Введение

Современные требования к качеству металлических изделий и конструкций обусловили тенденцию возрастания доли сталей c повышенными механическими характеристиками в общем объеме металлургического производства, по этой причине в последние годы значительно возрос интерес к высокоазотистым низколегированным сталям [2]. Одно из основных преимуществ этих сталей по сравнению с традиционными сталями-аналогами – более высокая прочность при незначительном различии по легирующим элементам. Разработка и внедрение высокоазотистых сталей позволит сократить объем производства высоколегированных сталей на 15−20%, а за счет уменьшения рабочих сечений деталей машин, механизмов и конструкций позволит снизить материалоемкость [3].

Усовершенствование способа электрошлакового переплава и проведение процесса под избыточным давлением (до 50 МПа) позволило решить и другие задачи. Электрошлаковый переплав под давлением (ЭШПД) позволяет реализовать ряд задач, решение которых традиционными способами спецэлектрометаллургии затруднено. Наличие камеры и контролируемой атмосферы создает благоприятные условия для эффективного рафинирования, модифицирования и легирования металлов и сплавов при использовании активных компонентов в шлаке (кальций, редкоземельные металлы и др.) [4]. Избыточное давление в камере благоприятно влияет на сохранение легирующих элементов в твердом металле, которые либо испаряются при выплавке из-за низкой упругости пара, либо угорают, либо не могут быть растворены при использовании традиционных металлургических технологий. Переплав при избыточном давлении в инертной среде обеспечивает получение плотных слитков высокоазотистых сталей с дисперсной бездефектной структурой, при этом отклонения от расчетных параметров или неверное задание исходных параметров могут привести к образованию различных дефектов в теле слитка [5].

Материалы и методы

Исследованию подвергали слитки электрошлакового переплава из сталей марок 45, ВНС-73, 10Х3А, 30Х15АМФ, выплавленных в электрошлаковой печи под давлением (ДЭШП-0,1) в кристаллизаторах диаметром 110 и 130 мм.

Для получения слитков применяли разные способы изготовления расходуемых электродов и различные технические параметры при переплаве:

– выплавка в открытых индукционных печах;

– выплавка в вакуумных индукционных печах;

– применение сварного расходуемого электрода;

– введение азотоносителей в расплав через бункер-дозатор и трубки сварного расходуемого электрода;

– применение различного давления в камере печи при переплаве.

В качестве расходуемых электродов из стали 45 использовали горячекатаные прутки диаметром 68 и 90 мм для отработки технологических параметров плавки в кристаллизаторах диаметром 110 и 130 мм. Расходуемые электроды из стали ВНС-73 получали сплавлением чистых шихтовых материалов в открытой индукционной печи и разливкой в разборные кокили ø90 мм, в процессе выплавки вводили азот в пределах растворимости азота в данной марке стали. Расходуемые электроды из стали 30Х15АМФ получали сплавлением чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи и разливкой в трубы ø90 мм; азот при проведении выплавки не добавляли. При переплаве указанных выше электродов использовали подачу азота через бункеры-дозаторы, размер фракции – от 2 до 10 мм.

В качестве расходуемых электродов использовали также готовые горячекатаные прутки ø60 мм из стали марки 10. В качестве способа подачи азотоносителя и легирующих элементов использовали металлические трубки из стали марки 10 диаметром 20 мм с толщиной стенок 2 мм, в которые засыпали равномерно перемешанные легирующие элементы и пережимали на ковочном молоте МВ-412 для предотвращения несвоевременного высыпания легирующих элементов из трубок. В качестве азотоносителя использовали азотсодержащую лигатуру марки ФХН-10 (фракция 1–10 мм) с содержанием азота – от 10,5 до 15% (по массе). Приварку азотсодержащих трубок к телу электрода осуществляли электродной сваркой.

