Описание и характеристика стали марки 09Г2С

Введение

 

В последнее время требования к качеству стали все более ужесточаются. Все большее количество деталей и конструкций должны отвечать высоким требованиям эксплуатационных свойств. Наиболее востребованные детали должны иметь продолжительный срок службы не только при комнатной температуре, но и иметь высокие прочностные характеристики при низких и высоких температурах. В связи с этим, особое внимание уделяется стали, применяемой для изготовления таких деталей. К одной из них относится конструкционная низколегированная сталь марки 09Г2С.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Эти стали - один из наиболее широко используемых и отличающихся разнообразием свойств класс материалов. Сталь марки 09Г2С обладает высокими эксплуатационными свойствами, хорошей технологичностью, экономичностью, а ее несложный химический состав делает ее недефицитным материалом.

Для обеспечения надежных эксплуатационных свойств сталь должна обладать высокой конструкционной прочностью, которая представляет из себя комплекс свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Следовательно, конструкционная прочность определяется не только свойствами самого материала, но также и условиями его нагружения (статические, циклические или ударно-циклические нагрузки), температурной областью эксплуатации изделия, средой в которой изделию предстоит работать (жидкой, газообразной, высокоагрессивной и т.п.).[1]

К низколегированным строительным сталям относятся низкоуглеродистые свари­ваемые стали, содержащие недорогие и не­дефицитные легирующие элементы (обыч­но до 2,5%) и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углероди­стыми сталями.

Применение низколегированных сталей в строительстве вместо углеродистых позволяет уменьшить массу строитель­ных конструкций, получить значительную экономию метал­ла (до 50—80%), повысить надежность конструкций, осо­бенно уменьшить их склонность к хрупким разрушениям, а также решить целый ряд других задач.

В настоящее время производство низ­колегированных строительных сталей достигает 13 % от общего производ­ства стали. При этом более половины производства низко­легированных сталей используют в капитальном строитель­стве, другую часть их потребляют на изготовление труб ма­гистральных газопроводов, металлоконструкций машин и механизмов, в судостроении и других отраслях народного хозяйства.

Цель работы

 

Совершенствование в условиях электросталеплавильного цеха «Русполимет» технологии производства стали марки 09Г2С с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений для обеспечения работы изделий при повышенных температурах.

 

 

Описание и характеристика стали марки 09Г2С

 

Таблица 1 - Химический состав стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-2014, %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
до 0,12	0,5 - 0,8	1,3 - 1,7	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,3	до 0,010	до 0,3	до 0,08

 

Из этой марки стали изготавливаются элементы и детали сварных металлических конструкций, которые могут работать при температурах от -70 °С до +450°С. Лист 09Г2С используется и для производства листовых конструкций в нефтяной и химической промышленности, судостроении и машиностроении. [2]

 

Описание технологии производства стали марки 09Г2С на предприятии ОАО «Русполимет»

 

Технологический цикл производства слитков из стали марки 09Г2С заключается в выплавке железоуглеродистого полупродукта в дуговой сталеплавильной печи ДСП-6, внепечной обработки стали в агрегате ковш-печь с последующим процессом вакуумирования стали в камерном вакууматоре. После этого производят разливку стали в изложницы.

Химический состав железоуглеродистого полупродукта, который выплавляют на предприятии ОАО «Русполимет» в дуговой сталеплавильной печи ДСП-6 для производства стали марки 09Г2С указан в таблице 2.[3]

 

Таблица 2 – Химический состав железоуглеродистого полупродукта, %

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	S	P
0,05	≤0,10	0,15-0,3	≤0,15	≤0,30	≤0,30	≤0,04	≤0,010

 

На этапе совершенствования технологии выплавку полупродукта проводили без изменений.

Базовая технология внепечной обработки стали

 

По принятой в цехе технологии внепечной обработки стали шлакообразующая смесь состояла из извести в количестве 18 кг/т, плавикового шпата - 0,5 кг/т и алюминия - 1,7 кг/т. Рафинировочная способность данного шлакового режима позволяла получать сталь с содержанием [S] и [N] на уровне 0,005-0,008 % и 0,009-0,012 % соответственно, а загрязненность неметаллическими включениями составляла в большинстве случаев порядка 2,5-3,5 балла.

 

Усовершенствование технологии внепечной обработки стали

 

В связи с необходимостью повышения требований к качеству стали данного класса разработана опытная технология внепечной обработки, которая усовершенствована в части шлакового режима в агрегате ковш-печь и вакууматоре, а также применением микролегирующих добавок.

