4.2 Подбор химического и фракционного составов ферробора, обеспечивающих оптимальную микроструктуру жаропрочных и коррозионностойких спецсталей

Совместное присутствие в стали хрома и никеля придает ей наилучший комплекс механических и технологических свойств, в первую очередь высокую прочность, вязкость, прокаливаемость. Однако из-за дефицитности никеля производство данной стали уменьшается.

С целью экономии никеля при изготовлении ответственных деталей небольших размеров производят замену сталей, содержащих 2,75-3,65% никеля (марки 12ХНЗА. 20ХНЗА и др.), более дешевыми сталями марок 20ХН и 20ХНР с бором.

Высокая прокаливаемость и закаливаемость хромоникелевых сталей позволяет закаливать крупные детали с охлаждением в масле, что снижает вероятность возникновения коробления и закалочных трещин. Бор увеличивает прокаливаемость стали марки 20ХНР.

Анализ термодинамики и кинетики формирования структуры с учетом легирования карбидо - и боридообразующими элементами замещения свидетельствует о конкурентном поведении микролегирующих элементов внедрения бора и углерода при образовании твердых растворов, сегрегаций и выделений избыточных фаз.

Установлено, что жаропрочные никелевые сложнолегированные сплавы и коррозионно-стойкие стали характеризуются, как правило, ограничением содержания углерода сравнительно низким уровнем (до 0,1 % и ниже), а применение микролегирующих добавок бора (~ 0,01 %) обеспечивают оптимальную микроструктуру жаропрочных и коррозионностойких спецсталей.

Установлено значительное влияние микродобавок бора на структуру и свойства жаропрочных сталей и сплавов ,что является результатом модифицирующего, рафинирующего и микролегирующего действия, тесно связанный с технологией их введения при выплавке.

Оптимальный химический состав ферробора обеспечивающий оптимальную микроструктуру жаропрочных и коррозионностойких спецсталей определен следующий: 17-20 % бора; 2-3 % кремния; 0,1-0,05 % углерода; не более по 0,02 % серы и фосфора.

Оптимальный фракционный состав ферробора для модифицирования жаропрочных и коррозионностойких спецсталей : +3-10 мм.

4.3 Определение оптимальных параметров плавки модифицированных самоупрочняющихся, жаропрочных и коррозионностойких спецсталей

4.3.1 Определение оптимальных параметров плавки модифицированных самоупрочняющихся спецсталей

На основании проведенных расчетов и лабораторных исследований разработана технология выплавки самоупрочняющихся спецсталей на примере выплавки стали 110Г13Л.

Таблица 10 - Химический состав стали марки 110Г13Л по ГОСТ 977-88, %:

С	Si	Mn	S	P	Fe
			не более
0,9-1,5	0,3-1,0	11,5-15,0	0,05	0,12	остальное

Допустимые отклонения легирующих элементов от норм химического состава, указанных в ГОСТ 977-88 не должны превышать следующих значений, в %:

С	Si	Mn
±0,02	-0,1±0,2	±0,5

Оптимальный химический состав стали 110Г13Л для отливок, не имеющих склонность к образованию трещин, в %:

С	Si	Mn	S	P	Fe
0,9-1,1	0,4-0,6	13,8-14,2	не более 0,05	не более 0,07	остальное

Шихтовые материалы:

- возврат литейного производства стали марки 110Г13Л по ГОСТ 977-88;

- лом и отходы Б22 стали марки 110Г13Л по ГОСТ 2787-75;

- лом стальной 1А, 2А по ГОСТ 2787-75 .

Легирующие материалы, раскислители и модификаторы:

- ферромарганец низкоуглеродистый марки FeMn90 класса А или ферро-марганец среднеуглеродистый марки ФМн88 класса А по ГОСТ 4755-91;

- ферросилиций марок ФС45 и ФС75 по ГОСТ 1415-93;

- алюминий марки АВ97 или АВ92 по ГОСТ 295-79;

- силикокальций марки СК15 или СК20 по ГОСТ 4762-72;

- мелочь коксовая по ТУ 14-7-115-89.

