О компанииСтатьиНапишите намНаш адресСправочникРегистрация

Меню

Статьи

Обработка стали AISI 1018 кальциевой проволокой

ОБРАБОТКА В КОВШЕ РАСКИСЛЕННОЙ АЛЮМИНИЕМ СТАЛИ AISI 1018 КАЛЬЦИЕВОЙ ПРОВОЛОКОЙ, АРМИРОВАННОЙ СТАЛЬНОЙ ОБОЛОЧКОЙ

С. Л. Чоу, Ф. С. Шир, П. С. Янг, Ю. И. Куо, В. С. Ванг, В. Ю. Be. Инжекционная металлургия'86: Труды конференции С. 363-372

Были проведены промышленные опыты, в которых раскисленная алюминием сталь AISI1018 обрабатывалась металлическим кальцием, вводимым в ковш в виде проволоки, армированной стальной оболочкой. Степень усвоения каль­ция при 1610 °С составляла 10...12 %. В процессе обработки содержание фос­фора и серы изменялось незначительно, а содержание азота увеличивалось от 0,0008 до 0,0020 % в зависимости от развития реакций на поверхности металла и интенсивности продувки аргоном. Благодаря введению кальция в виде проволоки он присутствовал в металле наряду с алюминием в рас­кисленной алюминием стали и первичные неметаллические включения, обра­зованные в результате раскисления, были легкоплавкими алюминатами каль­ция Химический состав и морфология неметаллических включений в про­цессе охлаждения кристаллизации регулировались путем выявления на­личия алюминатов кальция и количества растворенного кальция. Тип алю­минатов кальция и чистота жидкой стали в промежуточном разливочном устройстве, которые влияют на возможность зарастания металлом отверстия для струи стали, определялись отношением Са/Al. Когда отношение Са/Аl > 0,11, продукты раскисления состояли из СаО·Аl2О3-12СаО·7Аl2О3 и не наблюдалось никаких настылей на внутренней поверхности разливочного ста­кана. Кроме того, количество включений типа MnS резко уменьшалось при Ca/S = 0,7 и для полного их исключения, очевидно, необходимо, чтобы Ca/S > 0,7.

В условиях все возрастающих требований к высококачественным сталям металлургическая промышленность должна поставлять металл по очень жестким техническим условиям, обеспечивающим высокую технологичность при горячей обработке высокую прочность, улучшенную ковкость, сваривае­мость и т. д. Для удовлетворения этих потребностей металлурги должны раз­рабатывать исключительно сложные технологические рафинирующие про­цессы для улучшения чистоты стали по неметаллическим включениям. Кроме того, значительные усилия прилагаются для улучшения качества стали путем изменения формы неметаллических включений и их химического состава [1...6] Когда раскисленная алюминием жидкая сталь продувается аргоном или подвергается циркуляционной обработке в ковше по способу RH, про­дукты раскисления выделяются из металлической ванны и (или) прилипают к огнеупорной кладке ковша. Таким образом, значительно улучшается чисто­та стали по неметаллическим включениям [7, 8]. Однако эти способы удаления неметаллических включений из раскисленной алюминием стали не влияют на морфологию включений, которые осаждаются в металле в про­цессе кристаллизации.

В последнее время в значительном количестве работ сообщалось об улучшении механических свойств сталей, раскисленных алюминием, путем удаления скоплений А12О3 и (или) модификации их морфологии. Из пред­полагаемых способов обработка металла кальцием приобрела исключительную важность [4...6, 9, 10]. Известно, что обработка металла кальцием явля­ется необходимой для а) превращения неметаллических включений уже вы­делившихся в жидком металле, т. е. сфероидизации скоплений глинозема; б) регулирования химического состава и морфологии неметаллических вклю­чений, часть которых остается в металле после кристаллизации. Благодаря этому имеется возможность образования равномерно распределенных и не­больших сложных оксисульфидов, которые при температурах прокатки де­формируются пластически.