Так, по предварительной оценке серопоглатительной способности рафинирующего шлака для получения в металле концентрации серы ниже 0,003% количество ковшового шлака увеличено до 38 кг/т (почти в два раза в сравнении с базовой). Для повышения эффективности шлакообразования в сталеразливочном ковше в АКП соотношение плавикового шпата к извести увеличено с 1:36 до 1:6. Это позволяет быстро сформировать большое количество жидкоподвижного рафинирующего шлака, несколько увеличить интенсивность продувки расплава аргоном без оголения металла, т. е. минимизировать вторичное окисление и интенсивность поглощения азота из атмосферы рабочего пространства АКП. Учитывая, что раскисленность рафинирующего шлака при применении базовой технологии (0,5-1,0%FeO) довольно высока количество алюминия для раскисления шлака выбрали пропорционально увеличению массы шлака. Таким образом по опытной технологии шлакообразующая смесь содержит: 30 кг/т извести, 4,8 кг/т плавикового шпата и 3,2 кг/т алюминия. Результаты опытных плавок показали, что данные изменения шлакового режима привели к большей степени рафинирования стали, что позволило получить конечную (после АКП) концентрацию серы в металле ниже 0,003 % и азота ниже 0,010 %.

Режим вакуумирования: выдержка под вакуумом более 10 минут при давлении 1,5 торр. Температура при которой осуществляется внепечная обработка стали - более 1600⁰С.

Химический состав шлака который применяется при ковшевой обработке представлен в таблице 3.

Таблица 3 – химический состав шлака приковшевой обработке стали марки 09Г2С, %

CaO	SiO2	Al2O3	FeO	MgO
50-60	7-11	25-35	0,5-1,0	4,5-8

 

Легирование стали марки 09Г2С

 

Влияние химического состава на механические свойства стали

 

Разрешенный гостом диапазон легирования стали марки 09Г2С позволяет выплавлять ее с различными вариантами химического состава, что в свою очередь позволяет изменять механические свойства стали.

Влияние элементов химического состава на механические свойства представлено в таблице 4.

 

Таблица 4 - Влияние элементов химического состава

Химический элемент	Свойство
C	Снижает пластичность, увеличивает твердость и прочность
Si	Снижает ударную вязкость способствует укрупнению зерна
Mn	Способствует упрочнению и снижает ударную вязкость, повышает сопротивление хрупкому разрушению
Ni	Придает стали высокую прочность и пластичность
Cr	Снижает пластичность и повышает прочность
S	Вредная примесь. Придает стали хрупкость при высоких температурах – красноломкость, понижает сопротивление усталости
P	Вредная примесь. Придает стали высокую хрупкость в холодном состоянии - хладноломкость
N, O	Снижают ударную вязкость

 

Микролегирование стали

 

Помимо химического состава, установленного стандартом, для получения определенных свойств стали необходимо применение микролегирования. Основные элементы применяемые для микролегирования – ванадий (V), алюминий (Al), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Mo), кальций (Ca). Данные элементы даже в малых концентрациях существенно влияют на эксплуатационные свойства стали. Влияние этих элементов представлено в таблице 5.

 

Таблица 5 – Элементы микролегирования стали

Химический элемент	Свойство
V	Повышает твердость и прочность
Al	Повышает жаростойкость и окалиностойкость
Ti	Повышает прочность и плотность стали
Nb	Улучшает кислостойкость и способствует повышению коррозионностойкости в сварных конструкциях
Mo	Увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах
Са	Модифицирование неметаллических включений

 

Содержание серы

 

Был проанализирован химический состав стали для 18 разных плавок стали марки 09Г2С по содержанию серы на разных этапах производства.

 

Рисунок 1 - содержание серы на разных этапах производства

 

Установлено, что основное количество серы удаляется в агрегате ковш-печь во время внепечной обработки. Из графика (рис. 1) видно, что после доработки технологии среднее содержание серы в стали после АКП составляет около 0,005%, при начальной 0,015%.

В условиях отсутствия окислительной атмосферы под вакуумом интенсивное перемешивание раскисленной стали аргоном усиливает эффект экстракционного рафинирования металла шлаком. Был проанализирован химический состав 18 опытных плавок стали марки 09Г2С по содержанию серы в готовой стали. Максимальное содержание серы для данной стали составляет 0,003 %, допустимое - 0,005% (зеленая и красная линии на рис. 2 соответственно).

Рисунок 2 - содержание серы в готовой стали

 

Видно, что после вакуумирования и снижения концентрации серы в металле на 0,002-0,004%) сталь 09Г2С по этой вредной примеси соответствует самым высоким стандартам.

 

Содержание азота

 

Был проанализирован химический состав стали для 17 разных плавок стали марки 09Г2С по содержанию азота на разных этапах производства.

 

Рисунок 3 - содержание азота на разных этапах производства

Из графика (рис. 3) видно, что основная доля снижения азота в стали происходит во время вакуумирования с последующим увеличением из-за контакта струи металла с воздухом во время разливки.

