Совершенствование технологии производства высоколегированной азотсодержащей стали с целью ресурсосбережения

• Автор: Тимофеев, Павел Витальевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с.

СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса но исследуемой проблеме.

1.1. Теоретические основы легирования стали газообразным азотом.

1.2. Влияние азота на механические свойства стали.

1.3. Структура азотсодержащей стали.

1.4. Легирование стали твердыми азотсодержащими материалами.

1.5. Легирование стали газообразным азотом.

1.6. Выводы по главе 1. ГЛАВА 2. Исследование влияния азота на эксплуатационные

свойства стальных отливок.

2.1. Коррозионностойкие стали ЭИ3, ЭП4.

2.1.1. Проведение опытных промышленных плавок.
2.1.2. Методика проведения лабораторных исследований.
2.1.3. Определение химического состава опытных плавок.
2.1.4. Проведение металлографических исследований.
2.1.5. Термообработка.
2.1.6. Методика проведения коррозионных испытаний.
2.1.7. Методика проведения испытаний отливок под давлением.
2.1.8. Термодинамический расчет образования нитридов в стали ЭИ3.
2.2. Результаты коррозионных испытаний стали ЭИ3.
2.2.1. Электрохимические исследования.
2.2.2. Анализ брака литья из стали ЭИ3.
2.2.3. Анализ микроструктуры стали ЭИ3 и ее заменителя.
2.2.4. Анализ микроструктуры стали ЭП4 и ее заменителя.
2.3. Результаты промышленных экспериментов.
2.4. Выводы.
2.5. Разработка оптимального состава и исследование свойств экономнолегированной жаростойкой азотсодержащей стали ХНС2Л и ХНС2Л.
2.5.1. Проведение лабораторных и опытнопромышленных плавок.
2.5.2. Анализ химического состава промышленных плавок.
2.5.3. Анализ микроструктуры опытных плавок.
2.5.4. Испытания на жаростойкость стал ХНС2Л и ее заменителя.
2.5.5. Испытания на термостойкость стали ХНС2Л и ее заменителя.
2.5.6. Исследование влияния легирующих элементов на жаростойкость
2.5.7. Анализ технологии производства стали ХНС2Л.
2.5.8. Производственное опробование.
2.5.9. Выводы и предложения. ГЛАВА 3. Исследование процессов усвоении азота жидкой
сталыо при газовом легировании.
3.1 Анализ методов и устройств внепечной обработки стали в ковше.
3.2. Разработка установки холодного моделирования продувки стали в ковше.
3.3. Методика проведения экспериментов.
3.4. Результаты исследования процессов массообмсна при продувке жидкости инертным газом и их анализ.
Влияние глубины погружения фурмы на усвоение газа.
Влияние конструкции фурмы на усвоение газа.
Влияние количества сопел фурмы на усвоение ванной газа.
Влияние масла шлака на усвоение газа жидкой ванной.
Влияние комбинированной продувки на усвоение газа.
ГЛАВА 4. Разработка математической модели процесса газового легировании жидкой стали при се комбинированной внепечной обработке азотом в ковше.
4.1 Термодинамический расчет равновесной концентрации азота.
4,2. Расчет кинетических условий усвоения азота при продувке
сверху через погружную фурму.
4.3. Расчет кинетических условий усвоения азота при обдуве оголенной от шлака поверхности металла.
4.4. Структурная схема управления процессом азотирования жидкой стали при комбинированной продувке газообразным азотом.
4.5. Блоксхема алгоритма расчета.
4.6. Список переменных, используемых в программе.
4.7. Текст программы.
4.8. Результаты расчета.
4.9. Выводы по главе 4.
ГЛАВА 5. Разработка технологии производства азотсодержащих
сталей на основе интенсификации процессов газового легирования.
5.1. Продувка газообразным азотом в ковше в условиях Оскольского завода металлургического машиностроения.
5.2. Установка для продувки жидкой стали в ковше инертными газами.
5.3. Технология продувки жидкой стали азотом и качество металла.
5.4. Результаты промышленных экспериментов.
5.5. Применение азота при продувке на АКОС в условиях сталеплавильного цеха Оскольского электрометаллургического комбината.
5.5.1. Расчет усвоения азота при донной и верхней продувке.
5.5.2. Расчет условий существования нитридов в жидкой стали.
5.6. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ВВЕДЕНИЕ.
Современный этап развития металлургии характеризуется значительным расширением сортамента металлопродукции, неизменным ее качественным и количественным ростом, увеличением объемов производства и повышением эксплуатационных свойств сталей при одновременном снижении металлоемкости готовых изделий 1, 2, 3.
При этом наблюдаются две основные тенденции в разработке новых сталей с одной стороны, ввиду резкого возрастания рабочих нагрузок и агрессивности эксплуатационных сред необходимо значительное повышение легирования основными легирующими элементами, придающими стали необходимые свойства Сг, 1, Мп и др. 4, 8,9, с другой стороны,приходится соотносить рост потребности в высоколегированных сталях с возможностями добычи природных запасов легирующих элементов в земной коре, которые, вопервых, являются труднодобываемыми, соответственно дорогими и, вовторых, исчерпывающимися и невосполнимыми 5,
Развитие новых отраслей техники, а также интенсификация существующих процессов физической и химической технологии производства материалов и изделий требуют резкого повышения качества металла, уровня служебных характеристик и наджности изделий.
Учитывая увеличивающийся дефицит наиболее важных легирующих элементов никеля, хрома, кобальта, вольфрама, молибдена и др., ведущие производители стали считают, что основным направлением повышения механических и физических свойств стали и снижения массы конструкций будет переход к сверхчистым углеродистым и низколегированным сталям или сталям, легированным недефицитными элементами при более эффективном использовании возможностей управления структурой и свойствами сталей посредством микродобавок и температурной и деформационной обработки.
Одним из перспективных элементов для легирования и микролегирования стали является азот. Это доступный и совершенно
недефицитный материал. Поэтому легирование стали азотом для получения стабильного аустенита и его упрочнения приобретает в настоящие время вс большее распространение. Многие авторы посвятили свои исследования азотированию жидкой стали Аверин В.В., Охотский В.Б., Семин , Григорян В.А., Стомахин А.Я., Кривонос В.Н. и другие.
Однако легирование стали азотом представляет некоторые трудности, так как для того, чтобы оценить поведение азота на различных стадиях сталеплавильного процесса, необходимо располагать наджными данными по растворимости, скорости растворения и условиям взаимодействия азота с другими компонентами расплава.
Актуальность


