Повышение качества конструкционной стали за счет совершенствования технологии рафинирования с применением РЗМ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Абденасер, Бусиф

• Абденасер, Бусиф
• 1985

Оглавление диссертации Абденасер, Бусиф

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ РАСКИСЛЕНИЯ

И РАФИНИРОВАНИЯ СТАЛИ.

1.1. Существующие взгляды на термодинамику и кинетику раскисления . ^

1.1.1. Растворение и распределение раскислителей в объеме расплава. ^

1.1.2. Реакция взаимодействия раскислителя с кислородом.

1.1.3. Зарождение продуктов раскисления. II

1.1.4. Удаление неметаллических включений и их переход в шлак.

1.1.5. Образование и удаление скоплений неметаллических включений.

1.1.6. Переход неметаллических включений через границы раздела фаз металл-шлак и их поглащение шлаковым расплавом.

1.1.7. Вторичное окисление при выпуске и разливке -дополнительное образование неметаллических частиц в стали.

1.2. Применение РЗМ для раскисления и микролегирования стали.

1.2.1. Неметаллические включения РЗМ в промышленных сталях.

1.2.2. Удаление неметаллических включений РЗМ из стали.

1.2.3. Влияние вторичного окисления на природу неметаллических включений РЗМ.

1.3. Внепечные методы борьбы с неметаллическими включениями и другими вредными примесями.

1.4. Выводы и постановка задачи.

2. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

РЗМ В КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ II0F

2.1. Методика проведения опытов.4

2.2. Полученные результаты и их обсуждение.4

2.2.1. Оксидные включения в системе Ге^О—РЗМ. 4

2.2.2. Оксисульфидные и сульфидные включения в системе Fe -0- S - РЗМ.

3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ В КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ПО Г ПРИ ВВЕДЕНИИ РЗМ.

3.1. Расчет условий образования оксидов церия.

3.2. Влияние кислорода на выделение сульфидной фазы.

4. РАФИНИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ ОПЕРАЦИЙ ШЛАКОВОЙ ОБРАБОТКИ И ВВЕДЕНИЯ РЗМ.

4.1. Методика проведения опытов.

4.2. Результаты экспериментов и их обсуждение.

4.3. Методика проведения экспериментов по рафинированию стали шлаковыми смесями.

4.4. Результаты экспериментов и их обсуждение.

4.5. Рекомендации по совершенствованию внепечного рафинирования конструкционной стали типа II0F.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества конструкционной стали за счет совершенствования технологии рафинирования с применением РЗМ»

Основной задачей, стоящей перед алжирской металлургией является существенное повышение качества выплавляемой стали.Прежде всего это относится к конструкционному металлу, который пока еще не удовлетворяет требования потребителей по эксплуатационным характеристикам. Используемые в настоящее время технологии выплавки этих марок стали в дуговых электропечах и особенно внепечного рафинирования не обеспечивают необходимой чистоты металла по таким вредным примесям как кислород, сера и неметаллические включения, во многом определяющих качество готовой металлопродукции, Рост требований к свойствам стали всегда опережает развитие технологических приемов, направленных на повышение чистоты металла. Вследствие этого существует необходимость дальнейших изысканий эффективных способов рафинирования стали и снижение вредного влияния примесных элементов, проведения детальных исследований образования и удаления неметаллических включений.В этой области накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал. Однако, несмотря на значительный прогресс в теории и практике раскисления и рафинирования стали, металлурги все еще не могут в полной мере управлять процессами формирования и удаления продуктов раскисления, прогнозировать состав, количество, форму и размеры неметаллических включений. Это связано прежде всего со сложностью и многостадийным характером протекания процессов выделения и удаления неметаллической фазы, с применением широкого спектра комплексных раскислителей, десульфирующих и модифицирующих микродобавок.В настоящее время при производстве стали широко применяются высокоактивные элементы такие, например, как редкоземельные ме- 4 таллы, обладающие высоким сродством к кислороду, сере и другим примесям. Благоприятное воздействие редкоземельных металлов на природу, форму и размер неметаллических включений общепринято.Однако условия выделения и удаления различных типов частиц редкоземельных элементов пока до конца не изучены, а количество, способ и место ввода этих металлов часто подбирают эмпирически. Все сказанное выдвигает перед металлургами новые проблемы, требующие более глубокого проникновения в природу процессов раскисления, легирования и рафинирования металла, Повышение качества металла во многом связано с дальнейшим совершенствованием внепечных методов обработки стали. Б частности это относится к шлаковой обработке металла при выпуске и разливке. Как показывают предыдущие исследования, здесь имеются еще значительные резервы повышения эффективности рафинирования стали от кислорода, серы и неметаллических включений.Б свете изложенного настоящая работа посвящена дальнейшему теоретическому и экспериментальному исследованию процессов, протекающих при раскислении и легировании металла, и совершенствованию на этой основе технологии внепечного рафинирования конструкционной стали.В первой главе рассмотрены современные представления о термодинамике и кинетике процессов раскисления стали, применение редкоземельных металлов в черной металлургии, и методы борьбы против вредных примесей в стали, в том числе и неметаллические включения.Во второй главе обсуждаются экспериментальные данные, полученные при изучении условий выделения различных типов оксидных, оксисульфидных и сульфидных частиц РЗМ как в конструкционной стали, так и в железе.В третьей главе проведены расчеты кривой раскисления РЗМ - 5 в конструкционной стали, последовательности реакций образования оксидов, сульфидов и оксисульфидов РЗМ и, наконец, расчет кривых сульфидообразования при различных содержаниях кислорода в конструкционной стали при вводе РЗМ, В четвертой главе приведены результаты лабораторных экспериментов по рафинированию конструкционной стали от кислорода, серы и неметаллических включений при совместной обработке ее синтетическими шлаками и одновременным вводом РЗМ. По результатам приведенных исследований имеются две публикации. Материалы работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научной конференции " Современные проблемы электрометаллургии стали" (г. Челябинск, 1984 г.).Работа выполнена на кафедре электрометаллургии стали и ферросплавов Московского института стали и сплавов. - б