Был проанализирован химический состав для 17 разных плавок стали марки 09Г2С по содержанию азота в готовой стали.

 

Рисунок 4 - содержание азота в готовой стали

 

Максимальное содержание азота для данной стали составляет 0,010 %, допустимое - 0,012% (зеленая и красная линии на рис. 4 соответственно). Содержание азота по проанализированным плавкам находится в пределах допустимых значений.

 

Содержание кислорода

 

Был проанализирован химический состав стали для 17 разных плавок стали марки 09Г2С по содержанию кислорода на разных этапах производства.

Рисунок 5 - содержание кислорода на разных этапах производства

 

По графику видно, что основная доля снижения кислорода в стали происходит во время обработки на таких технологических агрегатах как дуговая сталеплавильная печь и агрегат ковш-печь.

Был проанализирован химический состав для 17 разных плавок стали марки 09Г2С по содержанию азота в готовой стали.

 

Рисунок 6 - содержание кислорода в готовой стали

Максимальное содержание кислорода для данной стали составляет 0,003 %, допустимое - 0,006% (зеленая и красная линии на рис. 6 соответственно). Содержание кислорода по проанализированным плавкам находится в пределах допустимых значений.[4]

 

 

Выводы

 

1. Агрегаты ковшовой обработки стали являются мощным средством рафинирования стали. Современные технологии ковшовой обработки позволяют достигнуть ультранизких концентраций серы в стали (0,001%), существенно сдержать насыщение металла азотом и уменьшить количество и размер неметаллических включений.

2. В условиях электросталеплавильного цеха «Русполимет» усовершенствована технология производства стали марки 09Г2С с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений для обеспечения работы изделий при повышенных температурах. Соответствие требованиям было достигнуто за счет снижения загрязненности неметаллическими включениями до уровня менее 1,5 баллов, содержания серы до 0,001-0,003 % и азота до 0,006-0,009 % в готовой стали, что в совокупности с микролегирующими добавками позволяет производить продукцию с высокими эксплуатационными характеристиками.

 

Введение

 

В последнее время требования к качеству стали все более ужесточаются. Все большее количество деталей и конструкций должны отвечать высоким требованиям эксплуатационных свойств. Наиболее востребованные детали должны иметь продолжительный срок службы не только при комнатной температуре, но и иметь высокие прочностные характеристики при низких и высоких температурах. В связи с этим, особое внимание уделяется стали, применяемой для изготовления таких деталей. К одной из них относится конструкционная низколегированная сталь марки 09Г2С.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Эти стали - один из наиболее широко используемых и отличающихся разнообразием свойств класс материалов. Сталь марки 09Г2С обладает высокими эксплуатационными свойствами, хорошей технологичностью, экономичностью, а ее несложный химический состав делает ее недефицитным материалом.

Для обеспечения надежных эксплуатационных свойств сталь должна обладать высокой конструкционной прочностью, которая представляет из себя комплекс свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Следовательно, конструкционная прочность определяется не только свойствами самого материала, но также и условиями его нагружения (статические, циклические или ударно-циклические нагрузки), температурной областью эксплуатации изделия, средой в которой изделию предстоит работать (жидкой, газообразной, высокоагрессивной и т.п.).[1]

К низколегированным строительным сталям относятся низкоуглеродистые свари­ваемые стали, содержащие недорогие и не­дефицитные легирующие элементы (обыч­но до 2,5%) и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углероди­стыми сталями.

Применение низколегированных сталей в строительстве вместо углеродистых позволяет уменьшить массу строитель­ных конструкций, получить значительную экономию метал­ла (до 50—80%), повысить надежность конструкций, осо­бенно уменьшить их склонность к хрупким разрушениям, а также решить целый ряд других задач.

В настоящее время производство низ­колегированных строительных сталей достигает 13 % от общего производ­ства стали. При этом более половины производства низко­легированных сталей используют в капитальном строитель­стве, другую часть их потребляют на изготовление труб ма­гистральных газопроводов, металлоконструкций машин и механизмов, в судостроении и других отраслях народного хозяйства.

Цель работы

 

Совершенствование в условиях электросталеплавильного цеха «Русполимет» технологии производства стали марки 09Г2С с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений для обеспечения работы изделий при повышенных температурах.

 

 

Описание и характеристика стали марки 09Г2С

 

Таблица 1 - Химический состав стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-2014, %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
до 0,12	0,5 - 0,8	1,3 - 1,7	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,3	до 0,010	до 0,3	до 0,08

 

Из этой марки стали изготавливаются элементы и детали сварных металлических конструкций, которые могут работать при температурах от -70 °С до +450°С. Лист 09Г2С используется и для производства листовых конструкций в нефтяной и химической промышленности, судостроении и машиностроении. [2]