Влияние азота, находящегося в твердом растворе в аустените, проявляется, прежде всего, в торможении дислокаций или в создании полей искажений, которые должны преодолевать дислокации при своем движении. Таким образом, присутствие азота в твердом растворе позволяет повысить прочностные характеристики металла. Однако легирование стали азотом представляет некоторые трудности, так как для того чтобы оценить поведения азота на различных стадиях сталеплавильного процесса, необходимо располагать надежными данными по растворимости, скорости растворения и условиям взаимодействия азота с другими компонентами расплава . В связи с этим, важным является предвидеть растворимость азота в металлических расплавах в зависимости от их состава, температуры, парциального давления азота в газовой фазе, а также необходимо знать кинетические характеристики процесса. Перспективным является способ легирования стали газообразным азотом при е внепечиой обработке в ковше. Он отличается простотой и экономичностью и позволяет с определенной точностью прогнозировать содержание азота в металле. Большое влияние на усвоение азота сталыо при этом оказывает гидродинамика жидкой ванны. Теоретические основы легирования стали газообразным азотом. Взаимодействие азота с жидким и твердым железом изучено достаточно полно. Большинство термодинамических исследований проведено для изучения взаимодействия газообразного азота с железом в твердом и жидком состоянии. Концентрация азота в а железе, находящимся в равновесии с газообразным азотом, растет с увеличением температуры. В точке перехода 6 С скачкообразно изменяется и при дальнейшем росте температуры до перехода С она уменьшается см. ВД 1 0,5 8 1. Из этого уравнения следует, что при стандартных условиях Т К, Рк 1атм растворимость азота в жидком железе составляет 0. Реальные стали содержат в своем составе легирующие элементы, которые оказывают существенное влияние на термодинамическое поведение азота. Если энергия взаимодействия между растворенным азотом и легирующим элементом больше, чем между железом и азотом или железом и легирующим элементом, то с увеличением содержания последнего, растворимость азота повышается. Влияние легирующих элементов на растворимость азота в сплавах на основе железа показано на рисунке 1. Погрешность расчета при этом составляет . Применение в уравнении параметров взаимодействия второго порядка снижает погрешность до 8 . До 5 удалось снизить погрешность Чимпану и Корригану, предложившим формулу, в которой использована найденная для ряда элементов, растворенных в железе, пропорциональность свободной энергии и энтальпии. X РллгДЯ Лс,Куж ж
М, Л 1д. Л, коэффициент активности азота в расплаве. Для термодинамического описания влияния различных элементов на активность азота удобно использовать метод Вагнера, в соответствии с которым коэффициент активности азота определяется составом металла. М2 2 Г2Ф 1. Сд. Для углеродистых и низколегированных сталей при определении коэффициента активности азота по уравнению достаточно ограничиться параметрами взаимодействия первого порядка. Для средне и высоколегированных сталей необходимо учитывать параметры второго порядка. Для легированных сталей с любым количеством компонентов при расчете активности азота по компонентам с высокой концентрацией наряду с параметрами второго порядка необходимо учитывать параметры е,. По компонентам с небольшой концентрацией достаточно учитывать параметры взаимодействия первого порядка. Температурные функции параметров взаимодействия азота с компонентами расплава приведены в таблице 1. Легирующие элементы существенно влияют на поведение азота. Все нитридообразующие элементы повышают растворимость азота в расплавах на основе железа. Углерод, кремний и фосфор понижают растворимость азота в железе. Такие примесные элементы, как сера, медь, мышьяк, сурьма несколько понижают растворимость азота в расплавах железа. Таблица 1. II Ь. Влияние легирующих элементов на растворимость азота в их сплавах с железом приведено на рис. Таким образом, растворимость азота в стали зависит от таких факторов, как температура, парциальное давление газовой фазы, содержание легирующих элементов.