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Абденасер, Бусиф

1) с использованием методики встречной диффузии реагентов детально изучены условия выделения неметаллических включений при введении РЗМ в расплавленное железо и конструкционную сталь типа Н О при различных соотношениях концентраций кислорода и серы.Установлено, что в стали, предварительно раскисленной алюми нием, РЗМ интенсивно взаимодействуют с глиноземными частицами, существенно изменяя их состав, форму и размер. Показано, что ха рактер включений редкоземельных металлов зависит прежде всего от исходных содержаний кислорода и серы в металле. Чисто оксидные частицы образуются только при отношениях '• yfs]>6. Во всех дру гих случаях наряду с этими включениями в стали обязательно присут"-

ствуют оксисульфиды и сульфиды РЗМ.

2) Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден ме ханизм образования и распада крупных (до 100-150 мкм) жидких гло булярных оксидных включений. Он связан с расслоением исходного расплава при введении РЗМ на две жидкие фазы: продукты раскисле ния с высоким содержанием кислорода, РЗМ и железа и раскисленный металл. В процессе охлаждения и кристаллизации стали такие оксид ные глобули распадаются по монотектической реакции на металличес кую матрицу и мелкие частицы типа РЗМ^^О^ , наблюдаемые в готовом металле. Подобный механизм образования оксисульфидных и сульфид ных включений подтвердить не удалось.3) Результаты проведенных термодинамических расчетов условий образования различных типов включений при введении в конструкцией^ ную сталь РЗМ позволили установить концентрационные интервалы и последовательность выделения различных по составу неметаллических

