ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ СТАЛИ 20ГЛ В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

АННОТАЦИЯ

При производстве стали многие предприятия сталкивается с трудностями по удалению серы из расплава. В свою очередь, повышенное содержание серы в готовой продукции приводит к пониженным значениям некоторых механических свойств. В данной работе проанализирован процесс десульфурации стали марки 20ГЛ в индукционной тигельной печи. Рассмотрены влияние серы на ударную вязкость стали и влияющие факторы на удаление серы. Получены расчетные данные и данные промышленных плавок, объяснены различие между этими данными, на основе которых даны рекомендации.

Параметры технологии выплавки стали, которые определяют химический состав и структуру являются основными факторами, способствующими высоким механическим свойствам.

Актуальность работы заключается в необходимости совершенствования и разработки процесса десульфурации стали, позволяющего получать сталь с низким содержанием серы и высокими механическими свойствами.

ABSTRACT

During the steel production process, the plant faces difficulties in removing sulfur from the melt. In turn, the increased sulfur content in the finished product leads to lower values of some mechanical properties. In this paper, the process of desulphurization of 20ГЛ steel in an induction crucible furnace is analyzed. The effect of sulphur on impact toughness of steel and the factors influencing the removal of sulphur are considered. The work also obtained calculated data and industrial smelting data, explained the differences between these data, on the basis of which recommendations were given.

The parameters of steelmaking technology, which determine the chemical composition and structure, are the main factors contributing to high mechanical properties.

Since the relevance of the  work lies in the need to improve and develop a steel desulphurization process that allows obtaining steel with a low sulphur content and high mechanical properties.

Ключевые слова: десульфурация стали, раскисление стали, неметаллические включения, щелочноземельные металлы, твердые шлаковые смеси, футеровка печи, механические свойства, ударная вязкость.

Keywords: desulphurization of steel, steel deoxidation, non-metallic inclusions, alkaline earth metals, solid slag mixtures, furnace lining, mechanical properties, impact toughness.

Введение. Основным видом деятельности АО “Литейно-механический завод” (Ташкент, Республика Узбекистан) является производство деталей для железнодорожного транспорта. Основными деталями из них являются боковая рама и надрессорная балка, которые отливаются из стали марки 20ГЛ.

Для повышения качества стали 20ГЛ были проведены работы с применением легирования. Однако, легирование увеличивает прочность с уменьшением пластичности. Эта сталь должна обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью. Также выплавка стали включает процессы рафинирования от вредных примесей, таких как кислород, сера, фосфор.

Боковая рама считается несущим элементом тележек вагонов. Боковая рама выдерживает статические и динамические вертикальные нагрузки (от веса вагона и груза, от ударов при прохождении неровностей пути) и продольные нагрузки (усилия тяги при равномерном движении состава, усилия при соударении вагонов), а также подвергается воздействию крутящего момента при вписывании вагонов в кривые. При этом основная часть динамических вертикальных нагрузок носит циклический характер, и усталостная прочность боковых рам (способность длительно противостоять воздействию циклических нагружений) является основной характеристикой их эксплуатационной надежности [1].

Материалы и методы исследования. Рама боковая (рисунок 1а) и балка надрессорная (рисунок 1б) являются основными деталями железнодорожного транспорта.

а)                                                                             б)

Рисунок 1. Рама боковая (а) и балка надрессорная (б)

Химический состав и механические свойства стали 20ГЛ по ГОСТ 32400-2013 приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Химический состав стали 20ГЛ, (% масс.)

Таблица 2.

Механические свойства стали 20ГЛ

Отрицательное влияние серы на свойства стали определяется ее физико-химическим взаимодействием с железом, т.е. высокой растворимостью в жидком расплаве и весьма малой растворимостью в твердом α-железе. Температура плавления эвтектики Fe – FeS составляет 975 °C. Во время кристаллизации в междендритных пространствах расплав обогащается серой. Также сера влияет на свойства металла через сульфидные включения, образующиеся как последствия металлургических процессов связывания серы в соединения, более прочные, чем FeS [2].

При охлаждении стали образуются сульфиды за счет уменьшения растворимости серы. В основном образуются сульфиды железа (FeS) и сульфиды марганца (MnS), также сера образует сульфиды других элементов. Сульфид железа имеет температуру плавления 1188 °C, однако в металле образуется легкоплавкая эвтектика с температурой плавления 988 °C. При высоких температурах эвтектика расплавляется, что приводит к красноломкости стали. Даже относительно низкое содержание серы в металле может приводить к уменьшению механических и технологических свойств за счет склонности к ликвации [3].

