МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЫСОКО-ТЕХНОЛОГИЧНОЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Введение

О нарастающем значении металлургии под давлением можно судить по регулярному проведению международных конференций "Высокоазотистые стали" [1—5] в 1988 — Франция, 89—Болгария, ’90—Германия, ’91—Швейцария и ’93—Украина и предстоящая "ВАС 95" — Япония.

Методы легирования сталей и сплавов азотом в твердой фазе через поверхность малопроизводительны и решают только некоторые частные задачи. Легирование всего объема металла в расплавленном состоянии азотом более перспективно. В этом случае известные методы можно разделить на две группы: легирование в большой сталеплавильной ванне (Болгария — индукционная и шлаковая плавки под давлением) и переплавные процессы под давлением: плазменнодуговой переплав — ПДП, компрессионный электрошлаковый переплав КЭШП, электрошлаковый переплав под давлением — ЭШПД и др.

В течение более 20 лет БАНИМ фирмы "НИПКИТОКС" и "Камет", Болгария, развивают лабораторные и промышленные методы металлургии стали под давлением [6—12], такие как плавка с газовым противодавлением, плавка под газовым давлением, электрошлако вая плавка под давлением, легирование азотом ферросплавов и металлов под давлением, и др. Эти процессы, протекающие в замкнутом пространстве, естественно, экологичны.

Основой их явились теоретические работы БАНИМ [6, 7, 9], базирующиеся на исследованиях по методу левитационной плавки на уникальной установке под давлением и на ряде установок индукционной и электрошлаковой плавки под давлением до 100 атм. При этом выявлены и используются новые закономерности, значительно отличающиеся от известного закона Сивертса (иногда более чем на 100 %).

Практические работы проводились на специально созданных нами полупромышленных и промышленных установках, основанных на методе большой сталеплавильной ванны — БСВ и электрошлакового переплава под давлением — ЭШПД, емкостью по стали до 10 т. В обобщенном виде можно сказать, что раскрыт ряд возможностей азота в качестве сильного и самого дешевого легирующего элемента, а также обработки и легирования дешевыми элементами с высоким давлением паров, с перспективой для довольно массового производства новых сталей, полученных такими методами.

Технологическая и конструктивная концепция

Наши основные усилия по производству слитков были направлены на легирование жидкого металла высокими концентрациями азота в БСВ (печь, ковш). В других странах, в том числе в странах СНГ, стремление было диаметрально протвоположным, а именно: легирование в небольшой жидкой ванне с объемом до 100 кг стали, а также использование технологий и оборудования для переплавных процессов [1]. В Болгарии создано 15 различных видов установок с развесом жидкого металла от 1 г до 10 т [2, 3, 412].

Принципиальная схема литья с противодавлением известна из богатого опыта литья цветных металлов и пластмасс — свыше 300 наших машин работают в России, Украине, Франции, Германии, Индии, Венесуэле и др. странах.

На рис.1 показана одна из машин — установка пневматического литья УПЛ2М емкостью 2 т стали. Габариты установки, м: длина — 5,2; ширина 2,9; высота 11. Установка двухкамерная: 1 — индукционная печь с жидкой высокоазотистой сталью под давлением Pi, 2 — изложницы для слитков, переплавляемых электродов или формы для фасонного литья под давлением р2. Давление р2 названо противодавлением. Когда рх > р2, гомогенная жидкая высокоазотистая сталь поднимается медленно вверх и заполняет изложницу (форму). Гомогенность. обеспечивается за счет перемешивания индуктором, газообразным азотом или тем и другим способами одновремен 282 но. Меняя соотношение pjp2i можно отливать сталь с любой скоростью, даже менять направление движения стали, опускать часть металла в форме и повторно ее заполнять, повторять эти операции и таким образом получать многослойный слиток (отливку) с высокой степенью гомогенности по химическому составу и макроструктуре. Можно получать и биметалл или многослойные слитки, отливки; теоретически получать неограниченные концентрации азота в жидкой стали. Легирование легкоиспаряющимися элементами, как Са, Pb, Mg, Zn и другими при использовании этой технологии, также эффективно. При этом производительность и экологическая чистота находятся на высоком уровне.

На рис.2 показана 10т установка для гравитационного литья высокоазотистых сталей. На карусели 4 автоклава. Ее продукция: прямоугольные, квадратные, круглые и многогранные металлургические и кузнечные слитки. На ней можно отливать электроды для переплавных классических и под давлением процессов и фасонные отливки весом до 10 т.