Шлакообразующие материалы:

- известняк сухой кусковой по ОСТ 1464-80 или свежеобожжённая известь;

- концентрат плавикошпатовый марки ФК-85 или ФК-75 по ГОСТ 7618-83.

Отходы и возврат литейного производства стали марки 110Г13Л необходимо тщательно очистить от приставшей к ней формовочной смеси. В случае сильного пригара их следует очистить в дробемётной камере или галтовочном барабане, т.к. применение при плавке возврата и отходов с большим пригаром сильно затрудняется формирование белого (раскисленного) шлака и вредно влияет на стойкость подины и откосов печи.

Все легирующие материалы и раскислители, за исключением алюминия, присаживаемые в жидкий металл, прокалить при температуре 600...800°С в течение 2…3 часов или просушить при комнатной температуре.

Алюминий перед применением необходимо просушить.

Порошки ферросилиция, силикокальция и других материалов, применяемые для раскисления шлака в восстановительный период плавки, необходимо просеять через сито с ячейками не более 2х2 мм. Содержание влаги в порошках не должно превышать 0,3%.

Известняк металлургический применять с массовой долей окиси кальция (СаО) не менее 55% и влаги не более 0,5%. Известняк применять после прокалки при температуре свыше 500°С, фракцией 50…80 мм, с содержанием мелочи не более 10%.

Известь применять кусковую, свежего обжига, без признаков гашения, содержание недопала не должно превышать 15%. Не допускается применение слабообожжённой извести или извести «пушонки». Известь получают из известняка путём его обжига при температуре 950…1000°С в течение 8 часов. Свежеобожжённую известь необходимо хранить в закрытых от доступа воздуха и влаги емкостях. При хранении извести на открытом воздухе свыше суток её необходимо повторно подвергнуть обжигу или не использовать при условии образования извести «пушонки».

Плавикошпатовый концентрат перед использованием необходимо просушить при температуре 300°С.

Расчёт шихты

При расчёте шихтовых и легирующих материалов необходимо учитывать коэффициенты усвоения элементов (таблица 11) при плавке стали в дуговой электропечи с основной футеровкой методом переплава:

Таблица 11 - Коэффициент усвоения элементов

Наименование элемента	Коэффициент усвоения элементов, доли ед.
	За время расплавления из стального лома	При вводе в жидкий металл (в печь или в ковш)
Углерод	0,80…0,95	-
Кремний	0,30…0,50	0,70…0,90
Марганец	0,50…0,70	0,70…0,90
Хром	0,80…0,95	0,80…0,95
Кальций	0,98	-
Алюминий	0,00	0,0…0,50

При плавке стали методом переплава, металлозавалку следует составлять полностью из отходов и возврата литейного производства стали марки 110Г13Л. Во избежание высокого содержания углерода в металле необходимо применять лом стальной углеродистый марки 1А, 2А по ГОСТ 2787-75 в количестве до 10% от массы металлозавалки.

Ориентировочный состав шихты при плавке стали марки 110Г13Л методом переплава:

- возврат литейного производства и отходы стали марки 110Г13Л – 90…96%;

- лом стальной углеродистый 1А, 2А по ГОСТ 2787-75 – 4…10%.

Количество отходов стали марки 110Г13Л в составе шихты при плавке методом переплава можно изменять в зависимости от назначения отливок.

Следует учитывать, что качество стали (характеризующееся величиной ударной вязкости литых образцов) получается более высоким, если плавка проведена на 90…100% от массы металлозавалки на возврате из стали 110Г13Л, чем при работе с добавкой к возврату - 20...40% стального лома (свежие материалы).

