RU2708728C1 - Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life - Google Patents

Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life Download PDF

Info

Publication number
RU2708728C1
RU2708728C1 RU2018131970A RU2018131970A RU2708728C1 RU 2708728 C1 RU2708728 C1 RU 2708728C1 RU 2018131970 A RU2018131970 A RU 2018131970A RU 2018131970 A RU2018131970 A RU 2018131970A RU 2708728 C1 RU2708728 C1 RU 2708728C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
grates
temperature
grate
chromium
Prior art date
Application number
RU2018131970A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Игоревич Иванов
Алексей Александрович Кожухов
Original Assignee
Денис Игоревич Иванов
Алексей Александрович Кожухов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Денис Игоревич Иванов, Алексей Александрович Кожухов filed Critical Денис Игоревич Иванов
Priority to RU2018131970A priority Critical patent/RU2708728C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2708728C1 publication Critical patent/RU2708728C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, namely to production of grates of burning trolleys from cast heat-resistant steel. Steel is poured, containing, in wt. %: carbon 0.30–0.40, silicon 0.50–2.00, manganese 0.30–0.80, sulphur not more than 0.030, phosphorus not more 0.035, nickel 11.00–13.00, chromium 22.00–26.00, iron and admixtures - balance, to produce grates. Performing their thermal treatment by quenching in air at temperature of 1100 °C for 80 minutes and tempering at temperature 900 °C for 150 minutes with subsequent cooling in furnace or on air. As impurities, steel contains up to 0.07 wt. % of aluminium and cobalt in amount of up to 0.50 wt. %.EFFECT: raised (minimum) service life of grate bars from steel at operation in conditions of aggressive atmospheres with content of nitrogen and sulphur oxides at constant heat changes at temperature range of 20–1100 °C and with possibility of maintenance of short-term heating up to 1320 °C.3 cl, 7 dwg, 6 tbl

Description

1. Условия эксплуатации и характеристика применяемых колосников1. Operating conditions and characteristics of the applicable grate

Колосники изготавливают из двухфазной хромоникелевой стали марки 40Х24Н12СЛ которая по ГОСТ 977-88 является коррозионностойкой, жаропрочной и жаростойкой при температурах до 1000°С (ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия. - Взамен ГОСТ 977-75, ГОСТ 2176-76; Введ. с 01.01.90. - Москва: Изд-во стандартов, 2004. - 33 С), химический состав стали представлен в таблице 1.Grid-irons are made of two-phase chromonickel steel grade 40X24N12SL which according to GOST 977-88 is corrosion-resistant, heat-resistant and heat-resistant at temperatures up to 1000 ° C (GOST 977-88 Steel castings. General specifications. - Instead of GOST 977-75, GOST 2176-76; Introduced from 01.01.90. - Moscow: Publishing house of standards, 2004. - 33 C), the chemical composition of steel is presented in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Общая длинна колосника 330±2 мм, ширина с монтажным выступом 40±0,4 мм. На колоснике имеются литые выступы - приливы, по 4 мм с боковых сторон колосника, которые образуют, при сборке колосниковой решетки, технологические зазоры для прососа газа через слой, шириной около 8 мм. Увеличение ширины зазора колосника сверх допустимой нормы приводит к просыпи постели из обожженных окатышей в вакуум-камеры.The total length of the grate is 330 ± 2 mm, the width with the mounting protrusion of 40 ± 0.4 mm. On the grate there are cast overhangs - tides of 4 mm on the sides of the grate, which form, when assembling the grate, technological gaps for gas leakage through a layer about 8 mm wide. An increase in the width of the grate gap beyond the permissible norm leads to a bed spill from burnt pellets into the vacuum chambers.

Колосники изымаются из эксплуатации (отбраковываются с обжиговой тележки) по визуальным технологическим признакам, таким как: уменьшение ширины колосника с 40±0,4 мм до 35 мм, изменение геометрических размеров и нарушение целостности поверхности колосника (коробление, оплавление, трещинообразование или изломы, коррозионное разрушение).The grate is removed from service (rejected from the kiln carriage) according to visual technological signs, such as: reducing the width of the grate from 40 ± 0.4 mm to 35 mm, changing the geometric dimensions and violating the integrity of the grate surface (warping, fusion, cracking or kinks, corrosion destruction).

Эксплуатация колосников обжиговых тележек проходит в агрессивной высокотемпературной атмосфере. Температурный интервал рабочего пространства обжиговой машины 20-1350°С, при этом температура колосников в зоне обжига может достигать 850-1310°С, что зависит от температурного режима обжиговой машины, максимальной температуры в зоне обжига и типа обжигаемого окатыша (Буткарев А.А., Буткарев А.П., Бородин А.А., Жилин С.Н., Малявин Б.Я. Опыт эксплуатации модернизированных обжиговых машин Лебединского ГОКа и пути их совершенствования. - Сталь. 2005. №3. С. 7-10).The operation of the grate of the roasting trolleys takes place in an aggressive high-temperature atmosphere. The temperature range of the working space of the roasting machine is 20-1350 ° C, while the temperature of the grates in the firing zone can reach 850-1310 ° C, which depends on the temperature regime of the firing machine, the maximum temperature in the firing zone and the type of pellet to be fired (A. Butkarev , Butkarev A.P., Borodin A.A., Zhilin S.N., Malyavin B.Ya. Operating experience of upgraded firing machines of the Lebedinsky GOK and ways to improve them. - Steel. 2005. No. 3. P. 7-10) .

На сегодняшний день, тенденция повышения производительности или качества продукта обжиговой машины является основной, что в режиме эксплуатации выражается одинаковыми параметрами. Так, повысив высоту слоя обжиговой машины можно достичь не только увеличение производительности, но и повышение качества. Повышение производительности обжиговых машин отрицательно сказывается на эксплуатационном ресурсе колосников, подколосниковых балок и обжиговых тележек. Исходя из анализа режимов работы обжиговой машины при разных режимах годовой производительности можно сделать вывод: при повышении производительности обжиговой машины возрастают температура нагрева и скорость охлаждения оборудования обжиговой машины (колосников, обжиговых тележек и др.). Так, при повышении производительности обжиговой машины фирмы «Лурги» площадью 480 м2 температура на границе колосниковая решетка - постель из обожженных окатышей в зоне обжига возрастает, а в зоне сушки имеет более низкие значения при практически одинаковой скорости движения колосниковой решетки (Буткарев А.А., Буткарев А.П., Зинчук Б.А., Шевченко А.А., Дворниченко И.Ф., Посохов А.В. Разработка технологических решений по увеличению производительности обжиговой машины фирмы «Лурги». - Сталь. 2007. №6. С. 2-6).Today, the tendency to increase the productivity or quality of the product of the roasting machine is the main one, which in the operating mode is expressed by the same parameters. Thus, by increasing the height of the layer of the roasting machine, it is possible to achieve not only an increase in productivity, but also an increase in quality. Increasing the productivity of roasting machines adversely affects the operational life of grates, podsolonnikovyh beams and roasting trolleys. Based on the analysis of the operating modes of the roasting machine at different modes of annual output, we can conclude: with an increase in the productivity of the roasting machine, the heating temperature and the cooling rate of the roasting machine equipment (grates, roasting trolleys, etc.) increase. So, with an increase in productivity of a Lurgi roasting machine with an area of 480 m 2, the temperature at the border of the grate - bed of burnt pellets in the burning zone increases, and in the drying zone it has lower values at almost the same speed of the grate (A. Butkarev ., Butkarev A.P., Zinchuk B.A., Shevchenko A.A., Dvornichenko I.F., Posokhov A.V. Development of technological solutions to increase the productivity of the Lurgi roasting machine. - Steel. 2007. No. 6. S. 2-6).

2. Анализ существующих марок сталей2. Analysis of existing steel grades

Была изучена перспектива возможности замены марки стали колосников обжиговых тележек на другую так, чтобы замена марки не повлекла за собой резкого роста себестоимости детали.The prospect of the possibility of replacing the steel grade of the grates of the kiln carts with another so that the replacement of the brand did not entail a sharp increase in the cost of the part was studied.

В наибольшей степени стоимость колосника определяется содержанием никеля и хрома, которые являются самыми дорогостоящими материалами из применяемых в настоящее время для производства колосников. При этом, жаростойкость также определяется этими элементами. Таким образом, подбирались марки стали близкие по концентрации этих элементов.To the greatest extent, the cost of the grate is determined by the content of nickel and chromium, which are the most expensive materials currently used for the production of grate. At the same time, heat resistance is also determined by these elements. Thus, grades of steel close in concentration to these elements were selected.

Роль остальных элементов, таких как кремний или алюминий в жаростойкой стали неоднозначна. По данным Э. Гудремона (Гудремон Э. Специальные стали, ml. М. Металлургия, 1959, 952 с.) кремний и алюминий способствуют повышению устойчивости стали против действия серы при высоких температурах. Однако, кремний вытесняет углерод к границам зерен, что вызывает усиленное перераспределение карбидной фазы при длительных выдержках. Поэтому их концентрации учитывались.The role of other elements, such as silicon or aluminum in heat-resistant steel is ambiguous. According to E. Goodremont (Goodremont E. Special steels, ml. M. Metallurgy, 1959, 952 pp.), Silicon and aluminum contribute to increasing the resistance of steel against sulfur at high temperatures. However, silicon displaces carbon to the grain boundaries, which causes an increased redistribution of the carbide phase during long exposures. Therefore, their concentration was taken into account.

2.1. Были изучены сплавы, применяемые на аналогичных отечественных производствах. Результаты анализа применения колосников на отечественных производствах приведены в таблице 2.2.1. The alloys used in similar domestic industries were studied. The results of the analysis of the use of grate in domestic production are shown in table 2.

Figure 00000002
Figure 00000002

Кольская ГМК перерабатывает медно-никелевые концентраты, температура обжига которых не превышает 900°С, что обуславливает низкое содержание никеля и повышенное содержание углерода. Рядом исследователей обнаружено (Herbert Н. Uhlig, R. WimstonRevie. Corrosion and Corrosion Control: An Introduction to Corrosion Science and Engineering, Fourth Edition.- P. 479), что в серосодержащей атмосфере при температуре выше 315°С никельсодержащие сплавы подвергаются МКК. В работе предлагается изменять химический состав деталей для повышения устойчивости работы деталей в таких условиях в сторону увеличения содержания хрома и уменьшения содержания никеля. Помимо отсутствия возможности развития межкристаллитной коррозии при таком режиме эксплуатации такое решение позволяет улучшить литейные свойства жидкой стали и повысить качество структуры колосника. Но для эксплуатации при температурах выше 900°С данная марка стали применятся не может.Kola MMC processes copper-nickel concentrates, the firing temperature of which does not exceed 900 ° C, which leads to a low nickel content and an increased carbon content. A number of researchers have found (Herbert N. Uhlig, R. Wimston Revie. Corrosion and Corrosion Control: An Introduction to Corrosion Science and Engineering, Fourth Edition.- P. 479) that in a sulfur-containing atmosphere at temperatures above 315 ° C, nickel-containing alloys undergo MCC. The paper proposes to change the chemical composition of parts to increase the stability of parts under such conditions in the direction of increasing the chromium content and reducing the nickel content. In addition to the lack of the possibility of developing intergranular corrosion under such an operating mode, this solution improves the casting properties of liquid steel and improves the quality of the grate structure. But for operation at temperatures above 900 ° C, this steel grade cannot be used.

Соколовско-Сарбайский, Оленегорский, Лебединский и Костомукшский ГОКи (предприятия №7-10 таблицы 2) перерабатывают концентрат с высоким содержанием серы, в результате, были применены чугунные колосники, не содержащие никель в своем составе. Основной отрицательный фактор которых - низкая жаростойкость по сравнению с колосниками марки 40Х24Н12СЛ.Sokolovsko-Sarbaisky, Olenegorsky, Lebedinsky and Kostomuksha GOKs (enterprises No. 7-10 of Table 2) process the concentrate with a high sulfur content, as a result, cast iron grates that do not contain nickel were used. The main negative factor of which is low heat resistance in comparison with the grid-irons of the brand 40X24N12SL.

Предприятия под №1-5 таблицы 2 применяют сталь марки 40Х24Н12СЛ или ее зарубежный аналог. Применение импортных колосников связано с низкой стойкостью отечественных в условиях современного теплового режима обжиговой машины. Стоит отметить, что импортные колосники из стали аналога марки 40Х24Н12СЛ (в основном, отличие которых заключается лишь в содержании Мо) имеют намного большую стоимость, по сравнению с отечественными.Enterprises under No. 1-5 of table 2 use steel grade 40X24N12SL or its foreign equivalent. The use of imported grates is associated with low resistance of domestic in the modern thermal regime of the roasting machine. It is worth noting that imported grates made of analog steel grade 40X24N12SL (mainly the difference between which is only in the content of Mo) have a much higher cost compared to domestic ones.

Таким образом, отечественных аналогов стали марки 40Х24Н12СЛ, подходящих для замены не существует.Thus, there are no domestic analogues of steel grade 40X24N12SL suitable for replacement.

2.2. Были изучены стали, применяемые на зарубежных производствах. Исходя из открытых данных, была построена таблица зарубежных аналогов стали 40Х24Н12СЛ. Подборка выполнена по действующим стандартам (национальным и международным) и представлена в таблице 3. Вид стандарта и марка стали указаны в каждой графе столбца 2.

Figure 00000003
2.2. The steels used in foreign industries were studied. Based on open data, a table of foreign analogues of steel 40Kh24N12SL was built. The selection is made according to the applicable standards (national and international) and is presented in table 3. The type of standard and steel grade are indicated in each column of column 2.
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

3 Сталь дополнительно содержит W≤5,0% и Nb≤1,5%. 3 Steel additionally contains W≤5.0% and Nb≤1.5%.

4 Сталь дополнительно содержит N≤0,2%. 4 Steel additionally contains N≤0.2%.

5 Сталь дополнительно содержит N≤0,2%. 5 Steel additionally contains N≤0.2%.

