СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

АННОТАЦИЯ

Проблема повышения конкурентоспособности техники сегодня во  многом определяется качеством изготовления крупногабаритных литых заготовок для их несущих систем. В процессе формирования служебных свойств отливки участвует множество факторов. Каждый фактор важен по-своему и влияет на качество получаемой отливки. Проведены исследования по совершенствования технологии внепечной обработки стали с целью улучшения ее механических свойств. Показано влияние щелочноземельных и редкоземельных лигатур на ударную вязкость и на индекс загрязненности неметаллическими включениями хладостойкой стали.

ABSTRACT

The problem of increasing the competitiveness of technology today is largely determined by the quality of manufacturing large-sized cast billets for their supporting systems. Many factors are involved in the process of forming the service properties of a casting. Each factor is important in its own way and affects the quality of the resulting casting. Studies have been carried out to improve the technology of out-of-furnace processing of steel in order to improve its mechanical properties. The effect of alkaline earth and rare earth master alloys on impact strength and on the index of contamination with non-metallic inclusions of cold-resistant steel is shown.

Ключевые слова: Отливка «Рама боковая», сталь марки 20ГЛ, механические свойства, рафинирования, модифицирования, десульфурация, дефосфорация.

Keywords: Casting "Rama lateral", steel grade 20GL, mechanical properties, refining, modification, desulfurization, dephosphorization.

Крупные литые детали особо ответственного назначения, такие как рама боковая и балка надрессорная, используются на двухосных тележках грузовых вагонов колеи 1520 мм, и изготовляются по ГОСТу 32400-2013 в соответствии с техническими требованиями. Указанные детали отливают из низкоуглеродистой, низколегированной марганцовистой стали марки 20ГЛ. Сталь марки 20ГЛ относится к холодостойким сталям и выплавляется в электрических печах с основной футеровкой. Массовая доля серы и фосфора в стали не должна превышать 0,020 % (каждого элемента) [1, 2].

На таких деталях контролируют следующие показатели качества: внешний вид, размеры, химический состав, механические свойства; предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение и сужение и ударную вязкость при отрицательных температурах (-60 °С).

Удаление из металла вредных примесей основано на переводе их в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав, количество и температуру шлака, можно весьма значимо влиять на процессы рафинирования металла от серы и фосфора. Поэтому получение шлака необходимого состава, обладающего соответствующими физическими свойствами, является одной из важных задач при выплавке металла [1, 8, 11].

На сегодняшний день на многих литейных заводах, оказавшихся в связи с урбанизацией городов вблизи жилых районов, электродуговые печи стали заменять на индукционные тигельные печи, как более экологичные по шумо-, дымо- и пылеобразованию.

Для получения стальных отливок индукционные печи считаются оптимальным вариантом, но вынужденная замена электродуговых печей на индукционные привела к негативным последствиям в отношении качественных показателей отливок [12].

Обычно шлаки в индукционных печах не выполняют таких функций, как окисление, восстановление, десульфурация и дефосфорация. В процессе плавки металла шлаки в печи образуются в результате окисления компонентов шихты и футеровочных материалов тигля. Эти шлаки обычно удаляют в конце плавки и наводят “свежие” из боя стекла и кварцевого песка для кислых печей и из извести и плавикового шпата для печей с основной футеровкой. Основное назначение этих шлаков – защитить жидкий металл от взаимодействия с атмосферой и уменьшить потери энергии, излучаемой поверхностью зеркала металла. Значительные потери энергии через поверхность шлака приводят к низкой текучести и большим перепадам температур по высоте (до 1200 К) [3].

Шлаки как рафинирующая фаза в процессе выплавки металла в индукционных печах до настоящего времени не нашли широкого применения в металлургической практике. Это обусловлено, прежде всего, низкой реакционной способностью шлаков, разогрев которых происходит только в зоне контакта с поверхностью металла, малой величиной поверхности контакта «металл – шлак», охлаждением шлаков футеровкой тигля [4, 5].

Наличие «холодного» шлака не позволяет при индукционной плавке стали реализовать в полной мере рафинирующие процессы. Поэтому попытки достичь для стали индукционной плавки без дополнительной внепечной обработки таких же результатов, как для стали электродуговой плавки, не всегда приводят к успеху. Причем, чем строже требования к отливкам, тем больше предпосылок к получению неудовлетворительных результатов.