Хвостовик инвентарной головки изготавливали на токарном станке 1624 (1М63).Сварку хвостовика и расходуемых электродов проводили при помощи аргоно-дуговой сварки наплавляющимся электродом в среде аргона на сварочном инверторе EWM Tetrix 351. Переплав электродов осуществляли в печи электрошлакового переплава под давлением (ДЭШП-0,1) при избыточным давлении азота – от 1 до 30 бар (0,1–3 МПа). Отбор стружки для определения содержания азота в полученных слитках производили на токарном станке 1624 (1М63). Определение содержания азота в стружке осуществляли с использованием газового анализатора ТС-600.

В исходном металле содержание азота соответственно в стали 45 составляет 0,009%, в стали ВНС-73 после выплавки в открытой индукционной печи: 0,08%, в стали 10Х3А: 0,008%, в стали 30Х15АМФ: 0,005%. При переплаве использовали шлак марки АНФ-6-1 и азот технический в баллонах. В полученных слитках определяли содержание азота, оценивали качество поверхности и металла внутри слитка на темплетах, вырезанных в продольном и поперечном направлениях.

Результаты

При выборе оптимального способа подачи азотоносителя проведен ряд экспериментальных плавок, в ходе которых опробовано два способа введения азотоносителя: через бункер-дозатор и с помощью трубок с азотоносителем.

Для отработки точного введения азотоносителя в расплав при проведении электрошлакового переплава под давлением подготовлен комплект сборных электродов в количестве 3 штук. Сборный электрод представлял собой горячекатаный пруток из стали марки 10 диаметром 60 мм и длиной 1200 мм с приваренными к ней трубками из стали марки 10 диаметром 20 мм, толщина стенок трубок составляла 2 мм, высота 1200 мм (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид сборного расходуемого электрода

Трубки наполняли твердым азотоносителем (лигатура марки ФХН-10, ТУ0840-024-21600649–2009) и хромом марки ЭРХ-1 (ТУ14-22-164–2002). Азотоноситель и хром тщательно перемешивали и равномерно распределяли в полости трубки. Для предотвращения ссыпания всего объема добавок в ходе переплава на трубке через каждые 100–150 мм сделали пережимы. Для получения в слитках из стали 10Х3А различного сверхравновесного содержания азота (0,15; 0,2 и 0,21% (по массе)) варьировали наполнение приваренных трубок лигатурой ФХН-10 и хромом. В трубки, в зависимости от требуемого содержания азота, закладывали от 650 до 920 г азотоносителя и от 300 до 500 г хрома.

Трубки заполняли таким образом, чтобы обеспечить требуемое содержание азота в стали при различном избыточном давлении в камере печи в процессе электрошлакового переплава. При этом коэффициент усвоения азота из расплава азотоносителя приняли равным K_у=0,8 [6–8].

Для обеспечения электрического контакта к сборному электроду приваривали переходник с инвентарной головкой (рис. 2). Нижние торцы сборных расходуемых электродов подрезали и зачищали наждачной бумагой для улучшения контакта.

Рис. 2. Сборный расходуемый электрод с приваренным переходником

Для опробования процесса электрошлакового переплава под давлением со сварным расходуемым электродом выбрали кристаллизатор  ø130 мм. Выбор такого типоразмера кристаллизатора обусловлен необходимостью обеспечить зазор между расходуемым электродом и стенкой кристаллизатора не менее 15 мм и коэффициент заполнения кристаллизатора K_з – не более 0,6:

K_з=d²/D²,

где d – диаметр электрода, мм; D – диаметр кристаллизатора, мм.

Расчетное значение коэффициента заполнения в случае выбора кристаллизатора ø110 мм составило 0,35 (с учетом погрешности при пересчете объема, занимаемого трубками с легирующими элементами), что предпочтительнее чем 0,25 для кристаллизатора ø130 мм. Но при этом зазор между расходуемым электродом и стенкой кристаллизатора составил бы ˂15 мм (с учетом приваренных трубок с их незначительной кривизной). С точки зрения авторов, оптимальным сочетанием требуемых характеристик обладает кристаллизатор ø130 мм.