Из анализа данных таблицы 3 можно сделать следующие выводы:From the analysis of the data in table 3, we can draw the following conclusions:

- количество кремния (столбец 4) во всех сталях в пределах 0,5-2,5%, что близко к значениям стали 40Х24Н12СЛ, очевидно, что кремний выполняет роль раскислителя и элемента, повышающего жаропрочность,- the amount of silicon (column 4) in all steels is in the range of 0.5-2.5%, which is close to the values of steel 40Kh24N12SL, it is obvious that silicon acts as a deoxidizer and an element that increases heat resistance,

- количество марганца (столбец 5) во всех сталях в диапазоне до 2,5%, в стали марки 40Х24Н12СЛ 0,3-0,8%, что также близко, марганец присутствует в стали как элемент, необходимый для удаления серы и части кислорода при плавке, марганец является аустенитообразующим элементом, что благоприятно сказывается на структуре стали,- the amount of manganese (column 5) in all steels in the range up to 2.5%, in steel grade 40Kh24N12SL 0.3-0.8%, which is also close, manganese is present in steel as an element necessary to remove sulfur and part of oxygen at smelting, manganese is an austenite-forming element, which favorably affects the structure of steel,

- большинство сталей имеют ограничения по содержанию углерода с обеих сторон (столбец 3), что очевидно сделано для воспроизводимости свойств стали после термообработки, в сталях BS309C3040, MSZ40CrNiSi25-12, 40Х24Н12СЛ отсутствует нижнее ограничение по содержанию углерода, что можно считать недостатком, при условии, что при получении деталей из таких сталей предусмотрена операция термообработки, а ограничение именно по верхнему пределу содержания углерода объясняется необходимостью увеличения количества аустенита в структуре стали (углерод самый сильный аустенитообразующий элемент),- most steels have restrictions on the carbon content on both sides (column 3), which is obviously done for the reproducibility of the properties of the steel after heat treatment, in BS309C3040, MSZ40CrNiSi25-12, 40X24N12SL steels there is no lower limit on the carbon content, which can be considered a disadvantage, provided that upon receipt of parts from such steels, a heat treatment operation is provided, and the restriction precisely on the upper limit of the carbon content is explained by the need to increase the amount of austenite in the steel structure (carbon is the strongest Austenitic element)

- ограничение максимального содержания серы и фосфора (столбцы 6 и 7) во всех сталях (включая 40Х24Н12СЛ) можно считать достаточным для исключения возможности дефектообразования по причине содержания в стали этих элементов,- limiting the maximum content of sulfur and phosphorus (columns 6 and 7) in all steels (including 40X24H12SL) can be considered sufficient to exclude the possibility of defect formation due to the content of these elements in steel,

- количество никеля во всех сталях находится в достаточно узких пределах, от 9 до 15% (столбец 9), при этом чем выше содержание хрома, тем пропорционально выше содержание никеля, очевидно, что никель введен в сталь как аустенитообразующий элемент, компенсирующий ферритообразующее свойство никеля. В стали 40Х24Н12СЛ 11-12% никеля, что совпадает с зарубежными аналогами, у которых близкие содержания хрома,- the amount of nickel in all steels is in a fairly narrow range, from 9 to 15% (column 9), while the higher the chromium content, the proportionally higher the nickel content, it is obvious that nickel is introduced into the steel as an austenite-forming element that compensates for the ferrite-forming property of nickel . In steel 40Kh24N12SL 11-12% of nickel, which coincides with foreign analogues, which have similar chromium content,

- количество хрома во всех сталях варьируется в пределах от 22 до 30% (столбец 8), в стали 40Х24Н12СЛ 22-26% хрома, хорошо известно, что хром основной элемент, определяющий жаростойкость, и его концентрацией определяется температурный интервал возможной эксплуатации детали, из анализа следует, что зарубежные аналоги, эксплуатирующиеся при схожих температурах (до 1350°С) имеют схожие содержания хрома,- the amount of chromium in all steels varies from 22 to 30% (column 8), in steel 40Kh24N12SL 22-26% chromium, it is well known that chromium is the main element that determines heat resistance, and its concentration determines the temperature range of the possible operation of the part, from analysis it follows that foreign analogues operating at similar temperatures (up to 1350 ° C) have similar chromium content,

- в большинстве сталей присутствует молибден в достаточно малых количествах (столбец 10), в основном, до 0,5%, основной причиной появления молибдена можно считать его остатки в ломе при плавке стали, но молибден также может являться элементом, повышающим жаропрочность, и по некоторым источникам, снижать склонность сталей к МКК, вследствие влияния на диффузионную подвижность атомов углерода.- in most steels molybdenum is present in fairly small amounts (column 10), mainly up to 0.5%, the main reason for the appearance of molybdenum can be considered its residues in scrap during steel smelting, but molybdenum can also be an element that increases heat resistance, and some sources, reduce the tendency of steels to MKC, due to the influence on the diffusion mobility of carbon atoms.

Таким образом, зарубежные аналоги имеют очень близкий, а в некоторых случаях практически совпадающий со сталью 40Х24Н12СЛ химический состав, за некоторыми главными исключениями - наличие в составе небольшого количества молибдена и ограничения нижнего предела количества углерода.Thus, foreign analogues have a very close, and in some cases almost identical to the 40Kh24N12SL steel chemical composition, with some main exceptions - the presence of a small amount of molybdenum and a limitation of the lower limit of the amount of carbon.

Применение зарубежных аналогов на отечественных компаниях широко распространено (ОАО «Стойленский ГОК», ОАО «ОЭМК» и др.), несмотря на их многобольшую стоимость. Это связано, по большей степени, с более высоким эксплуатационным ресурсом стали, по отношению к отечественному аналогу, производимому из стали 40Х24Н12СЛ. Однако существенных отличий в химическом составе, помимо описанных выше, в результате анализа не обнаружено.The use of foreign analogues in domestic companies is widespread (OAO Stoilensky GOK, OAO OEMK, etc.), despite their large cost. This is due, to a greater extent, to a higher service life of steel, in relation to the domestic counterpart, made from steel 40Kh24N12SL. However, significant differences in chemical composition, in addition to those described above, were not found as a result of the analysis.

2.3. Также была выполнена работа по поиску в научной литературе аналогов или модификаций марки стали 40Х24Н12СЛ подходящих для замены по прежним признакам.2.3. Also, work was done to search in the scientific literature for analogues or modifications of the grade 40Kh24N12SL suitable for replacement according to previous signs.

Известен состав аустенитной стали (Пат. 1607428 РФ Литейная сталь. Рабинович А.В., Тарасьев М.И., Мартынов С.Л. и др. 1989), предназначенной для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах при циклических изменениях температуры 1000 - 1100°С. Цель изобретения - повышение жаропрочности, жаростойкости, термостойкости при температуре до 1100°С и жидкотекучести. Лабораторные исследования показали, что применение предлагаемой стали, по мнению авторов, позволит повысить эксплуатационный ресурс колосников в 1,5 раза. Состав стали, % масс: 0,25÷0,50 С; 23,0÷28,0 Сr; 10,0÷14,0 Ni; 1,0÷2,0 Si; 0,12÷0,23 N; 0,5÷1,2 Mn; 0,001÷0,005 В; 0,2÷0,5 Mo; 0,06÷4,0 Al; 0,005÷0,2 Zr; 0,001÷0,2 Ca; 0,005÷0,1 РЗМ; железо - остальное. Данную сталь как и сталь такого же состава, не содержащую циркония, испытывали на жаростойкость в обычных условиях, а на коррозионную стойкость при воздействии серосодержащей среды не испытывали. В данной стали, очевидно, высокое содержание серы. Недостатком стали является присутствие бора и большое содержание азота. Сталь получают методом переплава отходов, т.е. без окислительного периода. Поэтому в собственных отходах (литники, брак, расплески) будет происходить накопление этих элементов. В стали очень много модифицирующих элементов, что усложняет технологию выплавки, а также спорно присутствие такого высокого содержания алюминия для среды очень низким содержанием свободного кислорода. Содержание алюминия находится в очень широких пределах, что свойственно для легирующего элемента с его большим содержанием в стали. Стали, содержащие 0,06 и 4% алюминия, будут отличаться по свойствам очень сильно, значительно больше, чем в аналогичных случаях для марганца, кремния, молибдена. Плюсом стали является ограничение содержания углерода, что позволит достичь определенной вопроизводимости результатов термообработки (при ее применении). Сталь имеет большую стоимость по сравнению с базовой при спорных эксплуатационных свойствах.The known composition of austenitic steel (Pat. 1607428 RF Foundry steel. Rabinovich A.V., Tarasyev M.I., Martynov S.L. et al. 1989), intended for the manufacture of products operating in aggressive environments with cyclic temperature changes of 1000 - 1100 ° C. The purpose of the invention is to increase the heat resistance, heat resistance, heat resistance at temperatures up to 1100 ° C and fluidity. Laboratory studies have shown that the use of the proposed steel, according to the authors, will increase the operational resource of grate by 1.5 times. Steel composition,% mass: 0.25 ÷ 0.50 C; 23.0 ÷ 28.0 Cr; 10.0 ÷ 14.0 Ni; 1.0 ÷ 2.0 Si; 0.12 ÷ 0.23 N; 0.5 ÷ 1.2 Mn; 0.001 ÷ 0.005 V; 0.2 ÷ 0.5 Mo; 0.06 ÷ 4.0 Al; 0.005 ÷ 0.2 Zr; 0.001 ÷ 0.2 Ca; 0.005 ÷ 0.1 REM; iron is the rest. This steel, like steel of the same composition, not containing zirconium, was tested for heat resistance under ordinary conditions, and for corrosion resistance when exposed to a sulfur-containing medium was not tested. This steel is obviously high in sulfur. The disadvantage of steel is the presence of boron and a high nitrogen content. Steel is obtained by remelting waste, i.e. no oxidative period. Therefore, in their own waste (sprues, rejects, splashes), these elements will accumulate. There are a lot of modifying elements in steel, which complicates the smelting technology, and the presence of such a high aluminum content for a very low free oxygen medium is also debatable. The aluminum content is in a very wide range, which is characteristic of an alloying element with its high content in steel. Steel containing 0.06 and 4% aluminum will differ in properties very much, much more than in similar cases for manganese, silicon, molybdenum. The advantage of steel is the limitation of carbon content, which will allow to achieve a certain reproducibility of the results of heat treatment (when applied). Steel has a higher cost compared to the base with controversial performance.

Известна сталь для термических агрегатов следующего состава, % масс: 0,20÷0,45 С; до 23,0÷26,0 Cr; 11,0÷13,0 Ni; до 1,5 Si; 0,4÷0,8 Nb; до 0,8 Мn; 0,25÷0,45 V; до 0,030 S; до 0,030 Р. Соотношение Nв/V=1,6÷3,2. Введение в состав базовой стали ниобия и ванадия в указанных пределах должно повысить предел ее текучести (Заявка №20011112240/02 от 23.04.2001 Жаропрочная сталь. Колчанов В.Н., Палавин Р.Н., Поколянин И.П.). В сталь введены достаточно сильные карбидообразующие и нитридообразующие элементы. Отсутствие нижнего предела по содержанию кремния и марганца некорректно, так как эти элементы при совместном их вводе в сталь являются эффективными раскислителями. Очень низкое содержание кремния в стали (менее 0,4%) приведет к повышенному угару хрома при плавке. Плюсом стали также является ограничение содержания углерода. Сталь также имеет большую стоимость по сравнению с базовой при спорных эксплуатационных свойствах.Known steel for thermal units of the following composition,% mass: 0.20 ÷ 0.45 C; up to 23.0 ÷ 26.0 Cr; 11.0 ÷ 13.0 Ni; up to 1.5 Si; 0.4 ÷ 0.8 Nb; up to 0.8 Mn; 0.25 ÷ 0.45 V; up to 0.030 S; up to 0.030 R. The ratio of N in / V = 1.6 ÷ 3.2. The introduction of niobium and vanadium into the base steel within the specified limits should increase its yield strength (Application No. 20011112240/02 of 04.23.2001 Heat-resistant steel. Kolchanov VN, Palavin RN, Pokolyanin IP). Strong enough carbide-forming and nitride-forming elements are introduced into steel. The absence of a lower limit on the content of silicon and manganese is incorrect, since these elements, when introduced together into steel, are effective deoxidizers. A very low silicon content in the steel (less than 0.4%) will lead to increased fumes of chromium during smelting. The advantage of steel is also the limitation of carbon content. Steel also has a higher cost compared to the base with controversial performance.

Известна жаропрочная сталь, в состав которой ввели гадолиний, для улучшения механических и противорадиационных свойств (Заявка №2007 145150/02 РФ, 04.12.2007 (пат. №2362830 РФ) Жаростойкая сталь. Куруник Ю.К, Федоров В.А., Росщупкин В.П., Коритов К.С.). Состав стали следующий, % масс: 0,2÷0,6 С; 0,8÷1,5 Si; 0,4÷1,0 Мn; 22,0÷25,0 Сr; 12,0÷15,0 Ni; 0,10÷0,25 Ga. В стали более высокое содержание никеля, серы и фосфора по сравнению с их содержанием в базовой стали. Такое содержание углерода при таком количестве хрома не позволит получить воспроизводилось свойств термообработки, а следовательно, не исключено протекание МКК. Кроме того, гадолиний относится к редким и дорогостоящим элементам, что повысит себестоимость детали по сравнению с базовой.Known heat-resistant steel, which included gadolinium, to improve the mechanical and anti-radiation properties (Application No. 2007 145150/02 of the Russian Federation, 04.12.2007 (Pat. No. 2362830 of the Russian Federation) Heat-resistant steel. Kurunik Yu.K., Fedorov VA, Roschupkin V.P., Koritov K.S.). The composition of the steel is the following,% mass: 0.2 ÷ 0.6 C; 0.8 ÷ 1.5 Si; 0.4 ÷ 1.0 Mn; 22.0 ÷ 25.0 Cr; 12.0 ÷ 15.0 Ni; 0.10 ÷ 0.25 Ga. Steel has a higher content of nickel, sulfur and phosphorus compared to their content in base steel. Such a carbon content with such an amount of chromium will not allow to reproduce the properties of heat treatment, and therefore, the occurrence of the MCC. In addition, gadolinium is a rare and expensive element that will increase the cost of the part compared to the base.

