Введение к работе
Актуальность работы. Производство современных изделий для энергетического и тяжелого машиностроения зависит от решения проблемы изготовления высококачественных крупных слетков. Как известно, с увеличением массы слитков увеличивается время их затвердевания, что приводит к более сильному развитию дефектов кристаллизационного характера. Современный уровень технологии производства крупных слитков зачастую не отвечает требованиям к качеству стали по загрязненности неметаллическими включениями и степени развития внецентренной химической неоднородности. Скопление неметаллических включений и особенно шнуры внецентренной ликвации значительно енпглют качество изделий и могут привести к их разрушению. Решение этой проблемы требует углубленного изучения механизма их образования и изыскания более действенных и приемлема мєтодое воздействия на процессы формирования дефектов, свя-заюшх с этими явлениями.
Большой вклад в разработку механизмов развития макро- и микрохимической неоднородности и способов их подавления внесли В.А.Ефимов, В.И.Явойсгаїй, Б.Б.Тагеев, В.Т.Борисов, Б.Чалмерс, Симе, Даль, М.Флеминге, Ю.Б.Кряковский, Б.С.Дуб и др. Однако исследования в этой области не привели к созданию единой концепции образования в слитке микроликвации, развитие которой в большой мере характеризуется образованием неметаллических включений, и макроликвацпи, одним из наиболее опасных проявлений которой являются ликвационнке пшуры.
Общим для всех гипотез образования неметаллических включе-іпій, в том числе сульфидов, является признание существенной роли кислорода, растворенного б стали. Накопленные экспериментальные данные по образованию и развитию шнуров наиболее полно описываются теорией их образования по механизму зонной плавки с температурным градиентом (ЗПТГ).
С учетом этих полоханий наиболее существенным представляется разработка комплексного подхода к изучению влияния раскисления стали на процессы формирования макро- и микрохимической неоднородности в слитке и их взаимосвязи.
Изучение указанных вопросов необходимо для создания технологических приемов, обеспечивающих уменьшение степени развития в слитке дефектов макро- и макрохимической ликвации, что определяет актуальность работы.
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния раскисления на формирование сульфидных включений и развитие шнуров внецентренной ликвации и разработка на основе установленных занисимостей технологии производства крупных кузнечных слитков повышенного качества.
Научная новизна. Предлояен механизм влияния активности кислорода на формирование и тип сульфидных включений, основанный на том, что кислород является более поверхностно активным элементом, чем сера. Б связи с этим динамика накопления серы в ден-дртітной ячейке в процессе кристаллизации слитка зависит от активности кислорода в ней.
Разработана новая методика моделирования процесса развития шнуров, позволяющая исследовать условия образования шнуров, скорость продвижения начальной зоны, влияние теплофизических, структурных и химических факторов на эти процессы. Впервые в лабораторных условиях на небольших массах металла получены ликва-ционные образования идентичнее по своим морфологическим признакам шнурам внецентренной ликвации в промышленных слитках.
Исследовано влияние раскисления на образование начальной зоны шнура и ее продвижение. Установлены факторы, определяющие устойчивость и скорость развития шнуров: термодинамический фактор, определяемый соотношением активности элементов, кинетичес-
щи фактор, определяемый коэффициентами ыассопереноса в осях и лежэсшх участках, и структурный фактор, определявши соотношением доли осей и мекоскьк участков.
Выявлена взаимосвязь «езду развитиыл микронеодаородности (количеством и типом сульфидов) и макронеоднородности (развитием шуров). Условия образования начальнюс зон шнуров и юс развития с гочки зрения термодинамики аналогичны условиям образования суль-Идов второго типа. С увеличением количества, размеров и доли ;уль<ридов второго типа возрастает вероятность образования шнура и устойчивость его развития.
Определена роль алюминия а кремния в процессе образования зульфидоз и шнуров. При этом показано, что эти раскислители воздействуя на термовременные параметры кристаллизации стали и активность кислорода в ней, оказывают существенное влияние на формирование первичной кристаллической структуры, морфологию, тип и количество сульфидов и образование шнуров, определяя скорость их роста.
Экспериментально определены в стали 25Х2Н*Й>А с различным содержанием серы и степенью раскпслекности скорости продвнкения начальной зоны шнура, рассчитаны коэффициенты массэперекоса в шнуре и определен порядок толщины диффузионного слоя на границе шнур-Аіагрида. Возрастание содержания серы в стали и степени ее раскис-ленности приводит к увеличении скорости продвижения начальной зоны шнура.
Практическая значимость. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований влияния раскисления на формирование сульфидов и ликвадионнше шнуров разработана комплексная сталеплавильная технология производства крупных кузнечных слитков ,цля роторных сталей, обеспечивающая минимальное развитие микро- и макрехимической неоднородности в металле. Ключевым але-
ментон этой технологии является обеспечение в затвердевающем металле оптимального уровня активности кислорода путем вакуумного углеродного раскисления стала с регламентируемым содержанием в ней раскаслителей (кремния не более QJ%, алюминия менее 0,QI%).
Внедрение технологии на заводе "Энергомаиспецсталь" позволило существенно повысить качество стала 25Х2Ш.ФА для производства роторов и турбин мощностью до IC0C іівт на ПО ХТЗ. Изготовлены диски, хвостовики для роторов турбин, металл которых характеризуется равномерный распределением сульфидов благоприятной формы и низкой степенью развития внецентренной ликвации. Материал изделий отличается высокими физико-механическими свойствами и большой степенью их изотропности.
На ПО "Ижорский завод" результаты работы позволили оптимизировать технологию производства слитков массой свыше 200 т и повысить качество заготовок из них.
Суммарный долевой экономический эйрект от внедрения результатов работы на ПО "Иаорский завод" и на заводе "Энергомасспец-стъль" составил 350 тыс.руб/год.
Структура и объем работы, диссертация изложена на 235 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 147 наименований и приложения, содержит 22 таблицы и 71 рисунок.