birmaga.ru
добавить свой файл

1


Ковтун Михаил

Национальная металлургическая академия Украины

(Материаловедение, горное дело и металлургия)
Неметаллические включения в колёсной стали

Введение

При раскислении колесной стали образуются эндогенные неметаллические включения (НВ) микроскопического размера, а при её разливке сифоном − экзогенные включения макроскопического размера, видимые невооруженным глазом.

В работе [1] подробно изучена природа и поведение экзогенных НВ. Но, исследования причин появления неметаллических включений и методов их уменьшения [2-3] до сих пор остаются актуальными, так как являются основной причиной брака заготовок и колёс, достигая 15%.

В последние годы изучена возможность повышения качества колёсной стали путём выплавки в электродуговых печах [4-5], электрошлакового переплава [6], но даже современная внепечная обработка не всегда обеспечивает стабильный результат по содержанию НВ [5].

Вакуумирование колёсной стали на НТЗ (с 1995 года) практически устранило брак заготовок и колёс по трещинам и газовым пузырям, однако дефекты по НВ заготовок и по содержанию неметаллических включений в колесах (ПМ-1), ультразвуковому контролю (УЗК) колёс представляют главную причину брака в целом (Бр). Совершенствование методов контроля метала выделило дефекты, находящиеся внутри колёс, в отдельную группу (УЗК), которая сейчас преобладает.

Данная работа посвящена анализу факторов, определяющих потери металла по НВ заготовок, ПМ-1 и УЗК колёс и брака мартеновского передела Бр.

Методика анализа

По плавкам текущего производства мартеновского цеха НТЗ составлен массив данных, включающий целевые функции (НВ, ПМ-1, УЗК, Бр) и параметры шихтовки, выплавки, внепечной обработки и разливки стали. Величина дефектов составляла 0-1 % для НВ, 0-6% - ПМ-1, 0-10% - УЗК и 0-15% - Бр.

Методом парной корреляции по модели полинома второй степени на ПК определялась степень и форма влияния аргументов.


В качестве факторов (аргументов) использованы удельные расходы антрацита (m ан), стружки (m стр), пакетов(m пак), скорости окисления углерода в активное (V a) и чистое (V ч) кипение, продолжительности чистого кипения (τ ч) и вакуумирования (τ вак), обьем аргона, израсходованного при вакуумировании (V Ar), температура метала в ковше перед разливкой (t к), содержание в стали марганца (Mn ст) и кремния (Si ст), продолжительности наполнения тела слитка при разливке (τ сл).

Полученные зависимости характеризовались критерием достоверности R2 (3). Их анализ позволил определить наличие экстремума функции (1): максимума (мак) или минимума (мин), и величину аргумента (фактора), соответствующую экстремуму (2).

В том случае, если зависимость имела монотонный характер, указывалось, как изменяется величина целевой функции с ростом величины фактора: уменьшается (ум) или увеличивается (ув).

Полученные результаты сведены в таблицу, в которой R2 представлена как 104 ∙ R2.

Таблица — Результаты анализа

Фактор

Диапазон

НВ

ПМ-1

УЗК

Бр

1

2

3

1

2

3


1

2

3

1

2

3

m ан , %

0,4 – 1,3

мин

0,71

517

мин

0,86

86

мак

0,51

301

мак

0,15

297

m стр , %

3 – 13

мин

12,5

1484

мин

12,5

60

мак

7,7

26

ум

-

59

m пак , %

2 – 22

ум

-

10

мак

36,2

45

мин

15,1

36

мин

11,5

7

Vа ,%/час

0,22 – 0,70

мак

0,50

33


мак

0,37

149

мак

0,53

136

мак

0,47

144

Vч ,%/час

0,11 – 0,65

мин

0,22

915

мак

0,40

419

мак

0,44

143

мак

0,42

398

τ ч , мин

30 – 65

ум

-

159

мин

22

256

мак

51

193

мак

56

252

τ вак , мин

20 – 33

мин

26

503

мин

30

177

мин

33

386

мин

32

539

V Ar , м3


3 – 9

мин

4,6

1399

мин

7,0

159

мак

4,6

24

ум

-

49

t к , 0С

1550–1570

мак

1462

218

ув

-

43

мак

1566

376

мак

1564

405

Mn ст , %

0,60 – 0,75

мак

0,64

82

мак

0,64

47

мак

0,65

104

мак

0,64

181

Si ст , %

0,26 – 0,37

мак

0,31

213

мин

0,32

218

мин

0,30

649

мин


0,30

611

τ сл , мин

11 – 17

мин

14,3

346

мин

8,3

365

мак

14,5

23

мак

15,0

274

Для неметаллических включений имеет место расслоение величин на НВ = 0 и НВ заметно больше 0, что, очевидно, связано с экспертной визуальной оценкой дефекта контролёром ОТК и, следовательно, возможным влиянием на результаты человеческого фактора. Такой же характер оценки ПМ-1 тем не менее не имел такого недостатка, очевидно, благодаря более высокой в этом случае степени ответственности, заставляющей эксперта предельно мобилизоваться.

Наиболее высокая достоверность зависимостей НВ - m стр , НВ - VAr , НВ - Vч , несмотря на отмеченные недостатки способа контроля. Увеличение удельных расходов считающихся невысокого качества металлошихтой стружки и пакетов не только не вызывает роста дефектности заготовки и колёс по включениям, но даже уменьшает её, во многих случаях использование антрацита также благоприятно сказывается на браке УЗК и, в целом, Бр.

