3.7. Специальный раздел. Разработка технологии противофлокенной обработки прокатываемого металла

Склонность стали к флокенобразованию, обусловленная наличием в металле диффузионно-подвижного водорода, в конечном итоге приводит к образованию несплошностей в готовом прокате, проявляющихся при проведении ультразвукового контроля.

Наличие в металле диффузионно-подвижного водорода способствует образованию флокенов за счет резкого снижения растворимости водорода при переходе стали из жидкого состояния в твердое. Образование зон с повышенной адсорбцией водорода, где зарождаются флокены, стимулируют внутренние напряжения, которые возникают в стали при пластической деформации, неравномерном охлаждении. Возникновению флокенов также способствует сопротивление металла разрушению в местах концентрации напряжения около скоплений дефектов макроструктуры, неметаллических включений, ликвационной неоднородности.

В связи с ужесточением требований по чистоте стали в настоящее время предъявляются повышенные требования к содержанию в ней водорода. Уже на протяжении многих лет ведётся работа по поискам новых способов борьбы с этим видом дефектов.

Известен способ производства стального проката, который включает протифлокенную обработку путем замедленного охлаждения листов в стопах.

В ЛПЦ-3000 технологический процесс производства толстолистового проката ответственного назначения включает противофлокенную обработку путем замедленного охлаждения листов в штабелях в течение 48 часов и более, независимо от концентрации водорода в стали и толщины проката.

Данный способ обеспечивает требуемое качество проката, однако имеет ряд недостатков, а именно: существенно увеличивается цикл производства толстолистового проката, повышает трудоёмкость, что ограничивает возможность наращивания его производства.

Попробуем сдвинуться с мёртвой точки и определить более современный способ борьбы с флокенами на базе лабораторных разработок мариупольских металлургических комбинатов им. Ильича и Азовстали.

3.7.1. Влияние режимов противофлокенной обработки на десорбцию водорода и качество толстолистового проката из непрерывнолитой стали

В сортаменте сталей, выплавляемых на "Азовстали", содержание водорода, определяемое системой ГИДРИС в расплаве в проме­жуточном ковше МНЛЗ, колеблется в широких пределах (от 3-4 до 10-11 ррm) и зависит от трудно контролируемых факторов (влажность атмосферы, шлаков, ферросплавов и др.). Противофлокенная обработка (ПФО) слябов, используемая на комбинате и заключающаяся в вылеживании их в термосах (под колпаками) в течение 96 ч независимо от концентрации водо­рода, обеспечивает требуемое качество проката, однако является экономически неэффективной и научно необоснованной.

Целью настоящей работы является исследо­вание связи между содержанием водорода в ме­талле, продолжительностью ПФО слябов и свой­ствами толстолистового проката для определе­ния оптимальной продолжительности ПФО, обеспечивающей необходимый уровень каче­ства стали в зависимости от исходной концен­трации водорода. Материалом исследования служила конструкционная низколегированная сталь А 572.50 опытной и промышленной выплавки следующего химического состава: 0,18-0,21 С; 1,42-1,48 Мп; 0,003-0,006 S; 0,015-0,019 Р; 0,03-0,05 Ni; 0,032-0,038 Аl; 0,022-0,028 Ti.

Опытная серия выплавлялась в лабораторных условиях в индукционной печи; расплав после выдержки 10-15 мин при 1600 °С и продувкой с различной интенсивностью осушенным водородом разливался в изложницы размером 15x90x400 мм.

Полученные литые образцы, рассматриваемые как модель промышленных слябов в масштабе 1:20, охлаждались в изложницах до 900°С, извлекались и помещались стопами по 10 шт. от каждой плавки в печь для медленного охлаждения. Скорость охлаждения составляла 20 град/ч в интервале температур 900-400°С; 5 град/ч — в интервале 400-200 °С; 1,5 град/ч — в интервале 200-150 °С. Общая продолжительность охлаждения составила около 100 ч, т. е. в лабораторных условиях был смоделирован процесс реального ПФО, применяемой в конвертерном цехе "Азовстали".

