллических Включений", М.: Издательство стандартов, 1970.

101. Приборы и методы физического металловедения. Т. 2, ' М.: Мир, 1974, с. 363.

102. Slag atlas, 2nd edition; 1995, Düsseldorf, Verlag Stahleisen.

103. Шанк Ф.А. Структуры двойных сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1973, с. 760.

104. Glasser F.P. and Marr J. //Trans. J. Br. Ceram. Soc., 1975, v.74, p. 113-119.

105. Beskow K., Jia J., Lupis C.H.P., Sichen Du. //Ironmaking and Steelmaking, 2002, vol. 29, № 6, p 427-435.