Дослідження неметалевих включень у великих зливках, що виробляються ПАТ Енергомашспецсталь
Якість великого зливка великою мірою залежить від змісту та розподілу неметалевих включень. Для отримання високоякісних злитків була проведена позапічна обробка металу в печі-ковші та вакууматорі. Для оцінки змісту включень були використані методики оптичної та растрової електронної мікроскопії. Встановлено, що розроблена технологія забезпечує високу чистоту металу за сполуками сірки та фосфору. Основною неметалевою фазою стають оксиди алюмінію та складні оксиди типу (Al, Ca, Mg, Si) mOn. Найбільш вірогідним джерелом їх формування є процес руйнування вогнетривкої футеровки печі та агрегатів позапічної обробки, проте можлива частина з них формується в процесі розкислення та модифікування розплаву.
Ключові слова: неметалеві включення, великий злиток, позапічна обробка, вакуумування, растрова електронна мікроскопія.
Наприклад, пластичність значно знижується при зростанні вмісту як оксидів, так і сульфідів [2]. Ударна в'язкість знижується у присутності неметалевих включень, особливо у високоміцних сталях зі зниженою пластичністю. Подібне, явно виражене зниження характеристик, обумовлене неметалевими включеннями, спостерігається при випробуваннях при низьких і високих швидкостях деформації та циклічному навантаженні, таких як випробування на повзучість, ударну в'язкість і втому [2]. Включення викликають формування несплошностей, які можуть породжувати зростаючі тріщини у випадках, коли розмір несплошности перевищує критичне значення [3]. Великі екзогенні включення можуть викликати також погіршення якості поверхні виробів, погану шліфування таполіруваність, і в деяких випадках, волосовини та розшарування [4]. Включення також знижують опір водневому розтріскування [5]. Джерелом багатьох проблем у сталі, пов'язаних зі зниженням втомних характеристик, є крихкі оксидні включення. У цьому вплив великих включень помітніше, ніж дрібних. У загальному випадку термін служби виробів, що визначається контактною втомою, знижується з підвищенням загального вмісту кисню в сталі [6].
Для усунення цих проблем розмір та частота появи небажаних включень повинні ретельно контролюватись. Особливо важливо переконатися, що у виливках відсутні включення з розміром, що перевищує критичний [1].
У загальному випадку неметалеві включення за джерелом їхньої появи можуть бути поділені на 2 групи: ендогенні включення та екзогенні. Відповідно до [7], за умовами формування та шляхами їх потрапляння в сталь можна виділити чотири групи включень.
1.Продукти розкислення рідкого металу. Це оксиди елементів-розкислювачів та (у разі недостатнього розкислення) оксиди заліза та легуючих елементів. Такі оксиди можуть формувати складні сполуки як одна з одною, так і зі шлакоутворюючими матеріалами.
2.Частинки вогнетривких матеріалів. Вони утворюються в результаті ерозії різних вогнетривких футеровок і компонентів (в печі, печі-ковші, розливному оснащенні і т.д.) в результаті взаємодії з рідкою сталлю.
3.Частинки шлаку та сульфідів, механічно захоплені рідким металом на різних стадіях технологічного процесу.
4.Продукти реакції, які відбуваються при дифузії газів у метали (наприклад, нітриди алюмінію та титану).
Для злитків щодо малої маси (до 10 тонн) основним джерелом генераціїНеметалічних включень є процес розкислення [8]. Однак із зростанням маси зливка час контакту рідкої сталі з вогнетривким футеруванням зростає дуже значно. Зазвичай ємність сталеплавильних агрегатів (електродугових печей) нижча, ніж маса зливка. У цьому випадку, щоб отримати велику масу рідкого металу, необхідно накопичити більш ніж одну плавку в ковші, що відіграє роль міксера. Час випуску та розливання також росте зі зростанням маси зливка. Тому створюються сприятливі умови для ерозії футерування та вторинного окислення металу.
Крім того, існують дані про зміну характеру розподілу неметалевих включень у великому злитку (КС) порівняно зі зливками звичайного розміру. Зокрема, в донній частині КС концентрація оксидів може бути вищою, ніж у головній частині злитка [9]. Це пов'язано із змінами у схемі конвективних потоків у процесі кристалізації, що залежить від маси зливка та конструкції виливниці.