Расчетное давление для усвоения сверхравновесного азота при ЭШПД экспериментальных сварных электродов (1–3) составляет от 20 до ~30 бар (2–3 МПа) – табл. 1.

Таблица 1

Требования к давлению в камере печи при электрошлаковом переплаве под давлением для экспериментальных сварных электродов

Процесс ЭПШД сварных электродов проходил в автоматическом режиме до момента выведения усадочной раковины. Расчетную величину огарка и перемещения до начала выведения усадочной раковины определяли расчетным способом с использованием формулы:

где l_исх – величина сплавляемой части расходуемого электрода, мм;  – диаметр расходуемого электрода, мм;  – средний диаметр кристаллизатора, мм.

Внешний вид слитков, переплавленных в установке ДЭШП-0,1, представлен в табл. 2 (где L – длина слитка; D – диаметр слитка; m – масса слитка).

Таблица 2

Внешний вид слитков из экспериментальной стали 10Х3А

Шлаковая «шапка» вместе с гарнисажем имела массу ~2,4 кг, что на 0,2 кг меньше поданого количества флюса (2,6 кг), такое снижение массы объясняется активностью процесса усвоения азота и разбрызгивания жидкого флюса в камере печи. Толщина гарнисажа варьировалась от 0,5 до 1 мм.

В ходе визуального осмотра поверхности слитка 1 установлены характерные металлургические дефекты при работе с высокоазотистой сталью:

– «подросшая» головная часть слитка (рис. 3, а);

– поверхностные дефекты круглой или овальной формы, диаметром не более 1 мм (рис. 3, б); обнаруженные дефекты локализованы в трех четвертях объема верхней части слитка.

Рис. 3. Внешний вид «подросшей» головной части (а) и поверхностных дефектов (б) слитка 1 из экспериментальной стали 10Х3А после электрошлакового переплава под давлением

Дефекты такого рода возникают на поверхности при выделении азота из твердого раствора в процессе кристаллизации. Для дальнейшего изучения из слитка плавки 1 вырезали темплеты в продольном и поперечном направлениях для установления наличия газовой пористости в теле слитка (рис. 4, а) [9, 10]. Отсутствие дефектов в нижней четверти слитка объясняется гидростатическим давлением металла, создаваемым в процессе плавки, при отсутствии перенасыщенных азотом объемов металла (рис. 4, б).

Рис. 4. Внешний вид внутренних дефектов экспериментальной стали 10Х3А после электрошлакового переплава под давлением (а) и в области локального пересыщения металла азотом (б)

Для устранения подобных дефектов необходимо усовершенствование формул расчета критического содержания азота в расплаве и переход на более габаритные слитки, однако такой переход не целесообразен для лабораторной отработки параметров переплава.

Как будет показано далее, образование пористости в локализованном объеме металла не происходит при подаче азотоносителя через бункер-дозатор. Схематично разница в способе подачи представлена на рис. 5. При одинаковом объеме подачи азотоносителя при помощи трубок и через бункер-дозатор меняется площадь введения, через которую азотоноситель попадает в расплав. Особенно такая разница сказывается в начале процесса, когда ванна металла еще мала и кристаллизация идет интенсивнее, что и приводит к дефектам, аналогичным представленным на рис. 4, б. При использовании трубок зона введения ограничена диаметром трубок, в то время как введение через дозатор позволяет достаточно равномерно ввести азотоноситель в расплав по всей поверхности металла, особенно при использовании двух дозаторов. Преимуществом введения азотоносителя через трубки является возможность введения азотоносителя мелкой фракции (˂1 мм), которая может оседать на стенках камеры при подаче через дозатор и угорать с поверхности шлаковой ванны, не переходя в металл. Применение фракции 1–10 мм при использовании дозатора позволяет нивелировать такое преимущество при применении трубок.

Рис. 5. Схематичное изображение процесса подачи азотоносителя в расплав при помощи трубок (а) и через бункер-дозатор (б)

В настоящее время проведено более 15 плавок различных сталей, в ходе которых отрабатывали подачу азотоносителя в расплав через бункер-дозатор и некоторые другие способы:

– ручное и автоматическое ведение режима плавки – управление параметрами силы тока и напряжения в ходе плавки;

– управление давлением в камере печи;

– точная подача флюса и добавок через бункеры-дозаторы.

Опробованы также режимы прогрева электрода, рабочий режим плавки и режим вывода усадочной раковины для различных сталей [11, 12]. Для полученных слитков характерна гладкая поверхность без утяжек (рис. 6) с тонким слоем гарнисажа – толщиной не более 1 мм.

Рис. 6. Слитки, полученные электрошлаковым переплавом под давлением в кристаллизаторе ø110 мм

Проводилась количественная оценка изменения содержания азота в процессе переплава под давлением. Согласно расчетным и научно-техническим литературным данным легирование из газовой фазы является незначительным, настолько, что им можно пренебречь. Для проверки этих данных проведен переплав коррозионностойкой стали аустенито-мартенситного класса, исходное содержание азота в которой составляло 0,08% (по массе). В ходе переплава давление в камере печи изменяли ступенчато, начиная с 15 ат (1,5 МПа) с шагом 5 ат (0,5 МПа). Полученный слиток исследовали на предмет распределения азота по вертикальному и горизонтальному сечению. В зоне отбора образцов (край, 1/2 радиуса, центр), в которой создано давление 15 ат (1,5 МПа), рост содержания азота незначительный и составил всего 0,001% (по массе), что можно принять за погрешность измерения прибора. При этом необходимо отметить повторяемость результатов для образцов, взятых с края, 1/2 радиуса и центра слитка. Для образцов, отобранных из зоны, в которой создано давление 20 ат (2 МПа), также характерна высокая повторяемость результатов газового анализа по сечению слитка – содержание азота составило 0,087% (по массе). На образцах из зоны с давлением 25 ат (2,5 МПа) содержание азота составило 0,089% (по массе). При переплаве под высоким давлением в инертной среде азота необходимо учитывать возможность усвоения азота металлом из газовой среды (рис. 7).

Рис. 7. Распределение азота в продольном темплете (а) слитка из свариваемой высокопрочной коррозионностойкой стали ВНС-73 и изменение содержания азота (б) с повышением давления (- - -) и в исходном состоянии (- - -)

В ходе переплава получен плотный слиток, на поверхности которого отсутствовали какие-либо дефекты. Таким образом, для полученного слитка необходима минимальная механическая обработка, что позволяет увеличить коэффициент использования материала.

При легировании азотом путем введения твердых азотоносителей в процессе компрессионного переплава в качестве такого азотоносителя выбран азотированный феррохром, содержание азота в котором составляет 10–15% (по массе). Добавку осуществляли мелкой фракцией (2–7 мм) через бункер-дозатор. Главная задача данного исследования – получение сверхравновесного содержания азота в выплавленном слитке. В связи с тем, что конструктивно скорость подачи добавок можно задать только параметром «обороты шнека в минуту», перед проведением плавок проведена оценка работы бункеров-дозаторов и выбрана скорость вращения шнека.

При постоянной скорости подачи лигатуры при различном давлении в нелегированных сталях, коррозионностойких сталях аустенито-мартенситного и мартенситного классов усваивалось различное количество азота, коррелирующее с расчетным. Так, для сталей марок 45 и Ст.3 получены значения по усвоению азота, показанные на рис. 8, при исходном содержании азота не более 0,01.