частиц (продукты взаимодействия РЗМ с серой и кислородом). Прак тически при всех концентрациях кислорода независимо от исходного соотношения '• y[s] первыми в расплаве должны зарождаться оксид ные включения, оксисульфидные включения, а затем на них, как на готовых подложках, преимущественно образуются сульфидные частицы.При этом с повышением содержания кислорода в расплаве выделение чистых сульфидов РЗМ затрудняется.4) Б лабораторных условиях обработаны различные варианты ра финирования конструкционной стали IIOF с применением РЗМ. Пока зано, что при их введении в предварительно раскисленную алюмини ем сталь металл несколько очищается от кислорода и серы. Однако нижняя часть слитка в этом случае загрязнена включениями РЗМ. Эффективным способом рафинирования стали от указанных примесей является совмещение шлаковой обработки с одновременным раскисле нием РЗМ. Наилучшие результаты получены при использовании извест ково-глиноземистого шлака и шлака, содержащего 50% плавикового шпата и 50% электрошлака восстановительного периода. Б этом случае удалось существенно очистить металл от кислорода (0,002 * 0,00ед и серы (0,004 f 0,006%), что позволило повысить ударную вязкость металла в 1,5 раза по сравнению со сталью, предварительно раскис ленной алюминием с добавкой РЗМ, и в 2 раза при раскислении одним алюминием.5) Методом ЭДС с твердым электролитом проведено одновременно измерение окисленности металлической и шлаковой фазы в процессе шлаковой обработки с раскислением. Установлено, что даже при на личии сильно развитой поверхности контакта металл-шлак за время обработки (до 20 минут) равновесие по кислороду не достигается.Уровень окисленности стали остается заметно выше уровня окислен• - н а нести рафинировочного шлака.6) На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований сделаны рекомендации по совершенствованию технологии внепечного рафинирования конструкционной стали типа Н О р , вклю чающей предварительное раскисление металла алюминием и последую щую его шлаковую обработку в ковше или в изложнице с одновременным вводом РЗМ (на 0,1% от массы стали). Опробование данной технологии в лабораторных условиях позволило существенно повысить чистоту и качество готового металла,

Список литературы диссертационного исследования Абденасер, Бусиф, 1985 год

1. Ицкович Г.М. " Неметаллические включения в стали" (дискуссия).Сталь, 1973, №7, с.590-616.

2. Лихман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. "Физико-химическая механика" АН СССР, I960.

3. Ростовцев Л.И. в сб. рефератов симпозиума " Свойства жидкихметаллов" Инст. им. А.А.Байкова АН СССР, 1967, с . И З . 7. Ски

4. Эллиот Д., Глейзер М.,Рамакришна В. "Термохимия сталеплавильных процессов". Пер с англ. М., Металлургия, 1969, с.252 с ил. 1.. Куликов и.с. "Раскисление металлов", М., Металлургия, 1975, с.182.

7. Куликов И.О. "Термодинамика процессов раскисления железа и егосплавов", в кн. - "Физико-химические основы процессов производства стали", М., Наука, 1979, с.65.

8. Плекинтер E. , Вальстер M. "Проблемы современной металургии".М., АН СССР, I960, №6, C.82-I02. 21» ?)OGdoM4 U, Mevjer W - ' ' "Z^r K\Y^<г•\-lк d?.r l)e£,oxv^cla\ioY\ \e.r - 115

9. Фрейкель Я.И. "Кинетическая теория жидкостей". Л., Наука,1975, с . 592 с ил.

11. Попова З.А., Ленинских Б.М. "Зарождение и рост неметаллических включений в подшипниковой и трубной стали". Изв.вузов. Черная металлургия, I98I, № 4, с. 10-14.

12. Мчедлишвили В.А., Гонгадзе Г.А., Самарин A.M. "Исследованиепроцесса зарождения оксидов в жидком железе при раскислении и " . Изв. АН СССР. Металлы, 1972, №5, с.10-20.

14. Включения и газы в сталях./ В.Й.Явойский, А.Близнюков,А.Ф.Вишкарев и др/ М., Металлургия, 1979, с.272.

15. Явойский Б.И., Вишкарев А.Ф. "Зарождение и формирование неметаллических включений в металлическом расплаве", Изв.вузов. Черная металлургия, 1980, № I I , с,13-16.

16. Дрозин А,Д., Рощин В.Е., Поволоцкий Д.А. "Кинетика зарождения новой фазы в результате химического взаимодействия компонентов в растворе" - Изв. АН СССР. Металлы, 1977, te 5, с.97-103.

17. Уразова В.А., Виноград М.й., Крылова Л.М. - Известия ;АН СССР, Металлы, 1972, № I, 0.38-41.

18. Виноград М.И., Громова Г.П. "Включения в легированных сталях и сплавах". М., Металлургия, 1972, с.216 с ил.

19. Менделев В.А., Уточкин Ю.И., Григорян В.А. " К анализу кривой раскисления". Изв.вузов. Черная металлургия, 1980, Ш, с.40-44.

20. Фредриксон X., Хиллерт М. "Образование сульфидов марганцаи железа при кристаллизации стали". - В кн.: Рафинирование и кристаллизация стали: сб. докладов П Советско-Шведского симпозиума. Ч.П.М., 1974, с.425-472.

21. Поволоцкий Д.А. "Раскисление стали", М., Металлургия, 1972,с.207 с ил.