Матеріал та методика дослідження
Для дослідження було використано зразки, відібрані від злитків масою 45-355 тонн. Одержання металу досліджених злитків виробляли шляхом виплавки сталі в дугових сталеплавильних електропечах з подальшою позапічною обробкою в ковші-печі та вакууматорі. Заливання сталі здійснювали з кількох сталерозливних ковшів у вертикальні виливниці у вакуумі через проміжний ківш із захистом струменя аргоном.
Зважаючи на значні розміри зливка, використовували три варіанти відбору проб:
- відбір проб рідкого металу різних технологічних етапах обробки розплаву;
- відбір проб із спеціально передбачених ділянок поковки;
- відбір проб з ділянок поковки, де були відзначені дефекти, що виявляються ультразвуковим контролем.
Для оцінки вмісту неметалевих включень використовували методики оптичної та растрової електронної мікроскопії. Скануючий електронний мікроскоп JSM-6490LV (JEOL, Japan) був додатково обладнаний:
- енергодисперсійнимспектрометромINCAPentaFETx3 (OxfordInstruments, England),
- хвильовим спектрометром INCA Wave (Oxford Instruments, England),
- детектором дифракції зворотнорозсіяних електронів HKL (Oxford Instruments, England).
Кількісне визначення забрудненості неметалевими включеннями проводили з використанням програмного пакету "Videotest" (програмний модуль "Metal 1.2") в автоматичному та ручному режимі.
Отримані результати та їх обговорення Основним завданням дослідження першому етапі було визначення найбільш достовірного варіанта відбору та обробки зразків з метою оцінки забрудненості неметалевими включеннями. Детальний список можливих методик дослідження наведено у роботі [1]. Для використання у промислових умовах найпростішими є технології пробовідбору у рідкому стані. Але для умов ПАТ «Енергомашспецсталь» основна проблема пов'язана з дуже високою чистотою металу в результаті реалізації технологічної послідовності операцій (вакуумування, дифузійне розкислення та десульфурація). Тому процедура відбору проб у рідкому стані могла викликати генерування неметалевих включень внаслідок окислення відібраного металу. Додатково, формування пористості в процесі кристалізації розплавленого зразка створює проблему з диференціацією включень і пір при використанні методик кількісного аналізу зображень, які одержують методами оптичної мікроскопії. В результаті проведення експериментів було встановлено, що розсіюваннярезультатів при використанні методик кількісної оптичної металографії порівняно із середніми значеннями досліджуваних величин, і ці методики не дозволяють отримати достовірні дані.
Друга проблема пов'язана з тривалим періодом заповнення виливниці при виливку великих зливків. Це підвищує ймовірність вторинного окислення металу та формування екзогенних включень у результаті ерозії вогнетривкої футеровки. І тут формування неметалевих включень могло відбуватися після відбору зразків розплавленого металу. Певні труднощі пов'язані також із необхідністю використання спеціального обладнання для відбору проб при розливанні у вакуумі. Тож подальших досліджень використовували методи відбору проб від поковок. Конструкція поковок передбачала спеціальні точки для відбору зразків. Однак, крім стандартних зразків, були також використані зразки з ділянок, в яких спостерігалися дефекти, що виявляються методами ультразвукового контролю.
Іншим типовим прикладом включення в КС є складне включення, що є комбінацією ендогенного сульфіду марганцю з екзогенними компонентами шлаку (рис. 1 б).
Малюнок 1– Загальний вид включень у сталі 26NiCrMoV (РЕМ): а - сульфід марганцю (1), б - комбінованих
Локальний хімічний склад включення у точках, пронумерованих на фото (рис. 1б), наведено у таблиці 1.
Таблиця 1– Локальний хімічний склад у ділянках включення (рис. 1 б), % вагу.
Як очевидно з табл. 1 включення в точках 2 і 3 складається з оксидів Al, Si і Ca, форма включення типова для шлакової краплі. Картина, наведена вище, типова для технології, що встановилася. За цих умов основна частка включень представлена відносно великими включеннями,випадково розподіленими на мікро-, мезо- та макрорівні.
Здебільшого формування таких включень може бути з випадковими відхиленнями під час технологічного процесу.