Во время кристаллизации и охлаждения стали сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов или оксисульфидов FeS∙FeO вследствие понижения растворимости. Так как выделение этих включений происходит в конце затвердевания, то они распределяются по границам зерен уже образовавшихся кристаллов, ослабляя их связь, за счет чего ухудшаются свойства металла.

При комнатной и близких к ней температурах включения сульфидов понижают механические свойства стали – пластичность, ударную вязкость [4].

На рисунке 2 показано влияние серы и фосфора на ударную вязкость стали.

Рисунок 2. Зависимость влияния суммарного содержания вредных примесей на ударную вязкость стали (фактические данные)

Как видно из экспериментальных данных, с увеличением содержания серы в стали заметно уменьшается ударная вязкость. Поэтому сталь с высокой ударной вязкостью можно получить снижением содержания серы до низких уровней. На рисунке 3 показано влияние содержания алюминия на ударную вязкость стали.

Рисунок 3. Зависимость влияния алюминия на ударную вязкость стали (фактические данные)

Из рисунка 3 видно, что с увеличением содержания алюминия растет уровень ударной вязкости. Это можно объяснить тем, что алюминий взаимодействует с кислородом и азотом, снижая их содержания в твердом растворе. Так как, азот и кислород находятся в твердом растворе и при охлаждении уменьшаются их растворимость, образуя хрупкие фазы в виде оксидов и нитридов по границам зерен, тормозящих рост зерен.

Выделение избыточного алюминия по границам зерен с образованием неметаллических включений влияет на механические свойства. Образуемые сегрегации вызывают межзеренное охрупчивание, приводящее к снижению ударной вязкости [4].

В сталях, раскисленных алюминием, сульфидные включения, выделяясь по границам первичных кристаллитов, уменьшают их спайность и тем самым обеспечивают снижение показателей пластичности и вязкости металла. Поэтому, чем выше концентрация серы в металле, тем в большей степени он загрязнен неметаллическими включениями и тем ниже будут показатели пластических свойств [5].

По характеру раскисления и химическому составу в стали могут образовываться сульфиды трех типов.

1-тип. Мелкие глобулярные сульфиды марганца и оксисульфидные включения. Такие включения образуются в сталях, содержащих малые содержания алюминия.

2-тип. Эвтектические сульфиды марганца в виде непрерывистой пленки. Такие включения располагаются в виде пленок, что приводит к уменьшению сил межкристаллитных связей и заметному снижению вязких и пластических характеристик.

3-тип. Крупные ограненные сульфиды марганца. Они образуются при повышенном содержании алюминия.

Из них наиболее отрицательно влияют на свойство стали сульфиды 2-типа. Содержание алюминия, обусловливающее образование сульфидов того или иного типа, зависит от состава стали, также значительно от содержания углерода [6].

Вклад неметаллических включений, образующихся при добавлении алюминия в количестве 0,02-0,06%  в низкую ударную вязкость, невелик.

Основными влияющими факторами на процесс десульфурации являются состав и количество шлака, степень раскисленности стали, интенсивность перемешивания шлака и металла, состав металла, футеровка ковша. Оптимизация этих технологических факторов обеспечивает эффективность протекания процесса.

Шлак выполняет ряд технологических функций, как ассимиляция неметаллических включений, защита от вторичного окисления, десульфурация. Для выполнения таких функций шлак должен иметь следующие характеристики: основность (CaO/SiO₂)>5; содержание (SiO₂)<10% (масс.); содержание (FeO)+(MnO)<1,0% (масс.); жидкоподвижность. Для достижения таких характеристик необходимо использовать шлакообразующие материалы (известь, плавиковый шпат, глиноземсодержащие материалы) и раскислители в разных соотношениях [7].

В настоящее время наиболее современным десульфуратором является флюидизированная известь, карбид кальция и гранулированный магний. Обработка металла флюидизированной известью получила большое распространение и является хорошим десульфуратором, что позволяет получать сталь с низким содержанием серы (до 0,003%). Флюидизированная известь представляет собой фракционно-дисперсным составом, высоким содержанием CaO (более 95%) и отсутствием других примесей [8].

Щелочноземельные металлы обладают высокими рафинирующими свойствами по отношению к сере и кислороду, растворенным в стали. Добавление ЩЗМ в расплав обеспечивает не только снижение серы и кислорода, а также способствует управлять природой, формой выделений неметаллических включений, что позволяет получать металл с оптимальными физико-механическими, технологическими свойствами.