Однако эти преимущества нелегко получить. Кальций - летучий элемент, кипящий при 1492 °С, что значительно ниже температур сталеварения. Его удельный вес равен 1,55 г/см3, что составляет ~ 1/5 веса стали. Кроме того, растворимость кальция в стали весьма ограниченна и в чистом железе со­ставляет 0,0320 % [11]. Имеются несколько способов обработки металла кальцием, но обработка в ковше посредством введения кальция в виде арми­рованной сталью проволоки является альтернативой обычному введению каль­ция в жидкую сталь [12...14]. При подаче проволоки в ковш со скоростью 2...5 м/с наряду с одновременной продувкой металла аргоном через пори­стую пробку в дне ковша в соответствующем режиме можно внедрить про­волоку на такую глубину, что металлостатическое давление столба жидкой стали подавит кипение кальция и большее количество кальция растворится в жидкой стали

Работой [15] показано, что на морфологию алюминатов кальция влияет количество кальция, введенного в раскисленную алюминием сталь. Форма оксидной фазы алюмината кальция в процессе отливки стали зависит от количественного соотношения Са/Al и их оксиды влияют на жидкотекучесть раскисленной алюминием стали. Эти выводы были сделаны на основе лабо­раторных исследований Правомерность таких выводов должна подтвердиться, опытами в промышленных условиях.

Проведение опытов

Промышленные опыты проводились на плавках стали AISI 1018, раскисленной алюминием, выполненных в ВОF конвертере с последующей обработкой RH способом. Химический состав ста­ли следующий, %: 0,18 С; < 0,06 Si, 0,75 Mn; <0,025 S; 0,030 Аl. После дегазации RH способом ковш поступал на участок про­дувки металла газом, где металл обрабатывали заранее рассчи­танным количеством кальциевой проволоки при 1610 °С. Каль­циевая проволока содержала 60 % кальция и 40 % плавикового шпата (CaF2). Десульфурация полностью завершалась в сига­рообразном ковше на тележке и в конвертере. Для проведения, каждой из опытных плавок расходовалось 1000 кг СаО и 120 кг CaF2 в процессе разливки для наведения шлака в ковше и для устранения образования дыма в процессе обработки металла кальциевой проволокой.

Опытные данные по соотношениям Са/Al и Са/S менялись на каждой из опытных плавок. Перед обработкой металла каль­цием общее содержание кислорода в жидкой стали устанавливалось на уровне < 0,0040 % и в металле поддерживалось ми­нимальное содержание нерастворенного алюминия.

Для выполнения этой работы использовали установку для введения в металл алюминиевой проволоки. Вертикальная на­правляющая трубка для алюминиевой проволоки была моди­фицирована для закрепления в ней кальциевой проволоки перед подачей ее в ванну с жидким металлом (см. рис. 1 в преды­дущей статье). Использовалась кальциевая проволока диамет­ром 13 мм. Использовались катушки с горизонтальным распо­ложением осей и проволока вводилась с противоположной сто­роны относительно расположения пористой пробки для про­дувки аргоном.

Технология введения в металл кальциевой проволоки сле­дующая:

1. В течение 3...5 мин производится интенсивная продувка газом для снижения содержания FeO и MnO в ковшовом шлаке с целью улучшения флотируемости первичных продуктов рас­кисления.

2 При введении кальция в металл продувку необходимо вес­ти в плавном режиме. Скорость введения кальциевой проволоки обычно равна 3 м/с и может меняться до 5 м/с.

3. В течение 3 мин осуществляется додувка металла на участке продувки металла газом после введения кальция. Об­щее время, необходимое для введения в металл кальциевой про­волоки, составляет 10 мин.

После ковшовой обработки разливка жидкой стали, осущест­влялась на разливочной машине MHI-Olsson на блюмы сечением 260x220 мм. Температура стали в промежуточном ковше четырехручьевой установки 1560 °С, и сталь разливали под уровень через алюмографитовые воронки, установленные в днище про­межуточного ковша. Для предотвращения окисления струи ме­талла воздухом через пазы разливочной воронки подавался аргон. Промежуточный разливочный ковш и разливочные ста­каны предварительно прогревались до необходимой температуры. Для анализа отбирают образцы металла, ковшовых шлаков, металла из ковша, металла из промежуточного разливочного ковша, от блюмов стали и прутков Большинство этих образцов подвергают полному химическому анализу. Некоторые образцы от каждой из плавок исследуются на сканирующем электронном микроскопе параллельно с исследованием с помощью дисперси­онного рентгеновского анализа. Кроме того, после отливки блю­мов разливочные стаканы, погруженные при разливке в металл, разрезают вдоль оси для минералогического исследования от­ложений оксидов на стенках стакана.

