Процессы структурообразования на основе импульсного теплоотвода при кристаллизации сталей

Надежность конструкций и деталей машин в значительной степени зависит от качества исходного стального литья. Высокое качество стального литья определяется однородностью по химическому составу и структуре, отсутствием дефектов и, как следствие, одинаковыми по всему объему механическими и физическими свойствами. Различная степень развития типовых дефектов литой стали в виде химической и структурной неоднородности — ликваций, сегрегации примесей, разнозернистости, пористости, нарушения сплошности и т. д., напрямую зависит от технологии получения полуфабриката. В этой связи, усилия инженеров и разработчиков направлены на создание новых технологий производства, обеспечивающих устранение дефектов за счет повышения однородности стали.

Радикальным способом улучшения качества литого полуфабриката является технология непрерывной разливки стали. В настоящее время это самый распространенный способ заготовительного производства и на его долю приходится 98% объема выпускаемой во всём мире стали. Широкое распространение технология получила благодаря высокой производительности и эффективности процесса, а также реализации основного фактора, влияющего на качество литого полуфабриката сталиувеличение скорости охлаждения.

Тем не менее, резерв увеличения скорости кристаллизации ограничен повышением уровня тепловых напряжений в объеме литого продукта, провоцирующих образование трещин и, даже, разрушение заготовок, особенно, крупных сечений. В связи с этим, весьма актуальной является задача поиска способов дальнейшего улучшения качества стали путем управления формированием структуры (структурообразованием) литого полуфабриката за счет регулирования скорости и режимов охлаждения при кристаллизации.

Цель работы заключается в повышении качества и стабильности свойств стали путем управления структурообразованием на этапе кристаллизации стальных полуфабрикатов. В основу предлагаемого способа управления структурой заложен принцип регулирования скорости охлаждения и применение «импульсного» теплоотвода от затвердевающего металла. Идея импульсного теплоотвода заключается в чередовании кратковременных периодов интенсивного охлаждения импульс «охлаждения») с последующими периодами естественного нагрева. Такое техническое решение позволяет использовать преимущества высокоскоростной кристаллизации, связанной с возможностью подавления механизмов диффузии и предотвращением формирования сегрегаций химических компонентов в затвердевшей части полуфабриката во время охлаждения. Каждый последующий импульс нагрева способствует релаксации накопившихся тепловых напряжений в затвердевшей фазе (подобно тому, как это происходит при отпуске закаленной стали). Такую специфическую термическую обработку металла предлагается реализовать путем периодического теплоотвода от заготовки, вплоть до её полного затвердевания.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние ускорения процесса кристаллизации на уровень структурной и химической однородности стали в литом состоянии.

2. Установить и теоретически обосновать закономерности структурообразования стали при импульсном теплоотводе от кристаллизующейся заготовки.

3. Установить влияние импульсного теплоотвода при кристаллизации отливок из высокоуглеродистых сталей, наиболее склонных к ликвации, на их структуру и свойства.

4. Определить управляющие параметры импульсного теплоотвода и экспериментально установить их сочетание, обеспечивающее эффект гомогенизации по химическому составу и диспергирование структуры отливок из сталей различных структурных классов.

5. Разработать схемы импульсного теплоотвода и алгоритм расчетного определения параметров охлаждения при кристаллизации непрерывнолитых заготовок различных сечений.

6. Исследовать уровень химической и структурной однородности непрерывнолитой рельсовой стали, полученной с использованием импульсного теплоотвода при кристаллизации. Оценить его влияние на уровень и однородность механических свойств горячекатаных рельсов.

Научная новизна.

1. Установлены управляющие параметры структурообразования при импульсном теплоотводе и влияние импульсного теплоотвода при производстве стальных слитков на их структуру. Определены режимы импульсного теплоотвода, обеспечивающие эффект гомогенизации и повышение уровня структурной однородности литых стальных полуфабрикатов.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена идея самопроизвольного, естественного модифицирования стальной заготовки, затвердевающей под воздействием импульсного теплоотвода, в результате чего достигается бездендритное кристаллическое строение по всему сечению заготовки.

3. Предложена принципиально новая схема теплоотвода при кристаллизации заготовки, согласно которой теплоотвод является переменным не только по времени, (т.е. импульсным), но также и по направлению. Такой переменно-направленный во времени теплоотвод был назван импульсным полиградиентным, а способ кристаллизации в его условиях — импульсной полиградиентной кристаллизацией (сокращенно ИГЖ).