Для изготовления цепей в печах клинкера предложена сталь следующего состава, % масс: 0,25÷0,45 С; 1,5÷2,5 Si; 6,0÷8,0 Мn; 25,0÷27,0 Сr; 12,5÷14,5 Ni; 0,3-0,6 Al; 0,25-0,40 Nв; 0,15÷0,30 Сu; 0,15÷0,30 N; 0,008÷0,015 В; 0,15÷0,25 V; 0,005÷0,015 Са. Применение стали предложенного состава позволяет повысить ее жаростойкость до 1150°С, механические свойства в литом состоянии и износостойкость (Патент 2124067 РФ. Жаростойкая сталь. Бибиков A.M., Кервяков A.M., Симонов. Б.И. БИ 1998, №36). Повышение последних двух свойств колосникам не требуется. В стали повышенное содержание марганца, что снижает ее жаростойкость. Этим была вызвана необходимость повышения содержания никеля и хрома. Высокое содержание кремния, алюминия, ниобия, а также ванадия способствует повышению абразивной стойкости и может вызвать появление трещин при теплосменах в условиях эксплуатации колосников. Стоимость этой стали значительно выше стоимости применяемой для цепей серийной стали 40Х24Н12СЛ.For the manufacture of chains in clinker furnaces, steel of the following composition is proposed,% of mass: 0.25 ÷ 0.45 C; 1.5 ÷ 2.5 Si; 6.0 ÷ 8.0 Mn; 25.0 ÷ 27.0 Cr; 12.5 ÷ 14.5 Ni; 0.3-0.6 Al; 0.25-0.40 Nv; 0.15 ÷ 0.30 Cu; 0.15 ÷ 0.30 N; 0.008 ÷ 0.015 V; 0.15 ÷ 0.25 V; 0.005 ÷ 0.015 Ca. The use of steel of the proposed composition allows to increase its heat resistance to 1150 ° C, mechanical properties in the cast state and wear resistance (Patent 2124067 of the Russian Federation. Heat-resistant steel. Bibikov A.M., Kervyakov A.M., Simonov. BI BI 1998, No. 36). Increasing the last two properties of the grate is not required. The steel has a high content of manganese, which reduces its heat resistance. This necessitated an increase in the content of nickel and chromium. The high content of silicon, aluminum, niobium, as well as vanadium contributes to an increase in abrasion resistance and can cause cracking during heat exchanges under the conditions of operation of grates. The cost of this steel is significantly higher than the cost of serial steel 40Kh24N12SL used for chains.

Для изготовления литой оснастки термических агрегатов известны составы азотированных жаростойких сталей (таблица 4) (Перевязко А.Т., Смирнов В.М., Черевко П.В., Резинкина Г.П. Экономно легированные никелем жаростойкие литейные стали. Литейное производство, 1991, №5, с. 10).For the manufacture of cast equipment for thermal units, the compositions of nitrided heat-resistant steels are known (Table 4) (Perevyazko AT, Smirnov V.M., Cherevko P.V., Rezinkina G.P. Heat-resistant casting steels economically alloyed with nickel. Foundry, 1991 , No. 5, p. 10).

Первые две стали (таблица 4) имеют очень низкое содержание хрома, что при низком содержании никеля не обеспечит стойкость отливки при температурах более 1000°С. Последние две стали содержат повышенное содержание кремния, повышающего окалиностойкость. Но совместное присутствие в составе стали таких количеств кремния и азота будет упрочнять сталь и снижать ее термостойкость, особенно при понижении содержания никеля (сталь с 8÷11% Ni). Положительные результаты для этих сталей были получены при длительных нагревах и редких теплосменах, что обусловлено режимами термической обработки. Недостатками сталей является высокое содержание серы и фосфора, а также низкое содержание углерода. Последнее снижает литейные свойства сталей и качество литой структуры.The first two steels (table 4) have a very low chromium content, which at a low nickel content will not provide casting resistance at temperatures above 1000 ° C. The last two steels contain a high content of silicon, which increases the scale resistance. But the combined presence of such amounts of silicon and nitrogen in the steel composition will strengthen the steel and reduce its heat resistance, especially when the nickel content is reduced (steel from 8 ÷ 11% Ni). Positive results for these steels were obtained with prolonged heating and rare heat exchanges, which is due to the heat treatment conditions. The disadvantages of steels are high sulfur and phosphorus, as well as low carbon content. The latter reduces the casting properties of steels and the quality of the cast structure.

В работе (Лунев В.В., Ивахненко Е.И., Ферьков В.А., Мжакова В.И. Повышение стойкости литых деталей горнометаллургического оборудования. Литейное производство, 1992, №10, с. 15-16) приведены результаты исследований по определению износостойкости и жаростойкости известных сталей и разработанной 100Х28НСТЛ, используемых для изготовления сменных деталей агломерационных машин (пересыпные полки, пороговые упоры и другие). Содержание элементов предлагаемой стали было следующим, % масс: 0,89 С; 28,10 Сr; 1,30 Si; 0,90 Ni; 0,88 Мn; 0,25 Ti; 0,008 S; 0,020 P. Очень высокое содержание углерода, увеличение содержание хрома на 2% относительно стали 40Х24Н12СЛ, а также присутствие титана свидетельствуют, что основной задачей при разработке новой стали являлось повышение износостойкости при повышенных температурах. Испытания сталей на жаростойкость (выдержка образцов в течение 100 часов при 1000°С) дали следующие результаты, г/(м2⋅ч): 35Х18Н24С2Л - 0,0054; 35Х23Н7СЛ - 0,0028; 40Х24Н12СЛ - 0,0057; 100Х28НСТЛ - 0,0021. Представленные результаты не отражают истинной картины, так как стали с более высоким содержанием хрома и никеля после выдержке при температуре 1000°С в обычной атмосфере не могут иметь потерю массы больше, чем стали с низким содержанием этих элементов. Следует отметить, что максимальная температура обжига в агломерационной машине 1200°С и вышеперечисленные детали машины в этой зоне не эксплуатируются. Для деталей, испытывающие повышенные абразивные нагрузки, в сталь дополнительно ввели хром, кремний, титан, углерод. Отсутствие никеля приведет не только к снижению жаростойкости но и к склонности стали к При температуре в рабочей зоне более 1200°С сталь 100Х28НСТЛ эксплуатироваться не может.In the work (Lunev V.V., Ivakhnenko E.I., Ferkov V.A., Mzhakova V.I. Improving the durability of cast parts of mining and metallurgical equipment. Foundry, 1992, No. 10, p. 15-16) the research results according to the definition of wear resistance and heat resistance of known steels and developed 100X28NSTL used for the manufacture of replaceable parts of sinter machines (overfill shelves, threshold stops and others). The content of the elements of the proposed steel was as follows,% mass: 0.89 C; 28.10 Cr; 1.30 Si; 0.90 Ni; 0.88 Mn; 0.25 Ti; 0.008 S; 0.020 P. A very high carbon content, an increase in the chromium content of 2% relative to steel 40Kh24N12SL, as well as the presence of titanium indicate that the main task in the development of new steel was to increase the wear resistance at elevated temperatures. Tests of steels for heat resistance (exposure of samples for 100 hours at 1000 ° C) gave the following results, g / (m 2 ⋅ h): 35X18H24S2L - 0.0054; 35Х23Н7СЛ - 0.0028; 40Х24Н12СЛ - 0.0057; 100X28NSTL - 0.0021. The presented results do not reflect the true picture, since steels with a higher content of chromium and nickel after exposure at a temperature of 1000 ° C in a normal atmosphere cannot have a mass loss greater than steels with a low content of these elements. It should be noted that the maximum firing temperature in the sintering machine is 1200 ° C and the above machine parts are not operated in this zone. For parts experiencing increased abrasive loads, chromium, silicon, titanium, and carbon were additionally introduced into the steel. The absence of nickel will lead not only to a decrease in heat resistance, but also to a tendency of steel to. When the temperature in the working zone is more than 1200 ° C, steel 100X28NSTL cannot be operated.

Figure 00000005
Figure 00000005

6 Во всех сталях содержалось до 0,030% серы и до 0,035% фосфора 6 All steels contained up to 0.030% sulfur and up to 0.035% phosphorus

В работе (Колокольцев В.М., Адищев В.В., Науменко В.Д. и др. Повышение срока службы отливок из жаростойкой стали модифицированием. Литейное производство, 1991, №5, с. 19-20) исследовали влияние модификаторов на жаростойкость при 900°С в течение 100 часов стали 40Х24Н12СЛ среднего состава. Установлено, что в данных условиях бор и титан повышают жаростойкость, а церий и кальций понижают. Разработана новая сталь для отливок «сердечник» массой от 500 до 3200 кг, которые служат для протяжки трубных отводов при температурах до 1000°С. Исследования новой стали 35Х22Н10СТРЛ (состав стали до модифицирования, % масс: 0,28 С; 0,85 Si; 0,48 Мn; 22,0 Сr; 8,1 Ni; 0,028 S; 0,03 Р) показали лучшие свойства по сравнению со свойствами стали 40Х24Н12СЛ, что обусловлено введением в ковш при сливе плавки модификаторов (0,15÷0,25%) Ti+(0,005÷0,10%) В при температуре металла 1515÷1530°С. Положительный результат был достигнут за счет утонения первичных карбидов. Однако, при снижении температуры заливки до 1490÷1510°С (в случае колосников) возможно также получение более тонкой первичной структуры без введения модификаторов. Повышение эксплуатационного ресурса сердечников может быть связано с увеличением упрочнения их поверхности при протяжке отводов ввиду изменения свойств новой стали.In the work (Kolokoltsev V.M., Adishchev V.V., Naumenko V.D. et al. Increasing the service life of castings made of heat-resistant steel by modification. Foundry, 1991, No. 5, pp. 19-20) investigated the effect of modifiers on heat resistance at 900 ° С for 100 hours of steel 40Kh24N12SL of average composition. It was found that under these conditions boron and titanium increase heat resistance, and cerium and calcium are reduced. A new steel has been developed for castings “core” weighing from 500 to 3200 kg, which are used for pulling pipe bends at temperatures up to 1000 ° C. Studies of new steel 35Kh22N10STRL (steel composition before modification,% mass: 0.28 C; 0.85 Si; 0.48 Mn; 22.0 Cr; 8.1 Ni; 0.028 S; 0.03 P) showed the best properties by compared with the properties of steel 40Kh24N12SL, which is due to the introduction of modifiers (0.15 ÷ 0.25%) Ti + (0.005 ÷ 0.10%) V at a metal temperature of 1515 ÷ 1530 ° C into the ladle when melting. A positive result was achieved by thinning primary carbides. However, when the pouring temperature is reduced to 1490 ÷ 1510 ° C (in the case of grate), it is also possible to obtain a finer primary structure without the introduction of modifiers. The increase in the service life of the cores may be associated with an increase in the hardening of their surface during broaching branches due to changes in the properties of new steel.

Данные работы (Щегловитов Л.А., Кацаран Т.К., Зелепукин П.А. и др. Модифицированные стали лигатурами с РЗМ. Литейное производство, 1971, №3, с. 19-20) показали, что увеличение эксплуатационного ресурса колосников агломерационных машин было получено в результате модифицирования стали 30Х24Н12СЛ РЗМ с их остаточным содержанием в металле от 0,025 до 0,035% (оптимальный вариант). Различие в результатах может быть объяснено различными условиями испытаний: в первом случае атмосфера в лабораторной печи окислительная, во втором - слабоокислительная (промышленная газовая печь).The data of the work (Shcheglovitov L.A., Katsaran T.K., Zelepukin P.A. and others. Modified steel alloys with rare-earth metals. Foundry, 1971, No. 3, pp. 19-20) showed that the increase in the operational life of the grate sintering machines were obtained as a result of the modification of 30Kh24N12SL RZM steel with their residual content in the metal from 0.025 to 0.035% (the best option). The difference in the results can be explained by different test conditions: in the first case, the atmosphere in the laboratory furnace is oxidizing, and in the second, slightly oxidizing (industrial gas furnace).

В работе (Коломбье Л., Гохман И. Нержавеющие и жаропрочные стали. Пер. с фр. М.: Металлургиздат, 1958, с. 479) отмечается, что срок службы проволоки из высоколегированного сплава с добавкой 0,2% металлов группы церия удваивался по сравнению со сроком службы обычной никель-хромовой проволоки.In the work (L. Kolombier, I. Gokhman, Stainless and heat-resistant steels. Translated from French M .: Metallurgizdat, 1958, p. 479), it was noted that the service life of a high-alloy alloy with the addition of 0.2% of cerium group metals doubled Compared to the life of ordinary nickel-chrome wire.

Известна жаростойкая сталь 30Х23АН6СТЮЛ (Кривонос В.Н, Тимофеев П.В., Козлов Л.Я. Новая жаростойкая сталь для эксплуатации при высоких температурах./V Рес. мнауч. тех. конф. «Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок», Днепропетровск, ДМЕТИ, т.2, 1990, с. 32-33), полный химический состав которой полностью не приводится и заявка на изобретение не подавалась. Сталь содержит азот в количестве 0,12÷0,15% (из расчета замены 1% никеля на 0,020÷0,025% азота). Ее обрабатывают ЩЗМ (Са, Ва) и вводят микролегирующие добавки (Ti, Al, В). Жаростойкость предлагаемой стали после выдержке в муфельной печи при 1100°С оказалась выше, чем у стали 40Х24Н12СЛ. Очевидно, это связано с высоким содержанием алюминия, образующего в окислительных условиях окалину с очень тугоплавким оксидом алюминия. К недостаткам предлагаемой стали следует отнести очень ее высокую температуру выпуска 1630÷1650°С, что предполагает большой угар лигатуры. Кроме того сталь содержит одновременно и азот и титан, которые образуют уже в жидкой стали прочный нитрид титана при их массовом соотношении 1:2. Таким образом, весь азот должен быть связан в нитриды. Между тем авторы утверждают, что в их стали количество феррита составляет всего 5÷10%, а в стали 40Х24Н12СЛ достигает 40% хотя в первой стали в два раза меньше никеля и азот выведен из раствора (оба аустенитообразующие элементы). Базовая сталь не содержит сильных нитридообразующих элементов и содержание растворенного азота, стабилизирующего аустенитную фазу, в электростали не бывает ниже 0,020%, а чаще всего находится в пределах 0,025÷0,050%. Предлагаемую сталь выплавляли в кислой печи, что обуславливает содержание в стали более 0,030% серы. Содержание в стали хрома по нижнему пределу будет менее 23%, что негативно отразится на ее жаростойкости при повышении температуры до 1250°С.Known heat-resistant steel 30Kh23AN6STYUL (Krivonos V.N., Timofeev P.V., Kozlov L.Ya. New heat-resistant steel for operation at high temperatures. / V Res. Lauch. Technical conference. "Improving the technical level and improving technological processes of casting production) ", Dnepropetrovsk, DMETI, t.2, 1990, pp. 32-33), the full chemical composition of which is not fully provided and the application for the invention was not filed. Steel contains nitrogen in an amount of 0.12 ÷ 0.15% (based on the replacement of 1% nickel with 0.020 ÷ 0.025% nitrogen). It is treated with AHM (Ca, Ba) and microalloying additives (Ti, Al, B) are introduced. The heat resistance of the proposed steel after aging in a muffle furnace at 1100 ° C was higher than that of steel 40Kh24N12SL. Obviously, this is due to the high content of aluminum, which forms oxidizing conditions with very refractory alumina under oxidizing conditions. The disadvantages of the proposed steel should include its very high temperature of the release of 1630 ÷ 1650 ° C, which implies a large waste of ligature. In addition, steel simultaneously contains both nitrogen and titanium, which already form strong titanium nitride in liquid steel at a mass ratio of 1: 2. Thus, all nitrogen must be bound to nitrides. Meanwhile, the authors claim that in their steel the amount of ferrite is only 5 ÷ 10%, and in 40Kh24N12SL steel it reaches 40%, although in the first steel there is half as much nickel and nitrogen is removed from the solution (both austenite-forming elements). Base steel does not contain strong nitride-forming elements and the content of dissolved nitrogen stabilizing the austenitic phase in electric steel is not lower than 0.020%, and most often it is in the range of 0.025 ÷ 0.050%. The proposed steel was smelted in an acid furnace, which leads to a steel content of more than 0.030% sulfur. The content in the chromium steel at the lower limit will be less than 23%, which will negatively affect its heat resistance with increasing temperature to 1250 ° C.