Результаты и обсуждение

Кальцием обработано пять плавок стали AISI 1018, проведен­ных в ВОF конвертере с последующей дегазацией RH способом.

Эффект обработки металла в ковше

Несмотря на принятые меры, избежать образования языков пламени и дыма не удалось. В процессе введения кальциевой проволоки снижение температуры на одной из плавок соста­вило 10...15 °С в зависимости от времени обработки и интенсив­ности продувки аргоном. Результаты обработки металла каль­цием в ковше приведены в табл. 1. Давление паров кальция > 0,18 МПа при 1610 °С, а критическая глубина погружения кальция в металл перед кипением составила 1,3 м. Вследствие гибкости кальциевая проволока подавалась в жидкий металл по криволинейной траектории, поэтому глубина проникновения про­волоки в металл оказалась меньше, чем предполагалось. Боль­шинство глобулей кальция испарялось на критической глубине кипения и вытеснялось на поверхность жидкой ванны. Это при­водило к значительному всплеску на поверхности металла и сте­пень усвоения кальция уменьшалась. Степень усвоения кальция для стали AISI 1018 при 1610 °С составила 10...12 %.

В результате обработки кальцием содержание серы в жид­кой стали уменьшилось на 0...0,0020 %, а фосфора увеличилось на 0...0,0020 % (табл. 1). Кальций является одним из сильнейших раскислителей; этим объясняется низкая активность кисло­рода при введении кальция. При малой активности кислорода фосфор восстанавливается в жидкую сталь через поверхность раздела фаз шлак-металл. Это обстоятельство благоприятству­ет также реакции растворенного кальция или дисперсным алюми­натам кальция с серой в жидкой стали.

При обработке металла кальциевой проволокой отмечена незначительная десульфурация стали.

При обработке металла кальцием, когда наблюдаются силь­ные всплески и пузыри аргона вырываются на свободную по­верхность металлической ванны, она подвергается окислению воздухом. Это усиливает поглощение азота. Количество погло­щенного азота составляет 0,0010...0,0020 % в зависимости от степени оголения поверхности или интенсивности барботажа, вызываемого продувкой аргоном.

Таблица 1 - Металлургический эффект обработки метал­ла каль­циевой проволокой в ковше

Плавка Химический анализ стали в ковше, %*
[S]н/[S]к [P]н/[P]к [N]н/[N]к (Al2O3)н/(Al2O3)к [Са]н/[Ca]к
А 0.020/0,019 0,019/0,019 0,0021/0,0029 0,0040/0,0030 -/0,0018
В 0,014/0,014 0,022/0,022 0,00121/0,0032 0,0050/0,0020 -/0,0037
С 0,014/0,013 0,014/0,016 0,0023/0,0032 0,0040/0,0010 -/0,0051
D 0,012/0,010 0,020/0,021 0,0026/0,0047 0,0100/0,0010 -/0,0056
Е 0,008/0,006 0,012/0,014 0,0027/0,0045 0,0050/0,0010 -/0,0060

Таблица 1 - продолжение

Плавка Са, кг/т Усвоение Са, % ΔT, °C
А 33/156 8,5 12
В 49/162 12,2 10
С 61/165 13,8 10
D 88/165 10,5 12
Е 90/165 11,0 15
* В индексах: н - начальное, к - конечное содержание.

 

Из данных табл. 1 следует, что чистота стали, выраженная через количество А12О3, улучшилась после обработки кальцием. Стенки ковша выкладывались цирконовым кирпичом, содержа­щим 60 % ZrO2, а дно - кирпичом «розеки» (roseki), состоящим из 76 % SiO2 и 22 % А12О3. Эта чистота стали достигалась за счет формирования оксидов с низкой температурой плавления, которые легко всплывают. Когда кальций вводят в жидкий ме­талл в виде проволоки, он преобразует первичные продукты рас­кисления, состоящие из А12О3, в жидкие глобулярные включе­ния с низкой температурой плавления известковых алюминатов. Жидкие глобули известковых алюминатов легко всплывают вверх при продувке аргоном и последующей выдержке, а затем поглощаются шлаком в ковше. Это также подтверждается изме­нением содержания А12О3 в ковшовых шлаках.