Необходимую массовую долю углерода в готовой стали обеспечивается добавками ферромарганца, исходя из условий эксплуатации отливок в следующих соотношениях, в %:

1) для отливок, склонных к образованию горячих трещин – 0,90…1,10;

2) для мелких и сложных отливок – 1,00…1,25;

3) для отливок простой конфигурации повышенной износоустойчивостью – 1,25…1,30.

При заливке из одной плавки различных типов отливок (кроме отливок, склонных к образованию горячих трещин) оптимальная массовая доля углерода в готовой стали для всего литья должна быть не более 1,3% при содержании марганца 12,5…13,0%.

В целях экономии ферромарганца и получения качественных отливок расчёт следует вести на содержание в готовой стали 12,5...13,5% марганца, а при производстве отливок склонных к образованию горячих трещин, оптимальная массовая доля марганца в готовой стали должна быть 14,0%.

В связи с тем, что кремний увеличивает склонность стали к образованию горячих трещин и затрудняет получение отливок с высокой вязкостью, содержание его в готовой стали не должно превышать 0,6%.

Основным источником поступления кремния в сталь является ферромарганец, поэтому для плавки следует подбирать ферромарганец с возможно низким содержанием кремния.

В связи с тем, что фосфор в стали марки 110Г13Л оказывает наибольшее влияние на склонность к образованию трещин в отливках, массовая доля его в готовой стали не должна превышать 0,07%.

При расчёте шихты следует учесть, что угар от металлозавалки после её расплавления при плавке стали марки 110Г13Л составляет – 7%, безвозвратные потери – 2%.

Все шихтовые и легирующие материалы, необходимые для плавки, должны быть заранее приготовлены и взвешены согласно расчёту, их количество записано в карту плавок с указанием номера плавки.

Подготовка электропечи к плавке

- порошок периклазовый марки ППЭ-88 по ГОСТ 24862-81 – 90%;

- жидкое стекло с модулем 2,1…2,3 и плотностью 1,47…1,52 гр./см³ по ГОСТ 13078-81 – 10%.

Загрузка шихты в печь

В случае отсутствия передельного чугуна, перед загрузкой шихты на подину, присаживается бой графитированных электродов в необходимых количествах в соответствии с расчётом для науглероживания металла, известняк (или известь) в количестве 1,5...2,0% от массы металлозавалки.

В случае получения при расчёте шихты высокой массовой доли фосфора до 0,15% необходимо загрузить в печь железорудные окатыши в количестве 1,0...1,5%, 3,0% известняка и плавикошпатовый концентрат в количестве 0,5% от массы металлозавалки.

На дно подины печи загрузить половину мелкого возврата и отходов, затем крупные куски вместе с возвратом средних размеров, потом средние куски, сверху загрузить оставшийся мелкий возврат и отходы стали марки 110Г13Л.

По окончании загрузки печи заправить «ложный порог» рабочего окна сухим периклазовым порошком и укрепить его достаточным количеством формовочной смеси.

Рабочее окно и летка при ведении плавильного процесса плотно закрываются для обеспечения безопасности труда, газо- и теплогерметичности электропечи.

Расплавление шихты

Первые 8...10 минут во избежание поджога свода необходимо работать на пониженной мощности, включая трансформатор на третью ступень вторичного напряжения, затем весь период плавления необходимо вести форсировано на максимальной мощности, переключив трансформатор на самую высокую ступень напряжения.

В период окончания плавления, во избежание перегрева металла и оплавления стен и свода печи, необходимо работать на средней мощности.

В случае необходимости подвалку второго короба с оставшейся шихтой производить только на частично проплавленную и осевшую шихту в начале периода плавления. Категорически запрещается производить подвалку шихты в расплавленную ванну с металлом во избежание выброса жидкого металла.

Крышка рабочего окна печи во время всей плавки должна быть плотно прикрыта. Открывать её следует только для сталкивания кусков шихты с откосов печи, ввода шлакообразующих и легирующих добавок и взятия проб металла и шлака.

