Исследование и совершенствование технологии производства высокомарганцевой стали 110Г13Л для железнодорожных крестовин

В работе рассмотрена возможность экспресс-оценки £ (FeO + MnO) путем измерения активности кислорода в жидкой стали. Монооксид марганца MnO, находящийся в стали, по данным большого количества исследований, значительно ухудшает ее трещиностойкость, износостойкость, пластичность, хладостойкость и другие свойства.

Высокомарганцевые стали, содержащие 8,5-15 % марганца, благодаря высокой износостойкости при воздействии ударных нагрузок, уже многие годы остаются незаменимым конструкционным материалом для изготовления сменных деталей машин и оборудования в машиностроительной, горнорудной, металлургической, железнодорожной и других отраслях промышленности. Из этих сталей изготавливают футеровки вихревых и шаровых мельниц, трамвайные и железнодорожные крестовины и стрелочные переводы, гусеничные траки, звездочки, зубья ковшей экскаваторов и другие детали.

В качестве альтернативы рассматривался, в том числе, ферросиликоалюминий (ФСА). Однако широкое применение ФСА сдерживалось недостаточной его изученностью, в частности, отсутствием надежных сведений о фазовом строении, об оптимальном расходе, о степени усвоения алюминия и об образующихся при этом НВ. Отсутствуют также данные об эффективности его применения в комплексе с титаном.[1]

Исследование эффективности замены модификатора (Al+Тi) на (ФС45А15+Ti) при обработке стали 110Г13Л содержание кислорода определено с помощью фракционного газ анализатора.

Для изучения процессов совместного раскисления и модифицирования высокомарганцовистой стали 110Г13Л в (Al+Ti) и (ФС45А15+Тi) было выполнена серия лабораторных экспериментов. Плавка проводилась в печи сопротивления Таммана.

Масса шихты в среднем составляла 310г. Металл расплавляли в алундовом тигле, материал которого выбирают в зависимости от исследуемого металла, температуры опыта и раскислителя. Чушковый алюминия (Al+Ti) на ферросиликоалюминий (ФС45А15+Ti) подавали через кварцевую трубочку сверху в расплав в виде мелкодробленых кусочков. Нагрев и расплавление шихты (-60 мин) проводили в среде Аr. После расплавления металла в печи создавали среду чистого аргона и отбирали предварительную пробу. Засасывание пробы из расплава осуществлялось кварцевой трубочкой с внутренним диаметром 7 мм. Масса первый пробы составляла около 20 г. Пробу охлаждали в течение - 30 с в среде аргона, далее - на воздухе. После отбора пробы при расплавлении шихты присаживали алюминий и титан (Al+Ti), при заданном содержании осуществляли выдержку 10-15 мин для стабилизации температуры после присадки. После выдержки отбирали второю пробу. Вторую плавку проводили аналогично, в отличие от отбора первой пробы при расплавлении шихты присаживали ферросиликоалюминий и титан (ФС45А15+Ti).

Результаты опытных плавки и их обсуждения

Определение содержания кислорода в образцах высокомарганцевой стали 110Г13Л проводили методом восстановительного плавления в токе инертного газа на анализаторе ТС-600 фирмы LЕСО .

Анализ результатов эксперимента . Содержание кислорода определяли в образцах высокомарганцевой стали 110Г13Л, отобранных до раскисления (проба 1) и после раскисления (проба 2).

Общее содержание кислорода в высокомарганцевой стали 110Г13Л до раскисления (проба 1) составляет 0,00332-0,00336 %, но после раскисления (проба 2) оно снижается до 0,00125 - 0,00188 %. При этом обработка высокомарганцовистой стали 110Г13Л раскислителя опытной технологии обеспечивает на треть меньшее содержание кислорода (таблица 1).

Таблица 1 – Содержание кислорода в высокомарганцевой стали 110Г13Л при обработке комплексами (Al+Ti) и (ФСА+Ti).

