ENG UKR

АННОТАЦИЯ

Разработана технология ввода редкоземельных металлов в процессе электрошлакового переплава за счёт использования шлаков, содержащих соединения РЗМ. Технология обеспечивает гарантированное содержание РЗМ в готовом металле. Оптимальное содержание РЗМ позволяет получить сталь с минимальным содержанием неметаллических включений, что обеспечивает её высокие свойства.

УДК 669.1 5-194:669.85/86:669-159.154.9

Микролегирование стали РЗМ в процессе электрошлакового переплава.

Е.Л. Корзун, канд.техн.наук, Е.Л. Зац, канд.техн.наук,

В.Н.Радченко, канд.техн.наук, Н.Б. Головков магистрант

Донецкий национальный технический университет

Применение шлаков, содержащих соединения РЗМ, при электрошлаковом переплаве позволяет использовать этот процесс для микролегирования металла редкоземельными элементами. Используемые для этой цели шлаковые композиции с оксидами и фторидами РЗМ не позволяют достичь концентрации редкоземельных элементов в сталях выше 0.008 % мас. Термодинамический анализ взаимодействия различных соединений РЗМ с основными компонентами шлаковых систем ЭШП с учётом электрохимических реакций восстановления РЗМ, имеющих место в процессе переплава, показал, что для возможного увеличения уровня микролегирования из шлака редкоземельными элементами в процессе ЭШП необходимо использовать фторидные шлаковые системы фторид кальция - фториды РЗМ.

Многофакторный регрессионный анализ машинных экспериментов по моделированию межфазного распределения РЗМ в системах шлак-металл на примере церия показал, что равновесное содержание церия в сплавах на основе железа определяется, в первую очередь, температурой, концентрацией фторида церия в шлаке и величинами и активности кислорода и серы в исходном металле. В результате анализа получено выражение:

(1)

Т - температура, К, пределы изменения от 1773 до 2073К

множественный коэффициент регрессии 0.91.

Таким образом, для достижения содержания церия в сталях, близкого к оптимальному, целесообразно использовать исходный металл с максимально сниженной активностью кислорода.

Переплав проводили на модернизированной печи А-550, позволяющей вести процесс в контролируемой атмосфере на переменном и постоянном токе.

В качестве объекта исследования использовали сталь 50. Флюсы для переплава получали смешиванием фторида кальция марки "Ч" (ГОСТ 7167-77) и фторидов РЗМ (ТУ95668-79). Компоненты флюса перед использованием прокаливали в алундовых тиглях при 900°С. Плавки проводили на твёрдом старте. В качестве стартового материала применяли стружку стали 50. Изменяли наиболее существенные факторы, влияющие на процесс микролегирования из шлаковой фазы при ЭШП: атмосферу печи, содержание фторидов РЗМ в шлаке, род и полярность тока.

Переплав расходуемых электродов диаметром 35мм проводили в кристаллизатор диаметром 60мм, электрический режим оставался без изменений независимо от рода тока. Масса слитка 3,0 – 3,3 кг.

В качестве критериев степени микролегирования при оценке различных технологических вариантов использовали содержание РЗМ в слитке, а также изменение природы, формы, количества и распределения неметаллических включений в стали.

Переплав на переменном токе обеспечивает содержание РЗМ в слитке на уровне 0,02÷0,06 % мас. Максимальные уровни легирования лантаноидами достигаются при концентрации фторидов РЗМ в шлаке 50÷95 % мас. Переплав на постоянном токе обратной полярности позволяет увеличить концентрацию РЗМ в стали в 1,5÷2.9 раза, а на постоянном токе прямой полярности - в 2,1÷3,8 раза в сравнении с содержанием РЗМ в слитках стали, полученных при ЭШП на переменном токе.

Замена в плавильном пространстве печи ЭШП атмосферы воздуха на аргон (использовали аргон технической чистоты ГОСТ10157-79 сорт высший) обеспечивает стабилизацию концентрации РЗМ по высоте слитка при небольшом увеличении уровня микролегирования металла. Такая стабилизация объясняется, на наш взгляд, уменьшением интенсивности процессов окисления фторидов РЗМ кислородом из газовой фазы.