В работе (Word A.R. Newer Alloys Wriden the Scope for Castings in Heat Treatment Furnaces. "HeatTreat. Metals", 1997, 4, №4, p.89-94) показано, что отливки из стали, содержащей (% масс.) 0,50 С; 23 Сr; 6,5 Ni; 1,5 Si работают удовлетворительно при температурах до 1000°С в восстановительной атмосфере. Таким образом, данная марка стали не подходит для обжиговых машин.In the work (Word AR Newer Alloys Wriden the Scope for Castings in Heat Treatment Furnaces. "HeatTreat. Metals", 1997, 4, No. 4, p. 89-94), it was shown that castings made of steel containing (% wt.) 0 , 50 C; 23 Cr; 6.5 Ni; 1,5 Si work satisfactorily at temperatures up to 1000 ° C in a reducing atmosphere. Thus, this steel grade is not suitable for roasting machines.

ГОСТ 2176-76 предусматривает ряд ферритных сталей, жаростойких до 1150°С, например, 15Х25ТЛ, 75Х28Л, 185Х34Л. Эта группа сталей обладает высокой абразивной стойкостью и хрупкостью, что связано с интенсивным ростом зерна и карбидообразованием. При высокой термоцикличности (30 минут нагрева с резким перепадом температуры и 30 минут охлаждения, причем первые пять минут с обдувом воздухом) данные стали подвержены трещинообразованию. Отсутствие никеля понижает жаростойкость стали. Поэтому для работы в условиях существующего режима обжиговой машины применение сталей ферритного класса не целесообразно.GOST 2176-76 provides for a number of ferritic steels, heat-resistant up to 1150 ° C, for example, 15X25TL, 75X28L, 185X34L. This group of steels has high abrasion resistance and brittleness, which is associated with intensive grain growth and carbide formation. With high thermal cycling (30 minutes of heating with a sharp temperature drop and 30 minutes of cooling, the first five minutes with air blowing), the data became susceptible to cracking. The absence of nickel lowers the heat resistance of steel. Therefore, to work in the conditions of the existing roasting machine, the use of ferritic grade steels is not advisable.

В результате описанного выше анализа существующих марок сталей установлено, что заменить сталь 40Х24Н12СЛ для производства колосников обжиговых машин невозможно не на одну из существующих отечественных марок - так как по критерию жаростойкости сталь подобрана оптимальным образом. Исходя из чего появляется необходимость либо изыскания путей совершенствования существующей марки стали, но исходя из зарубежного опыта химический состав стали не нуждается в существенных изменениях. Для дальнейшего поиска путей увеличения эксплуатационного ресурса необходимо провести статистический анализ причин выхода из строя отечественных колосников из стали 40Х24Н12СЛ.As a result of the analysis of existing steel grades described above, it was found that it is impossible to replace 40Kh24N12SL steel for the production of grates of roasting machines not with one of the existing domestic grades, since steel was selected in the optimal way according to the heat resistance criterion. Based on what there is a need to either find ways to improve the existing steel grade, but based on foreign experience, the chemical composition of steel does not need significant changes. To further search for ways to increase the operational resource, it is necessary to conduct a statistical analysis of the reasons for the failure of domestic grates from steel 40X24N12SL.

3. Определение причин низкого эксплуатационного ресурса отечественных колосников из стали 40Х24Н12СЛ3. Determination of the reasons for the low operational resource of domestic grates of steel 40X24N12SL

Для определения причин резкого снижения эксплуатационного ресурса колосников обжиговых тележек был проведен макро- и микроанализ колосников на разных сроках эксплуатации (в том числе новых и отбракованных). Данное исследование, проведенное авторами, выявило основную причину выхода из строя колосников отечественного производства - МКК (95,5% выхода из строя), исследование подробно описано в источнике (Иванов, Д.И. Механизм высокотемпературной коррозии жаростойкой хромоникелевой стали /Д.И. Иванов, А.А. Кожухов, Л.Ф. Уразова//Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2016. - Том 59. - №3. - С. 180-184).To determine the causes of a sharp decrease in the operational life of the grate of the firing trolleys, a macro- and microanalysis of the grate was carried out at different periods of operation (including new and rejected ones). This study, conducted by the authors, revealed the main reason for the failure of domestic grid-irons - MKK (95.5% failure), the study is described in detail in the source (Ivanov, D.I. Mechanism of high-temperature corrosion of heat-resistant chromium-nickel steel / D.I. Ivanov, A.A. Kozhukhov, L.F. Urazova // News of higher educational institutions. Ferrous metallurgy. - 2016. - Volume 59. - No. 3. - P. 180-184).

Исследования проводились на обжиговой машине ОК-306. Макроанализ включал в себя оценку состояния поверхности деталей на разных сроках эксплуатации (глубину коррозии, степень разрушения детали у разных поверхностей).The studies were carried out on an OK-306 roasting machine. Macroanalysis included an assessment of the state of the surface of the parts at different periods of operation (depth of corrosion, degree of destruction of the part at different surfaces).

Результатом макроанализа стали следующие выводы: все колосники после 6 месяцев эксплуатации подвержены не равномерному коррозионному разрушению. Коррозия имеет наибольшее распространение у «верхней» поверхности (рис. 2а), о чем говорят данные (рис. 2б), где показана «верхняя» зона средней части демонтированного с балки колосника после 12 месяцев эксплуатации. Под понятием «верхняя» зона или поверхность подразумевается поверхность колосника, обращенная в сторону горелок при эксплуатации, иными словами, та поверхность, которая первой контактириует с низходящим потоком теплоносителя и именно эта поверхность контактирует с обжигаемым материалом.The result of macroanalysis was the following conclusions: all grates after 6 months of operation are not subject to uniform corrosion damage. Corrosion is most prevalent at the “upper” surface (Fig. 2a), as evidenced by the data (Fig. 2b), which shows the “upper” zone of the middle part of the grate removed from the beam after 12 months of operation. The term “upper” zone or surface refers to the surface of the grate, facing the burners during operation, in other words, the surface that first comes into contact with the downward flow of coolant and it is this surface that contacts the fired material.

С целью определения механизма протекания коррозионного разрушения было проведено исследование микроструктуры колосников на анализаторе изображений, состоящем из металлографического микроскопа MEIJITECHNOIM 7200, телевизионной камеры и компьютера с программой анализа изображения THIXOMETPRO. Исследовались колосники со сроком эксплуатации до 8 месяцев.In order to determine the mechanism of the occurrence of corrosion damage, a study was made of the grate microstructure on an image analyzer consisting of a MEIJITECHNOIM 7200 metallographic microscope, a television camera, and a computer with an image analysis program THIXOMETPRO. Grids with a life of up to 8 months were investigated.

Для травления шлифов применялся раствор «Марбле», используемый для сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов, сплавов на никелевой и железоникелевой основе. Состав раствора «Марбле»: 20 г медного купороса, 100 см3 соляной кислоты, 100 см3 этилового спирта.For the etching of thin sections, the Marble solution was used, which is used for austenitic and austenitic-ferritic steels, nickel and iron-nickel alloys. The composition of the Marble solution: 20 g of copper sulfate, 100 cm 3 of hydrochloric acid, 100 cm 3 of ethyl alcohol.

В результате исследования колосников со сроками эксплуатации 6 месяцев (рис. 3) установлено, что в «верхней зоне» (поверхности колосника, обращенной противоположно к направлению подачи теплоносителя (обращенной к горелкам)) обильно выделились крупные карбиды 1 в матрице металла, преимущественно на границах зерен в междендритных участках, по границам крупных выделений карбидов распространилась коррозия 2, что вызвало отслаивание участков детали 3. При этом, плотность выделений карбидов в «верхней зоне» резко падает на глубине более 500 мкм от поверхности. Характер распространения коррозии говорит о том, это межкристаллитная коррозия (МКК). В других плоскостях колосника МКК не наблюдалось.As a result of the study of grates with a life of 6 months (Fig. 3), it was established that large carbides 1 in the metal matrix were abundantly precipitated in the “upper zone” (the surface of the grate opposite to the direction of the coolant supply (facing the burners)), mainly grains in the interdendritic areas, corrosion 2 spread along the boundaries of large carbide precipitates, which caused peeling of parts of part 3. Moreover, the density of carbide precipitates in the “upper zone” drops sharply at a depth of more than 500 μm surface. The nature of the spread of corrosion suggests that it is intergranular corrosion (MCC). In other planes of the grate, MCC was not observed.

Корродированние идет по механизму МКК описанному авторами (Гуляев А.П., Гуляев А.А. Металловедение. Учебник для вузов 7-е издание. - Москва: Металлургия, 2011. - 643 с.) для хромоникелевых нержавеющих сталей аустенитно-ферритного класса после закалки (с пересыщенным аустенитом) с содержанием углерода более 0,005%. Авторы делают вывод о том, что МКК протекает на границах зерен с образованием карбидной фазы (М23С6) с участием всего углерода в матрице металла, а хрома, лишь из приграничных участков, таким образом, появляются зоны с пониженным содержанием хрома (менее 12%) у границы зерен. Последнее объясняется большой разницей в скоростях диффузии углерода и хрома. Также, в пользу этой версии говорит округлый характер окончания пустот, при эксплуатации произошло обесхромливание матрицы металла по границам зерен, и они подверглись коррозионному разрушению (рис. 2).Corrosion occurs according to the MCC mechanism described by the authors (Gulyaev A.P., Gulyaev A.A. Metallurgy. Textbook for universities, 7th edition. - Moscow: Metallurgy, 2011. - 643 pp.) For chromium-nickel stainless steels of austenitic-ferritic class quenching (with supersaturated austenite) with a carbon content of more than 0.005%. The authors conclude that the MCC occurs at the grain boundaries with the formation of a carbide phase (M 23 C 6 ) with the participation of all carbon in the metal matrix, and chromium only from the border areas, thus, zones with a low chromium content appear (less than 12 %) at the grain boundary. The latter is due to the large difference in the diffusion rates of carbon and chromium. Also in favor of this version is the rounded nature of the end of the voids, during operation, the metal matrix was de-charred at the grain boundaries, and they underwent corrosion damage (Fig. 2).

Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что карбидообразование идет с самого начала эксплуатации колосников, а выраженное развитие межкристаллитной коррозии детали начинается с 3-го месяца эксплуатации, после образования в поверхностной зоне сплошной сетки карбидов на границах дендридов. Процесс карбидообразования идет во всем объеме колосника, при этом с наибольшей интенсивностью процесс протекает в «верхней зоне» детали, что может объясняться большим градиентом температур по сечению детали во время эксплуатации, обусловленного низкой теплопроводностью стали.The results of the study allow us to conclude that carbide formation occurs from the very beginning of the operation of grid-irons, and the pronounced development of intergranular corrosion of a part begins from the 3rd month of operation, after the formation of a continuous carbide network at the dendrite boundaries in the surface zone. The process of carbide formation occurs in the entire volume of the grate, while the process proceeds with the highest intensity in the “upper zone” of the part, which can be explained by a large temperature gradient over the section of the part during operation, due to the low thermal conductivity of the steel.

Таким образом, МКК в стали 40Х24Н12СЛ развивается по мере формирования сплошной достаточно широкой карбидной сетки на границах зерен. Чем крупнее первичное зерно аустенита, тем протяженнее сплошные выделения карбидов и тем активнее будет развивается МКК. Первичное зерно аустенита, так же как степень развития дендритной ликвации, определяются условиями разливки (размером дендритов). При этом карбидная структура (особенно в поверхностных зонах) преимущественно формируется в процессе эксплуатации. Повышения срока службы колосников можно добиться за счет:Thus, the MCC in 40Kh24N12SL steel develops as a continuous rather wide carbide network forms at grain boundaries. The larger the primary austenite grain, the longer the continuous precipitation of carbides and the more actively the MSC will develop. The primary austenite grain, as well as the degree of dendritic segregation, are determined by the casting conditions (dendrite size). Moreover, the carbide structure (especially in the surface zones) is predominantly formed during operation. Increasing the life of the grate can be achieved by:

- снижения размера дендритов и, как следствие, размера аустенитного зерна и степени развития дендритной ликвации, этого можно достичь, применив разливку на вибростендах;- reducing the size of dendrites and, as a result, the size of austenitic grains and the degree of development of dendritic segregation, this can be achieved by applying casting on vibrating stands;

- стабилизации структуры и управления выделением карбидов (созданием благоприятных условий для выделения мелких карбидов глобулярной формы) чего можно достичь в результате термической обработки, также снизить интенсивность процесса карбидообразования можно за счет снижения содержания углерода.- stabilization of the structure and control of carbide precipitation (creating favorable conditions for the isolation of small globular carbides), which can be achieved as a result of heat treatment, and the intensity of the carbide formation process can also be reduced by reducing the carbon content.