Зарастание металлом разливочного стакана при разливке стали

Как известно, раскисленные алюминием стали имеют понижен­ную жидкотекучесть вследствие того, что твердый оксид алю­миния отлагается на стенках разливочного стакана, препятствуя таким образом течению металла. Для решения этой проблемы исходили из того [16...18], что кальций может преобразовывать глинозем в низкоплавкие алюминаты кальция. При этом проб­лема зарастания разливочного стакана устраняется, поскольку жидкие оксиды не проявляют склонности к отложению на стен­ках разливочного стакана, как это происходит в случае глинозе­мистых частиц. Экспериментально показано [15], что при отно­шении содержания кальция к алюминию > 0,14 полностью пре­дотвращается отложение оксидов на стенках разливочного стака­на и его зарастание. На основе термодинамических расчетов [19] можно предположить, что для образования жидких алюминатов; кальция необходимое отношение алюминия и кальция должно соответствовать равновесному состоянию.

Результаты промышленных экспериментов приведены в табл. 2. Соответственно отношение концентраций Са/Al в стали было одним из параметров контроля при определении ее жидкотеку­чести. Чистота стали по неметаллическим включениям, выра­женная через количество А12О3, по-видимому, является еще одним из важнейших факторов контроля жидкотекучести. Таким образом, необходимо снижать содержание Аl2О3 в стали до минимума для обеспечения хороших условий разливки стали.

Таблица 2 -     Характеристика разливаемости стали в зависимости от отношения концентра­ций Са/Al в промежуточном разливочном устройстве

Плавка Обработка Са Анализ стали в промковше Разливаемость
Alр-р/Аlобщ, % [Ca], % Са/Al
Rfl - 0,033/0,380 0,0000 0 Зарастание стакана
Rf2 - 0,023/0,031 0,0000 0 Зарастание стакана
Rf3 - 0,035/0,037 0,0000 0 Нет зарастания стакана
А + 0,026/0,030 0,0012 0,04 Зарастание стакана
В + 0,033/0,035 0,0021 0,06 Зарастание стакана
С + 0,034/0,035 0,0028 0,08 Нет зарастания стакана
D + 0,032/0,033 0,0036 0,11 Нет зарастания стакана
Е 0,032/0,033 0,0043 0,13 Нет зарастания стакана

Разливочные стаканы от опытных плавок разрезались вдоль оси для исследования отложений на внутренней стенке стакана или намерзающих на нем материалов. Типичные продукты рас­кисления, образующихся в промежуточном разливочном ковше, определялись отношением концентраций Са/Al, при этом разные типы продуктов раскисления обусловливали образование отло­жений различных окислов на стенках разливочного стакана. Если иметь в виду раскисленные алюминием плавки Rfl и Rf2, то можно отметить, что малая чистота металла в промежуточ­ном разливочном ковше по содержанию неметаллических вклю­чений способствовала лучшему отложению оксидов на поверх­ности разливочного стакана, хотя он и был защищен алюмографитовым огнеупорным материалом и струя защищалась от окисления обдувкой аргоном через пазы в стакане. Тщательное микроскопическое исследование застывшего на поверхности ста­кана материала (плавки Rfl и Rf2) показало, что отложения оксидов являются результатом образования высокотемператур­ной сетки частиц А12O3. В случае плавки Rf3, недостаточно рас­кисленной алюминием, жидкий металл в промежуточном раз­ливочном ковше был достаточно чист и во время разливки на поверхности разливочного стакана не происходило отложений глинозема.

На обработанных кальцием плавках, когда отношение кон­центраций Са/Al было равным 0,04 (плавка А), зарастание стакана обусловливалось достаточно большим содержанием окси­дов и высокой точкой плавления алюминатов кальция, содержа­щихся в стали в промежуточном разливочном ковше. Исследованием на приборе SEM (спектральным электронном микроско­пе) установлено наличие спекшихся частиц СаО·6А12О3, обна­руженных также и в материале, наросшем на разливочном ста­кане. Когда отношение концентраций Са/Al равно 0,06 (плав­ка В), причиной образования отложений оксидов на поверхности разливочного стакана является формирование известковых алю­минатов с высокими вязкостью и точкой плавления. При иссле­довании на приборе SEM включения СаО·2А12О3 и СаО·6А12О3 были обнаружены в материале, отложившемся на поверхности разливочного стакана. Когда Са/А1 = 0,08 (плавка С) течение стали было более плавным в процессе разливки. Лишь на го­ловке разливочного стакана был обнаружен тонкий слой оксида. Включения типа СаО·2А12О3 не отлагались на стакане в сколь­ко-нибудь значительной мере благодаря наличию алюмографитовых огнеупоров и продувке инертного газа (аргона) через па­зы разливочного стакана.

