Разработка и исследование литого железоалюминиевого композита и процесса раскисления им литейных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Петровский, Павел Владимирович

• Петровский, Павел Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петровский, Павел Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Роль алюминия в литейных сталях.

1.2. Обработка жидкой стали алюминием и оценка способов его ввода в расплав.

Краткие выводы, цели и задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объект исследования.

2.2. Исходные материалы.

2.3. Методика приготовления железоалюминиевого композита.

2.4. Методика исследования структуры и свойств железоалюминиевого композита.

2.4.1. Определение плотности.

2.4.2. Определение структурных составляющих.

2.5. Методика определения алюминия, кислорода, неметаллических включений в стали и ее механических свойств.

3. РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА.

3.1. Требования к композитному раскислителю жидкой стали.

3.2.Условия получения литого композитного раскислителя.

3.3. Выбор матричного и армирующего компонентов.

3.3.1 Выбор матричного компонента.

3.3.2. Выбор армирующего компонента.

3.4. Разработка технологии жидкофазного совмещения компонентов.

3.5. Оценка взаимодействия компонентов композита.

3.6. Разработка состава.

3.7. Краткие выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА.

4.1. Исследование свойств.

4.2. Исследование структуры.

4.3. Краткие выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА С ЖИДКОЙ СТАЛЬЮ.

5.1. Прогнозируемый механизм взаимодействия.

5.2. Оценка теплового эффекта. > 5.3. Оценка изменения химического состава жидкой стали. ip 5.4. Краткие выводы.

6. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСКИСЛЕНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВЫМ КОМПОЗИТОМ.

6.1. Оценка эффективности раскисления углеродистой стали.

6.2. Оценка эффективности раскисления легированной стали.

6.3. Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование литого железоалюминиевого композита и процесса раскисления им литейных сталей»

Актуальность работы. В условиях развивающихся в России рыночных отношений перед производителями сталелитейной продукции остро стоит задача повышения конкурентоспособности продукции - улучшения качества стального литья, снижения доли технологических потерь и снижения себестоимости готовой продукции. Одним из путей решения данной задачи является совершенствование технологии выплавки сталей и, в частности, технологии раскисления. От эффективности раскисления напрямую зависят конечные свойства стали.

В основном в сталелитейном производстве конечное раскисление стали осуществляют алюминием, который имеет высокую раскислительную способность, но при различных остаточных концентрациях в стали может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на ее свойства. Поэтому очень важно обеспечить стабильность процесса раскисления, высокую степень усвоения алюминия и оптимальное его остаточное содержание в стали.

Раскисление стали металлическим алюминием связано с высоким угаром и нестабильностью его усвоения. Это обусловлено низкой плотностью алюминия (2700 кг/м3), которая более чем в 2 раза ниже плотности жидкой стали и ниже плотности шлака. Это затрудняет прогнозирование и стабильное получение остаточного содержания алюминия в стали в наиболее оптимальном интервале 0,03 - 0,05 %.

В настоящее время для повышения степени усвоения алюминия в промышленности применяют различные методы: утяжеление алюминия балластным грузом, принудительное погружение - ввод на штанге или путем прикрепления к стопору ковша, введение в расплав в виде би и три-металлических заготовок, использование ферроалюминиевого сплава или скрап-алюминиевой композитной чушки, путем выстреливания алюминиевых пуль или высокоскоростного ввода в расплав алюминиевой проволоки.

Утяжеление алюминия балластным грузом, принудительное его погружение или использование би и три-металлических заготовок несколько повышают степень его усвоения, однако незначительно. Это в первую очередь обусловлено формированием в расплаве больших капель жидкого алюминия, которые быстро всплывают. Степень усвоения алюминия в жидкой стали существенно повышается при использовании железоалюминиевого сплава и скрап-алюминиевой композитной чушки. Однако их использование не всегда является экономически оправданным ввиду их высокой стоимости. Применение методов введения в расплав проволоки или пуль также позволяет достигнуть высокой степени усвоения алюминия, однако требуют использования дополнительного оборудования и в сталелитейном производстве, ввиду относительно малых объемов производства, они не используются.

Исходя их вышесказанного, весьма актуальным является разработка высокотехнологичного и экономичного способа раскисления жидкой стали алюминием для сталелитейного производства, который обеспечил бы стабильность процесса раскисления, высокую степень усвоения алюминия и возможность получения его остаточного содержания в стали в оптимальных пределах.

