Введение к работе
Актуальность темы
Процессам раскисления расплавов, анализу неметаллических включений и исследованиям их влияния на свойства стали посвящено множество работ. Однако, практически в любой проблеме всегда остаются неразрешенные вопросы, актуальность которых со временем не исчезает.
Тема металлургического качества металла, получения сталей с заданными свойствами н сегодня является одной из самых важных и обсуждаемых. Настоящая работа посвящена исследованию растворимости кислорода в расплавах Fe-St, процессам раскисления стали и развитию метода фракционного газового анализа. Известно, что кремний является основным раскнелнтелем в сталеплавильном производстве при выплавке многих марок сталей, а также важным легирующим элементом в электротехнических сталях. Наличие минимума на кривых раскисления было экспериментально установлено для большинства раскисл ителей, таких как хром, алюминий, титан и др. Для системы Fe-Si-O получены весьма противоречивые данные, не позволяющие сделать однозначные выводы по данному вопросу. Поэтому в работе Была подробно изучена растворимость кислорода в система Fe-Si.
Известно, что оксидные включения вызывают различного рода дефекты стали, например, контактно-усталостные (рельсовые, колесные), обрывы метало корда, дефекты поверхности (нержавеющие стали) и т.д. Однако, если в одних сталях оксидные включения крайне вредны, то в других — являются необходимыми. Так, технология производства анизотропной электротехнической стали включает в себя процесс обезуглероживающего отжига холоднокатаной полосы, в результате которого в приповерхностном слое металла образуется дисперсная оксидная фаза. Такая зона внутреннего окисления способствует получению сплошных грунтового и электроизоляционного покрытий на следующих стадиях процесса производства.
Для контроля металлургического качества стали необходимы сведения не только об общем содержании кислорода, но и о его формах нахождения в металле. В настоящее время количественный анализ оксидных неметаллических включений в сталях методом восстановительного плавления при линейном нагреве в потоке газа-носителя (фракционный газовый анализ (ФГА)) находит асе более широкое применение. Как показали последние исследования, ФГА позволяет дифференцированно определять распределение кислорода во включениях для сталей, раскисленных алюминием и кремнием. В частности, были раздельно определены силикатные и алюминатные формы кислорода в углеродистых сталях (например, IIIX-1J). Тем не менее, для кремнистых и нержавеющих сталей возможность вещественного анализа на кислород методом ФГА не исследовалась.
Сведения о формах кислорода могут помочь определить источники происхождения тех или иных оксидных включений, например, являющихся продуктами реакций раскисления, а также образовавшихся в результате процессов разрушения огнеупоров, эмульгирования синтетического шлака или вторичного окислення, приводящего к формированию облачных скоплений оксидных частиц в металле.
Цель работы
Определение растворимости кислорода в расплавах Fe*Si во всей концентрационной интервале при 1873 К посредством прямых измерений и термодинамического расчета.
Развитие метода фракционного газового анализа для определения форм присутствия кислорода в сталях, легированных хромом и кремнием.
-Физико-химический анализ и оптимизация технологии раскисления колесной стали.
Методы исследования
Оксидные включения изучали метолами восстановительного плавления в потоке газа-носителя на газоанализаторах ТС-43 6 и ТС-600 фирмы "Leco" (фракционный газовый анализ), оптической металлографии на микроскопе "Olympus" РМЕ-3, оснащенном цифровой видеокамерой и анализатором изображения Inclusion Expert фирмы "Leco", и на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss LEO 43 Oi с энергодисперсиокныы рентгеновским микроаналкзатором. Анализ зоны внутреннего окисления в электротехнической анизотропной стали проводили на спектрометре тлеющего разряда SA-2000 фирмы "Leco".
Научная новизна
В работе были получены следующие новые результаты:
- В расплавах Fe-Si прямыми измерениями и термодинамическим расчетом определена
растворимость кислорода в равновесии с SiOj в интервале концентраций от 0,1 до 100 мзсс.%
Si при 1873 К. Показано, что изотерма растворимости кислорода имеет как минимум, так и
максимум. Установлено, что коэффициент активности кислорода имеет знакопеременные
отклонения от аддитивного поведения: положительные - в богатых железом расплавах и
отрицательные — в расплавах на основе кремния. Рассчитаны значения параметров
взаимодействия Вагнера (s^jy. н ведзд).
Исследовано влияние скорости нагрева и содержания кремния на концентрацию углерода а аналитических образцах карбонильного железа и сплавов Fe-Si при анализе методом восстановительного плавления в потоке газа-носителя.
Разработана методика фракционного газового анализа сталей, легированных кремнием и хромом. Показана возможность количественного определения основных фаз, входящих в состав зоны внутреннего окисления анизотропной электротехнической стали.
- Термодинамическим расчетом и промышленными экспериментами показана
эффективность использования различных раскислителей при анепечной обработке колесной
стали.
Практическая ценность работы
Промышленные исследования на ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат* показали, что разработанная методика фракционного газового анализа позволяет проводить контроль окисленного слоя в анизотропной электротехнической стали, а также может быть использована для отладки технологии ее производства.
Прн помощи методики ФГА проведена оптимизация технологии раскисления колесной стали на ОАО "Выксунскнй металлургический завод*. Установлено, что причиной дефектов стали по ультразвуковому контролю является вторичное окисление металла при разливке.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены в обсуждены на: Всероссийской конференции по аналитической химии 'Аналитика России" (Москва, 2004 г.). Сто двадцатой ежегодной межведомственное Рельсовой комиссии (Магнитогорск, 2004 г.), Конференции молодых сотрудников и аспирантов Института металлургии и материаловедения им. А.А, Байкова РАН (Москва, 2004, 2005 гг.), I Всероссийском научно-техническом семинаре "Неметаллические включения в рельсовой стали* (Екатеринбург, 2005 г.), VIII Китайско-Русском Симпозиуме по новым материалам и технологиям (Гуанжоу, 200S г.), К международном Конгрессе сталеплавильщиков (Старый Оскол, 2006 г.).
Публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах. Объем и структура диссертации
Диссертация состоит го введення, трех глав, выводов, списка цитируемой литературы н приложений, а также содержит 126 страниц печатного текста (кроме того 6 приложений на 34 страницах), 52 рисунка и 18тяблнц. Список литературы включает 109 источника
В первой главе проведен термодинамический анализ процессов раскисления железа кремнием. Во второй главе рассмотрены методические аспекты фракционного газового анализа и показана возможность его использования для количественного определения оксидной фазы в сталях, легированных кремнием и хромом. В третьей главе проведен физико-химический анализ технологии раскисления колесной стали н ее оптимизация в условиях ОАО "ВМЗ" при помощи метода ФГА,
