ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ПРОКАТА В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Конструкционные, инструментальные и подшипниковые марки стали массового производства, контролируемые на обезуглероживание

Марки стали указанного типа (характерные примеры: легированная сталь по ГОСТ 4543—71, подшипниковая сталь по ГОСТ 801—78) в настоящее время отжигают в бедном экзогазе (типа ПСО—09) или в бедном азотоводородном газе (96% N2 и 4% Hj). Ввиду недостаточной герметичности печей, неконтролируемого ввода окислителя вместе с металлом эти атмосферы теряют свои защитные свойства; для компенсации указанной потери к ним на входе в печь добавляют природный газ и — в некоторых случаях — пропан. Таким образом, экзогаз и азотоводородный газ можно рассматривать только в качестве газов носителей (ГН). Приготовление ГН связано со строительством крупных газоприготовительных станций с соответствующими значительными инвестициями. Нами были проведены крупномасштабные опытнопромышленные работы [1] по использованию в качестве ГН чистого азота, получаемого с блоков разделения воздуха кислородной станции. При этом азот рассматривали как побочный продукт производства кислорода. На входе в печь к азоту добавляли природный газ; применяли чистый азот (99,99 %) с температурой точки росы (ттр) 55 °С.

Работы проводили на трехкамерной печи с роликовым подом, в которой отжигали горячекатаные протравленные листы из конструкционных и инструментальных марок стали, контролируемых на обезуглероживание, в контролируемой атмосфере.

Печь имела три камеры: 1 — для нагрева и выдержки; 2 — для выдержки и регулируемого охлаждения ниже критической точки; 3 — для струйного охлаждения в ГН до температуры цеха. Печь была оборудована радиационными трубами, расположенными сверху и снизу роликового пода. В ходе процесса термообработки сточа листов циклически продвигалась из камеры в камеру с выдержкой в каждой из них. Чистый азот подавали в каждую из камер; во второй камере к азоту добавляли природный газ. Отходящий газ выходил в свечу, расположенную у загрузочной заслонки. Применялся принцип противотока; защитный газ проходил через всю печь навстречу циклически продвигающемуся металлу.

В ходе экспериментов определяли зависимость толщины обезуглероживания после термообработки (различные виды отжигов) от величины добавок природного газа. Одновременно определяли оптимальную допустимую пороговую концентрацию окислителя (по ттр), а также состав атмосферы в печи. Некоторые результаты экспериментов приведены на рис. 1.

Таким образом, была показана принципиальная возможность отжига конструкционной стали с лимитируемым обезуглероживанием в чистом азоте с добавкой природного газа. Указанное техническое решение позволяет отказаться от строительства газозащитных станций для производства газаносителя (экзогаза, бедного азотоводородного газа) и для заводов, имеющих кислородные станции, использовать азот, вырабатывающийся на этих станциях.

Высокопрочные холоднокатаные конструкционные тонколистовые свариваемые марки стали, контролируемые на обезуглероживание

Указанный сортамент имеет следующие характерные признаки: 1) относительно тонкое сечение (до 2,0 мм); 2) легированность химическими элементами, имеющими высокое химическое сродство к азоту (Cr, Mn, Mo, W и др.). Обычно эту сталь отжигают в таких атмосферах, как экзогаз и бедный азотоводородный газ с добавками метана. Как показано в работах [2, 3], при отжиге в азотосодержащих атмосферах происходит выражающееся в повышении плавочной концентрации азота (микроазотирование) заметное азотирование поверхностных слоев металла. При длительных режимах отжига указанное азотирование захватывает значительную часть сечения тонкого листа; в то же время вышеуказанный характер легирования стали стимулирует ее азотирование. Азотирование такого характера ухудшает свариваемость, что выражается в массовом браке (появлении пор в сварном шве) при изготовлении изделий ответственного назначения у потребителей листов (рис. 2). Следует отметить, что указанные аномалии наблюдаются только при небольшой толщине листа. Для толстолистовой стали эти аномалии не проявляются, вероятно, изза того, что в сварочной ванне соответственно большего размера происходит "усреднение" состава ванны по азоту со снижением его концентрации.

Указанные отложения со сваркой вызвали необходимость отказа от применения азотосодержащих атмосфер для стали приведенного сортамента. В качестве оптимальной защитной атмосферы с успехом применили сухой водород [2]. Отжиг листов в водороде имел следствием полное исключение вышеуказанного азотирования и брака по сварке при изготовлении изделий. Процесс нашел промышленное применение при отжиге стоп листов в колпаковой печи одного из металлургических заводов. Помимо вышеуказанного преимущества, атмосфера сухого водорода обеспечивает необходимые защитные свойства с предупреждением обезуглеероживания при термообработке.