Практическая значимость. Применение нового способа управления процессами структурообразования на основе импульсного теплоотвода при производстве литых полуфабрикатов позволило использовать основное преимущество ускоренной кристаллизации, выраженное в повышении уровня химической и структурной однородности, без опасности нарушения целостности и растрескивания литого продукта, в т. ч. непрерывнолитых заготовок крупных сечений. Приобретаемое структурное состояние, выраженное в повышении дисперсности дендритного строения, уровня микроструктурной однородности, плотности по всему сечению заготовок в сочетании со значительным сокращением типовых дефектов литья: столбчатого строения, «ликвационного треугольника», площади зоны осевой ликвационной полосы, обеспечивает повышение уровня и стабильности свойств стали.

На примере производства железнодорожных рельсов установлено, что приобретаемое высокооднородное состояние стали, полученной с использованием импульсной полиградиентной кристаллизации наследственно сохраняется в горячем прокате, значительно повышая однородность и стабильность свойств горячекатаной стали.

Кроме того, установлено, что использование ИПК при непрерывной разливке позволяет на 10−15% увеличить производительность процесса без каких-либо существенных инвестиций на реконструкцию и переоснащение действующего оборудования.

На основании результатов исследований созданы и переданы к внедрению в металлургическое производство новые технологии непрерывной разливки заготовок блюмового и слябового сечений, основанные на использовании нового способа структурообразования при кристаллизации в ЗВО промышленных MHJ13, обеспечивающего повышение уровня структурной и химической однородности литого полуфабриката и качества производимых из него изделий — рельсов железнодорожного транспорта.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: конференции посвященной 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 2005), 11-й международной специализированной выставке «Металл-Экспо» (Москва, 2005, золотая медаль), международной конференции «Современные технологии и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали» (Москва, 2007), 6-й конкурсной Конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций (Королёв, 2007, 2 место), 3-й Международной конференции «ТРАНСМЕТ-2007» (Нижний Тагил, 2007).

Достоверность полученных результатов обусловлена большим количеством экспериментов и их теоретическим обоснованием, а также применением современных методов анализа структуры и свойств материалов.

Публикации. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 7 научных работах, из них 3 работы в журналах из перечня ВАК.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлены новые закономерности структурообразования стали при кристаллизации, заключающиеся в самопроизвольном модифицировании и естественной термической обработке, сопровождающиеся диспергированием структуры, уменьшением ликвации, изменением фазового состава и соотношения структурных составляющих, что приводит к повышению химической и структурной однородности литой стали.

2. Установлено, что обнаруженные закономерности структурообразования сталей реализуются при использования импульсного теплоотвода при охлаждении слитка: сочетание импульсов охлаждения высокой интенсивности, препятствующих формированию структурной и химической неоднородности, и периодов нагрева, способствующих релаксации напряжений в затвердевающем продукте.

3. Выявлен эффект положительного воздействия импульсного полиградиентного теплоотвода при кристаллизации (ИПК) на высокоуглеродистых сталях — быстрорежущей марки Р18 и графитизированной стали типа 125ГСН. Показано, что с применением ИПК и с ускорением кристаллизации в высоколегированной стали Р18 заметно снижается химическая ликвация компонентов расплава и объемная доля самой хрупкой составляющей — ледебурита, в стали 125ГСН увеличивается количество и уменьшается размер выделений графита, структурный состав стали изменяется от феррита, перлита и цементита к сорбиту и бейниту, что в целом приводит к повышению уровня однородности свойств.

4. Определены управляющие параметры импульсного теплоотводаколичество и интенсивность импульсов охлаждения, а также продолжительность импульсов охлаждения и периодов нагрева в лабораторных условиях на модельных отливкахобеспечивающие эффект гомогенизации по химическому составу и диспергирование структуры стальных отливок.

5. Разработан алгоритм расчетного определения параметров охлаждения при кристаллизации непрерывнолитых заготовок различных сечений. Предложена новая схема организации импульсного полиградиентного теплоотвода в ЗВО МНЛЗ, при которой теплоотвод является переменным не только по времени, но также и по направлению (ИПК).

6. Показано, что использование ИПК на примере производства заготовок рельсовой стали марки К76Ф приводит к получению литого продукта с высоким уровнем химической и структурной однородности за счет: снижения площади осевой ликвационной полосы, микропористости, ликвации легирующих элементов, повышения плотности и дисперсности дендритного строения (вплоть до получения бездендритной структуры). Это также сопровождается устранением типовых дефектов литого продукта: столбчатого строения, и ликвационного треугольника.

7. Показано, что структурообразование под воздействием ИПК обеспечивает однородность свойств по всему сечению литых заготовок.

8. Показано, что приобретенный при кристаллизации в условиях ИПК уровень однородности структуры и свойств стали К76Ф сохраняется при последующей горячей пластической деформации и повышает уровень эксплуатационных характеристик.