№ плавки	Вариант обработки стали	Место отбора пробы	Содержание кислорода Σ [O], % масс
1	Обработка в комплексом (0,7 кг/т Al + 1,6 кг/т Ti)	До обработки	0,00322
		После обработки	0,00188
2	Обработка в комплексом (3,5 кг/т ФСА + 1,6 кг/т Ti)	До обработки	0,00336
		После обработки	0,00125

Измерение активности кислорода показывает (таблица 1), что при одинаковой активности кислорода в высокомарганцевой стали 110Г13Л обработка расплава комплексом ( ФСА+Ti) обеспечивает более глубокое раскисление, чем в случае обработки еѐ комплексом (Al+Ti).

Остаточное содержание Al и Ti. Исследовали также остаточное содержание и степень усвоения алюминия и титана при (Al+Ti) и (ФСА+Ti) вариантах раскисления высокомарганцевой стали 110Г13Л. При обработке высокомарганцевой стали 110Г13Л по комплексом (Al+Ti) концентрация остаточного алюминия 0,018 %, а степень усвоения - 18,66 %. При обработке высокомарганцевой стали 110Г13Л по комплексом (ФСА+Ti) содержание остаточного алюминия 0,024 %, степень усвоения –44,58 %.

На рисунке 1 приведены сравнительные содержания остаточного алюминия ввысокомарганцевой стали 110Г13Л обработанной комплексом

(Al+Ti) и (ФСА+Ti).

0,030

0,000

0,025

0,020

0,015

0,010

0,005

□ Al… ■ Ф…

0,095

0,09

X®

0,085 н

0,08

0,075

□ Al+T

Рисунок 1 – Остаточное содержание алюминия в высокомарганцевой стали 110Г13Л, обработанной комплексом (Al + Ti) и (ФСА + Ti).

Рисунок 2 – Остаточное содержание титана в высокомарганцевой стали 110Г13Л, обработанной комплексом (Al + Ti) и (ФСА + Ti).

Анализ содержания титана в обработанной комплексом (Al + Ti) и (ФСА +

Ti), плавках показал (рисунок 2), что в случае применения ФСА остаточное содержание титана составило 0,094 % по сравнению с 0,084 % при присадке титана совместно с алюминием, угар титана 39,9 % и 46,3 % соответственно. Это свидетельствует о том, что при таком же расходе титановой губки степень усвоения титана возрастает с 53,7 % до 60,1 % в случае его введения совместно с ФСА.

Рисунок 3– Зависимости растворимости кислорода в расплаве состава стали 110Г13Л при температуре 1873 К от концентрации кремния и алюминия: • – экспериментальные данные;

Таблица 2 – Содержание кислорода в стали 110Г13Л э кспериментальной и расчетной

Вариант обработки стали	Σ [O] эксп , % масс	Σ [O] расч , % масс		∆∑[O], %
Обработка в комплексом (0,7 кг/т Al + 1,6 кг/т Ti)	0,00188	0,00225		0,00037
Обработка в комплексом (3,5 кг/т ФСА + 1,6 кг/т Ti)	0,00125	3Al 2 O 3 ∙2SiO 2	0,00125	0
		Al 2 O 3 ∙SiO 2	0,0008	0,00045

Оценка разница расчетных и экспериментальных результатов по Δ [O] показала, что Δ [O] при обработка в комплексом (0,7 кг/т Al + 1,6 кг/т Ti) составило 3,7 ppm, а при обработке в комплексом (3,5 кг/т ФСА + 1,6 кг/т Ti) составило 4,5 ppm.

Определим активность кислорода . При содержании кислорода 0,00336% до обработки комплексом (ФСА+Тi) , а [O] =0,000585%, получим ∑(FeO+MnO)=5,18%.

Выводы

Для железнодорожных крестовин, ударная вязкость должна превышать 200 Дж/см3, для нашего случая, когда суммарное содержание (FeO) и (MnO)=5,18% при 20 оС, ударная вязкость равна 230 Дж/см3.

Реализация разработанных технологических рекомендаций опробования на заводе ЛМЗ ожидается получать качественные отливки без дефектов, с высоким и стабильным уровнем механических свойств и повысить эффективность ковшовой обработки и получить за счет снижения расхода раскислителя и модификатора экономический эффект.