4. Разработка мероприятий по повышению эксплуатационного ресурса колосников4. Development of measures to increase the operational resource of grate

4.1. Корректировка химического состава стали 40Х24Н12СЛ4.1. Correction of the chemical composition of steel 40X24N12SL

Как было установлено ранее, на сегодняшний день замена стали 40Х24Н12СЛ на аналог не принесет существенного повышения эксплуатационного ресурса, но при этом приведет к удорожанию себестоимости детали. Это связано в первую очередь с тем, что низкий эксплуатационный ресурс стали 40Х24Н12СЛ связан не с химическим составом стали, а с литой структурой, как это было установлено в вышеупомянутых исследованиях. Таким образом, для повышения эксплуатационного ресурса колосников обжиговых тележек отечественного производства до приемлемого с учетом современных условий эксплуатации (теплого и газо-дутьевого режима обжиговой машины) необходимо произвести корректировку технологии получения колосников обжиговых тележек в сторону получения кондиционной литой структуры.As it was established earlier, today replacing steel 40X24N12SL with an analogue will not bring a significant increase in the operational resource, but at the same time it will increase the cost of the cost of the part. This is primarily due to the fact that the low service life of 40Kh24N12SL steel is associated not with the chemical composition of the steel, but with the cast structure, as was established in the above studies. Thus, in order to increase the operational life of the grates of domestic roasting trolleys to an acceptable one taking into account modern operating conditions (warm and gas-blast mode of the roasting machine), it is necessary to make adjustments to the technology for producing grates of roasting trolleys in the direction of obtaining an air-conditioned cast structure.

Для устранения основной причины отбраковки колосников (95,5% брака) - разрушения при эксплуатации по механизму МКК, необходимо произвести термообработку стали для получения кондиционной литой структуры. Основными критериями подборки термической обработки (ТО) стали будут являться:To eliminate the main reason for rejection of grates (95.5% of rejects) - destruction during operation according to the MKK mechanism, it is necessary to heat treat the steel to obtain a conditioned cast structure. The main criteria for the selection of heat treatment (TO) steel will be:

- выделение карбидов после литья не только на границах зерна но в теле зерен в благоприятной форме - округлой, что позволит повысить сопротивление материала МКК и развитию межкристаллитных трещин, а также снизить степень неуправляемого выделения карбидов во время эксплуатации,- the precipitation of carbides after casting not only at the grain boundaries but in the grain body in a favorable rounded shape, which will increase the resistance of the MCC material and the development of intergranular cracks, as well as reduce the degree of uncontrolled carbide precipitation during operation,

- наличие достаточного расстояния между выделениями карбидов в матрице металла, что позволит исключить их коагуляцию при эксплуатации, этот принцип отражен в работе (Колокольцев В.М., Гольцов А.С, Столяров А.М. Выбор нового состава жароизносостойкого чугуна. Литейное производство. 2013. №6. С. 2-7) - критерий окалиностойкости для жаростойких сталей максимален при расстоянии между выделениями карбидов около 15 мкм,- the presence of a sufficient distance between the precipitation of carbides in the metal matrix, which will eliminate their coagulation during operation, this principle is reflected in the work (Kolokoltsev V.M., Goltsov A.S., Stolyarov A.M. Choice of a new composition of heat-resistant cast iron. Foundry. 2013. No. 6. P. 2-7) - the criterion of scale resistance for heat-resistant steels is maximum when the distance between carbide precipitates is about 15 microns,

- воспроизводимость результатов - все колосники из стали 40Х24Н12СЛ, после ТО должны иметь максимально схожую структуру.- reproducibility of results - all grates made of steel 40X24N12SL, after maintenance should have the most similar structure.

Для того, чтобы режим термообработки был эффективен независимо от химического состава разных плавок (был воспроизводим) - необходимо, чтобы карбидообразующие элементы (углерод и хром) находились в ограниченных пределах. Если количество хрома ограничено в достаточной степени по ГОСТ 977-88: «Отливки стальные. Общие технические условия», то количество углерода имеет ограничение лишь по верхнему пределу: не более чем 0,4%. Столь широкий диапазон возможного содержания углерода, не позволит производить термическую обработку колосников разных плавок по одному режиму без ущерба для качества. В результате, предложено ограничить количество углерода, не выходя за рамки требований ГОСТ 977-88, в пределах: 0,30÷0,40%. С учетом предусмотренной в ГОСТе погрешности, составляющей ±0,02, количество углерода в готовом колоснике должно находится в пределах 0,28÷0,42%.In order for the heat treatment mode to be effective regardless of the chemical composition of different melts (reproducible), it is necessary that the carbide-forming elements (carbon and chromium) are within limited limits. If the amount of chromium is sufficiently limited according to GOST 977-88: “Steel castings. General technical conditions ”, the amount of carbon is limited only by the upper limit: not more than 0.4%. Such a wide range of possible carbon content will not allow heat treatment of grates of different heats in one mode without sacrificing quality. As a result, it is proposed to limit the amount of carbon, without going beyond the requirements of GOST 977-88, in the range: 0.30 ÷ 0.40%. Taking into account the error stipulated by GOST of ± 0.02, the amount of carbon in the finished grate should be in the range 0.28 ÷ 0.42%.

Выбор такого диапазона содержания углерода обусловлен целесообразностью снижения ферритной фазы в колосниках. При этом содержании углерода доля ферритной фазы в колосниках не будет превышать 7% (оценка при помощи структурной диаграммы нержавеющих сталей (Захаров Б.П., Термист Б.П. Захаров. - Свердловск, Москва: Машгиз [Урало-Сибирское отделение], 1961. - 313 с)).The choice of such a range of carbon content is due to the advisability of reducing the ferritic phase in the grate. At this carbon content, the fraction of the ferritic phase in the grate will not exceed 7% (estimate using the structural diagram of stainless steels (Zakharov BP, Termist BP Zakharov. - Sverdlovsk, Moscow: Mashgiz [Ural-Siberian Branch], 1961 . - 313 s)).

Необходимо заметить, что повышение содержания углерода в жидком расплаве уменьшает активность хрома, что понизит его угар (а соответственно и себестоимость), расчет активности хрома при разных концентрациях углерода приведен ниже.It should be noted that an increase in the carbon content in the liquid melt reduces the activity of chromium, which will reduce its fumes (and, accordingly, cost), the calculation of the activity of chromium at different concentrations of carbon is given below.

Для уменьшения угара дорогостоящих легирующих элементов вовремя плавки стали, также предлагается повысить максимальное содержание кремния на 0,5%. По ГОСТ 977-88 кремний в стали 40Х24Н12СЛ должен находится в пределах 0,5÷1,5%, предлагается сделать концентрацию кремния в диапазоне 0,5-2,0%, расчет активности хрома при разных концентрациях кремния приведен ниже. Такое решение позволит в большей степени оптимизировать технологию процесса выплавки стали 40Х24Н12СЛ, при желании производителя - снизить угар дорогостоящих элементов, а следовательно и себестоимости.To reduce the waste of expensive alloying elements during steel melting, it is also proposed to increase the maximum silicon content by 0.5%. According to GOST 977-88, silicon in steel 40Kh24N12SL should be in the range of 0.5 ÷ 1.5%, it is proposed to make the silicon concentration in the range of 0.5-2.0%, the calculation of the activity of chromium at different concentrations of silicon is given below. Such a solution will make it possible to optimize the technology of steel smelting 40X24H12SL to a greater extent, if the manufacturer wishes, to reduce the waste of expensive elements, and therefore the cost.

Необходимо заметить, исходя из данных таблицы 3, большинство мировых аналогов имеют ограничение по содержанию кремния не более 2,0%. Таким образом, предлагаемое решение не противоречит общей мировой тенденции.It should be noted, based on the data in table 3, most of the world analogues have a limit on the silicon content of not more than 2.0%. Thus, the proposed solution does not contradict the general global trend.

Для определения влияния количества углерода и кремния на угар хрома в жидком расплаве был произведен расчет активности хрома при температуре 1500°С для стали марки 40Х24Н12СЛ с различными содержаниями углерода и кремния, содержание кремния было повышено сверх марочного с 1,5 до 2%.To determine the effect of the amount of carbon and silicon on the carbon monoxide in a liquid melt, we calculated the activity of chromium at a temperature of 1500 ° C for steel grade 40Kh24N12SL with different contents of carbon and silicon, the silicon content was increased above the grade from 1.5 to 2%.

Расчет производился при помощи методики, основанной на учете параметров взаимодействия первого порядка. Выбор методики расчета активности через параметры взаимодействия первого порядка основан на больших концентрациях в жидком железе легирующих элементов (Иванов Д.И. Механизм высокотемпературной коррозии жаростойкой хромоникелевой стали / Д.И Иванов, А.А. Кожухов, Л.Ф. Уразова // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2016. - Том 59. - №3. - С. 180-184). Расчет через мольные доли компонентов даст менее точные результаты.The calculation was carried out using a technique based on taking into account the first-order interaction parameters. The choice of a methodology for calculating activity through first-order interaction parameters is based on high concentrations of alloying elements in the liquid iron (Ivanov D.I. Mechanism of high-temperature corrosion of heat-resistant chromium-nickel steel / D.I. Ivanov, A.A. Kozhukhov, L.F. Urazova // Izvestiya higher educational institutions. Ferrous metallurgy. - 2016. - Volume 59. - No. 3. - S. 180-184). Calculation through the mole fractions of the components will give less accurate results.

Figure 00000006
Figure 00000006

Для расчета активности хрома были приняты содержания углерода в диапазоне 0,1-0,4% с шагом 0,1%, что находится в пределах марочного состава стали 40Х24Н12СЛ и содержания кремния в пределах 0,5-2,0% с шагом 0,5%, что за пределами марочного состава стали 40Х24Н12СЛ (кремний в стали ограничен в пределах 0,5-1,5%). Данные расчета представлены в таблице 5.To calculate the activity of chromium, the carbon content was taken in the range of 0.1-0.4% with a step of 0.1%, which is within the grade composition of steel 40Kh24N12SL and the silicon content in the range of 0.5-2.0% with a step of 0, 5%, which is outside the grade composition of steel 40Kh24N12SL (silicon in steel is limited to 0.5-1.5%). The calculation data are presented in table 5.

По данным расчета таблицы 6 были построены графические зависимости влияния содержания углерода и кремния на коэффициент активности хрома в жидком расплаве при температуре 1500°С (рисунок 4) и влияния химического состава стали на активность хрома в расплаве (рисунок 5).According to the calculation of Table 6, graphical dependences of the effect of carbon and silicon on the coefficient of activity of chromium in a liquid melt at a temperature of 1500 ° C (Figure 4) and the effect of the chemical composition of steel on the activity of chromium in the melt (Figure 5) were constructed.

Из графических зависимостей (рисунок 4 и 5) видно, что коэффициент активности хрома как и активность в жидком расплаве по отношению к 1%-ному стандартному состоянию уменьшаются при увеличении концентраций как кремния от 0,5 до 2,0% так и углерода от 0,1 до 0,4% линейно. Причем повышение содержания углерода уменьшает активность хрома намного сильнее, чем повышение содержания кремния.The graphical dependencies (Figures 4 and 5) show that the coefficient of activity of chromium as well as activity in a liquid melt with respect to the 1% standard state decreases with increasing concentrations of both silicon from 0.5 to 2.0% and carbon from 0 , 1 to 0.4% linearly. Moreover, an increase in carbon content reduces the activity of chromium much more than an increase in silicon content.

Figure 00000007
Figure 00000007

В результате вышеизложенного, можно сделать вывод: для снижения угара дорогостоящего легирующего элемента - хрома вовремя плавки стали 40Х24Н12СЛ необходимо вводить в плавку максимальное количество углерода, предусмотренное марочным составом стали - 0,4%±0,02%, и до 2% кремния, что выше марочного состава стали на 0,5% от верхнего предела. Необходимо заметить, что высокое содержание углерода повысит количество аустенита в стали, что является положительным фактором для эксплуатационных характеристик, как описано в главе 4, а повышение содержания кремния на 0,5% окажет минимальное воздействие на аустенитно-ферритный баланс но повысит жаропрочность и износостойкость.As a result of the foregoing, we can conclude: to reduce the fumes of an expensive alloying element - chromium during the melting of 40Kh24N12SL steel, it is necessary to introduce the maximum amount of carbon provided by the grade steel composition - 0.4% ± 0.02%, and up to 2% silicon, which higher than the grade composition of steel by 0.5% of the upper limit. It should be noted that a high carbon content will increase the amount of austenite in steel, which is a positive factor for performance, as described in Chapter 4, and a 0.5% increase in silicon will have a minimal effect on the austenitic-ferritic balance but will increase heat resistance and wear resistance.

5.2. Разработка режима термической обработки колосников после литья из стали 40Х24Н12СЛ с откорректированным химическим составом5.2. Development of a heat treatment regime for grate after casting from steel 40X24N12SL with adjusted chemical composition

Для повышения сопротивляемости МКК колосников отечественного производства из аустенитно-ферритной стали 40Х24Н12СЛ по ГОСТ 977-88 и СТП 26.260.484-2005 предусмотрена термообработка: закалка при температуре 1100°С на протяжении 60 мин и охлаждением на воздухе, в воде или масле. Можно сделать вывод, что предусмотренного режима термообработки колосников недостаточно для предотвращения протекания МКК.To increase the resistance of MCC to grates of domestic production from austenitic-ferritic steel 40X24N12SL according to GOST 977-88 and STP 26.260.484-2005, heat treatment is provided: quenching at a temperature of 1100 ° C for 60 minutes and cooling in air, in water or oil. We can conclude that the provided heat treatment regime of the grate is not enough to prevent the occurrence of the MCC.