В ходе работы по освоению технологии отжига в водороде в промышленных и лабораторных условиях исследовали механические свойства отожженного металла [4]. Известно, что применение водорода обычно вызывает неблагоприятные ассоциации, связанные с опасениями охрупчивания металла и трещинообра зования. Исследование производилось с применением статистически обоснованных выборок, методов математической статистики, опыта длительного производства отожженного в водороде листового металла и переработки его у потребителя. Получены сравнительные данные механических свойств стали марок 25ЗОХСНВФА, 12Х2НВФА и 29—ЗЗХЗСНМВФА—Ш, отожженных как в традиционной азотосодержащей атмосфере экзогаза, так и в водороде. Статистическая обработка данных (представительные выборки из заводских сдаточных испытаний) показала отсутствие какоголибо нежелательного влияния водорода. На рис. 3 приведены сравнительные данные для термоупрочненного (после закалки с отпуском) состояния стали 28ХЗСНМВФА—Ш. Из приведенных данных следует, что применение водорода вместо экзогаза не приводит к какимлибо нежелательным последствиям в отношении механических свойств — это относится как к отожженному, так и к термоупрочненному состояниям.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по совершенствованию отжига рулонов

в колпаковых печах [8]. Решение вопроса заключается в применении в качестве защитной атмосферы водорода вместо азотосодержащих атмосфер и в интенсификации циркуляции атмосферы в рабочем пространстве печи. В этом случае используют особые теплофизические свойства водорода: высокую теплопроводность и повышенные восстановительные свойства атмосферы. В результате применения водорода сокращается продолжительность термической обработки и улучшается качество поверхности полосы (отсутствуют такие дефекты, как цвета побежалости на кромке). Исключается выделение сажи на поверхности рулонов, стенде и муфеле (при отжиге в экзогазе).

В работах [9, 10] на основе производственного опыта описаны преимущества отжига в водороде. Применение этой технологии [10] позволяет резко снизить текущие эксплуатационные затраты, повысить производительность, улучшить качество поверхности отожженного листа. Продолжительность отжига сокращается на 4060%. Важным преимуществом технологии является снижение разброса механических свойств в массе рулона. Ввиду сокращения продолжительности отжига технология является энергосберегающей.

В работе [11] описан опыт применения технологии отжига в водороде в цехе холодной прокатки на металлургическом заводе в г.Бохуме (ФРГ). Термическое отделение цеха перед работами по модернизации имело 80 стендов и 46 колпаков, где отжигали полосу в рулонах для автомобильной промышленности. Производительность термического отделения составляла 55000 т в месяц. В 1986 г. переоборудовали под "водородную" технологию 20 стендов и 12 колпаков. В результате указанной частичной модернизации удалось повысить производительность отделения на 20%.

При отжиге листовой стали с низким содержанием углерода в контролируемой атмосфере режим термообработки и применяемая атмосфера должны быть приняты с учетом наличия прокатных смазок на поверхности отжигаемого металла. В работе [12] исследована негативная роль прокатных смазок, проявляющаяся при отжиге холоднокатаной листовой стали марки 08кп в атмосфере азотоводородного газа. Установлено, что в условиях отжига при температуре 750 °С происходит испарение прокатной смазки и термическая диссоциация углеводородов, входящих в состав смазки. Металлографическое исследование выявило полосу науглероживания в поверхностном слое листов с повышением микротвердости от 1600 МПа на поверхности (1200 МПа в сердцевине) до 2300 МПа в науглероженной зоне. В свою очередь при изготовлении рамок кинескопа телевизора охрупчивание приводило к трещинам при операции холодной гибки и браку рамок. В работе было найдено техническое решение для устранения указанных трудностей — ступенчатый отжиг. На нижней ступени отжига происходит испарение смазки, однако температура ступени недостаточна для развития процесса цементации. После окончания испарения смазок температуру повышают и производят рекристаллизацию металла.

Экологические аспекты

Важным экологическим мероприятием является исключение применения диссоциированного аммиака в качестве сырья для производства защитных атмосфер. Емкости с жидким аммиаком делают газозащитные станции экологически опасными объектами.

Экзогазы, содержащие токсичный оксид углерода, создают повышенную вредность производства в термических цехах. Применение водорода, диктуемое вышеописанными технологическими соображениями, привносит также экологическую чистоту процесса. Необходимо учитывать также, что производство экзогаза связано в большинстве случаев с моно этаноламиновой технологией очистки, которая далеко не оптимальна с экологической точки зрения. Следует иметь в виду также, что производство экзогаза основано на сжигании углеводородов с соответствующими выбросами в атмосферу и загрязнением воздушного бассейна.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 4, Москва 1994