Анализ термодинамики процессов раскисления и оптимизация технологии внепечной обработки рельсовой стали

Актуальность.

Процессам раскисления расплавов, анализу чистоты стали по неметаллическим включениям и исследованиям влияния включений на свойства стальных изделий посвящено большое количество работ. Однако, практически в любой проблеме всегда остаются неразрешенные вопросы, актуальность которых со временем не исчезает. Оксидные неметаллические включения, образующиеся в расплаве и являющиеся в большинстве случаев продуктами реакций раскисления, по степени влияния на служебные свойства сталей и сплавов занимают особое место. Состав неметаллических включений и конечное содержание кислорода в металле определяется используемыми раскислителями, их составом, количеством, последовательностью и способом их введения в расплав. Неметаллические включения, содержащиеся в металле, оказывают решающее влияние на весь комплекс служебных свойств. Однако не только общее содержание включений определяет свойства сталей, но еще в большей степени влияет их природа, форма, размер и распределение в металле. Иногда, даже несколько крупных включений или группа могут оказывать драматические влияние на свойства сталей таких, например, как рельсовая.

Значительная доля грузовых и пассажирских перевозок в РФ приходится на железнодорожный транспорт. Протяженность железных дорог в России составляет более 124 тыс. километров. По данным РАО РЖД ежедневно с пути снимается до 300 дефектных и остродефектных рельсов, что в пересчете на массу составляет до 4500 тонн. Основной причиной выхода из строя рельсов являются контактно усталостные дефекты. В зимний период доля таких дефектов достигает 68%, в летний период до 32%. Возникновение дефектов влияет на эксплуатационную стойкость готовых рельсов. Нормативное значение эксплуатационной стойкости для рельсов' российского производства составляет 500 млн. т. брутто, в то время как, лучшие импортные образцы, производства Японии, Австрии и Франции, более чем в 2 раза превышают этот показатель. Тема металлургического качества и чистоты металла, получения сталей с заданными свойствами сегодня является одной из самых важных и обсуждаемых. Металлургическое качество и повышение чистоты рельсовой стали по высокоглиноземистым труднодеформируемым неметаллическим включения является важной и актуальной проблемой. Данной проблеме было посвящено много работ, но, тем не менее, в настоящее время остаются не решенные вопросы.

Как показано в ряде работ, выполненных специалистами ВНИИЖТ [6,7], причиной образования контактно-усталостных дефектов, служат крупные оксидные неметаллические включения, с высоким содержанием AI2O3.

В работах, выполненных в УРАН ИМЕТ РАН [1,9,15,21] показано, что эксплуатационная стойкость в значительной степени зависит от чистоты стали по оксидным недеформируемым неметаллическим включениям.

Поэтому важной и актуальной задачей является повышение чистоты транспортного металла по оксидным недеформируемым неметаллическим включениям с высоким содержанием А120з, а следовательно и повышения эксплуатационной стойкости рельсов, получаемых из этой стали.

Настоящая работа, направлена на развитие физико-химических основ процессов раскисления, анализ и оптимизацию технологии внепечной обработки рельсовой стали с целью повышения чистоты по неметаллическим включениям, и повышения эксплуатационной стойкости рельсов.

Цель работы.

Целью выполненной работы являлась развитие физико-химических основ процессов раскисления рельсовой стали комплексными раскислителями, анализ взаимодействия металлического расплава с огнеупорными материалами и шлаками, проведение лабораторных и промышленных исследований с применением современных методов — фракционного газового анализа, количественной металлографии и растровой электронной микроскопии и разработка технологии внепечной обработки рельсовой стали, позволяющей получать металл сравнимый по чистоте по неметаллическим включениям с лучшими образцами рельсов производства Австрии, Японии и Франции.

Методы исследования.

При проведении работ применялись современные методы экспериментальных исследований: метод фракционного газового анализа — модификация метода восстановительного плавления в потоке газа-носителя на газоанализаторах ТС-436 и ТС-600 фирмы «Leco», метод количественной металлографии на анализаторе изображения IA-32, оснащенном программным обеспечением Inclusion Expert фирмы «Leco», метод рентгеновского микроанализа на растровом сканирующем электронном микроскопе LEO 430i фирмы Carl Zeiss с энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором. Определение химического состава проводили на спектрометре тлеющего разряда SA-2000 фирмы «Leco». Физико-химические расчеты проводили с применением современного оригинальногопрограммного обеспечения OxSeP, Oxid, а также программного обеспечения Origin 8. Применение современных методов исследования, использование современного программного обеспечения и расчетных методов, а также хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных обеспечивает достоверность и обоснованность выводов и положений работы.