Металлографический анализ литой стали ЭШП показал, что переплав стали под шлаками системы фторид кальция-фториды РЗМ на переменном токе обеспечивает снижение количества неметаллических включений и их размеров в сравнении с переплавом под чистым фторидом кальция или под промышленным флюсом АНФ-6. Превышение концентрации РЗМ в слитке выше 0,06 % мас., характерное для переплава на постоянном токе, приводит к резкому загрязнению стали неметаллическими включениями.

В стали с содержанием РЗМ менее 0,02 % мас. основной тип включений -сульфиды железа и марганца и оксисульфиды. Форма этих включений близка к глобулярной, а распределение по шлифу достаточно равномерное. Силикаты и оксиды церия присутствуют в таком металле в виде единичных включений.

В металле с содержанием 0,02÷0,04 % мас. РЗМ существенно уменьшается количество сульфидов и оксисульфидов, а силикаты и оксиды церия по-прежнему встречаются в виде единичных включений.

В образцах с содержанием РЗМ 0,04÷0,09 % мас. преимущественным типом включений становятся мелкие кристаллической формы оксиды церия в виде единичных включений и скоплений, а также силикаты. Сульфидных включений здесь практически нет. Распределение этих включений по шлифу довольно равномерное.

В образцах стали с содержанием РЗМ 0,09÷0,13 % мас. появляется новый тип включений глобулярной формы жёлтого цвета, по металлографическим признакам это силикаты, содержащие церий.

В металле с содержанием РЗМ 0,13÷0,20 % мас. основным видом включений становятся оксиды РЗМ, главным образом, в виде крупных скоплений, что, естественно, способствует неравномерности распределения этих включений с тенденцией к их преимущественному расположению по границам зёрен. Кроме того, в этих образцах, особенно при содержании РЗМ более 0,15 % мас., появляются крупные тёмно-серые включения, располагающиеся по границам и в стыке зёрен. Судя по данным [1], это включения интерметаллидной фазы типа Ce₂Fe₅ , имеющей низкую температуру плавления 1333 К , наличие которых должно резко снижать технологическую пластичность и вязкость стали. В местах залегания этих включений в литом металле наблюдались микротрещины.

Количественная оценка неметаллической фазы проводилась по методу ДонНИИЧерМет [2] при увеличении 400^х на микроскопе "Неофот 2". Площадь просмотра на каждом шлифе составляла 9 мм² . В качестве критериев использовали удельное количество N_уд и максимальный размер включений D_макс. Все включения разделили на три типа: сульфиды и оксисульфиды; силикаты глобулярные; оксиды церия.

Результаты оценки загрязнённости наиболее характерных образцов металла представлены в табл.1. Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что наиболее чистый по включениям металл содержит 0,02÷0,06 % мас. РЗМ.

Зависимость удельного количества неметаллических включений соединений РЗМ от содержания фторидов РЗМ в шлаке при переплаве на воздухе на переменном и постоянном токе представлена на рисунке 1.

Зависимость удельного количества неметаллических включений соединений РЗМ от содержания фторидов РЗМ в шлаке при переплаве в аргоне на переменном и постоянном токе представлена на рисунке 2.

Зависимость максимального размера неметаллических включений соединений РЗМ от содержания фторидов РЗМ в шлаке при переплаве на воздухе на переменном и постоянном токе представлена на рисунке 3.

Зависимость максимального размера неметаллических включений соединений РЗМ от содержания фторидов РЗМ в шлаке при переплаве в аргоне на переменном и постоянном токе представлена на рисунке 4.

Таким образом, проведенные исследования показали целесообразность использования для микролегирования стали редкоземельными элементами фторидных шлаковых систем, содержащих фториды РЗМ. Использование различных технологических вариантов при микролегировании РЗМ из шлаковой фазы позволяет гарантированно вводить в углеродистые стали 0,02÷0,20 % мас. РЗМ.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугчна и стали. – М.: Металлургия, 1986. - 271 с.

2. 2. Коваленко В.С., Зац Е.Л., Черкасова В.П. Метод сравнительной оценки загрязнённости включениями литой стали // Заводская лаборатория. – 1971. -№6. – С.696-697.

Назад на главную страницу