Исходя это, в последние годы разработаны разнообразные методы внепечной обработки стали, которые позволяют устранить те или иные недостатки индукционной плавки [6,7]. Одним из них является модифицирование стали в ковше редкоземельными металлами (РЗМ). Для литых углеродистых и легированных сталей в зависимости от назначения отливок рекомендуют три варианта ковшевой обработки расплава с целью раскисления–модифицирования: 

а) раскисление алюминием – для отливок общего назначения;

б) раскисление алюминием и модифицирование силикокальцием – для отливок ответственного назначения;

в) раскисление алюминием и модифицирование силикокальцием, а также РЗМ – для отливок особо ответственного назначения.

Применение щелочноземельных металлов (ЩЗМ) позволяет существенно повысить ударную вязкость стали, а также чистоту стали по неметаллическим включениям. Для изучения влияния количество лигатуры на ударную вязкость и индекс загрязненности по неметаллическим включениям стали марки 12ХГФЛ были проведены лабораторные исследования с использованием ЩЗМ. Результаты экспериментов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Влияние Са- и Ва-содержащей лигатуры на ударную вязкость и индекс загрязненности неметаллическими включениями стали 12ХГФЛ

1 – Индекс загрязненности стали неметаллическими включениями; 2-6 – ударная вязкость стали при +20, -20, -40, -60 и -80 ^оС

Как видно из рисунка 1, зависимость ударной вязкости от расхода ЩЗМ во всем интервале температур (от плюс 20 до минус 80^оС) имеет экстремальный характер. При малых расходах ЩЗМ ударная вязкость стали возрастает, при расходе лигатуры 0,4-0,5 % она достигает максимума, а при большем расходе снижается. За счет применения ЩЗМ ударную вязкость стали можно повысить почти вдвое. С ростом ударной вязкости снижается индекс загрязненности стали неметаллическими включениями [8, 9].

Дополнительное модифицирование стали в ковше наряду с ЩЗМ также и редкоземельными металлами (РЗМ) позволяет обеспечить дальнейшее повышение качества стали.

В настоящее время при производстве стали широко применяют РЗМ, обладающие высоким сродством к кислороду, сере, азоту, цветным металлам и другим примесям. Влияние РЗМ проявляется как в снижении содержания этих примесей в стали, так и в переводе их из активных форм в пассивные, что способствует очищению границ зерен и обеспечивает формирование мелкодисперсной дендритной структуры. Очищая сталь от вредных примесей, РЗМ улучшают ее литейные свойства, жидкотекучесть, условия питания и трещиноустойчивость отливок, а также снижают анизотропию механических характеристик стали. Высокая эффективность влияния РЗМ на свойства стали обусловлена их благоприятным воздействием на состав, тип, форму, количество и равномерность распределения образующихся НВ, существенным улучшением макро – и микроструктуры заготовки, снижением ее физической и химической неоднородности, обеспечением повышенной плотности и дисперсности кристаллической структуры во всех зонах литой заготовки, в том числе малого сечения [10, 11].

Другие исследователи считают, что роль РЗМ состоит в достижении в жидкой стали такого суммарного содержания серы, которое значительно ниже значений, получаемых с помощью обычных десульфураторов, как например марганец, магний и другие.

РЗМ (церий, иттрий и др.) химически связывает растворенные в стали серу и фосфор с образованием сульфидов, оксисульфидов и фосфидов. В частности, церий образует сульфид Ce₂S₃, оксисульфид Ce₂O₂S₃ и фосфиды Ce₂P и CeP по реакциям:

2[Ce] +3[S] → (Ce₂S₃);

2[Ce] + 2[O] + 3[S] → (Ce₂O₂S₃);

[Ce] + [P] → (CeP).

Продукты реакции выделяются в виде отдельных округлых неметаллических включений. В результате границы зерен становятся чище, межкристаллитная связь усиливается и механические свойства стали (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ и ударная вязкость KCU – KCV) возрастают. Поэтому считается, что при обработке стали РЗМ достигается не только глубокое раскисление стали, но также и модифицирование расплава [12].

Следующие эксперименты были проведены с использованием ЩЗМ и РЗМ. На рисунке 2 показано влияние различных вариантов ковшевой обработки стали 20ГМЛ на ударную вязкость.

1- 0,1 % Al; 2 – 0,1 % Al + 0,2 % Si-Ca; 3 – 0,3 % Fe- Si-ΣРЗМ; 4 – 0,4 % Fe-Si-Ce.

Рисунок 2. Влияние ЩЗМ и РЗМ на ударную вязкость стали 20ГЛ

На рисунке 3 показано влияние расхода РЗМ (Fe-30Si-30ΣРЗМ) на ударную вязкость стали 20Л.