Научная новизна.

В работе были получены следующие новые научные результаты:

Термодинамическим анализом, лабораторными и промышленными экспериментами обоснована эффективность применения и порядок использования различных раскислителей, огнеупорных материалов и шлаков при внепечной обработке «чистых» сталей, в том числе — рельсовой для обеспечения чистоты стали по неметаллическим включениям.'.

Предложена новая методика анализа' и оптимизации внепечной обработки сталей с отбором образцов .на всех этапах обработки, их последующим исследованием с применением современных методов — фракционного газовогоанализа, количественной, металлографии, рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе и сравнения с результатами физико-химических расчетов.

Сформулированы основные физико-химические принципы оптимизации > технологии производства «чистых» сталей, в том числе рельсовой стали и стали для производства железнодорожных колес.

Разработана и опробована в промышленных условиях ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» технология внепечной обработки и раскисления рельсовой стали позволившая обеспечить высокую чистоту по оксидным неметаллическим включениям.

Практическая ценность работы.

Работа направлена на разработку оптимизированной технологии раскисления и внепечной обработки рельсовой стали на ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» на основе анализа процессов раскисления рельсовой стали, комплексными раскислителями, анализа взаимодействия металлического расплава с огнеупорными материалами и шлаками, позволяющей получать металл сравнимый по чистоте по неметаллическим включениям с лучшими образцами рельсов производства Австрии, Японии и Франции. В условиях действующего производства проведены опытные плавки. В результате проведения опытно-промышленного опробования, предложенной технологии, получен металл, который по чистоте по неметаллическим включениям не уступает лучшим образцам зарубежных производителей рельсовой стали.

Предложенные в работе положения технологии учтены при составлении технических условий по внепечной обработке рельсовой стали ОАО «НТМК», а ограничения по содержанию кислорода внесены в ГОСТ Р 51 685−2000.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Конференции молодых сотрудников и аспирантов Института металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН (Москва, 2005, 2006 гг.), IX, X международном Конгрессе сталеплавильщиков (Старый Оскол, 2006 г., Магнитогорск, 2008 г.), 122-й ежегодной межведомственной Рельсовой комиссии (Новосибирск, 2006 г.), 123-й ежегодной межведомственной Рельсовой комиссии (Новокузнецк, 2007 г.), международной конференции Достижения в области металлургии и материаловедения (AdMet 2007) (Украина, Днепропетровск, 2007 г.), 124-й ежегодной межведомственной Рельсовой комиссии (Нижний Тагил, 2008 г.), XII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2008 г.), III Международной конференции «TRANSMET — 2007», (Нижний Тагил, 2008 г.), IV Международном Конгрессе «Наука и технология сталеплавильных процессов» (ICS2008), (Япония, Гифу, 2008 г.).

Общие выводы по диссертационной работе.

1. Проведенный анализ образцов рельсовой стали опытных партий, прошедших эксплуатационные испытания в опытном кольце ВНИИЖТ, и анализ литературных данных показали, что наибольшее влияние на эксплуатационные свойства рельсов оказывают высокое содержание крупных недеформируемых высокоглиноземистые оксидные неметаллические включения с содержанием AI2O3 более 50%.

2. Проведен термодинамический анализ процессов раскисления, модификации неметаллических включений при обработке расплава комплексными раскислителями, процессов, протекающих при взаимодействии расплава углеродистой стали со сталеплавильными шлаками и огнеупорными материалами. Расчетами показано, что достижение концентраций кислорода менее 0,0020% (масс.), требуемых по ГОСТ Р 51 685−2000, возможно за счет использования в качестве раскислителя алюминия, за счет комплексных раскислителей таких, как алюмокальций, и за счет совместного раскисления алюмнинием и кремнием, а также за счет применения вакуум-углеродного раскисления. Достоверность расчетов подтверждена лабораторными и промышленными экспериментами.