22. Минаев Ю.А. "Поверхностные явления в металлургических процессах", М., Металлургия, 1984, с.90 с ил.

23. Плекингер Е., Вальстер М. "Исследование процессов образования и удаление продуктов раскисления". Черные металлы, I960, т.80, с.659-669.

24. Мчедмшвили Б.А., Мушкудиани З.А., Самарин A.M. "Изменениесодержания кислорода и морфологии включений при раскислении железа", Изв. АН СССР. Металлы, 197I, № I, с.70-75.

25. Поволоцкий Д.А., Кожурков Б.А. В кн.: "Поверхностные явленияв расплавах", Киев, Наукова Думка, 1968, с.472-475. - 118

26. Григорян Б.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. В кн.: "Теоретические основы электросталеплавильных процессов", М., Металлургия, 1979, с.147.

27. Попель СИ. , Хлынов В.В., Дерябин А.А. "Физико-химическиеосновы металлургических процессов", 1973, с.308 с ил.

28. Дерягин Б.В. "Всплывание твердых включений в жидкой стали",Изв. вузов, 1984, № 2, с .1-2.

29. Минаев Ю.А., Уточкин Ю.И., Григорян Б.А. "Влияние устойчивости металлических пленок на удаление жидких продуктов раскисления", в кн.: Физическая химия поверхности расплава (ин-т металлургии АН Груз.ССР), Тбилиси, Мецниереба, 1977, с.89-95.

30. Хлынов Б.В., Горновой В.А.,Есин О.А. "Кинетика перехода неметаллических включений через границу металл-газ".Изв.вузов Черная металлургия, 1970, № 5 , с. 9-14.

31. Хлынов Б.В., Горновой Б.А.,Малышева Л.Б. В сб.: Смачиваемостьи поверхностные свойства расплавов и твердых тел. Наукова думка, 1972, 0.296.

32. Уточкин Ю.И., Минаев Ю.А., Григорян В.А." Экспериментальная- 119 оценка устойчивости жидких пленок на неметаллических включений", Изв.вузов. Черная металлургия, 1974, с.73-75.

33. Явойский В.И., Юдина В.М. "Теория и технология новых процессовв производстве стали", М.,Металлургия, 1968, с,25.

34. Хасегава М.,Мори Т. "Изучение окисления раскислителей во взвешенном состоянии", Б кн.: Физико-химические основы металлургических процессов". Труды Советско-Японского симпозиума, М., Наука, 1969, с.102.

35. Араки Т. , Ода М., Ишимура "Влияние состава шлака на растворение твердого глинозема, в кн.гПроцессы раскисления и образования неметаллических включений в стали. Сб.докладов на У Советско-Японском симпозиуме. М.,Наука, 1977, с.190-196.

36. Лузгин В.П.,Явойский В.И. "Газы в стали и качество металла",М.,Металлургия, 1983, с.106 с ил.

37. Явойский В.И.,Близнюков А.,Горохов Л.С. "Исследование ипути совершенствования процессов производства стали", М., Металлургия, 1970 (МИСиС сб. №62), с.4-17.

38. Явойский В.И., Горохов Л.С.,Капырин B.C. "Факторы, влияющиена вторичное окисление стали при разливке на ШЛЗ", Сталь, 1977, № 3, с.214-219.

39. Купцов Г.В., Явойский В.И. "Образование неметаллических включений при кристаллизации стали". Изв.вузов. Черная металлургия, I97I, Ш 9, с.54-57.

40. V^arr(z\r, Ъ\\с:К?; U\\VvA I^) Л YNc\oc,\'oY s^ or\G>m(qVba(^- 120

41. Савицкий E.M., Терехова Б.Ф. "Металловедение редкоземельныхметаллов", М., Наука, 1975, с.175-182 с ил. 74. "ферросплавы с редко - и щелочноземельными металлами"/ И.В. Рябчиков, Б.Г.Мизин, Н.П.Лякишев, А.С.Дубровин, М.,Металлургия, 1983, с.239.

42. Савицкий Е.М. "РЗМ в жаропрочных сплавах",Изв.АН СССР, Металлургия и топливо, ОТН, I960, Ш 5,

43. Кнюппель Г. "Раскисление и вакуумная обработка стали",частьП. Пер. с нем. Еланским Г.Н. М., Металлургия, 1984, с.95.

