Введение к работе
Актуальность работы. Решение вопросов рационального раскисления и легирования сталей имеет большое значение с точки зрения управления качеством металла, а также экономии материалов и более полного усвоения легирующих. Огромную роль при этом играют вопросы формирования неметаллических включений определенной формы и состава. И наибольший интерес представляет исследование закономерностей протекания химических реакций в кристаллизующемся металле, поскольку фазы, образующиеся в жидком металле, могут быть удалены из расплава различными технологическими приемами.
Тем не менее, непосредственное изучение этих процессов даже для простейших трехкомпонентных сплавов в значительной степени затруднено. Теоретический же анализ значительно подробнее разработан с точки зрения теплофизики и кинетики. Собственно термодинамические исследования зачастую отличаются произвольным выбором типа кристаллизационных включений, поскольку не опираются на диаграммы фазовых равновесий, реализующихся в металле в интервале температур кристаллизации. В свою очередь, разработку подобных диаграмм сдерживает недостаток термодинамических данных для реакций образования неметаллических фаз из компонентов твердого металлического раствора и параметров взаимодействия элементов в твердом железе.
Поэтому весьма- актуальными представляются разработка единых принципов термодинамического анализа фазовых равновесий, реализующихся в твердо - жидком металле, построение диаграмм состояния кристаллизующихся систем и применение результатов расчета для анализа процессов фазообразования в реальных металлургических расплавах.
Целью работы являются анализ фазовых равновесий, устанавливающихся в затвердевающем металле, расчет диаграмм состояния соответствующих систем и решение на этой основе конкретных задач экономии легирующих и упразления составом кристаллизационных включений в реальных сталях и сплавах. В связи с этим были поставлены следующие задачи.
1. Разработать принципы термодинамического анализа реакций, про
текающих при затвердевании сплавов.
-
Оценить значения параметров взаимодействия элементов в 5-железе и температурные зависимости констант равновесия для реакций образования неметаллических соединений в твердом металле.
-
Рассчитать координаты фазовых равновесий и построить диаграммы состояния частных систем в интервале температур кристаллизации.
-
Экспериментально установить адекватность разработанной методики.
-
Выполнить термодинамический анализ образования неметаллических включений по ходу кристаллизации сталей Х18Ш0Т и 25ХНЗМФА,
позволяющий выявить пути рационального использования модификаторов и легирующих.
Научная новизна. Разработана универсальная методика, применимая к анализу фазовых равновесий в любых кристаллизующихся металлических системах, для компонентов которых имеются термодинамические данные по реакциям, протекающим в жидком металле, а также установлены координаты линий ликвидус и солидус для двойных систем растворитель-примесь. Получен комплекс диаграмм состояния систем, позволяющий определить последовательность трансформации неметаллических фаз в процессе затвердевания легированных сплавов.
Созданы базы согласованных термодинамических данных и впервые построены диаграммы состояния систем Fe-C-O, Fe-Ti-O, Fe-Cr-O, Fe-Ti-C-O, Fe-Cr-C-0 и Fe-Ti-N-0 для интервала температур кристаллизации. Установлена последовательность трансформации неметаллических фаз в процессе затвердевания сплавов этих систем.
Разработан алгоритм и созданы расчетные программы, с помощью которых для реальных металлургических расплавов определена природа фазовых равновесий, прослежена последовательность трансформации неметаллических фаз и проведены балансовые расчеты процессов перераспределения компонентов между металлической матрицей и включениями, образующимися в процессе охлаждения жидкой стали, а также при ее затвердевании с целью выработки рекомендаций по рациональному использованию легирующих и модификаторов при производстве сталей различных марок.
Практическая ценность работы. Создан комплекс диаграмм состояния трех- и четырехкомпонентных систем на основе кислородсодержащего железа, позволяющих рассмотреть особенности образования включений при кристаллизации легированных сплавов.
Рассмотрены термодинамические аспекты проблемы легирования титаном коррдзионностойких сталей типа Х18Н10Т и Х18Т1. Изучены вопросы изменения химического и фазового состава неметаллических включений в зависимости от колебаний марочного содержания компонентов сталей. Установлены зависимости между расходом титана при легировании и содержаниями углерода, кислорода и азота в исходном расплаве. Подтверждена возможность достижения высоких степеней усвоения титана при дозированном введении его во время разливки.
Рассмотрено влияние изменения состава металла на химический и фазовый состав включений, образующихся при охлаждении и кристаллизации стали 25ХНЗМФА. Оценена возможность модифицирования включений обработкой расплавов стали кальцием. Также установлена связь между концентрациями кальция и серы в жидкой стали 25ХНЗМФА, гарантирующими отсутствие в металле кристаллических сульфидов марганца на момент окончания кристаллизации.
Работа выполнена в соответствии с Межвузовской целевой программой "Металл", раздел 05, пункт 05.02.01, Межвузовской программой научно-исследовательских работ на 1990-1993 годы "Новые ресурсосбере-
гающие технологии", раздел 2.3. "Разработка термодинамических моделей и расчет диаграмм состояния легированных железоуглеродистых систем", а также в рамках гранта 1993 года по фундаментальным проблемам металлургии (конкурсный центр МИСиС, г. Москва).
Публикации и апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 9 статьях. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 30 научно-технических конференциях, основными из которых являются: XI Пленарное заседание семинара "Сталь и неметаллические включения", Донецк, 1980 г.; 1V-V11 Всесоюзные и VIII Всероссийская конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов, Свердловск, 1980, 1983, 1986, 1990, 1994 г.; IV, V Всесоюзные Совещания "Диаграммы состояния металлических систем", Москва, 1982, 1989 г.; V-VII Всесоюзные и VIII, IX Международные научно-технические конференции " Современные проблемы электрометаллургии стали", Челябинск, 1984, 1987, 1990, 1992, 1995 г.; V Всесоюзное Совещание по термодинамике металлических сплавов, Москва, 1985 г.; X научно-техническая конференция по проблемам стального слитка, Киев, 1987 г.; Республиканская конференция "Физико-химические основы производства металлических сплавов", Алма-Ата, 1990 г.; II Всесоюзное Совещание "Базы физико-химических и технологических данных", Курган, 1990 г.; X Всесоюзная конференция по физико-химическим основам металлургических процессов, Москва, 1991 г.; Всесоюзное Совещание " Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии", Новокузнецк, 1991 г.; II международный конгресс сталеплавильщиков, Липецк, 1993 г.; VII Республиканская конференция "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах", Запорожье, 1994 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 189 наименований. Работа содержит 137 страниц основного текста, 88 рисунков и 36 таблиц.