І тут неможливо оцінити ймовірність попадання одиничного включення до зору. Тому необхідно збільшувати кількість полів зору, проте критерій достовірності результатів вимірювання точно не встановлено. Ось чому відбір зразків, що ґрунтується на результатах ультразвукового контролю, повинен бути додатковою процедурою для дослідження неметалевих включень до КС.
Аналіз показав, що найінформативніші результати були отримані на зразках, відібраних на основі результатів ультразвукового контролю. Вони були відібрані з точок, в яких було виявлено відображення ультразвукових коливань від дефектів.
На рис. 2 та 3 показані приклади включень, виявлених у таких областях. Коли умови кристалізації сприятливі у розвиток дендритної ліквації, включення сульфіду марганцю можуть зростати у вигляді добре розвинених дендритів (рис. 3).
Малюнок 2- РЕМ зображення дендритного включення сульфіду марганцю в сталі 25CrMoV: a - загальний вигляд поверхні руйнування, б-г - розподіл хімічних елементів: б - Mn, - S, г - O
Малюнок 3– РЕМ зображення екзогенного включення.
Аналіз рис. 2 показав, що, крім концентрації сірки в області розташування включення, спостерігається деяке збагачення оксидною фазою (рис. 2г). Зв'язок між присутністю оксидної фази та формуванням сульфідів у дендритній формі обговорюється в роботі [1]. З метою запобігання подібним дефектам необхідно знижувати ймовірність повторного окислення розплаву та підтримувати температурні та часові умови розливання в оптимальних межах для зниженняступеня розвитку лікваційних процесів.
Статистичний аналіз показав, що за умов ПАТ «Енергомашспецсталь» такі дефекти формуються дуже рідко. Іншим варіантом складного екзогенного включення є включення, сформоване в результаті ерозії вогнетривів та їх взаємодії з краплями шлаку. Типове включення подано на рис. 3, 4.
Малюнок 4– РЕМ зображення розподілу хімічних елементів у екзогенному включенні, представленому на рис. 3.
Включення сформовано оксидними сполуками і є комбінацією різних оксидів. Розподіл різних елементів схожий, але не збігається повністю. Mg, Ca та Si утворюють різні ділянки включення. Al і Mg не входять до складу сталі, проте обидва ці елементи присутні у вогнетривах, а Ca є компонентом шлаку. Цей факт підтверджує екзогенне походження включення. На користь цього припущення говорить також форма дефекту, а саме ділянки неправильної форми, заповнені конгломератом часток різної форми та складу.
Іншим аргументом на користь екзогенного походження включень є їхній просторовий розподіл в обсязі зливка. Для ендогенних включень більш характерне збагачення осьової зони зливка, тоді як у цьому випадку більшість включень локалізована у відносній близькості до поверхні злитка (на відстані 70 – 120 мм). Ймовірно, це може бути пов'язане з відтиском великих включень, що потрапили в злиток, від поверхні в процесі швидкої кристалізації коркової зони з подальшим їх механічним «захопленням» між стовпчастими кристалами, що ростуть.
Через різницю поверхневих натягів на межі неметалевого включення з рідким металом і шлаком відбувається їх коагуляція з краплями шлаку. Проте дуже важливо, що у процесідосліджень не було виявлено включень, утворених лише краплями шлаку. Це означає, що технологія випуску та розливання запобігає попаданню значної кількості шлаку в метал і тільки взаємодія крапель шлаку з продуктами ерозії вогнетривкої футеровки призводить до формування конгломератів «шлак - включення». Отже, для запобігання формуванню такого типу дефектів необхідно використовувати вогнетриви з покращеними робочими характеристиками та підвищеним опором впливу рідкого металу.
Розроблена технологія плавки та рафінування рідкого металу забезпечує високий ступінь чистоти сталі за сполуками сірки та фосфору. Основним типом неметалевих включень у великих зливках стають оксиди алюмінію та суміш складних оксидів типу (Al, Ca, Mg, Si) mOn. Найбільш вірогідним джерелом їх формування є руйнування вогнетривкої футеровки печей та ковшів, проте можна припустити, що частина з них сформувалася в процесі розкислення та модифікування розплаву.