Когда отношение концентраций Са/Al составляло 0,11 (плав­ки D и Е), поверхность разливочных стаканов была полностью свободной от отложений оксидов. Включения типа СаО·А12О3 и (или) жидкие включения типа 12СаО·7А12О3 были идентифи­цированы как главные продукты раскисления. Однако на этих двух плавках чистота стали в промежуточном разливочном уст­ройстве по неметаллическим включениям может быть еще од­ной из причин успешной ее разливки.

Кроме того, интересно отметить, что чистота стали в проме­жуточном разливочном устройстве пропорциональна отношению концентраций Са/Al. Это подтверждает, что низкоплавкие алю­мокальциевые продукты раскисления имеют то преимущество, что они легко всплывают и таким образом получается высоко­чистая сталь.

Контроль неметаллических включений

Неметаллические включения в раскисленной алюминием стали являются, как правило, алюминатами, сульфидами марганца и (или) оксисульфидами системы Al-О-Mn-S. Формирование больших скоплений оксидов алюминия в процессе затвердевания протекает в несколько стадий. Например, в прутковой стали отмечены случаи скопления включений глинозема. Сульфид мар­ганца и оксиды системы Al-О-Mn-S в процессе прокатки блюмов стали легко деформировались в линейные строчечные. Все эти особенности включений в раскисленной алюминием ста­ли обусловливают нежелательные механические свойства стали. Однако образцы стали, отобранные от прутков из металла, обра­ботанного кальциевой проволокой, содержали малое количество беспорядочно расположенных включений. Обычно величина включений составляет < 5 мкм. Чистые оксидные включения ред­ко встречаются в обработанной стали. Большинство оксидов были достаточно сложными, содержащими алюминаты кальция вместе с сульфидами, называемыми «сложными оксидными включениями» типа Са-Al-О-Mn-S. Сульфидные включения в обработанной стали состояли из сложных фаз (Са, Mn) S и некоторого количества сульфидов марганца. Иногда выпадали чистые сульфиды кальция. Сложные сульфидные включения, вероятно, выпадали во время охлаждения и кристаллизации жидкого металла.

Таблица 3 - Состав неметаллических включений в зависимости от отношения концентра­ции Са/Al и Са/S в стали

Плавка Анализ стали в промковше Сложные оксидные НВ Сульфиды
Са/Al Са /S
Rf 0 0 Аl2О3-MnS MnS
А 0,04 0,05 СА6-MnS MnS много, меньше (Са, Mn) S
В 0,06 0,12 (СA6, СА2)-(Са, Мn)S MnS, (Са, Mn) S
С 0,08 0,20 СА2-(Са, Mn) S MnS, (Са, Mn) S
D 0,11 0,36 СА-(Са, Mn) S (Са, Mn) S много, меньше MnS
Е 0,13 0,70 Жидкие глобули СА-(Са, Mn) S (Са, Mn) S много, меньше MnS

Из табл. 3 следует взаимосвязь отношения концентрации Са/Al и Са/S и процесса выпадения включений системы Са-Al-О-Mn-S для образования сложных оксидных включений и системы Са-Mn-S для образования сложных сульфидных включений. При отношении Са/Аl = 0,04 в прутке стали были обнаружены высокоплавкие скопления известкового алюмината. Когда Са/Аl = 0,13, a Ca/S = 0,70, появляются сложные оксид­ные включения (жидкие включения) СаО·Аl2О3-(Са, Mn) S и крупные сложные сульфиды (80 % Са, 20 % Mn)S. Но сущест­вуют также и мелкие включения типа MnS. В жестких техни­ческих условиях оговаривается необходимость более высокого отношения Са/S для полного устранения строчечных включений MnS.