На 2 и 10т установках легирование азотом длится 10—15 мин, в общем операции под давлением длятся около 60 мин при минимальном расходе электроэнергии — около 100 кВт*ч/т. Известно, что для переплава при атмосферных условиях той же массы металла промышленно отработанными методами переплава нужно на порядок больше и времени, и электроэнергии [5—12].

При необходимости в производстве металла высокой чистоты и специальной структуры БАНИМ и НИПКИТОКС разработан и промышленно внедрен оригинальный метод электрошлако вого переплава под давлением — ЭШПД (рис.З). При ЭШПД в основном используются высокоазотистые гомогенные (по азоту и другим легирующим элементам) электроды. При переплаве электродов, полученных по нашим технологиям с высоким содержанием азота, промышленный слиток гомогенен — сегрегация С и N ниже 5 %. Коэффициент ликвации уменьшается с 2 до 1,25 даже для ферритоперлитных сталей типа быстрорежущей стали Р6А2М5 (W6NMo5). Классическая дендритная структура (рис.4,а) заменяется равноосной (рис.4, б).

Получается качественно новый слиток.

Можно говорить о принципиальном отличии разрабатываемых в Болгарии процессов БСВ и ЭШПД (в сравнении с известными переплавными процессами ПДП, КЕШП и др.), так как при их осуществлении обеспечйвается интенсивное перемешивание всей сталеплавильной ванны во время и после легирования азотом и др. элементами; при ЭШПД переплавляется гомогенный высокоазотистый электрод.

Поскольку процессы осуществляются обязательно под давлением, то все выделяющиеся газы и пыль улавливаются.

Об основных результатах по качеству и свойствам сталей и сплавов, полученным под давлением

За период 19701993 гг. созданы ряд оригинальных высокоазотистых сталей, некоторые совместно с рядом интитутов и заводов СНГ [211]. Часть ВАС внедрена в регулярное производство. Стали и оборудование экспортируются в Японию, Китай, Швейцарию, Россию

Легирование другими легкоиспаряюЩимися элементами. Главный вопрос в технологии и производстве такого рода сталей — это определение нужного давления для подавления киэлементы растут непрерывно. Так, например, цена на никель была 462 доллара [1] в 1946 г., а в 1993 г. 5000 ±500.

Нет возможности останавливаться на других сталях. О них можно получить информацию в наших публикациях [2—12]. Дополнительно сообщаем, что мы готовим по этим сталям справочники, а том об высокоазотистых инструментальных сталях вышел из печати [12].

Коротко об экономике и перспективе

Сообщаем мнение других [2, 3]. Во вступительном докладе проф. Фокт [3] (Франция) на конференции "ВАС 90м было сказано "...Свойства и применение высокоазотистых сталей делают их перспективными^ если азот приводит к улушению свойств на 10%, экономисты вычисляют, что при производстве высокоазотистых сталей порядка 0,1 % общего мирового производства, все сделанные разработки будут полностью оправданы."

В Германии по методу КЭШП регулярно производится высокоазотистая сталь Р900 для так называемых каповых немагнитных колец генераторов больших турбин ~и других изделий. Болгария экспортирует некоторое количество сталей и оборудование в Китай, Россию, Японию, Швейцарию. Начато строительство специализированного цеха для производства ВАС.?

Нам кажется, что непрерывно возрастающие требования, которые жизнь предъявляет к сталям, необходимость развития нетрадиционной сырьевой базы легирующих и возрастание экологических требований приведут постепенно к возрастающему развитию металлургии стали и сплавов под давлением. Вот почему мы считаем, что металлургия XXI в. должна быть закрытой. Из трех возможных вариантов закрытой металлургии (при атмосферном давлении, вакууме и под давлением) металлургия под давлением имеет более выгодные перспективы, поскольку дает возможность производить стали и сплавы, входящие в номенклатуру первых двух металлургий, и принципиально новые легированные газами и легкоиспаряющи мися элементами, для производства новейших марок сталей при соблюдении экологии. При этих рассуждениях, конечно, имеется в виду и развитие непрерывного литья под давлением, к которому подойдут экономика и развитие металлургической техники.

Металлургия под давлением — это многообразие экономически выгодных и высокоэкологичных принципиально новых машин и ^ :о бов обработки сталей и сплавов, пригодных для реконструкции, модернизации и развития качественной металлургии и литейного дела в XXI веке.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994