Рисунок 3. Влияние расхода РЗМ на ударную вязкость стали 20Л при различных температурах: 1 и 2–фильтрованная и нефильтрованная сталь при 20 ^оС, 3 и 4 - то же при минус 50 ^оС

Как видно из рисунка, зависимость ударной вязкости от расхода РЗМ имеет такой же экстремальный характер, как и при обработке ЩЗМ. По мере увеличения расхода РЗМ она вначале растет, достигает максимума и затем падает (кривая 3). Причем, при минусовых температурах значения ударной вязкости ниже, но характер зависимости сохраняется (кривая 4). При фильтровании за счет очистки стали от неметаллических включений ударная вязкость стали возрастает. При этом характер зависимости остается прежним (кривые 1 и 2).

Вывод. Результаты теоретического анализа, экспериментальных исследований и выводы, сделанные в настоящей работе, позволили сформулировать следующие рекомендации по совершенствованию технологии внепечной обработки стали 20ГЛ с применением ЩЗМ и РЗМ: необходимо осуществлять ковшовое раскисление алюминием и модифицирование кальцием в виде силикокальция и редкоземельными металлами в виде ферроцерия, иттрия, Fe-Si-РЗМ, иттриевого или цериевого мишметалла. Это приводит к увеличению степени усвоения РЗМ, при этом увеличивается механические свойства стали 20ГЛ.  

Список литературы:

1. Tursunov, N. K., Semin, A. E., & Sanokulov, E. A. (2017). Research of dephosphorization and desulfurization processes in smelting of 20GL steel in an induction crucible furnace with further processing in a ladle using rare earth metals. Chern. Met., 1, 33-40.
2. Тен, Э. Б., & Тоиров, О. Т. (2020). Оптимизация литниковой системы для отливки «Рама боковая» с помощью компьютерного моделирования. In Прогрессивные литейные технологии (pp. 57-63).
3. Турсунов, Н. К., Тоиров, О. Т., Железняков, А. А., & Комиссаров, В. В. (2021). Снижение дефектности крупных литых деталей подвижного состава железнодорожного транспорта за счет выполнения мощных упрочняющих рёбер.
4. ТУРСУНОВ, Н., & ТОИРОВ, О. СНИЖЕНИЕ ДЕФЕКТНОСТИ РАМ ПО ТРЕЩИНАМ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ. ВЯ Негрей, ВМ Овчинников, АА Поддубный, АВ Пигунов, АО Шимановский, 162.
5. Турсунов, Н. К., & Тоиров, О. Т. (2021). Снижение дефектности рам по трещинам за счёт применения конструкции литниковой системы.
6. Toirov, O. T., Tursunov, N. Q., Nigmatova, D. I., & Qo’chqorov, L. A. (2022). USING OF EXOTHERMIC INSERTS IN THE LARGE STEEL CASTINGS PRODUCTION OF A PARTICULARLY. Web of Scientist: International Scientific Research Journal, 3(1), 250-256.
7. Toirov, O. T., Tursunov, N. Q., & Nigmatova, D. I. (2022, January). REDUCTION OF DEFECTS IN LARGE STEEL CASTINGS ON THE EXAMPLE OF" SIDE FRAME". In International Conference on Multidimensional Research and Innovative Technological Analyses (pp. 19-23).
8. Турсунов, Н. К., Санокулов, Э. А., & Семин, А. Е. (2016). Исследование процесса десульфурации конструкционной стали с использованием твердых шлаковых смесей и РЗМ. Черные металлы, (4), 32-37.
9. Турсунов, Н. К., Семин, А. Е., & Котельников, Г. И. (2017). Кинетические особенности процесса десульфурации при выплавке стали в индукционной тигельной печи. Черные металлы, (5), 23-29.
10. Tursunov, N. K., Semin, A. E., & Sanokulov, E. A. (2016). Study of desulfurization process of structural steel using solid slag mixtures and rare earth metals. Chernye metally, 4, 32-7.
11. Турсунов, Н. К., Сёмин, А. Е., & Санокулов, Э. А. (2017). Исследование в лабораторных условиях и индукционной тигельной печи вместимостью 6 тонн режимов рафинирования стали 20 ГЛ с целью повышения ее качества. Тяжелое машиностроение, (1-2), 47-54.
12. Семин, А. Е., Турсунов, Н. К., & Косырев, К. Л. (2017). Инновационное производство высоколегированной стали и сплавов. Теория и технология выплавки стали в индукционных печах.