Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ТЕРМОВРЕМЕННАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКОЙ СТАЛИ

Обобщены результаты исследования физических свойств и структуры жидких сталей. Показаны возможности управления структурой и качеством металлопродукции путем направленного изменения состояния расплава перед затвердеванием.

В современных условиях промышленного производства улучшение технологических и служебных свойств металлопродукции, достижение мирового уровня показателей ее качества возможно только при условии углубления фундаментальных научных исследований и выработки на их основе новых технологических решений. Производство подавляющего большинства металлических материалов связано с их выплавкой. Поэтому вопросы получения фундаментальных данных о строении и свойствах жидкого металла, их изменения в результате различных внешних воздействий имеют существенное значение.

Наряду с отмеченными и традиционными направлениями исследований интересные и важные результаты дает изучение промышленных расплавов [1, 2]. Это сравнительно новое направление представляет собой распространение классического металловедения (в основном физикохимического анализа) в высокотемпературную область существования многокомпонентных металлических систем.

Сведения о необходимых температурновременных параметрах процесса перевода расплава в равновесное состояние можно получить на основе анализа результатов исследований температурных и Временных зависимостей его физических свойств. Опыт показывает, что политермы физических свойств расплавленных сталей и сплавов резко отличаются от политерм чистых металлов. Они почти никогда не бывают плавными и тем более линейными.

Для каждой марки стали температурные зависимости свойств имеют свой характерный вид с особенностями, вызванными химическим составом, исходными материалами и спецификой производства. Анализируя вид политерм, можно судить о тех процессах, которые происходят в системе при ее нагреве и последующем охлаждении. Главное, удается устано

вить те условия, выполнение которых обеспечивает перевод расплава в состояние равновесия или близкое к нему. В результате иногда с помощью дополнительных проверочных экспериментов по изучению температурных и временных зависимостей удается стабилизировать свойства расплава перед кристаллизацией и за счет этого вывести на возможно более высокий уровень служебные характеристики готовых изделий.

Основные особенности политерм свойств промышленных расплавов — это гистерезис (несовпадение ветвей нагрева и охлаждения) и перегибы (скачки производной свойства по температуре). Наличие гистерезиса свидетельствует о необратимости происходящих при нагреве процессов и об исчезновении неравновесных формирований, унаследованных от твердого состояния. Перегибы свидетельствуют о немонотонности, иногда скачкообразности процессов перехода системы к равновесию.

Перевод расплава в равновесное состояние осуществляется чаще всего нагревом до определенных температур, называемых критическими. По их достижении энергия теплового движения частиц расплава становится соизмеримой с энергией разрыва наиболее прочных межатомных взаимодействий в неравновесных атомных ассоциациях, другими словами — с энергией активации процессов миграции наиболее сильно связанных частиц. Требуется также установить опытным путем необходимую продолжительность выдержки расплава при критической температуре.

Рассмотрим некоторые из промышленных композиций, научнообоснованная технология подготовки которых способствовала улучшению и стабилизации их служебных и других характеристик.

Многолетний опыт производства свидетельствует о том, что одним из важнейших резервов уменьшения структурной и химической неоднородности стального слитка, повышения качества металлопродукции электросталеплавильного производства является совершенствование технологии процесса выплавки, получение равновесного, максимально однородного расплава перед кристаллизацией. Это подтверждают и экспериментальные исследования строения и свойств промышленных металлических расплавов. В настоящее время в большинстве случаев кристаллизация промышленного металла происходит из неравновесного состояния, что усиливает химическую и физическую неоднородности твердого металла, снижает его служебные характеристики, приводит к значительным отклонениям его качества от плавки к плавке.

Существуют разные способы перевода расплава в равновесие. Наиболее доступным способом получения равновесного расплава служит высокотемпературное воздействие.

Поскольку процесс перехода системы в состояние равновесия в результате ее нагрева происходит немонотонно и сильно ускоряется при достижении критических температур, нагрев металла до этих температур является главной особенностью новых прогрессивных технологий. При охлаждении подготовленного таким образом жидкого металла его исходная (неравновесная) структура не восстанавливается, т.е. перед кристаллизацией строение расплава оказывается равновесным или близким к нему и существенно отличается от исходного.

В результате выполненных исследовании определены параметры термовременной обработки расплавов при выплавке сталей 100 марок. Не основываясь на конкретных режимах выплавки, приведем некоторые результаты влияния термовременной обработки (ТВО) на структуру и свойства твердого металла.

Металл, подвергнутый ТВО, хорошо разливается плотной непрерывной струей при значительно более низких температурах по сравнению с принятыми для этих сталей, что дает возможность повысить стойкость изложниц и огнеупоров при разливке. Уменьшается объем, изменяется форма усадочных дефектов и глубина их залегания, что позволяет сократить объем прибыли на 2—3% без ухудшения качества микроструктуры.

ТВО расплава, как правило, способствует измельчению дендритной структуры литых образцов, изменению количества и морфологии карбидов и других фазовых составляющих. При этом значительно повышаются такие локальные характеристики металла, как критическая деформация в пределах элементарного объема в зоне предразрушения (до 25%). До 30% возрастает вязкость твердых сталей, определяющая их способность к поглощению и рассеянию механической энергии при постоянном увеличении пластической деформации. Уменьшаются химическая и физическая неоднородности стали по ее микрообъемам и в целом по сечению слитка. Изменение структуры сталей после ТВО расплава оказывает влияние на их механические свойства.

Анализ результатов исследования физических свойств и структуры жидких многокомпонентных промышленных расплавов свидетельствует о том, что их состояние после завершения фазового перехода кристалл—жидкость, как правило, не является равновесным. Для каждого расплава существуют температуры особо интенсивного изменения структуры. Нагрев до

этих критических температур способствует переходу системы в равновесное или близкое к нему состояние.

Подготовка расплава к кристаллизации путем проведения ТВО оказывает влияние на процесс затвердевания и способствует у луч* шению структуры и свойств твердого металла. ТВО расплава приводит к повышению степени дисперсности дендритной структуры, изменению морфологии и размеров карбидов и других фазовых составляющих твердого металла, уменьшению его химической и физической неоднородности, сокращению размеров и количества усадочных дефектов. Отмеченное, как правило, сопровождается повышением пластичности, жаропрочности, коррозионной стойкости и других характеристик качества сплавов. Возрастает выход годных изделий, снижается металлоемкость продукции. Улучшаются структура и свойства твердого металла.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994

Экспертиза

на главную