Для детального исследования были выбраны три лабораторные плавки с различным содержанием водорода — 4,2; 7,8; 11,7 ррm. В процессе охлаждения через каждые 10 ч извлекали по од­ному слитку от каждой плавки, из которого спе­циальным кольцевым сверлом вырезались цилиндрические образцы, подвергаемые закалке в жидком азоте. Содержание водорода опреде­ляли стандартной методикой на газоанализаторе LЕКО. На рис. 3.7.1. приведены результаты по кине­тике десорбции водорода в образцах опытных плавок, анализ которых показывает, что десорб­ция водорода существенна в течение первых 30-40 ч в диапазоне температур 900-300 °С, а в дальнейшем практически прекращается.

Рисунок 3.7.1. Кинетика десорбции водорода при его различных исходных содержаниях в стали лабораторной выплавки

Как следует из графиков, приведенных на рис. 8, степень десорбции водорода зависит от его исходного содержания и составляет порядка 41, 36 и 25 % для образов с 11,7, 7,8 и 4,2 ррm водорода соответственно. Водород при противофлокенной обработке углеродистых и легированных сталей ферритно-перлитного класса вы­деляется при охлаждении до 250-300 °С. При более низких температурах выделение водорода настолько затруднено вследствие замедления диффузии, что дальнейшее медленное охлаждение нецелесообразно. Кроме того, растворимость водорода в железе скачкообразно меняется лишь пои аллотропических превращениях, которые при температурах ниже 300 °С не на­блюдаются.

Результаты лабораторного эксперимента по­зволили без риска нарушения технологии пе­рейти к опытно-промышленному исследованию влияния времени ПФО непрерывнолитых слябов на качество толстолистового проката. Материа­лом исследования служили три серии промыш­ленных плавок конструкционной низколегиро­ванной стали А-572.50. Плавки были разбиты на три условные группы: с низким (3-5 ррm), сред­ним (6-8 ррm) и высоким (9-11 ррm) содержа­нием водорода. Слябы от каждой из трех групп проходили ПФО (охлаждение под колпаками) различной продолжительности. Опытные слябы после фракционной ПФО были сформированы в одну партию и прокатаны в ТЛЦ "Азовстали" по принятой технологии с полистным ультразвуко­вым контролем (УЗК).

Для исследования влияния водорода была применена специально разработанная методика оценки качества толстолистового проката по­средством определения структурно-чувстви­тельных характеристик металла в области осе­вой ликвации. Зона осевой ликвации, являясь как бы стоком неметаллических включений, при­месей и газов, способна порождать микротре­щины, поры и другие виды несплошностей. По­этому ее свойства по сравнению со свойствами вдоль и поперек прокатки будут более чувстви­тельны к содержанию водорода и продолжительно­сти ПФО, особенно в направлении толщины про­ката (z-направление). Ус­редненные результаты определения структурно-чувствительных характеристик ( и КСV) зоны осе­вой ликвации в листах толщиной от 50 мм и более с разным исходным содержанием водорода и после различной продолжительности ПФО приведены на рис. 9, а, б, откуда следует, что свойства металла осевой зоны непосредственно зависят как от со­держания водорода в стали, так и от времени ПФО.

Рисунок 3.7.2. Зависимость (а) и KC (б) в зоне осевой ликвации от времени ПФО

Оценка влияния водорода и времени ПФО на качество проката по УЗК проводилась по ТИ 232-133-88 (класс 1). Определяли значение S, пред­ставляющее общую площадь в квадратных сан­тиметрах, занимаемую всеми видами несплошностей на 1 м² листа. В соответствии с требова­ниями 1-го класса сплошности толстолистовой прокат считается удовлетворяющим требова­ниям, если значение S не превышает 200 см². Усредненные результаты определения S в зави­симости от концентрации водорода и времени ПФО приведены на рис. 3.7.3.

Рисунок 3.7.3. Зависимость общей площади несплошностей по УЗК в толстолистовом прокате от времени ПФО

Полученные результаты показывают, что су­ществует определенная зависимость между со­держанием водорода в расплаве, определяемым системой ГИДРИС в промежуточном ковше МНЛЗ при разливке, временем выдержки непрерывнолитых слябов под колпаками и качеством толстолистового проката.

