Анотація до роботи:

Квасова Л.С.Управління якістю сталі 110Г13Л на основі вдосконалення режиму розкислення і моделювання механічних властивостей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02. - Металургія чорних металів. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена розробці технологічних рішень, що забезпечують підвищення якості сталі шляхом розробки науково - обґрунтованого режиму розкислення та зниження матеріальних витрат коштовних ресурсів з використанням математичного моделювання механічних властивостей при виплавці в електросталеплавильних печах.

Промисловий сектор економіки України характеризується розвиненою транспортною інфраструктурою. У загальному обсязі вантажообігу і пасажирських перевезень більш 73% припадає на долю залізничного транспорту. Розгорнена довжина головних залізничних колій становить понад 31 тис. км. На 1 км довжини припадає від 2 до 3 стрілочних переводів, так що загальна їх кількість на залізницях України становить понад 65 тис. шт. Стрілочні переводи є складними і відповідальними елементами залізничної колії, що працюють у напружених умовах. Міждержавний транзит через територію України величезний, але нереалізований національний ресурс більш ефективної роботи транспорту. Раціональний режим розкислення сталі алюмінієм та підвищення механічних властивостей повинні сприяти збільшенню якості вітчизняних стрілочних переводів. Для обґрунтування вибору режиму розкислення алюмінієм в роботі проведено комплекс рентгеноспектральних, фізико - хімічних досліджень та фракційний газовий аналіз. Вивчено процеси дефосфорації та зневуглецювання, у напрямку досягнення високого ступеня дефосфорації сталевої ванни; виконано термодинамічний аналіз даних і реакцій розкислення сталі 110Г13Л вуглецем, марганцем, кремнієм, а також аналіз кінцевого розкислення алюмінієм; визначено вміст кисню у модельованому сплаві та вплив вмісту залишкового алюмінію на формування неметалевих включень в сталі 110Г13Л; експериментальними дослідженнями неметалевих включень сталі 110Г13Л показана залежність морфології та виду неметалевих включень від залишкового вмісту алюмінію. Розроблено математичні моделі для прогнозування механічних властивостей (_В,у_0,2,ш, ц, KCU) сталі 110Г13Л. На підставі цих досліджень теоретично обґрунтовані, експериментально підтверджені результати роботи, які забезпечують підвищення якості сталі. У промислових умовах реалізовані технічні рішення по удосконаленню режиму розкислювання, підбору хімічного складу, яки дозволяють одержати першу – другу групу якості. З використанням математичних методів планування експериментів і статистичної обробки результатів установлені обмеження на хімічний склад для отримання сталі 110Г13Л першої або другої групи якості. Економічний ефект отримано від зниження витрат коштовного ресурсу алюмінію з 5кг/т до 1 кг/т.

Головним підсумком дисертаційної роботи є розроблена та впроваджена в промислове виробництво технологія виплавки високомарганцевої сталі 110Г13Л, обґрунтована за допомогою аналізу технологічних факторів режим розкислення, який забезпечує підвищення якості відливок хрестовин. Рішення цієї важливої виробничої задачі стало можливим завдяки комплексу теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних на базі фізико-хімічного, металофізичного, рентгеноспектрального, металографічного аналізу, а також на основі фракційного газового аналізу у поєднанні з використанням методів математичного моделювання, що дозволило вивчити вплив параметрів технології на формування неметалевих включень та на механічні властивості металу та обґрунтувати приведені нижче висновки і рекомендації.

1. Хімічний склад досліджуваної сталі, який регламентується вимогами ГОСТ 7370-98, передбачає широке коливання вмісту легуючих елементів – Mn 11,5%ч16,5%, С 1%ч1,3%, Si 0,3%ч0,9%. Варіації хімічного складу сталі 110Г13Л призводять до неекономної витрати легуючих елементів і розкислювачів, що, в свою чергу, може впливати на якість і собівартість продукції. При цьому існуючий рівень показників механічних властивостей сталі 110Г13Л не в повної мірі забезпечує якість хрестовин першої групи. Резервом підвищення якості сталі є вдосконалення режиму розкислення алюмінієм та скорочення широкого коливання границь хімічного складу всередині ГОСТ 7370-98 з одночасним забезпеченням найвищих механічних властивостей.

