Модифицирование мартеновской стали Г13Л цериевыми сплавами

Известны работы по улучшению качества стали Г13Л путем обработки ее ферроцерием, который вводили на желоб при выпуске стали.

Крестовины железнодорожных переводов, отлитые из модифицированной стали, имели повышенную стойкость эксплуатации. Модифицирование ферроцерием стали Г13Л для щек дробилок приводило по некоторым данным к повышению механических свойств стали на 30% и износостойкости щек в 1,5 раза.

Однако все выполненные до настоящего времени работы по улучшению свойств стали Г13Л путем обработки расплава цериевыми сплавами проводились на металле, выплавленном в электропечи. В то же время значительное количество стали Г13Л выплавляется в мартеновских печах. Мартеновская сталь имеет более низкую температуру выпуска и разливки, содержит больше оксидных включений по сравнению с электросталью. Поэтому переносить технологию модифицирования, разработанную для электростали, на мартеновскую сталь без дополнительного изучения свойств металла не представляется возможным.

В работе изложены результаты исследования влияния присадок сплавов редкоземельных металлов на свойства мартеновской стали Г13Л.

Выплавка стали производилась в 10-тонной мартеновской печи, отапливаемой природным газом. Окончательно сталь раскислялась на желобе ферросилицием и алюминием. Температура при выпуске в ковш была 1370—1380° С, а в начале разливки 1330—1340° С по оптическому пирометру.

Для получения сравнимых результатов применяли следующую методику разливки. Половину плавки разливали по формам (одновременно заливали пробы для исследования). Затем в оставшуюся в ковше сталь вводили присадку цериевого сплава и этим металлом заливали формы и второй комплект проб. Присадку вводили в металлическом патроне с отверстиями.

Пробы, отлитые из обычной стали и стали с добавкой цериевого сплава, проходили совместную термообработку для получения аустенитной структуры. Затем из проб изготовляли образцы для механических испытаний и металлографических исследований.

Механические свойства определяли как среднее из результатов испытания четырех-пяти образцов. Форму и характер распределения неметаллических включений определяли металлографическим методом, а содержание в них кремния, церия и серы исследовали методами локального рентгеноспектрального анализа на установке МАР-1. Кроме того, распределение серы исследовали на баума-новских отпечатках.

В первой серии плавок в качестве модификаторов использовали ферроцерий, содержавший 50% Се. Одновременно вводили в сталь силикокальций с целью ошлакования образующихся включений и облегчения всплывания их в шлак. Расход ферроцерия составлял 1,3—3,0 кг/т, а силикокальция 0,6—2,0 кг/т жидкой стали.

Как показал их химический анализ, во всех плавках обработка ферроцерием приводила к некоторому обессериванию стали. Распределение церия в стали оказалось крайне неравномерным. Так, в пробах, залитых через 4 мин после введения присадки (2 кг/т стали), содержание церия колеблется от 0,02 до 0,08%.

Исследование механических свойств стали, обработанной ферроцерием, показало, что в некоторых плавках ее механические свойства выше, в других на том же уровне или даже значительно ниже, чем в исходном металле. Так, в плавке № 1029 ударная вязкость модифицированной стали равна 1,54 Мдж/м² и относительное удлинение 13% против ударной вязкости 2,2 Мдж/м² и относительного удлинения 26% в исходном металле.

При металлографическом анализе образцов, имеющих низкую ударную вязкость, выявлены грубые скопления неметаллических включений. В немодифицированной стали таких скоплений нет.

Выполненное локальным рентгеноспектральным методом исследование включений показало, что они не являются силикатами. Количество церия в них велико: от 5 до 40%; они существенно обогащены серой.

В результате проведенного исследования установлено, что присадка в мартеновскую сталь Г13Л ферроцерия в количестве 1—3 кг/т и силикокальция 0,6—2 кг/т не приводит к стабильному повышению механических свойств отливок. Ввиду низкой температуры мартеновской стали (1330—1340° С по оптическому пирометру) ферроцерий растворяется в стали неравномерно, а образующиеся неметаллические включения всплывают в шлак не полностью и частично остаются в металле в виде грубых скоплений.