Статистический анализ позволил определить минимальную продолжительность ПФО с уров­нем достоверности 0,9 для каждого из опреде­ляемых параметров ( , КС , УЗК), при которой данный параметр становится постоянным (рис. 9), т. е. кривая зависимости выходит на плато либо, как в случае УЗК, общая площадь несплошностей не превышает допустимого для данного класса значения (200 см²/м²). Учитывая, что время выхода на насыщение (минимальная продолжительность ПФО) у разных параметров отличается (таблица 1), то для построения но­мограммы использовалось значение того пара­метра (в данном случае это оказалось ), для которого необходима максимальная продолжи­тельность ПФО для получения необходимого уровня свойств.

Таблица 3.7.1.

Минимальная продолжительность ПФО, обеспечивающая необходимый уровень свойств определяемых параметров при данном содержании водорода

Содержание	Параметры	Минимальная
водорода в	качества	продолжительность
расплаве, ррm	проката	ПФО, ч
		32
3-5	КС	24
	S	----*
		68
6-8	КС	45
	S	40
		87
9-11	КС	64
	S	72
* При данном содержании Н2 кривая лежит ниже области допустимого уровня

Таким образом, для построения номограммы (рис. 3.7.4.) по определению минимальной про­должительности ПФО при данном содержании исходного водорода в расплаве, обеспечиваю­щей гарантированный уровень качества проката, были использованы результаты по определению в зоне осевой ликвации катаных листов для серии плавок из стали А572.50 при концентрации водорода от 3,2 до 11,1 ррm и прошедших через различные режимы ПФО (от 12 до 96 ч).

Рисунок. 3.7.4. Номограмма для определения минимальной продолжительности ПФО в зависимости от содержания водорода в расплаве

Следует отметить, что минимальная продол­жительность ПФО, определяемая из данной номограммы, несколько превышает время ПФО, обеспечивающее десорбцию водорода, определенное в лабораторном эксперименте. Это свя­зано со сложностью протекания процесса десорбции в больших сечениях промышленных слябов, где наряду с десорбцией водорода мо­жет происходить его перераспределение в твердом растворе между различного вида несплошностями, неметаллическими включениями и дру­гими структурными неоднородностями, что тре­бует дополнительного времени.

Полученный график (рис. 3.7.4.) может быть описан аналитически с помощью уравнения:

Y = 23,7X - X² - 47,8 (3.40)

где X — содержание водорода, ppm;

Y — про­должительность ПФО, ч.

Для практического использования получен­ных результатов, т.е. для непосредственного расчета времени ПФО определенной плавки, возможно использовать либо номограмму, либо проводить расчет аналитически по вышеприве­денной формуле. Для удобства применения предлагается таблица значений продолжительностей ПФО, обеспечивающих необходимый уровень качества толстолистового проката, в за­висимости от содержания водорода:

Таблица 3.7.2.

Продолжительность ПФО в зависимости от содержания углерода

Содержание водорода, ррm	Продолжительность ПФО, ч
3	14
4	31
5	46
6	58
7	69
8	78
9	85
10	89
11	92

Полученные номограмма и аналитическая за­висимость дают возможность в промышленных условиях определять минимальную продолжи­тельность ПФО, обеспечивающую качество про­ката, с учетом содержания водорода в стали данной плавки, что позволяет повысить эффек­тивность производства.

3.7.2. Выводы

Смоделирован процесс ПФО непрерывнолитых слябов стали А-572.50 и изучена десорбция водорода при медленном охлаждении металла в диапазоне температур от 900 до 200 ^СС. Пока­зано, что степень десорбции водорода состав­ляет от 25 до 41 % и зависит от его исходного содержания в расплаве.

Установлено, что изменение содержания во­дорода в расплаве и время ПФО оказывают влияние на сплошность стали по УЗК и ее струк­турно-чувствительные характеристики, в частно­сти на и КСV_z в зоне осевой ликвации. Опре­делены минимальные продолжительности ПФО, обеспечивающие необходимый уровень каче­ства толстолистового проката при различных со­держаниях водорода.