2. Вивчено процеси дефосфорації та зневуглецювання, у напрямку досягнення високого ступеня дефосфорації сталевої ванни; виконано термодинамічний аналіз даних і реакцій розкислювання сталі 110Г13Л вуглецем, марганцем, кремнієм, а також аналіз кінцевого розкислення високомарганцевої сталі алюмінієм. Визначено вміст кисню у модельованому сплаві (Mn 13%, C 1,3%, 0,09% Р, 0,02% S) з урахуванням вмісту елементів: 0,6% Si, що дорівнює [O] = 0,9210^-2%; при 0,030% Al - [O] = 1,0510^-2%; при розрахунках із 0,6% Si, 0,030% Al - [O] = 0,9810^-2%.

3. Вивчено природу неметалевих включень із використанням методу фракційного газового аналізу, та кількісно визначений вміст кисню: зв'язаного з поверхнею зразка, розчиненого в металі, зв'язаного в різні типи неметалевих включень. Незважаючи на дотримання діючої технології виплавки, загальний вміст кисню в досліджених зразках різних плавок коливається від мінімального значення 50,610^-4 до максимального 53210^-4 % мас. При цьому основна кількість кисню в зразках міститься в оксидних неметалевих включеннях: від 32,710^-4 до 500,210^-4 % мас., що обумовлено як відмінністю залишкової концентрації алюмінію, так і ендогенним і екзогенним характером їх походження.

4. На аншліфах електроноскопічним методом в площинах зламу зразків сталі на енергодисперсійному пристрої РЕММА - 101 А досліджено морфологію оксидних включень залежно від залишкового вмісту алюмінію в сталі 110Г13Л (на 30 промислових зразках); при вмісті алюмінію від 0,011% до 0,020% Al методами металографії визначено вид силікатів глобулярної форми; при вмісті алюмінію від 0,020% до 0,030% переважають два типи неметалевих включень - силікати і ограновані вкраплення типу галаксит ( MnOAl₂O₃); в інтервалі [Al]_залиш % від 0,030% до 0,075% присутні ограновані включення MnOAl₂O₃. Рекомендовано вміст залишкового алюмінію в сталі 110Г13Л, який повинен бути в межах 0,020%0,030%. У сталі, розкисленій алюмінієм, кремнезем у включеннях практично відсутній. Зафіксовані включення, в яких вміст SiO₂ не перевищує 10-20%. За результатами аналізу з 115 включень в 41 включенні містилася сірка (в границях 0,3-0,4% S). Одиничні сульфідні включення мали в складі до 20-24% S при високому вмісті в них марганцю. За експериментальними даними мінімальний середній вміст азоту у сталі 110Г13Л становить 0,0115 % мас., а максимальний - 0,0285 % мас.

5. Для прогнозування рівня показників механічних властивостей для сталі розроблені математичні моделі з представленням аналітичних виразів у вигляді поліномів із розкладанням в ряди Фур’є з врахуванням впливу п'яти факторів (C, Mn, Si, P, S) - хімічного складу сталі; на основі одержаних коєфіціентів регресій спрогнозовані показники механічних властивостей хрестовин для високомарганцевої сталі 110Г13Л першої групи якості.

6. За методом рішення багатокритеріальних задач сталеплавильного виробництва на основі фізико-хімічного моделювання (теорія д.т.н., проф. Е.В.Приходька) одержана математична модель для сталі 110Г13Л шляхом згортки зв'язків об'єкту. Для кожної механічної властивості одержані топографії поверхонь відгуку, які дозволяють прогнозувати підвищення механічних властивостей сталі. Топографія трендової поверхні відгуку в заданих координатах (тривимірні картограми) є ефективним засобом дослідження складних нелінійних залежностей, оцінки екстремумів поверхні відгуку та вибору стабільних режимів технології виробництва цієї сталі (ГОСТ 7370-98).

7. За підсумками досліджень розроблена і впроваджена технологія розкислення сталі 110Г13Л алюмінієм. Порівняльні дослідження якості металу показали, що зі зниженням витрати алюмінію, виплавленого на свіжій шихті, спостерігається підвищення показників всіх механічних властивостей, особливо границі міцності. Запропоноване скорочення витрати алюмінію з 5кг/т за технологічною інструкцією щодо виплавки високомарганцевої сталі ВАТ “ДнСЗ” № 092. 25.210.000.11 від 22.09.2000 р. до 0,51кг/т за новою технологічною інструкцією № 092. 25.210.000.11 від 09.02.2001 р. привело до зниження собівартості сталі 110Г13Л.