Исходя из того, что карбиды растворяются при температурах: 723°С - (CrFe)7C3 и 1100°С - (CrFe)23C6 (Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин: учеб. пособие / О.Ю. Елагина.- М.: Логос, 2009.- 488 с.: ил. - (Новая университетская библиотека) - ISBN 978-5-98704-450-6) - нагревать сталь при закалке ниже 1100°С не целесообразно. Но при этом, растворимость углерода в аустените гораздо выше, чем в феррите. Следовательно, если в структуре стали при закалке произойдет превращение аустенита в феррит (γ→α) - большое количество углерода перейдет в карбиды хрома. При температурах выше 1100°С структура стали переходит линию γ-сольвус и попадает в область существования двухфазной аустенито-ферритной структуры (α+γ). При этом, в интервале температур 1100-1200°С количество феррита (α) в стали будет расти, а при температуре выше 1200°С и вовсе будет максимальным, т.к. произойдет полное γ→α превращение (анализ произведен при помощи диаграммы псевдобинарных сечений тройной системы: Fe-Cr-Ni, при содержании железа 60%). Таким образом, перегрев стали 40Х24Н12СЛ выше 1100°С приведет к γ→α переходу, что увеличит склонность стали к МКК. Проанализировав температуру закалки можно сделать вывод что она оптимальна, таким образом, высокая склонность колосников к МКК связана именно с недостаточностью времени выдержки стали при этой температуре и с недостаточностью подобранного режима термообработки.Based on the fact that carbides dissolve at temperatures: 723 ° С - (CrFe) 7 C 3 and 1100 ° С - (CrFe) 23 C 6 (Elagina O.Yu. Technological methods to increase the wear resistance of machine parts: textbook / O. Y. Elagina.- M .: Logos, 2009.- 488 pp .: ill. - (New University Library) - ISBN 978-5-98704-450-6) - it is not advisable to heat steel when hardening below 1100 ° С. But at the same time, the solubility of carbon in austenite is much higher than in ferrite. Therefore, if austenite is converted to ferrite (γ → α) in the steel structure during quenching, a large amount of carbon will be converted to chromium carbides. At temperatures above 1100 ° С, the steel structure passes the γ-solvus line and falls into the region of existence of the two-phase austenite-ferrite structure (α + γ). At the same time, in the temperature range 1100-1200 ° С, the amount of ferrite (α) in steel will increase, and at a temperature above 1200 ° С it will be at all maximum, because the full γ → α transformation will occur (analysis was performed using a diagram of pseudobinary cross sections of the ternary system: Fe-Cr-Ni, with an iron content of 60%). Thus, overheating of steel 40Kh24N12SL above 1100 ° C will lead to a γ → α transition, which will increase the tendency of steel to MKC. After analyzing the hardening temperature, we can conclude that it is optimal, thus, the high tendency of grate bars to MKC is connected precisely with the insufficient exposure time of steel at this temperature and with the insufficiency of the selected heat treatment mode.

Длительность выдержки при подборе режима термообработки для высоколегированных сталей и сплавов устанавливается в зависимости от времени протекания диффузионных процессов, и стандартное время выдержки в зависимости от толщины изделия (как в источниках (Shubadeeva L.I., Revyakina O.K., Makarchuk Т.В., Gurvich L.Ya.The effect of heatings on corrosion resistance of 12Kh18N10T stainless steel // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surface. 1996. V.2 - P. 119) и СТП 26.260.484-2005) будет неприемлемым. Исходя из этих соображений, также можно сделать вывод, что для стали 40Х24Н12СЛ время выдержки должно подбираться исходя из содержания карбидообразующих элементов, т.е. для того, чтобы режим термообработки был эффективен независимо от химического состава разных плавок (был воспроизводим) - необходимо, чтобы карбидообразующие элементы (углерод и хром) находились в достаточно ограниченных пределах. Если количество хрома ограничено в достаточной степени по ГОСТ 977-88, то количество углерода имеет ограничение лишь по верхнему пределу: не более чем 0,4%. Столь широкий диапазон возможного содержания углерода, не позволит производить термическую обработку колосников разных плавок по одному режиму без ущерба для качества, помимо этого, такой диапазон содержания углерода может привести к резким изменениям соотношения аустенита и феррита в стали. В результате, предложено ограничить количество углерода, не выходя за рамки требований ГОСТ 977-88, в пределах: 0,30-0,40%.The exposure time when choosing a heat treatment mode for high alloy steels and alloys is set depending on the duration of diffusion processes, and the standard exposure time depending on the thickness of the product (as in the sources (Shubadeeva LI, Revyakina OK, Makarchuk T.V., Gurvich L.Ya .The effect of heatings on corrosion resistance of 12Kh18N10T stainless steel // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surface. 1996. V.2 - P. 119) and STP 26.260.484-2005) will be unacceptable. Based on these considerations, it can also be concluded that for 40Kh24N12SL steel, the holding time should be selected based on the content of carbide-forming elements, i.e. in order for the heat treatment mode to be effective regardless of the chemical composition of different melts (to be reproducible), it is necessary that the carbide-forming elements (carbon and chromium) are within rather limited limits. If the amount of chromium is sufficiently limited according to GOST 977-88, then the amount of carbon is limited only by the upper limit: not more than 0.4%. Such a wide range of possible carbon content will not allow heat treatment of grates of different heats in one mode without sacrificing quality, in addition, such a range of carbon content can lead to sharp changes in the ratio of austenite and ferrite in steel. As a result, it is proposed to limit the amount of carbon, without going beyond the requirements of GOST 977-88, in the range: 0.30-0.40%.

Выбор такого диапазона содержания углерода обусловлен целесообразностью снижения ферритной фазы в колосниках. При этом содержании углерода доля ферритной фазы в колосниках не будет превышать 7% (оценка при помощи структурной диаграммы нержавеющих сталей не подвергнутых термической обработке (Гуляев А.П., Металловедение: учеб. для студентов вузов / А.П. Гуляев. - 5-е изд., перераб. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с)).The choice of such a range of carbon content is due to the advisability of reducing the ferritic phase in the grate. At this carbon content, the proportion of the ferritic phase in the grate will not exceed 7% (assessment using a structural diagram of stainless steels not subjected to heat treatment (Gulyaev A.P., Metallurgy: textbook for university students / A.P. Gulyaev. - 5- ed., revised. - M.: Metallurgy, 1977. - 647 c)).

Для исключения возможности протекания МКК предлагается стабилизировать структуру колосника до состояния, исключающего интенсивное неконтролируемое карбидообразование во время эксплуатации (приближение структуры металла к состоянию «равновесия» при эксплуатационных температурах). Для этого необходимо провести термообработку детали после литья:To exclude the possibility of MCC flowing, it is proposed to stabilize the grate structure to a state that excludes intensive uncontrolled carbide formation during operation (the metal structure approaches the “equilibrium” state at operating temperatures). To do this, it is necessary to conduct heat treatment of the part after casting:

Закалку - чтобы крупные первичные (эвтектические) карбиды частично растворились в структуре металла, оставив точечные участки, способные служить центрами выделения карбидов при последующем отпуске и эксплуатации, а количество аустенита (γ) в структуре стали было максимальным. Для сокращения склонности к МКК, оставшиеся в структуре металла после закалки карбидные выделения должны иметь относительно небольшие остаточные размеры первичных выделений (диаметром или шириной до 5 мкм), характер выделений - в виде глобулей и расстояние между крупными выделениями не менее 15 мкм (Колокольцев В.М., Гольцов А.С, Столяров А.М. Выбор нового состава жароизносостойкого чугуна. Литейное производство. 2013. №6. С. 2-7).Hardening - so that large primary (eutectic) carbides partially dissolve in the metal structure, leaving point sites that can serve as centers for carbide precipitation during subsequent tempering and operation, and the amount of austenite (γ) in the steel structure is maximum. To reduce the tendency to MCC, carbide precipitates remaining in the metal structure after quenching should have relatively small residual sizes of primary precipitates (with a diameter or width of up to 5 μm), the nature of the precipitates in the form of globules and the distance between large precipitates is not less than 15 μm (Kolokoltsev V. M., Goltsov A.S., Stolyarov A.M. Choice of a new composition of heat-resistant cast iron. Foundry. 2013. No. 6. P. 2-7).

Отпуск - для активации процесса роста, коагулирования и создания новых центров выделения карбидных фаз, в результате отпуска необходимо создать структуру, при которой исключается возможность образования сплошных выделений карбидов, которые образовываются по границам дендритов и зерен в процессе эксплуатации. Таким образом, в структуре после отпуска необходимо иметь большее количество новых мелких карбидных выделений на достаточном расстоянии друг от друга, которые будут служить центрами выделения новой карбидной фазы при эксплуатации, при этом, крупные карбиды должны иметь более благоприятную форму - глобулей.Vacation - in order to activate the process of growth, coagulation and the creation of new centers for the precipitation of carbide phases, as a result of tempering, it is necessary to create a structure in which the possibility of the formation of continuous precipitates of carbides, which are formed along the boundaries of dendrites and grains during operation, is excluded. Thus, in the structure after tempering, it is necessary to have a large number of new small carbide precipitates at a sufficient distance from each other, which will serve as centers for the precipitation of a new carbide phase during operation, while large carbides should have a more favorable shape - globules.

Для изыскания оптимальных параметров термообработки колосников обжиговых тележек из стали 40Х24Н12СЛ были проведены сравнительные металлографические исследования колосников, изготовленных по стандартной технологии, до эксплуатации (рисунок 6 а, б) и после 3 и 8 месяцев эксплуатации (рисунок 6 в, г), а также литых кубиков, изготовленных для определения оптимальных параметров опытного режима термообработки размерами 40×40×40 мм из стали 40Х24Н12СЛ с содержанием углерода в пределах 0,30-0,40% после закалки (рисунок 6, д) и после закалки и отпуска (рисунок 6, е).To find the optimal heat treatment parameters for the grates of the firing trolleys made of 40Kh24N12SL steel, comparative metallographic studies of the grates made according to standard technology were carried out before operation (Figure 6 a, b) and after 3 and 8 months of operation (Figure 6 c, d), as well as cast cubes made to determine the optimal parameters of the experimental regime of heat treatment with dimensions of 40 × 40 × 40 mm from steel 40Kh24N12SL with a carbon content in the range of 0.30-0.40% after quenching (Figure 6, e) and after quenching and tempering (Figure 6, e).

Металлографические исследования микроструктуры проводились при помощи анализатора изображений, состоящего из металлографического микроскопа MEIJI TECHNO IM7200, телевизионной камеры и компьютера с программой анализа изображения THIXOMET PRO. Целью исследований было: оценка размеров и расположения карбидных выделений после каждого этапа предложенной технологии получения колосников, и сравнение результатов микроисследования опытных колосников и колосников после эксплуатации.Metallographic studies of the microstructure were carried out using an image analyzer consisting of a MEIJI TECHNO IM7200 metallographic microscope, a television camera and a computer with the THIXOMET PRO image analysis program. The aim of the research was: to evaluate the size and location of carbide precipitates after each stage of the proposed technology for producing grates, and to compare the results of micro-research of experimental grates and grates after operation.

В результате анализа микроструктуры колосников, изготовленных по стандартной технологии (закалка после разливки) было установлено, что они имеют склонность к развитию МКК из-за наличия неблагоприятной литой структуры детали, сохранившейся после закалки, которая имеет в своем составе карбидную сетку толщиной до 2 мкм (рисунок 6, а) и крупные карбидные выделения в междендритных участках толщиной до 25 мкм (рисунок 6, б). В структуре колосников после закалки по стандартной технологии наблюдаются первичные (эвтектические) карбиды и карбиды, выделившиеся из твердого раствора после литья. При этом твердый раствор остается в состояние далеком от равновесного. Помимо этого очевидно, что структура детали по сечению не однородна, количество карбидов и их размеры возрастают от периферии к центру отливки. Это объясняется общей теорией кристаллизации - средняя часть отливки затвердевает позже периферии, в результате чего из-за дендритной ликвации, в центральной зоне образуются участки с содержанием легирующих и примесных элементов значительно превышающих их среднее содержание. Стоит отметить, что после литья в колосниках отсутствуют карбиды, выделившиеся внутри зерен (рисунок 6, а, б).As a result of the analysis of the microstructure of grates made using standard technology (quenching after casting), it was found that they have a tendency to develop MCC due to the unfavorable cast structure of the part preserved after quenching, which has a carbide mesh up to 2 μm thick ( Figure 6, a) and large carbide precipitates in the interdendritic areas up to 25 μm thick (Figure 6, b). In the grate structure after quenching by standard technology, primary (eutectic) carbides and carbides are observed which are precipitated from the solid solution after casting. In this case, the solid solution remains in a state far from equilibrium. In addition, it is obvious that the structure of the part along the cross section is not uniform, the number of carbides and their sizes increase from the periphery to the center of the casting. This is explained by the general theory of crystallization - the middle part of the casting hardens later than the periphery, as a result of which, due to dendritic segregation, sections with the content of alloying and impurity elements significantly exceeding their average content are formed in the central zone. It is worth noting that after casting there are no carbides precipitated inside the grains in the grates (Figure 6, a, b).

Микроанализ колосников после 3-х месяцев эксплуатации показал, что в процессе эксплуатации в колосниках интенсивно протекает процесс карбидообразования (рисунок 6, в), по границам дендритов и зерен происходит обильное выделение и рост уже имеющихся карбидных выделений, а расстояния между этими выделениями очень малы (между карбидами диматром более 1 мкм расстояния находятся в пределах 0,5-4,0 мкм). При столь малых расстояниях между карбидными выделениями процесс развития МКК при дальнейшей эксплуатации неминуем. Необходимо отметить, что по имеющимся данным (рисунка 6, в) видно, что некоторые карбиды начали коагулироваться и образовывать крупные карбиды с большой протяженностью границ, а внутри зерен наблюдается массовое выделение очень мелких карбидов (рисунок 6, в), что объясняется сравнительно низкой диффузионной подвижностью атомов хрома, большим размером зерна, большим временем, необходимым для образования устойчивого зародыша новой фазы внутри зерна. Очевидно, что процесс МКК активно протекает в структуре колосников с момента начала эксплуатации.Microanalysis of grates after 3 months of operation showed that carbide formation intensively takes place in the grates during operation (Figure 6, c), abundant precipitation and growth of existing carbide precipitates occurs along the boundaries of dendrites and grains, and the distances between these precipitates are very small ( between carbides with a dimatra of more than 1 μm, the distances are in the range of 0.5-4.0 μm). At such small distances between carbide deposits, the development of MCC during further operation is inevitable. It should be noted that according to the available data (Figure 6, c), it is clear that some carbides began to coagulate and form large carbides with a large length of the boundaries, and inside the grains there is a massive release of very small carbides (Figure 6, c), which is explained by the relatively low diffusion mobility of chromium atoms, large grain size, long time necessary for the formation of a stable nucleus of a new phase inside the grain. It is obvious that the MCC process has been actively proceeding in the structure of grate bars since the start of operation.

Локальные выделения карбидной фазы именно в междендритных участках и на границах зерен объясняется общими законами кристаллизации - границы богаты центрами кристаллизации, а энергия активации процесса на границе меньше, чем в глубине зерна. Наличие на границах остатков карбидов, с достаточной плотностью выделения, от предыдущего состояния металла, не требует затрат энергии на образование зародыша, поэтому процесс выделения карбидов протекает преимущественно посредствам роста и коагулирования этих остатков.The local precipitation of the carbide phase in the interdendritic regions and at the grain boundaries is explained by the general laws of crystallization - the boundaries are rich in crystallization centers, and the activation energy of the process at the boundary is less than in the depth of the grain. The presence at the boundaries of carbide residues, with a sufficient release density, from the previous state of the metal, does not require energy for the formation of the nucleus, therefore, the process of carbide precipitation proceeds mainly through the growth and coagulation of these residues.