По-видимому, для более равномерного распределения церия в жидкой стали и облегчения всплывания образующихся неметаллических включений в шлак следует обеспечить перемешивание металла в ковше. Необходимое перемешивание может быть достигнуто применением специального цериевого сплава ФЦМ-5, содержащего кроме редкоземельных элементов (РЗЭ) также около 5% Mg. Применение этого сплава позволяет модифицировать доменный чугун при температуре 1280° С, в то время как ферроцерий в этих условиях оказался совершенно непригодным. Поэтому для улучшения свойств мартеновской стали Г13Л предложено обрабатывать ее в ковше сплавом ФЦМ-5.

Влияние магния, входящего в сплав ФЦМ-5, может при этом проявляться в двух направлениях:

1. снижении температуры плавления модификатора. Как следует из диаграмм состояния систем Се—Mg, La—Mg, магний снижает температуру плавления (РЗЭ). Приближенный расчет показывает, что при добавке к ферроцерию 5% Mg температура плавления сплава понижается примерно на 90°;


2. перемешивании стали при кипении магния. Расчет показывает, что при вводе одного килограмма сплава ФЦМ-5 объем паров магния, образующихся в толще жидкой стали, примерно в 1,5 раза превышает объем металла. Этим объясняется интенсивное бурление стали. Пироэффект при этом незначителен.

В таблице приведены данные по количеству введенного в каждую плавку сплава ФЦМ-5 и химическому составу полученной стали.

Из таблицы следует, что обработка сплавом ФЦМ-5 приводит к некоторому обессериванию стали: содержание серы снижается на 20—30%. Количество остаточного церия составляет от 0,015% (при 0,06% введенного сплава) до 0,030% (при 0,12% ФЦМ-5).

Концентрация в стали остальных элементов осталась на исходном уровне.

Результаты механических испытаний приведены в таблице. Во всех плавках сталь, обработанная лигатурой ФЦМ-5, обладала более высокой ударной вязкостью, чем обычная сталь (в среднем на 10—15%), остальные показатели механических свойств остались примерно на том же уровне.

При металлографическом исследовании установлено, что существенно меняются размер, форма и характер распределения включений. Они более мелки, имеют округлую форму, в основном располагаются внутри зерна. В металле, обработанном сплавом ФЦМ-5, отсутствуют грубые скопления церийсодержащих включений, наблюдавшихся в стали с присадкой ферроцерия.

Следует отметить технологические особенности разливки стали Г13Л, модифицированной цериевым сплавом. При разливке из стопорного ковша наблюдается постепенное затягивание отверстия разливочного стакана вплоть до полного прекращения разливки.

Это не вызывается уменьшением жидкотекучести стали, так как после прожигания отверстия стакана при помощи кислорода металл снова идет с большой скоростью.

Как считают авторы работы, ухудшение разливки стали, содержащей церий, вероятно, объясняется тем, что остаточный церий взаимодействует с кремнеземом, образуя на стенках отверстия стакана вязкие пленки тугоплавкого шлака. Отмечается, что стабильный режим разливки модифицированной стали обеспечивали только «глинистографитовые» стаканы и пробки.

Учитывая эти рекомендации, для разливки стали Г13Л применен графитно-шамотный стакан, однако пробка оставлена шамотной.

В условиях заливки большого количества форм и многократного открывания стопора оптимальной является пара стакан-пробка, в которой один из компонентов обладает большей твердостью. Пара — графитошамотный стакан и шамотная пробка обеспечивали нормальную разливку модифицированной стали.

Выводы

1. Установлено, что обработка мартеновской стали Г13Л в ковше ферроцерием и силикокальцием не приводит к стабильному повышению ее механических свойств. Вследствие низкой температуры металла церий распределяется в нем неравномерно, а образующиеся неметаллические включения не успевают полностью всплыть в шлак и частично остаются в стали.


2. Предложена технология модифицирования мартеновской стали Г13Л в ковше сплавом ФЦМ-5. Установлено, что при введении этого сплава происходит интенсивный барботаж металла, способствующий равномерному распределению церия и более полному очищению стали от неметаллических включений.

Модифицирование мартеновской стали ПЗЛ сплавом ФЦМ-5 обеспечивает увеличение ударной вязкости на 10—20%, что должно привести к повышению работоспособности деталей.