Улучшение степени усвоения кальция

Как и в случае введения любой легирующей микродобавки в сталь, на степень ее усвоения влияют такие факторы, как не­равномерность распределения и устранение местных скоплений, а также максимальное увеличение времени нахождения ее в жид­ком металле. В частности, для летучего элемента (кальция) при температуре стали 1610 °С длительность существования жидких кальциевых глобулей для их растворения в жидкой стали до испарения очень мала. Для увеличения степени усвоения каль­ция необходимо в достаточной мере увеличить вертикальную часть направляющей трубки для обеспечения более прямолиней­ной траектории проволоки, внедряющейся в жидкую ванну, и для более глубокого проникновения ее в металл с целью увели­чения времени существования в металле жидких кальциевых глобулей. Кальциевая проволока подавалась в ванну по воз­можности близко к поверхности шлака в ковше с целью внедре­ния ее на большую глубину, намного превышающую критиче­скую глубину испарения кальция, для обеспечения более равно­мерного распределения кальция в объеме ковша.

Фирмой «Pfizer Inc.» запатентовано устройство и разрабо­тана технология инжектирования в металл легирующих доба­вок через трубку [20]. В результате металлическую кальцие­вую проволоку можно вводить в металл через огнеупорную трубку, погруженную в металлическую ванну значительно ниже ее поверхности. Очевидно, это является хорошим решением проб­лемы. Кроме того, следует изучить удобную систему перемеши­вания металла, обеспечивающую быстрое равномерное распре­деление жидких кальциевых глобулей в процессе плавления проволоки и устраняющую местное пересыщение металла леги­рующим элементом. Когда устранение зарастания разливочного стакана ковша становится большой проблемой при обработке кальцием, раскисленных алюминием сталей, экономичнее вво­дить металлическую кальциевую проволоку непосредственно в промежуточное разливочное устройство. Температура стали в промежуточном разливочном устройстве меньше, чем в ковше, и усвоение кальция в промежуточном устройстве будет облег­чено.

Выводы

Итак, проведены промышленные опыты, в которых сталь AISI 1018, раскисленная алюминием, обрабатывалась кальциевой проволокой, армиро­ванной сталью. Плавку вели в ВОF конвертере, дегазацию осуществляли в RH установке. Целью опытов было изучение влияния обработки металла кальцием в ковше, изменение продуктов раскисления, устранение зарастания стакана разливочного ковша и изменение морфологии неметаллических вклю­чений.

  • Обработка в ковше кальциевой проволокой сталей, раскисленных алю­минием, является весьма эффективной технологической операцией введения кальция в металл. Степень усвоения кальция для стали AISI 1018 при 1610 °С составляет 10...12 %
  • После обработки содержание фосфора и серы изменилось незначи­тельно, а содержание азота увеличилось на 0,0008...0,0020 % в зависимости от степени развития реакции на поверхности металла в ковше и интенсив­ности перемешивания.
  • Тип продуктов раскисления и чистота по неметаллическим включениям стали в промежуточном разливочном устройстве, которые влияют на степень зарастания стакана разливочного ковша, зависят от соотношения концент­раций Ca/Al.
  • Морфология оксидных и сульфидных включений хорошо контролиру­ется в процессе охлаждения и кристаллизации слитка. Эти включения малы, неравномерно распределены и хорошо деформируются при прокатке.
  • Обработка кальцием в ковше стали AISI 1018, раскисленной алюми­нием при 1610 °С с использованием более надежной армированной сталью металлической кальциевой проволоки и установка для ее введения в металл, заслуживают внимания специалистов. Проблема сводится к увеличению сте­пени усвоения кальция и снижению частоты появления языков пламени и дыма.

Наши партнёры

Спец-предложение

Предлагаем услуги по оптимизации геометрии разливочной оснастки с целью обеспечения повышения коэффициента использования металла и снижения осевой пористости слитков

подробнее

О компанииСтатьиНапишите намНаш адресСправочникРегистрация
© 2009
Создание сайтов в студии Мегагруп

При копировании материалов сайта размещение активной ссылки на steelcast.ru обязательно | статьи партнеров

Rambler's Top100
Обработка в ковше раскисленной алюминием стали AISI 1018 кальциевой проволокой, армированной стальной оболочкой