В колосниках после 8-и месяцев эксплуатации образуется карбидная сетка по границам зерен (рисунок 6, г), что сопровождается обесхромливанием прилегающих к границам зерен участков матрицы и, следовательно, материал становится особо склонным к МКК. После 8-и месяцев эксплуатации в структуре металла отчетливо видны более крупные карбидные выделения, по сравнению с данными, полученными после 3-х месяцев эксплуатации. Процесс развития МКК уже в финальной стадии - колосники после 8-и месяцев эксплуатации активно выходят из строя по причине МКК.After 8 months of operation, a carbide network is formed in the grates along the grain boundaries (Figure 6, d), which is accompanied by the dehumidification of the matrix sections adjacent to the grain boundaries and, therefore, the material becomes especially prone to MKC. After 8 months of operation, larger carbide precipitates are clearly visible in the metal structure, compared with data obtained after 3 months of operation. The development of the IWC is already in the final stage - the grate after 8 months of operation is actively failing due to the IWC.

Результаты исследования колосников, изготовленных по стандартной технологии (закалка после разливки при 1100°С на протяжении 60 мин) до и после эксплуатации, подтверждают вывод, что для исключения возможности протекания МКК стандартной технологии термообработки недостаточно.The results of the study of grates made according to standard technology (quenching after casting at 1100 ° C for 60 minutes) before and after operation confirm the conclusion that standard heat treatment technology is not enough to exclude the possibility of MCC flowing.

Для исключения возможность протекания МКК в стали 40Х24Н12СЛ, оптимальные параметры термообработки определялись экспериментально.To exclude the possibility of MCC flowing in 40Kh24N12SL steel, the optimal heat treatment parameters were determined experimentally.

Для закалки, как указывалось ранее, температура подобрана оптимальным образом (1100°С), поэтому при закалке подбиралось только время выдержки. Три литых образца, из стали 40Х24Н12СЛ с ограничением по содержанию углерода 0,30-0,40%, выдерживались на протяжении 70, 80 и 90 минут. При времени выдержи в 70 минут результаты микроанализы были схожими с данными рисунка 6, б. Крупные карбидные выделения только начали растворятся и расстояния между остатками были 2-4 мкм. Стоит отметить, что карбидная сетка не была обнаружена. После выдержки в 80 и в 90 минут результаты были практически идентичными: первичные карбиды растворились в матрице металла не полностью, оставшиеся карбидные выделения имели средние размеры (ширина до 5 мкм) и малую протяженность вдоль границ зерен, при этом расстояния между крупными выделениями (остатками от первичных карбидов) составляли от 2 до 5 мкм (рисунок 6, д). Таким образом, оптимальное время выдержки под закалку при температуре 1100°С составляет 80 мин (рисунок 7).For hardening, as indicated earlier, the temperature was optimally selected (1100 ° C), therefore, only the holding time was selected during hardening. Three cast samples, made of steel 40Kh24N12SL with a carbon content limit of 0.30-0.40%, were aged for 70, 80 and 90 minutes. At a holding time of 70 minutes, the results of microanalysis were similar to the data in Figure 6, b. Large carbide precipitates just started to dissolve and the distance between the residues was 2-4 microns. It is worth noting that no carbide mesh was detected. After exposure at 80 and 90 minutes, the results were almost identical: the primary carbides were not completely dissolved in the metal matrix, the remaining carbide precipitates had medium sizes (width up to 5 μm) and a small length along the grain boundaries, while the distances between large precipitates (residues from primary carbides) ranged from 2 to 5 μm (Figure 6, e). Thus, the optimal exposure time for hardening at a temperature of 1100 ° C is 80 min (Figure 7).

Нужно помнить, что даже оптимальная закалка не приводит структуру стали к «равновесному» состоянию, а напротив, количество избыточного углерода, который может выделиться при последующей эксплуатации в карбиды хрома только увеличивается. Учитывая характер эксплуатации колосников (естественное наличие локальных перегревов в верхней зоне детали) и большую диффузионную подвижность атомов углерода - все это резко увеличивает склонность закаленных колосников к МКК именно в зонах перегрева. Таким образом: после закалки необходимо стабилизировать структуру стали по всему сечению детали (карбиды должны располагаться равномерно по всей структуре детали, что исключит возможность неконтролируемого обильного карбидообразования в зонах перегрева детали при эксплуатации).It must be remembered that even optimal hardening does not lead to a “equilibrium” state of the steel structure, but on the contrary, the amount of excess carbon that can be released during subsequent operation in chromium carbides only increases. Given the nature of the operation of the grate (the natural presence of local overheating in the upper zone of the part) and the high diffusion mobility of carbon atoms - all this sharply increases the tendency of quenched grate to MCC precisely in the overheating zones. Thus: after hardening, it is necessary to stabilize the steel structure over the entire cross section of the part (carbides should be evenly distributed over the entire structure of the part, which eliminates the possibility of uncontrolled abundant carbide formation in the areas of overheating of the part during operation).

Для стабилизации структуры стали после закалки необходимо провести отпуск. Температура отпуска была определена предварительно в пределах 900-910°С. Известно (Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин: учеб. пособие / О.Ю. Елагина.- М.: Логос, 2009. - 488 с.: ил. - (Новая университетская библиотека) - ISBN 978-5-98704-450-6), что при температурах выше критической температуры А3 резко увеличивается диффузия, температура А3 для стали 40Х24Н12СЛ находится в пределах 850-880°С. Стоит отметить, что при более низких температурах процесс роста и коагулирования карбидных фаз активно не развивается (Колесов, А.А. Способы повышения износостойкости хромоникелевой стали 12Х18Н9Т аустенитного класса / А.А. Колесов, В.А. Иванова // Шестьдесят девятая всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. Ярославль: сб. материалов конф. [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издат. дом ЯГТУ, 2016, С. 834-837-1 электрон, опт. диск (CDROM). - ISBN 978-5-9914-0524-9). Помимо этого, существует риск обильного выделения плотноупакованной σ-фазы, охручивающей металл, которая выделяется в интервале температур 600-900°С.To stabilize the structure of the steel after quenching, it is necessary to conduct a vacation. The tempering temperature was previously determined in the range of 900-910 ° C. It is known (Elagina O.Yu. Technological methods for increasing the wear resistance of machine parts: textbook / O.Yu. Elagina.- M .: Logos, 2009. - 488 pp., Ill. - (New University Library) - ISBN 978-5 -98704-450-6), that at temperatures above the critical temperature A 3 diffusion sharply increases, the temperature A 3 for steel 40Kh24N12SL is in the range of 850-880 ° C. It is worth noting that, at lower temperatures, the process of growth and coagulation of carbide phases does not actively develop (Kolesov, A.A. Ways to increase the wear resistance of austenitic chromium-nickel steel 12X18H9T / A.A. Kolesov, V.A. Ivanova // Sixty-ninth All-Russian Scientific -technical conference of students, undergraduates and graduate students of higher educational institutions with international participation. Yaroslavl: collection of materials conf. [Electronic resource]. - Yaroslavl: Publishing house of YAGTU, 2016, S. 834-837-1 electron, opt. disk ( CDROM). - ISBN 978-5-9914-0524-9). In addition, there is a risk of abundant release of a close-packed σ-phase, twisting the metal, which is released in the temperature range of 600-900 ° C.

Длительность отпуска, как и для закалки, определялась экспериментально. Для диффузионных процессов внутри твердого металла необходимо большое время, и чем ниже температура металла - тем большее время необходимо. Таким образом, были проведены испытания на трех литых образцах, из стали 40Х24Н12СЛ с ограничением по содержанию углерода 0,30-0,40% после закалки по подобранному ранее режиму. Длительность выдержки образцов составляла 100, 150 и 200 минут при температуре 900°С. После отпуска в течении 100 минут закаленных колосников наблюдалось укрупнение остаточных карбидов шириной до 8 мкм, при этом зарождение новых зародышей, которые могли бы служить центрами выделения новой карбидной фазы при эксплуатации практически не наблюдалось. После выдержки в течение 150 минут произошло обильное выделение карбидов мелкого размера (до 1 мкм) в междендритных участках, а также на границах зерен равномерно по всей структуре колосника. Оставшиеся после закалки карбиды начали округляться и расти (ширина до 10 мкм) (рисунок 6, е). После выдержки в течение 200 минут установлено, что процессы выделения и роста карбидов протекали крайне медленно. Первичные крупные карбиды имели ширину до 10 мкм, т.е. практически не увеличились в размерах. Новых карбидных выделений практически не наблюдалось, а небольшие изменения в выделении новой карбидной фазы можно было наблюдать только при больших увеличениях мелких карбидов, т.е. при выдержке 200 минут в основном происходит незначительный рост уже имеющихся карбидных выделений. Таким образом процессы, протекающие в структуре металла при отпуске на протяжении более 150 минут (после закалки), могут протекать и при эксплуатации не увеличивая склонность колосников к МКК.The duration of the vacation, as for hardening, was determined experimentally. Diffusion processes inside a solid metal take a long time, and the lower the temperature of the metal, the longer it takes. Thus, tests were carried out on three cast specimens made of 40Kh24N12SL steel with a carbon content limitation of 0.30-0.40% after quenching according to the previously selected mode. The exposure time of the samples was 100, 150 and 200 minutes at a temperature of 900 ° C. After tempering the grates for 100 minutes, coarsening of residual carbides up to 8 μm wide was observed, while the nucleation of new nuclei, which could serve as centers for the precipitation of a new carbide phase during operation, was practically not observed. After exposure for 150 minutes, abundant precipitation of small carbides of small size (up to 1 μm) occurred in the interdendritic areas, as well as at the grain boundaries, uniformly throughout the grate structure. The carbides remaining after quenching began to round and grow (width up to 10 μm) (Figure 6, f). After exposure for 200 minutes, it was found that the processes of precipitation and growth of carbides proceeded extremely slowly. Primary large carbides had a width of up to 10 μm, i.e. practically did not increase in size. Almost no new carbide precipitates were observed, and small changes in the precipitation of a new carbide phase could be observed only at large increases in small carbides, i.e. with an exposure of 200 minutes, there is mainly a slight increase in existing carbide precipitates. Thus, the processes occurring in the metal structure during tempering for more than 150 minutes (after quenching) can also occur during operation without increasing the tendency of grates to MKK.

После отпуска на протяжении 150 минут в структуре стали создано большое количество новых центров для выделения карбидов на границах дендритов и зерен по всей структуре детали, а интенсивность этого процесса значительно снижена из-за приведения материала к более равновесному состоянию при температурах близких к эксплуатационным. В результате проведения процедуры отпуска снижена интенсивность перераспределения объемов в колосниках при их эксплуатации (выделение карбидов и фазовый переход α↔γ). В структуре стали после отпуска отсутствуют крупные карбиды и карбидная сетка. Таким образом, процедура отпуска позволила устранить склонность колосников к МКК в процессе эксплуатации. Исходя из изложенного, оптимальный режим отпуска после закалки - выдержка при температуре 900°С на протяжении 150 минут (рисунок 7).After tempering for 150 minutes, a large number of new centers were created in the steel structure for the precipitation of carbides at the boundaries of dendrites and grains over the entire structure of the part, and the intensity of this process was significantly reduced due to bringing the material to a more equilibrium state at temperatures close to operational. As a result of the tempering procedure, the intensity of volume redistribution in the grid-irons during their operation (carbide precipitation and α↔γ phase transition) is reduced. After tempering, the steel structure lacks large carbides and a carbide mesh. Thus, the tempering procedure made it possible to eliminate the tendency of grid-irons to MKK during operation. Based on the foregoing, the optimal tempering regime after quenching is holding at a temperature of 900 ° C for 150 minutes (Figure 7).

При изготовлении колосников из аустенитно-ферритной стали 40Х24Н12СЛ широко применяется закалка идентичная описанной, но рекомендованное время выдержки при закалке указано стандартное (в зависимости от толщины изделия) или не указано вовсе (ГОСТ 977-88, СТП 26.260.484-2005). В проделанной работе установлено, что такой подход в направлении борьбы с МКК в структуре стали 40Х24Н12СЛН неприемлем. При этом, в комплексе, закалка с отпуском для стабилизации структуры и исключения протекания МКК широкого применения не нашла. Для металлургической практики - применение высокотемпературного отпуска для борьбы со склонностью к МКК - явление не распространенное. В большинстве случаев отпуск применяется для достижения определенных механических характеристик (что оговорено во многих ГОСТ: 5582-75, 5949-61, 7350-77). Подобранный опытный режим отпуска схож со стабилизирующим отжигом хромоникелевых сталей после сварки (Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1966. - 284 с), который проводится для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды ниобия и титана, при этом освободившийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали (обычно температура отжига составляет 850-950°С), что несколько отличается от превращений, протекающих в структуре стали 40Х24Н12СЛ - переход избыточного углерода в карбиды хрома и железа по границам дендритов и последующая «стабилизация» структуры.In the manufacture of grates from austenitic-ferritic steel 40Kh24N12SL, quenching is identical to that described, but the recommended holding time for quenching is indicated standard (depending on the thickness of the product) or not at all (GOST 977-88, STP 26.260.484-2005). In the work done, it was established that such an approach in the direction of combating MKK in the structure of steel 40Kh24N12SLN is unacceptable. At the same time, in the complex, quenching with tempering to stabilize the structure and prevent the occurrence of MCC did not find wide application. For metallurgical practice, the use of high-temperature tempering to combat the tendency to MCC is not common. In most cases, tempering is used to achieve certain mechanical characteristics (as stipulated in many GOSTs: 5582-75, 5949-61, 7350-77). The selected experimental tempering regime is similar to the stabilizing annealing of chromium-nickel steels after welding (Medovar B.I. Welding of heat-resistant austenitic steels and alloys. M .: Metallurgy, 1966. - 284 s), which is carried out to transfer carbon from chromium carbides to special niobium carbides and titanium, while the released chromium goes to increase the corrosion resistance of steel (usually the annealing temperature is 850-950 ° С), which differs somewhat from the transformations occurring in the structure of steel 40Kh24N12SL - the transition of excess carbon to chromium carbides and iron deza along the boundaries of dendrites and the subsequent "stabilization" of the structure.