Однако получение стали с низкой концентрацией кислорода является главной, но не единственной задачей. При раскислении алюминием в сталях образуются облакообразных скоплений остроугольных частиц, приводящих к образованию микротрещин. Добавление в сталь более сильных раскислителей, как магний, кальций и РЗМ приводит к значительному снижению кислорода, изменению морфологии включений, уменьшению количества поверхностных и внутренних дефектов в сталях.

Содержание кислорода и вид раскислителя влияют на образование включений в стали. При этом необходимо предотвращение поступления кислорода из атмосферы. Поэтому продувка инертным газом (аргоном) весьма важна. Кроме того, продувка позволяет увеличивать степень десульфурации, усреднять химический состав и температуру, удалять неметаллические включения. Однако интенсивность газа не должна оголять металл, что приводит к вторичному окислению металла [9].

Результаты и обсуждение. Проведенное исследование показало, что процесс десульфурации стали 20ГЛ в индукционной тигельной печи является важным этапом для получения металла с улучшенными механическими свойствами. Анализ влияния серы на ударную вязкость подтвердил, что повышенное содержание данной примеси снижает пластичность и прочностные характеристики стали, что негативно сказывается на эксплуатационных качествах литых деталей железнодорожного транспорта. В ходе работы были изучены основные факторы, влияющие на процесс удаления серы, включая состав и количество шлака, степень раскисления металла, интенсивность перемешивания и температуру обработки. Выявлено, что оптимизация шлакового режима и применение кальцийсодержащих реагентов позволяют достичь высокой степени десульфурации. Экспериментальные данные подтвердили, что при корректном выборе технологических параметров возможно снижение содержания серы до 0,003 %. Также рассмотрено влияние алюминия на ударную вязкость стали. Установлено, что его содержание в пределах 0,02-0,06 % способствует снижению кислорода и азота, что приводит к улучшению пластичности металла. Однако избыточное содержание алюминия может способствовать образованию хрупких неметаллических включений, снижающих прочностные свойства стали.

Заключение. На основании проведенного исследования предложены рекомендации по повышению эффективности десульфурации стали 20ГЛ:

• применение комбинированных раскислителей (Al, Ca, Mg, РЗМ);
• увеличение кратности шлака и его основности (CaO/SiO₂ > 5);
• использование аргоновой продувки для удаления неметаллических включений;
• контроль температуры и продолжительности десульфурации.

Реализация предложенных мер позволит значительно улучшить качество стали 20ГЛ, повысить механические свойства литых деталей и увеличить срок их эксплуатации в условиях высоких нагрузок.

Список литературы:

1. Toirov O.T. Тemir yo’l transporti harakat tarkibining muhim ahamiyatga ega bo’lgan katta o’lchamli po’lat quymalarning sinishini kamaytirish maqsadidagi innovatsion texnologiya // Теория и практика современной науки. – 2023. – №. 1 (91). – С. 40-45.
2. Rutkovskiy, A.L., Bakhteev, E.M., Salikhov, Z.G., & Kovaleva, M.A. (2021). An optimized process of drying titanium pellets in a tunnel kiln.
3. Турсунов Н.К., Семин А.Е., Санокулов Э.А. Исследование процессов дефосфорации и десульфурации при выплавке стали 20ГЛ в индукционной тигельной печи // Сборник трудов. Москва – Электросталь. 2016 г. С. 272 – 276.
4. Toirov O., Tursunov N. Development of production technology of rolling stock cast parts // E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2021. – Т. 264. – P. 05013.
5. Голубцов В.А., Лунев В.В. Модифицирование стали для отливок и слитков. – Челябинск-Запорожье: ЗНТУ, 2009. – 356 с.
6. Семин А.Е., Алпатов А.В., Котельников Г.И. Современные проблемы металлургии и материаловедения: практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2015. – 56 с.
7. Rakhimov, U., & Tursunov, N. (2023). Development of technology for high-strength cast iron for manufacturing D49 head of cylinder. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 05013). EDP Sciences.
8. Tokhir Tursunov, Nodirjon Tursunov and Talgat Urazbayev, “Investigation of heat exchange processes in the lining of induction furnaces”, E3S Web of Conferences 401, 05029 (2023).
9. S.R. Seydametov, N.K. Tursunov, S.P. Alimukhamedov, “Development of out-of-furnace steel treatment technology for the manufacture of railroad transport parts”, AIP Conf. Proc. 3045, 060022 (2024).