После расплавления 60...70% шихты для наведения шлака, предохраняющего жидкий металл от окисления и насыщения газами, присаживается в печь известь в количестве 1,0...1,5% от массы металлозавалки. По мере расплавления шихты необходимо загрузить известняк (или известь) и плавикошпатовый концентрат в соотношении 5:1 (в несколько приёмов).

Замена плавикошпатового концентрата шамотным боем не допускается из-за снижения основности шлака.

После полного расплавления шихты ванну с металлом необходимо тщательно перемешать и отобрать пробу на экспресс-анализ для определения содержания углерода, марганца, кремния, фосфора и серы.

Шлак раскислить коксовой мелочью (или при отсутствии порошком) и дроблённым ферросилицием марки ФС45 в количестве 0,3% от массы жидкого металла (для восстановления окисленного марганца) и приступить к нагреву ванны с металлом. Нагрев металла производить на пониженной мощности трансформатора. При этом необходимо тщательно следить за температурным режимом плавки, не допуская перегрева металла.

Жидкий металл выдержать после введения раскислительной смеси в течение 10...15 минут, тщательно его перемешать и полностью удалить из печи шлак периода плавления.

Навести новый шлак из извести и плавикошпатового концентрата в соотношении 5:1 в количестве 2...3% от массы металла.

Восстановительный период плавки

В случае повышенного содержания серы в металле восстановительный период следует проводить под белым шлаком.

После расплавления шлакообразующих и сформирования жидкоподвижного шлака присадить в печь в три приёма раскислительную смесь, состоящую из коксовой мелочи, дроблённого ферросилиция марки ФС45 и плавикошпатового концентрата в соотношении 2:1:1 в количестве 1,5...2,0% от массы металла.

В восстановительный период для восполнения тепловых потерь, связанных с расплавлением новых порций шлакообразующих и легирующих добавок, некоторое время плавку следует вести на среднем напряжении, затем переключить трансформатор на более низкое напряжение с постепенным снижением мощности печи, чтобы не допустить перегрева ванны с металлом.

При получении хорошо раскисленного жидкоподвижного шлака, рассыпающегося на воздухе в белый порошок, и при достижении жидким металлом температуры 1630...1650°С произвести корректировку содержания марганца и углерода в стали.

Корректировку содержания марганца и углерода в стали произвести по результатам экспресс-анализа не позднее, чем за 10...12 минут до выпуска металла из печи. Корректировку химического состава стали по марганцу произвести за счёт применения обычного среднеуглеродистого или малоуглеродистого ферромарганца в зависимости от содержания углерода в стали.

Ферромарганец следует вводить в печь сразу же после прокалки в нагревательной печи (желательно в нагретом докрасна состоянии). Не допускается применять ферромарганец в крупных кусках и в виде пыли.

После присадки ферромарганца в печь металл необходимо тщательно перемешать, чтобы ферромарганец не осел на подине.

Во избежание получения столбчатой структуры в отливках перегрев металла после расплавления ферромарганца не допускается. Металл следует нагревать постепенно, до получения нормальной температуры выпуска стали из печи.

После окончательного растворения ферромарганца на поверхность шлака равномерно в три приёма присадить раскислительную смесь, состоящую из коксовой мелочи (или молотого кокса), дроблённого ферросилиция марки ФС75 и плавикошпатового концентрата в соотношении 2:1:1. В случае получения слишком жидкого шлака (шлак блестит как зеркало) в последнюю порцию раскислительной смеси плавикошпатовый концентрат не добавлять.

При выплавке стали для отливок, склонных к горячим трещинам, в последнюю порцию раскислительной смеси следует вводить алюминиевый порошок марки АПВ ТУ 48-5-152-78.

За 6...8 минут до выпуска металла в печь ввести ферросилиций марки ФС45 из расчёта присадки 0,15...0,20% кремния, при этом общее содержание кремния в стали не должно превышать 0,60%.