В свете изложенного весьма перспективным представляется применение в качестве раскислителя жидкой стали литого железоалюминиевого композита, состоящего из алюминиевой матрицы и частиц из сплавов на основе железа в качестве армирующего компонента.

Цель работы: Разработка литого железоалюминиевого композита для применения в качестве алюминий содержащего раскислителя жидкой стали, исследование его структуры и свойств, а также эффективности использования при раскислении литейных сталей.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Разработать железоалюминиевый литой композит, применимый для раскисления жидкой стали.

2. Разработать технологию получения железоалюминиевого композита методом жидкофазного совмещения матричного и армирующего компонентов.

3. Исследовать структуру и свойства железоалюминиевого композита, а также особенности его взаимодействия с жидкой сталью.

4. Провести опытно-промышленные испытания железоалюминиевого композита и оценить эффективность его применения в сталелитейном производстве.

Научная новизна. 1. Установлен эффект физического совмещения жидкого алюминия с неочищенной стальной или чугунной дробью при струйно-почастичной ее подаче в ненагретом состоянии на поверхность расплава в условиях непрерывного замешивания. Предложена гипотеза, согласно которой переход от несмачивания к смачиванию жидким алюминием поверхности дроби обусловлен параллельно-последовательным протеканием многих процессов - локальным затвердеванием алюминия вокруг частиц дроби с образованием намороженной корки, быстрым прогревом поверхности дроби за счет теплоты кристаллизации, выделением водорода из затвердевшего слоя вследствие изменения растворимости при переходе алюминия из жидкого состояния в твердое, частичным восстановлением выделяющимся водородом оксидной пленки на поверхности дроби и нарушения ее сплошности, смачиванием жидким алюминием (после оплавления затвердевшей корки) участков поверхности дроби с нарушенной сплошностью оксидной плены, подпленочным растеканием жидкого алюминия на поверхности дроби и смывом оксидной пленки.

2. Установлены закономерности формирования переходного слоя в пограничной зоне алюминиевой матрицы и армирующего компонента (дроби): экстремальная зависимость от температуры с максимумом при 840 -880 °С и квадратичная зависимость от продолжительности совмещения компонентов. Определены эффективные значения коэффициента диффузии и энергии активации этого процесса при образовании и растворении интерметалл и дного переходного слоя на границе контакта матричного и армирующего компонентов в процессе их жидкофазного совмещения.

3. Предложены представления об особенностях гидродинамического, теплофизического и массообменного взаимодействия при обработке железоалюминиевым композитом жидкой стали в ковше в сравнении с металлическим алюминием, заключающиеся в: большем заглублении траектории витания фрагментов композита в объеме расплава вследствие более высокой его начальной плотности и постепенного ее повышения по мере усвоения алюминия жидкой сталью; ведущей роли теплоты окисления алюминия при малых расходах композита и возрастанием захолаживающей роли дроби по мере увеличения расхода композита, вследствие чего калориметрическое изменение температуры стали при раскислении ее железоалюминиевым композитом имеет экстремальную зависимость; протекании, наряду с процессом растворения алюминия в жидкой стали, также процесса расплавления-растворения в ней дроби, вследствие чего возможно изменение состава стали, главным образом незначительное повышение содержания углерода.

Практическая значимость. 1. Предложен литой железоалюминиевый композит для ввода алюминия в жидкую сталь, содержащий алюминий или его сплавы в качестве матричного компонента и стальную или чугунную дробь в качестве армирующего компонента. Применение его обеспечивает повышение степени усвоения алюминия в два раза, надежное получение остаточного содержания алюминия в требуемом интервале концентраций, более стабильные и высокие показатели механических свойств литой стали.

2. Разработан состав литого железоалюминиевого композита, который при расходе матричного компонента 28 - 34 % обеспечивает получение приемлемого сочетания противоречивых требований по содержанию алюминия, плотности, заполняемости литейной формы и технологичности приготовления.

3. Разработана технология приготовления железоалюминиевого композита методом жидкофазного совмещения компонентов, основанная на струйно-почастичной подаче ненагретой стальной или чугунной дроби на поверхность алюминиевого расплава при ее непрерывном замешивании и обеспечивающая полноту физического совмещения компонентов при наличии оксидной пленки на поверхности дроби.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2000 г.); Второй международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2002 г.); V Съезд литейщиков (г. Москва, 2001 г.), VI Съезд литейщиков России (г. Екатеринбург, 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий XXI века»; научных семинарах кафедры «Технологии литейных процессов» МГИСиС (2000 - 2003).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА