В настоящее время накоплено достаточно данных о влиянии ЭШП на качество нержавеющих сталей. Макроструктура слитков ЭШП характеризуется высокой плотностью и однородностью, что, естественно, обеспечивает высокое качество деформированного металла даже при малых степенях деформации. Наличие послойной кристаллизации в структуре не является браковочным признаком и отражает прерывистый характер кристаллизации. Проведенные нами исследования подтвердили высокое качество металла с послойной кристаллизацией. Для слитка ЭШП характерно очень равномерное и дисперсное распределение второй фазы, например, первичного феррита, боридной или карбидной эвтектики в аустенитной основе.
Плотность заготовки из стали Х18Н9ТШ составляет 7,921 г/см3, а этой же исходной стали 7,825 г/см3.
Плотная структура слитков ЭШП характерна и для таких сталей, которые склонны к образованию осевых дефектов (трещин) в обычных слитках. Однако следует отметить, что с переходом к производству крупных слитков,(более 10 т) необходимо особенно тщательно разрабатывать и соблюдать технологию ЭШП, ибо вследствие увеличения теплового сопротивления при кристаллизации могут возникать ликвационные явления. Поэтому важно обеспечить осевую или радиально-осевую направленность кристаллов, что достигается в первую очередь регулированием скорости наплавления металла.
Отсутствие поверхностных и внутренних дефектов в слитке, повышение его однородности и плотности благоприятно сказываются на качестве макроструктуры деформированного металла. В металле ЭШП отсутствуют такие дефекты, как «ликвационный квадрат», «паукообразный растрав», краевые загрязнения и интеркристаллитные трещины и многие другие, характерные для металла из обычных слитков. Полностью устраняется брак по внутренним дефектам, выявленным при ультразвуковом контроле.
При электрошлаковом переплаве значительно снижается загрязненность металла неметаллическими включениями и полностью устраняются скопления включений, являющихся источником макродефектов (волосовин, загрязнений в изломе и т. п.).
Одним из важных преимуществ металла ЭШП перед другими переплавами является значительная десульфурация металла и уменьшение сульфидных включений. В тесной связи с рафинированием металла от включений находится и снижение содержания газов: кислорода и водорода. Эффективность процесса ЭШП во многом зависит от технологии и особенно конечного раскисления исходного металла, а также состава флюса, скорости наплавления и некоторых других параметров ЭШП.
При разработке технологии ЭШП необходимо учитывать и корректировать технологию выплавки исходного металла.
Электрошлаковый металл имеет более высокие значения относительного удлинения и сужения, ударной вязкости, в особенности в поперечных образцах. Последнее обеспечивает значительное уменьшение анизотропии механических свойств.
Аналогичные данные получены при кратковременных испытаниях механических свойств при повышенных температурах. Для электрошлакового металла в то же время характерно небольшое снижение прочностных свойств. Электрошлаковый металл имеет более высокую горячую пластичность и шире интервал температур удовлетворительной пластичности, что связано с повышением чистоты и гомогенности металла.
Одновременно необходимо отметить, что вследствие большей чистоты и гомогенности электрошлаковый металл склонен к росту зерна в большей степени, чем электродуговой. Это следует учитывать при разработке режимов нагрева металла под деформацию, а также условий его охлаждения после деформации.
Существенно увеличивается длительная прочность металла после ЭШП. Переплав стали, обеспечивая повышение ее чистоты по включениям и газам, снижение серы, улучшает свариваемость. Институт электросварки им. Е. О. Патона на основании обширных исследований показал перспективность применения процесса ЭШП для улучшения свариваемости трубных нержавеющих сталей, используемых в тепло- и атомной энергетике. ЭШП также значительно улучшает полируемость нержавеющих сталей. Важным преимуществом ЭШП является сохранение физико-механических свойств для нержавеющих сталей переходного класса.
В последние годы большое распространение получают комплексные методы получения высококачественных сталей, в которых используются сразу два-три переплава. В ряде случаев сталь выплавляют методом ВИП с последующим ЭШП или ВДП. Плавка в индукционных вакуумных печах обеспечивает глубокую дегазацию и высокую степень раскисления в результате электромагнитного перемешивания и длительного воздействия вакуума. Новые методы плавки и их сочетания позволяют резко повысить металлургическое качество нержавеющих сталей, использовать новые композиции легирующих элементов и практически решить все задачи, которые ставят машиностроители перед металлургами. [8]
3.2 Выплавка аустенитных азотсодержащих коррозионно-стойких сталей
Использование азота в качестве легирующего элемента широко известно и реализуется различными производителями для получения стали, предназначенной для работы в сложных условиях. Однако механизм ввода азота в сталь в сравнении с механизмом ввода других легирующих элементов имеет ряд специфических особенностей и до сих пор представляет значительный интерес с точки зрения изучения закономерностей поведения азота и разработки относительно дешевого способа производства стали с гарантированным уровнем содержания азота.
Применение электрошлакового переплава приводит к получению слитков, в значительной степени лишенных сегрегаций легирующих элементов, ликваций и других дефектов макроструктуры. Это ведет к тому, что по прочности и ударной вязкости сталь ЭШП имеет заметное преимущество перед сталью открытой выплавки при сохранении высоких пластических характеристик.
Для получения в стали азота на уровне 0,30-0,50% обязательно ее легирование большим количеством элементов, повышающих растворимость азота в жидком и твердом растворах, а именно – хромом, марганцем, ванадием и ниобием. Одновременно, с той же целью, сталь должна содержать минимально необходимое количество никеля, меди, кремния и других элементов, снижающих растворимость азота.
К последней группе относится также углерод, необходимость снижения которого до минимальных значений связана не только с его отрицательным влиянием на растворимость азота в стали, но и с обеспечением высокой коррозионной стойкости и благоприятной структуры металла.
При разработке технологии производства коррозионно-стойких азотсодержащих сталей, особое внимание должно быть обращено на следующие основные положения процесса выплавки и разливки металла:
- выбор шихтовых материалов и легирующих элементов и раскислителей;
- проведение окислительного периода и температурного режима с учетом введения большого количества присадок для обеспечения заданного химического состава, в том числе по содержанию углерода и азота;
- рафинировка и шлаковый режим;
- порядок ввода легирующих элементов для обеспечения максимального усвоения азота из азотированных материалов.
При выплавке стали в завалку необходимо использовать только углеродистые отходы известного химического состава, обеспечивающие низкую массовую долю цветных и вредных примесей. Все легирующие элементы и раскислители должны иметь сертификаты качества и строго им соответствовать. Известь должна быть свежеобожженной.
Для обеспечения лучшего усвоения и уменьшения времени рафинировки феррониобий, феррохром и металлический марганец нужно присаживать в печь в прокаленном виде.
Учитывая низкое содержание углерода и фосфора в готовой стали, необходимо использовать металлический марганец Mn 965 с содержанием углерода не более 0,10%, и феррохром содержанием фосфора не более 0,02%, а также использовать для легирования металла азотом азотированный феррохром с содержанием азота не менее 6%.
По расплавлению металла необходимо производить продувку металла кислородом. В процессе продувки необходимо окислить не менее 0,4% углерода. Окислительный период необходимо заканчивать при содержании углерода не более 0,02% и фосфора не более 0,008%.
Окислительный шлак необходимо скачивать до появления зеркала металла.
Температура металла в конце окислительного периода должна быть не ниже 1640°C.
После скачивания окислительного шлака также необходимо провести предварительное раскисление металла кусковым алюминием на штангах в количестве 1,5-2,0 кг/т и кусковым 75 % ферросилицием из расчета введения кремния на 0,40-0,50% без учета угара и навести рафинировочный шлак смесью свежеобожженной извести, плавикового шпата и шамота. После проплавления шлаковой смеси надо производить присадку дробленого феррохрома в несколько приемов в прокаленном виде (до красного свечения). По расплавлению последней порции феррохрома надо скачать шлак и навести новой шлаковой смесью из свежеобожженной извести и плавикового шпата в соотношении 4:1.
После проплавления шлаковой смеси присадить металлический марганец в несколько приемов.
Феррониобий и феррованадий присаживать после ферромарганца не позднее, чем за 10 минут до выплавки.
Азотсодержащие материалы для лучшего усвоения азота присаживать в несколько приемов при температуре металла не более 1580°C. Окончательное раскисление стали производить кальцийсодержащими материалами. Температура металла в ковше перед разливкой 1490-1520оС.