2.3 Подбор раскислителей и легирующих материалов обеспечивающих минимальный их расход для легирования коррозионностойких спецсталей

Произведены расчеты материального баланса раскисления и легирования коррозионностойких спецсталей для обеспечения минимального расхода раскислителей. Расчеты проведены на примере стали 02Х18Н10Т.

Для раскисления и легирования в расчетах использовали следующие ферросплавы таблица 5.

Таблица 5 - Химический состав раскислителей и легирующих, %

Ферросплав	Содержание элементов
	C	Si	Mn	Cr	Ni	Al	Ti	Ca	S	P
ФМн75	7,00	2,00	75,00	-	-	-	-	-	0,030	0,450
СМн17	1,70	17,00	65,00	-	-	-	-	-	0,030	0,350
ФС65	-	65,00	-	-	-	2,00	-	-	0,030	0,050
АВ	-	-	-	-	-	86,00	-	-	-	-
ФХ800	8,00	2,00	-	70,00	-	-	-	-	0,060	0,040
Никель	-	-	-	-	99,00	-	-	-	-	-
Ти30	0,10	4,00	-	-	-	7,00	30,00	-	0,030	0,040
СК30	0,50	6,00	-	-	-	2,00	-	30,00	-	0,040

Установлены степени усвоения элементов во время раскисления и легирования, таблица 6.

Таблица 6 - Усвоение элементов во время раскисления и легирования

Элемент	Усвоение,%
Si	95,00
Mn	95,00
Al	50,00
Cr	99,70
Ti	75,00

Расчеты проведены при использовании 50 и 100 % легированных отходов стали (02Х18Н10Т) в шихте.

При использовании 50% легирован­ных отходов стали 12Х18Н10Т состав металлошихты рассчитан с получением в суммарной завалке следующих концентраций основных элементов:

- содержание Cr и Ni по верхнему пределу, т.е. Cr-18% и Ni-10%;

- содержание C 0,9%.

Химический состав используемых в металлошихте материалов приведен в таблице 7.

Таблица 7 - Шихтовые материалы

Материал	Содержание в шихте, %	Химический состав, %
		C	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	S	P
Легированные отходы	50	0,12	0,8	2,0	18,0	10,0	0,8	0,005	0,005
Углеродистый лом	38	0,4	0,3	0,5	-	-	-	0,030	0,030
Никель	4	-	-	-	-	99,8	-	-	-
Феррохром ФХ800	8	8,0	1,88	-	80,0	-	-	0,06	0,06

При выплавке стали марки 12Х18Н10Т кокс в за­валку не дается, т.к. углеродистый феррохром вносит достаточное коли­чество углерода для ведения плавки на вспененном шлаке.

Установлено, что при поддержании содержания угле­рода в металле на уровне 0,6-0,8% в течении всей плавки, изменение окисленности шлака незначительно и будет находиться в пределах 8-10%, а при введении в пенистый шлак порошкообразного углеродсодер­жащего материала в течении нагрева металла не превысит 2-5%.

Благодаря низкой окисленности металла и восстановлению (за счет ввода в шлак углеродсодержащего материала) угар хрома, никеля и марганца будет минимальным.

Результаты расчетов приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Удельные расходы при выплавке 1т стали марки 02Х18Н10Т

Лом углеродистый	387,0	0,0
Лом легированный	443,8	1011,3
Никель	67,1	10,4
ФХ800	134,2	8,3
АВ	2,0	2,0
СК30	0,5	0,5
СМн17	22,0	15,0
ФТи30	35,6	35,6
ФС65	2,9	4,9

3 Определение оптимального химического и фракционного состава модификатора (ФАСК) для обеспечения его высокой эффективности при модифицировании стали

3.1 Подбор химического и фракционного состава модификатора (ФАСК), обеспечивающих модифицирование неметаллических включений самоупрочняющихся спецсталей

Одним из наиболее широко применяемых износостойких материалов является марганцовистая аустенитная сталь Гадфильда (110Г13Л), служащая для изготовления деталей, износ которых сопровождается ударами и большими давлениями.

По износостойкости, отпускной хрупкости, устойчивости к высоким статическим и динамическим нагрузкам, высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л намного превосходит другие аналогичные стали. При деформации на 60-70 % твердость стали 110Г13Л увеличивается в 2-2,5 раза, что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики, наклепом и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях. Но сталь 110Г13Л не сваривается, а механической обработке поддается, только полностью имея структуру однородного марганцовистого аустенита с НВ = 200-230 после закалки с 1050-1100 ^оС в воде, поэтому из нее удается получать готовые детали только по литьевой технологии [Рациональная технология модифицирования стали. В. Голубцов, Л. Тихонов, В Тазетдинов, А. Воронин, И. Романцев ОАО "ЧТПЗ", В. Рощин ЮУрГУ. Журнал НАЦИОНАЛЬНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ].

Традиционные направления совершенствования свойств материалов за счёт их состава практически исчерпаны. В основном свойства материалов зависят от структурного строения материала на макроуровне. В металлургии известно, что стали и сплавы с мелкокристаллической структурой обладают рядом преимуществ конструкционных и технологических свойств перед сталями и сплавами с крупнокристаллической структурой. Одним из перспективных направлений получения сплавов с мелкокристаллической структурой является их модифицирование.

По разрабатываемой технологии производства самоупрочняющихся спецсталей, в частности стали Гадфильда (110Г13Л) на заключительной стадии легирования и раскисления металла предусмотрено введение марганца, кремния до нужного химического состава по ГОСТу отдельными ферросплавами (ферромарганцем и ферросилицием), а также для окончательного раскисления стали чушковым алюминием в количестве 0,05…0,06% (0,5...0,6 кг/т) от массы металла.

Для глобуляризации и очищения стали от неметаллических включений, а также для измельчения зерна аустенита в качестве моделирующего ФАСК- сплава, использовали силикокальций.

На лабораторной печи проведены опытные плавки с переплавом отходов стали Гадфильда с раскислением по двум вариантам: окончательное раскисление одним алюминием и алюминием вместе с кальцием.

Результаты химического анализа опытного и сравнительного металла представлены в таблице 9.

Таблица 9 – Химические составы исходного и опытных образцов металла

Материал	Массовая доля химических элементов, %
	C	Mn	Si	S	P	Al
Состав исходного металла	1,36	11,42	0,70	0,019	0,033	0,031
Состав металла при раскислении алюминием (сравнительный)	1,12	14,92	0,81	0,009	0,016	0,088
Состав металла при раскислении алюминием + кальцием (опытный)	1,03	14,76	0,97	0,007	0,014	0,045

На рисунке 1 приведены фотографии микрошлифов сравнительного (а) и опытного металлов (б).

а б

Рисунок 1

Установлено что, в стали, обработанной кальцием (рисунок 1б) округлые неметаллические включения сульфидов и оксисульфидов по сравнению с плоскими остроугольными включениями корунда на сравнительном металле.

Установлено что, сравнительно малое содержание кальция (0,005-0,008 %) достаточно для глобулизации сульфидов и ликвидирует межкристаллитное охрупчивание.

На основании проведенных расчетов и лабораторных экспериментов определен оптимальный химический состав модификатора ферралюмоосиликокальций (ФАСК) для обработки самоупрочняющихся спецсталей (стали Гадфильда (110Г13Л):

53,0 ÷ 57,0 % Si

13,0 ÷ 15,0 % Al

7,0 ÷ 8,0 % Ca