3. Рассчитаны концентрационные области существования различных продуктов реакции раскисления при температуре 1873 К для расплавов Fe-0,4%C-0,9%Mn-Si-Al и Fe-0,8%C-0,9%Mn-Si-Al в зависимости от концентрации углерода, кремния и алюминия. Показано, что образование AI2O3 возможно при концентрации алюминия в расплавах: 0,0017% (масс.) для Fe-0,8%C-0,9%Mn-Si-Al и 0,0010% (масс.) для Fe-0,4%C-0,9%Mn-Si-А1. Расчетом определены термодинамически возможные концентрационные области образования неметаллических включений.

4. Термодинамический анализ процессов взаимодействия расплава с футеровкой показал, что из высокоглиноземистой футеровки ковша возможно восстановление алюминия в расплав такими элементами, как кремний, кальция и углерод при остаточном давлении Peo = 1 атм при температуре 1600 °C. При концентрациях углерода и кремния, близких к марочному составу, равновесная концентрация алюминия, восстановленного из футеровки, составляет 0,0025 и 0,0015% (масс.) соответственно. В условиях вакуумной обработки расплава происходит более интенсивное взаимодействие углерода с материалом футеровки за счет снижения Рсо, при этом, согласно расчетам, концентрация растворенного алюминия может достигать более 0,0075% (масс.). В результате лабораторного эксперимента получено, что при взаимодействии расплава Fe-0,4%C-0,4%Si с корундовым тиглем возможно восстановление до 0,0040% (масс.).

5. Показано, что использование кальцийсодержащих материалов при обработке расплава приводит не только к модифицированию включений до глобулярных алюминатов кальция, но и к дополнительному загрязнению металла высокоглиноземистыми включениями за счет протекания процессов, связанных с повышенным содержанием алюминия в кальцийсодержащих материалах, которое может достигать 2,5% (масс.), а также за счет взаимодействия-кальция с высокоглиноземистыми материалами футеровки.

6. Исследовано влияние химического состава шлака на изменение состава неметаллических включений в расплаве рельсовой стали. Установлено, что при увеличении содержания АЬОз в шлаке происходит модификация неметаллических включений и их состав изменяется в сторону увеличения содержания АЬОз.

7. Разработана оригинальная методика анализа и оптимизации технологии раскисления и внепечной обработки «чистых» сталей, которая включает в себя: отбор образцов по ходу обработки расплава на всех этапаханализ полученных образцов с применением современных методов — фракционного газового анализа, количественной металлографии’и микрорентгеноспектрального анализа НВ, с определением связанного и растворенного кислорода и объемную долю оксида алюминия. Методика включает проведение физико-химического анализа процессов, протекающих во время обработки: -раскисления, учет взаимодействия расплава с футеровкой и шлаком, образование и модификацию неметаллических включенийпроведение сравнительного анализа расчетных и экспериментальных значений.

8. Показано, что снижение концентрации углерода на выпуске из конвертера и соответственно увеличение концентрации растворенного кислорода в металле позволяет: во-первых, окислить алюминий, попадающий в металл с ферросплавами, что способствует увеличению времени удаления включенийво-вторых, обеспечить более высокую интенсивность перемешивания за счет интенсификации процессов обезуглероживанияв-третьих, приводит к модификации включений А^Оз до алюмосиликатов.

9. Проведен анализ существующей технологии внепечной обработки рельсовой стали в условиях ККЦ-1 ОАО «НТМК». Определены ключевые этапы процесса обработки, оказывающие существенное отрицательное влияние на качество рельсового металла. С учетом физико-химического анализа процессов, протекающих при раскислении расплава и взаимодействии его с огнеупорными материалами и шлаком, сделаны рекомендации по оптимизации технологии раскисления и внепечной обработки рельсовой стали в условиях ККЦ-1 ОАО «НТМК».

10. Разработана и опробована технология внепечной обработки рельсовой стали в условиях ККЦ-1 ОАО «НТМК». Показано, что применения предложенной технологии внепечной обработки рельсовой стали на ОАО «НТМК» позволяет получать рельсовую сталь с чистотой по оксидным неметаллическим включения, сравнимой с лучшими образцами импортного производства.

11. Результаты и выводы диссертационной работы используются в ОАО «НТМК» при разработке технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой стали марки К76Ф для рельсов для совмещенного скоростного движения, что подтверждается справкой об использовании результатов работы (приложение Б).