В условиях необходимого снижения себестоимости стали, в том числе за счет экономии чугуна и использования менее качественного лома, этот факт приобретает особое значение.

По-видимому, интенсификация плавки путём увеличения Va и Vч исчерпала возможности их влияния на поражённость металла включениями как это наблюдалось в прошлом [1-3] . Во многом это следствие вакуумирования стали, при котором не только удаляется водород, но и снижается окисленность металла. Тот факт, что увеличение τ вак мало влияет на НВ и ПМ-1, являющихся дефектами экзогенного происхождения, но минимизирует наиболее значительный вид дефектов, обнаруживаемый при УЗК, и благодаря этому, брак в целом, свидетельствует о необходимости более полной идентификации дефектов при УЗК.


Увеличение VAr при вакуумировании снижает ПМ-1, УЗК и Бр, благодаря как повышению степени раскисленности стали, так и флотации неметаллических включений. Рациональная величина VAr должна быть определена на основе сопоставления затрат на него и выгод от снижение Бр путём активного эксперимента с увеличением VAr до 10 м3.

Так как с увеличением t к все виды дефектов колёс увеличиваются, минимально возможная температура метала перед разливкой должна определяться условием разливки без образования скрапа в ковше.

Содержание марганца в стали, которое может влиять на износ сифонных огнеупоров и образование экзогенных включений [1-3], из-за узкого диапазона концентраций малозначимо для дефектности заготовок и колёс.

Влияние Si ст на дефекты УЗК и Бр более определенно. Согласно [1-3] реакция

стали с огнеупорами 2[Mn] + 2> → 2(MnO) + [Si] с последующим ошлакованием огнеупора 2(MnO) + 2> → (2MnO∙SiO2) и образованием жидкофазных экзогенных неметаллических включений, уносимых потоком стали в слиток, подавляется с увеличением Si ст .

Рост τ сл как и ранее [1-3], увеличивает дефектность колёс по неметаллическим включениям.

Таким образом, несмотря на значительный промежуток времени, отделяющий сегодняшнее производство колёсной стали на НТЗ от условий исследований, проведенных под руководством В.И. Лапицкого, и значительно более высокий уровень новых технологий, ряд дефектов указывает на, по-прежнему, значительное влияние процесса износа сифонных огнеупоров сталью и загрязнение слитка экзогенными включениями.

Радикальным решением этой проблемы является непрерывная разливка (НРС) колёсной стали [7], предусмотренная в строящемся ЭСПЦ на НТЗ.

Однако, как показано в [7], при НРС возрастает значимость дефектов, связанных с эндогенными неметаллическими включениями, которые, по-видимому, отчасти являются причинами брака колёсного металла и при сифонной разливке в слитки.


В 1950-60е годы технология выплавки колесной стали на НТЗ предусматривала контроль окисленности и основности шлака, что позволило [2-3] оптимизировать эти параметры и снизить дефектность заготовок и колёс по включениям. Сегодня в мировом сталеплавильном производстве наряду с этим, зарекомендовавшим себя почти столетним использованием методом контроля, повсеместно применяются активометры на стадиях выплавки, внепечной обработки и доводки, непрерывной разливки стали. Целесообразно уже сейчас приступить к освоению этого метода в мартеновском цехе НТЗ, что не только обеспечит его полноценное применение к моменту пуска ЭСПЦ, но и позволит идентифицировать дефекты, выявляемые при УЗК, и принять меры по их устранению, что крайне необходимо, принимая во внимание значительную отбраковку колёс, производимых для экспорта.

Выводы

1. Проблема высокого содержания неметаллических включений в колёсной стали остаётся нерешенной и в современных условиях колесопрокатного производства НТЗ.

2. По методике пассивного эксперимента проанализировано влияние контролируемых факторов выплавки, внепечной обработки и разливки колёсной стали в мартеновском цехе НТЗ на дефекты заготовок и колёс по неметаллическим включениям.

3. Есть основания считать, что, в основном, причиной дефектов НВ, ПМ-1 являются экзогенные неметаллические включения. Необходим активный эксперимент по идентификации дефектов, выявляемых при УЗК.

4. Целесообразно восстановить контроль состава шлака при выплавке стали и приступить к применению активометров на всех стадиях производства колёсной стали в действующем мартеновском цехе НТЗ.

Библиографический список

1. Лапицкий В.И., Гаркуша А.А. // ДОМЕЗ. 1933. №11-12. -С.50-56.

2. Лапицкий В.И., Ступарь Н.И., Легкоступ О.И. и др. // В кн. Производство стали

(Научн. труды ДМетИ №31). Киев: ГИТЛ УССР. 1954. -С. 98-121.

3. Лапицкий В.И., Тарапай М.А. // В кн. Вопросы производства и качества цельно-


катаных железнодорожных колёс. – Днепропетровск: Днепропетровское книжное

издательство, 1960. -С. 34-50.

4. Гасик М.И., Узлов И.Г., Пройдак Ю.С. // Черная металлургия. 1985. №3. -С. 38-39.

5. Пройдак Ю.С., Бурков В.И., Ивченко В.И. // В кн. Пробл. металлур. произв.-

Киев: Техніка, 1989. №99. -С. 39-42.

6. Медовар Б.И., Гасик М.И., Узлов И.Г. // Пробл. спец. электромет. 1986. №4.

-С. 27 -30.

7. Федоров Л.К., Стамбульчик М.А., Фетисов А.А //Труды 4 Конгресса сталепл. М.

7-10 окт. 1986г.- М.,1997. -С. 343 – 344.