Выдержать металл под белым шлаком (шлак должен при остывании рассыпаться в белый порошок) 20 минут.

После выдержки ванну тщательно перемешать и взять пробу для определения степени раскисленности металла.

При нормальном ходе плавки проба, залитая в чугунный стаканчик должна застывать без признаков роста и искрения и в конце застывания давать небольшую усадку.

В случае искрения и роста стали в пробном стаканчике необходимо добавить в ванну кусковой ферросилиций марки ФС45 в количестве 0,065% от массы металла.

При плавке необходимо обратить особое внимание на раскисленность шлака. Основность шлака (отношение окиси кальция к окиси кремния) должна быть 2,8...3,0. Если основность шлака недостаточна (излом камневидный), необходимо частично удалить из печи шлак и освежить его известью.

При выплавке стали ответственного назначения перед выпуском плавки необходимо отобрать пробу шлака на определение в ней закиси железа и закиси марганца. Чем ниже содержание этих окислов в шлаке, тем меньше склонность стали к возникновению горячих трещин, тем выше её пластические свойства и износоустойчивость.

Содержание закиси железа в шлаке должно быть не более 1,5%, закиси марганца не более 2,5%.

Для всплывания закиси марганца из металла в шлак, при рафинировании стали, необходимо поддерживать температуру 1560...1570°С.

При выплавке стали для отливок ответственного назначения перед выпуском плавки необходимо после перемешивания расплава в печи взять пробу металла для определения его раскисленности (проба на изгиб или проба Бартона).

Пробу на изгиб литого бруска размерами 8х12х300 мм заливать из пробной ложки в сухую вертикальную форму, изготовленную из стержневой смеси.

После затвердевания пробы форму немедленно разбить, извлечь из неё брусок, очистить от песка и опустить в холодную воду для закалки. Все перечисленные операции необходимо производить быстро, чтобы брусок не остыл ниже 1000°С (иначе результаты испытаний будут заниженными).

Закалённый брусок вставить в приспособление и гнуть через оправку радиусом 25 мм. При изгибе бруска без трещин на угол менее 120°, (что определяется расстоянием между внутренними сторонами бруска: в месте изгиба не более 55 мм, а по концам не более 110 мм) раскисление считать удовлетворительным.

Наличие трещин и поломка бруска при угле загиба менее 120° указывает на то, что металл недостаточно раскислен. В этом случае плавку необходимо дополнительно выдержать под белым шлаком в течении 10...15 минут и раскислить шлак дроблённым ферросилицием марки ФС75 и коксовой мелочью (или молотым коксом).

После дополнительной выдержки под белым шлаком залить повторную пробу на раскисленность.

Плавку необходимо выпускать из печи только после получения удовлетворительной раскисленности металла.

Перед выпуском металла из печи измерить температуру металла термопарой погружения. Металл из печи выпускать при температуре 1510...1530°С.

Раскисление и выпуск металла

В начале выпуска печь наклонить в сторону выпускного отверстия так, чтобы шлак был выше его и первым в ковш пошёл металл.

Произвести раскисление стали алюминием в количестве 0,05…0,06% (0,5...0,6 кг/т) от массы металла. Алюминий необходимо вводить на штанге после наполнения ковша примерно на треть высоты.

Для глобуляризации и очищения стали от неметаллических включений, а также для измельчения зерна аустенита, следует произвести модифицирование металла ферроалюмосиликальциием в количестве 0,35 % от массы металла в первой половине выпуска плавки.

После наполнения половины ковша печь наклонить таким образом, чтобы вместе с металлом начал сливаться шлак.

Толщина шлакового покрова после выпуска должна составлять 100…150 мм.

После выпуска измерить температуру металла в ковше термопарой погружения. Температура металла в ковше после выпуска должна быть 1460…1480°С.

Выплавленный по данной технологии металл разливается по литейным формам, а затем полученные отливки из стали Гадфильда подвергаются специальной термообработке.