45. Крешановский H.C., Сидоренко М.Ф. "Модифицирование стали",М.,Металлургия, 1970, с.296 с ил.

46. Гасик М.И,, Елшин Б.И. "Электрометаллургия ферросплавов"(Теория и технология получения ферросплавов), Киев, Вища школа, 1983, с.282.

47. Неймарк В.Е. "Модифицированный стальной слиток",М.,Металлургия, 1977, с.173.

48. Василенко Й.И.,Мехелов Р.К. "Коррозионное растрескиваниесталей",Киев, Наукова Думка, 1977, с.264. 91 . Кащик В.А.,Штерн Л.Б. "Редкоземельные металлы, сплавы и соединения", М., Наука, 1973, с.190-191.

49. Способы обработки электростали РВЭ / Обзорная информация, М.,Черметинформация, 1978, Сер.20, вып.1, с.22. - 122 ^ 93. ^ялА<1г

50. Поволоцкий Д.Я., Шелгаев Ю.Н.'^ Влияние РЗМ на характер неметаллических включений в высоколегированной стали", Изв. вузов, Черная металлургия, 1969, № 10, с,51-55.

51. Ершов Г .С , Бычков Ю.Б. "Свойства металлургических расплавов и их взашюдействие в сталеплавильных процессах" М., Металлургия, 1983, с.124-127.

52. Уточкин Ю.Й., Григорян В.А. "К вопросу об удалении неметаллических включений из стали". Изв. вузов, I98I, Ш 3, с.4-6.

53. Кудрин В.А., Парма В. В кн.; "Технология получения качественной стали", М., Металлургия, 1984, с.78-79.

54. Аверин Б.В., Лопухов Г.А.Направления исследований в металлургии.-Вкн,: Теория металлургических процрссов: Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. М., 1978, т .4 , с.6-99.

55. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов, T.I и 2 .М., Металлургиздат, 1962 - с.1488 с ил.

57. Гаревских И.A., Шульте Ю.А., Ельцов К . С , Антиненко Г.И,Влияние типа неметаллических включений в подшипнжовой стали на долговечность подшипников. - Бюл. ЦИИНЧМ, 1972, № 12, с.54-55.

58. Неметаллические включения и служебные свойства стали.- В кн. :Электрошлаковый металл/ Б.М.Медовар, Л.М.Ступак, Г.А.Бойко и др . / Наукова думка, I98I, с.134-141.

59. Шалимов А.Г. Исследование ассимиляции неметаллических включений и поглощения кислорода из металла систетическим шлаком.В кн.: Теория металлургических процессов: Сб.трудов ЦНИИЩ. М., 1976, ВЫП.50, с.76-84.

60. Кобзистый Б.В.,Подвигин В.Н., Уточкин Ю.И.,Егоров В.Г. Технология выплавки стали.35ХМФ-Л.- Рефератмный сборник НйййнформатЯКмаш, серия 9 (Технология, организация и механизация литейного производства), 1977, №21, с .5-7.

61. Павлов А.В. - Повышение эффективности шлаковой обработкистали на основе изучения нестехиометричности шлаковых расплавов методом ЭДС. Диссертация на соискание степени канд.техн, наук, МИСиС, 1984.

62. Геллер Ю.А.,Рахштадт А.Г. "Материаловедение" (Методы анализа, лабораторные работы и задачи). М., Металлургия, с.128131.

63. Бюллетень института -"Черметинформация", 1967, №9, с,26-28/- 126 А.М.Левин, В.А.Вершинин, В.Е.Пашенко и др.

64. Куслицкий А.Г. Неметаллические включения и усталость стали,Киев, Техника, 1976, с.128.

65. Самсонов А.Н.,Гаревских И.А.,Цивирко Э.й. Влияние конечного раскисления на природу и количество неметаллических включений в стали ШХ15 и долговечность подшипников. Инструмент и подшипниковые стали, 1973, вып.1, с.92-101.

66. Ir- Кириллова Н.И., Уточкин Ю.И., Григорян В.А. Выбор составовлегкоплавких шлаковых смесей для разливки стали сверху, информационный листок НИЙИНФОРМТЯШЛАШ, Ш 090-78, М.,1978.

67. Уточкин Ю.И., Кобзистый В.В.,Григорян В.А. Комплекснаявнепечная обработка волковой стали. БЕШ.инст."Черметин$ормация", 1983, № 24, с.32.