Рис. 8. Изменение содержания азота (в исходном состоянии (- - -) и при повышенном давлении (- - -)) в нелегированных сталях марок 45 (а) и Ст.3 (б) при выплавке под давлением и легировании азотированным феррохромом

При предельной растворимости азота (0,02% (по массе)) в стали марки 45 удалось достичь значений растворимости азота 0,2% (по массе). При этом на продольных и поперечных темплетах слитков ø160 мм не было обнаружено газовых пор ни в поверхностной зоне, ни в центре слитка (рис. 9). Опытным путем подтверждено, что варьирование скоростью подачи азотоносителей и создаваемым в печи давлением можно с достаточно высокой точностью регулировать содержание азота в расплаве и обеспечить любое содержание азота, ограниченное степенью растворимости при давлении, создаваемом в камере печи, – до 30 ат (3 МПа).

Рис. 9. Темплет слитка после электрошлакового переплава под давлением стали со сверхравновесным содержанием азота без характерных дефектов в виде пор и газовых пузырей

Однако проблема получения равномерного распределения азота по слитку полностью не решена, необходимо более точно установить усвояемость вводимого азота, а также влияние фракционного состава частиц азотсодержащих элементов, подаваемых через дозатор. Для повышения точности регулирования содержания азота требуется набор статистических данных на большем количестве плавок.

Для дальнейшей оценки качества слитков полученные поперечные темплеты слитков коррозионностойких азотсодержащих сталей аустенито-мартенситного класса подвергали тонкой шлифовке и травлению. Электрические режимы переплава расходуемых электродов, которые будут описаны далее, были идентичны, химический состав отличается в рамках колебаний внутри марки. Слиток (рис. 10, а), переплавленный при давлении 2 ат (0,2 МПа) без введения дополнительного легирования азотом, не имеет отличительных особенностей, его строение соответствует строению слитка после стандартного электрошлакового переплава (ЭШП). Слиток (рис. 10, б) переплавлен при давлении 30 ат (3 МПа) без введения дополнительного легирования. Его структура более мелкая, по сравнению с предыдущим слитком (рис. 10, а), однако по краю слитка обнаружены незначительные следы послойной кристаллизации на глубину не более 4 мм от края слитка. Третий слиток (рис. 10, в) переплавлен при давлении 30 ат (3 МПа) с постоянной подачей азотированного феррохрома в ходе плавки для получения сверхравновесного содержания азота. Содержание азота в зоне отбора темплета составляло 0,22% (по массе) при растворимости ~0,1% (по массе) при давлении 1 ат (0,1 МПа). Невооруженным взглядом видны следы послойной кристаллизации на глубине до 35 мм от края слитка, при этом в середине сохраняется мелкая, по сравнению с классическим ЭШП, структура [13, 14].

Рис. 10. Травленые темплеты слитков, полученных при различном давлении (а – Р=2 ат
(0,2 МПа); б, в – P=30 ат (3 МПа)) в процессе переплава с содержанием азота 0,07 (а, б) и 0,22% (по массе) (в)

Представленные снимки макроструктуры наглядно демонстрируют влияние давления и легирования азотом на процесс формирования слитка. Давление положительно сказывается на структуре слитка, измельчая зерно, но введение азота приводит к появлению дефектов слитка.

Вероятно, азот или его соединения, скапливающиеся у вершины растущего кристалла, выходя в зону минимального превышения температуры ликвидус, приостанавливают рост кристалла. Возможным решением для устранения послойной кристаллизации и дополнительного выравнивания содержания азота по всему слитку является применение двойного переплава [15]. 

Обсуждение и заключения

Авторами статьи выявлены основные проблемы формирования слитка при электрошлаковом переплаве под давлением. Подробно описаны факторы, влияющие на образование различных дефектов слитка, выдвинуты предположения о механизмах их образования, предложены технологические приемы для их предотвращения.

Проведенная работа позволит перейти от опробования экспериментальных композиций высокоазотистых сталей к опытному освоению. Необходимо опробование некоторых технологических параметров и приемов:

– расширение номенклатуры опробованных азотсодержащих элементов (феррохром азотированный, нитрид кремния, ферромарганец азотированный);

– применение двойного электрошлакового переплава.

Перспективным направлением освоения новых марок сплавов является освоение высоколегированных высокоазотистых сталей с повышенным комплексом свойств.