Наиболее схожий с опытным режимом термообработки предложен авторами (Shubadeeva L.I., Revyakina O.K., Makarchuk Т.В., Gurvich L.Ya.The effect of heatings on corrosion resistance of 12Kh18N10Т stainless steel//Protection of Metals and Physical Chemistry of Surface. 1996. V. 2 - P. 119): после закалки стали 12X18H10T предлагается проводить стабилизирующий отпуск при температуре 650°С в течение 500 часов. Это объясняется теми же причинами: из-за особенности структуры закаленной стали в интервале температур 500-550°С (температура эксплуатации колосников идентична) происходит образование карбидной сетки М23С6 на базе карбида хрома Сr23С6 по границам зерен, тогда как в отпущенной стали в тех же условиях карбиды равномерно распределяются по всей структуре, что исключает возможность протекания МКК. Главным недостатком предложенного режима отпуска является его высокая стоимость из-за большой длительности процесса, установлено, что предложенного опытного режима отпуска (менее длительная выдержка 150 мин, но при повышенной температуре 900°С) достаточно для исключения возможности протекания МКК в структуре закаленной стали при дальнейшей эксплуатации.The most similar to the experimental heat treatment mode was proposed by the authors (Shubadeeva LI, Revyakina OK, Makarchuk T.V., Gurvich L. Ya. The effect of heatings on corrosion resistance of 12Kh18N10T stainless steel // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surface. 1996. V. 2 - P. 119): after hardening of 12X18H10T steel, it is proposed to carry out stabilizing tempering at a temperature of 650 ° C for 500 hours. This is explained by the same reasons: due to the structural features of hardened steel in the temperature range 500-550 ° C (the operating temperature of the grates is identical), a M 23 C 6 carbide network forms on the basis of Cr 23 C 6 chromium carbide along grain boundaries, whereas under the same conditions, carbides are uniformly distributed throughout the structure, which excludes the possibility of MCC. The main disadvantage of the proposed tempering regime is its high cost due to the long duration of the process, it is established that the proposed experimental tempering regime (shorter exposure time of 150 minutes, but at an elevated temperature of 900 ° C) is sufficient to exclude the possibility of MCC flowing in the structure of hardened steel during further operation.

5.3 Выводы5.3 Conclusions

В стали 40Х24Н12СЛ необходимо ввести нижнее ограничение по содержания углерода (0,30%), тем самым создать условия для воспроизводимости результатов термообработки, что позволит сохранить единство результатов при изготовлении колосников разными поставщиками.In steel 40Kh24N12SL, it is necessary to introduce a lower limit on the carbon content (0.30%), thereby creating conditions for reproducibility of the heat treatment results, which will allow to preserve the unity of results in the manufacture of grates by different suppliers.

Также, необходимо повысить предел содержания кремния в стали 40Х24Н12СЛ с 1,5 до 2,0% для снижения угара дорогостоящих легирующих элементов вовремя плавки стали 40Х24Н12СЛ.It is also necessary to increase the silicon content limit in steel 40Kh24N12SL from 1.5 to 2.0% in order to reduce the burning of expensive alloying elements during the melting of steel 40Kh24N12SL.

Колосники после разливки необходимо подвергать термообработке: закалке при температуре 1100°С длительностью 80 мин и отпуску при температуре 900°С длительностью 150 мин. Закалка позволяет растворить карбидную сетку в литой структуре и измельчить крупные карбидные выделения до средних размеров. После проведения отпуска в структуре стали появляется большое количество мелких карбидов (диаметром менее 1 мкм) равномерно распределенных по всей структуре детали, чего не наблюдалось в закаленной структуре, которые будут служить центрами для выделения карбидной фазы в процессе эксплуатации. При этом процесс карбидообразования замедляется, вследствие приведения структуры к более «равновесному» состоянию. Таким образом, разработанный режим термообработки исключает возможность образования в структуре колосника сплошных выделений карбидов на границах зерен, следовательно, исключает возможность образования МКК в структуре стали 40Х24Н12СЛ.Grids after casting must be subjected to heat treatment: quenching at a temperature of 1100 ° C for 80 minutes and tempering at a temperature of 900 ° C for 150 minutes. Quenching allows you to dissolve the carbide mesh in the cast structure and grind large carbide precipitates to medium size. After tempering, a large number of small carbides (with a diameter of less than 1 μm) appear evenly distributed throughout the structure of the part, which was not observed in the hardened structure, which will serve as centers for the precipitation of the carbide phase during operation. At the same time, the process of carbide formation slows down due to the reduction of the structure to a more "equilibrium" state. Thus, the developed heat treatment regime excludes the possibility of the formation of continuous carbide precipitates at the grain boundaries in the grate structure; therefore, it excludes the possibility of the formation of MCC in the structure of 40Kh24N12SL steel.

6. Технический результат работы (изобретения)6. The technical result of the work (invention)

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаростойким хромоникелевым литым сталям, предназначенных для изготовления деталей, работающих в агрессивных атмосферах с содержанием окислов азота и серы при постоянных теплосменах в интервале температур 20-1100°С, с возможностью выдержать кратковременный нагрев до 1320°С (не более 10 минут).The invention relates to metallurgy, in particular to heat-resistant chromium-nickel cast steels, intended for the manufacture of parts operating in aggressive atmospheres containing nitrogen and sulfur oxides with constant heat changes in the temperature range of 20-1100 ° C, with the ability to withstand short-term heating to 1320 ° C ( no more than 10 minutes).

Техническим результатом изобретения является повышение гарантированного (минимального) срока службы стали с 6 до 12 месяцев при условиях эксплуатации в агрессивных атмосферах с содержанием окислов азота и серы при постоянных теплосменах в интервале температур 20-1100°С, с возможностью выдержать кратковременный нагрев до 1320°С (не более 10 минут).The technical result of the invention is to increase the guaranteed (minimum) service life of steel from 6 to 12 months under operating conditions in aggressive atmospheres containing nitrogen and sulfur oxides with constant heat changes in the temperature range of 20-1100 ° C, with the ability to withstand short-term heating up to 1320 ° C (no more than 10 minutes).

Это достигается тем, что предложенная сталь после разливки подвергается закалке на воздухе (выдержке в течении 80 минут при температуре 1100°С) с последующим отпуском (выдержке в течении 150 минут при температуре 900°С) и содержит модифицированный химический состав для воспроизводимости результатов термообработки, а именно дополнительное (нижнее) ограничение по содержанию углерода - 0,30%. Помимо этого, для уменьшения угара дорогостоящих легирующих элементов - в стали предусмотрен повышенный верхний предел содержания кремния - 2,0%, при соотношении компонентов, вес. %:This is achieved by the fact that the proposed steel after casting is subjected to air quenching (holding for 80 minutes at a temperature of 1100 ° C) followed by tempering (holding for 150 minutes at a temperature of 900 ° C) and contains a modified chemical composition for reproducible heat treatment results, namely, an additional (lower) limit on carbon content is 0.30%. In addition, to reduce the waste of expensive alloying elements - steel has an increased upper limit of the silicon content of 2.0%, with a ratio of components, weight. %:

Углерод 0,30-0,40;Carbon 0.30-0.40;

Кремний 0,50-2,00;Silicon 0.50-2.00;

Марганец 0,30-0,80;Manganese 0.30-0.80;

Хром 22,0-26,0;Chrome 22.0-26.0;

Сера не более 0,030;Sulfur no more than 0,030;

Фосфор не более 0,035;Phosphorus no more than 0,035;

Никель 11,00-13,00;Nickel 11.00-13.00;

Железо - остальное.Iron is the rest.

7. Краткое описание чертежей7. Brief Description of the Drawings

Рисунок 1: новые колосники обжиговой тележки для обжиговой машины ОК-306 (3 шт.), общий вид - для ознакомления с конфигурацией детали.Figure 1: new grates of the roasting trolley for the OK-306 roasting machine (3 pcs.), General view - to familiarize yourself with the configuration of the part.

Рисунок 2: колосники после 6 месяцев эксплуатации: а - установленные на обжиговой тележке, б - средняя часть демонтированного с балок колосника, вид сверху -общий вид протекания межкристаллитной коррозии (МКК) в детали, изготовленной по стандартной технологии (ГОСТ 977-88), уже после 6 месяцев эксплуатации.Figure 2: grates after 6 months of operation: a - mounted on a roasting trolley, b - middle part of the grate removed from the beams, top view - general view of the occurrence of intergranular corrosion (MKK) in a part manufactured by standard technology (GOST 977-88), after 6 months of operation.

Рисунок 3: не травленый шлиф верхней части колосника после 6 месяцев эксплуатации: выделения карбидов в поверхностной зоне 1, коррозия, распространяющаяся по ним 2 и отслаивающиеся участки 3 у «верхней» поверхности не травленого шлифа из колосника после 6 месяцев эксплуатации, увеличение × 150 - исследование под микроскопом колосников, подверженных МКК, доказывающее протекание МККFigure 3: not etched thin section of the upper part of the grate after 6 months of operation: carbide precipitation in surface zone 1, corrosion spreading along them 2 and peeling sections 3 at the “upper” surface of the not etched thin section from the grate after 6 months of operation, magnification × 150 - Microscopic examination of grates exposed to MCC proving the course of MCC

Рисунок 4: влияние содержания углерода и кремния на коэффициент активности хрома в жидком расплаве при температуре 1500°С - повышение содержание углерода уменьшает коэффициент активности хрома, соответственно его угар при плавке.Figure 4: the effect of carbon and silicon on the coefficient of activity of chromium in a liquid melt at a temperature of 1500 ° C - an increase in the carbon content decreases the coefficient of activity of chromium, respectively, its fumes during melting.

Рисунок 5: влияние содержания углерода и кремния на активность хрома в жидком расплаве при температуре 1500°С - повышение содержание кремния уменьшает активность хрома, соответственно его угар при плавке.Figure 5: the effect of carbon and silicon on the activity of chromium in a liquid melt at a temperature of 1500 ° C - an increase in the silicon content reduces the activity of chromium, respectively, its fumes during melting.

Рисунок 6. Микроструктура 1.5 мм от «верхней» поверхности средней части колосников: а - после литья, карбидная сетка толщиной 1-2 мкм по границам первичного аустенитно зерна, б - после литья, крупный первичный карбид с размерами до 25 мкм, в - после 3 месяцев эксплуатации, образование новых карбидов, рост первичных и их коагулирование, г - после 8 месяцев эксплуатации, протекание МКК, д - после литья и закалки, крупные первичные карбиды и карбидная сетка растворены в матрице металла, в структуре остались карбиды средних размеров (до 5 мкм), е - после литья, закалки и отпуска, в структуре металла появились карбиды мелких размеров (до 1 мкм) и незначительно укрупнились карбиды средних размеров (до 10 мкм) - а, б, в, г - эволюция структуры колосника, изготовленного по стандартной технологии (ГОСТ 977-88), во время эксплуатации по механизму МКК, а, д, г - эволюция структуры колосника, во время изготовления по опытной технологии, разница между а и е - разница между стандартной и опытной структурой в новых колосниках.Figure 6. Microstructure 1.5 mm from the “upper” surface of the middle part of the grate: a - after casting, a carbide mesh 1-2 microns thick along the boundaries of the primary austenitic grain, b - after casting, large primary carbide with sizes up to 25 microns, c - after 3 months of operation, the formation of new carbides, the growth of primary carbides and their coagulation, g - after 8 months of operation, the occurrence of MCC, d - after casting and quenching, large primary carbides and a carbide mesh are dissolved in the metal matrix, medium-sized carbides remain in the structure (up to 5 μm), e - after lit I, hardening and tempering, carbides of small sizes (up to 1 μm) appeared in the metal structure and medium-sized carbides (up to 10 μm) were slightly enlarged - a, b, c, d - evolution of the grate structure made according to standard technology (GOST 977- 88), during operation according to the IWC mechanism, a, e, d are the evolution of the grate structure, during production by the experimental technology, the difference between a and e is the difference between the standard and experimental structure in new grates.

Рисунок 7: схема термической обработки колосников из стали 40Х24Н12СЛ - закалка и отпуск на графике зависимости времени и температуры.Figure 7: heat treatment scheme of grates from steel 40X24N12SL - quenching and tempering on the graph of time and temperature.

Claims (3)

1. Способ изготовления колосников обжиговых тележек из литой жаростойкой стали, включающий разливку стали с получением колосников и их термическую обработку путем закалки и отпуска, при этом разливают сталь, содержащую, в мас.%: углерод 0,30-0,40, кремний 0,50-2,00, марганец 0,30-0,80, серу не более 0,030, фосфор не более 0,035, никель 11,00-13,00, хром 22,00-26,00, железо и примеси - остальное, закалку проводят на воздухе при температуре 1100°С в течение 80 минут, а последующий отпуск проводят при температуре 900°С в течение 150 минут с последующим охлаждением в печи или на воздухе.1. A method of manufacturing a grate of roasting trolleys of cast heat-resistant steel, comprising casting steel to obtain grate and heat treatment by quenching and tempering, while casting steel containing, in wt.%: Carbon, 0.30-0.40, silicon 0 , 50-2.00, manganese 0.30-0.80, sulfur not more than 0.030, phosphorus not more than 0.035, nickel 11.00-13.00, chromium 22.00-26.00, iron and impurities - the rest, quenching is carried out in air at a temperature of 1100 ° C for 80 minutes, and subsequent tempering is carried out at a temperature of 900 ° C for 150 minutes, followed by cooling in an oven or air heh. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сталь в качестве примеси содержит алюминий в количестве до 0,07 мас.%.2. The method according to p. 1, characterized in that the steel as an impurity contains aluminum in an amount up to 0.07 wt.%. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сталь в качестве примеси содержит кобальт в количестве до 0,50 мас.%.3. The method according to p. 1, characterized in that the steel as an impurity contains cobalt in an amount up to 0.50 wt.%.
RU2018131970A 2018-11-28 2018-11-28 Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life RU2708728C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018131970A RU2708728C1 (en) 2018-11-28 2018-11-28 Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018131970A RU2708728C1 (en) 2018-11-28 2018-11-28 Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2708728C1 true RU2708728C1 (en) 2019-12-11

Family

ID=69006470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018131970A RU2708728C1 (en) 2018-11-28 2018-11-28 Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2708728C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117428153A (en) * 2023-10-13 2024-01-23 江阴宏创动能科技有限公司 High-strength high-temperature oxidation-resistant grate bar and preparation method thereof

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR754910A (en) * 1933-04-22 1933-11-16 Stainless Steel Corp Stainless steel and its manufacturing process
SU889736A2 (en) * 1980-03-11 1981-12-15 Сибирский Металлургический Институт Им. С.Орджоникидзе Steel
SU1454878A1 (en) * 1987-07-06 1989-01-30 Научно-производственное объединение по механизации, роботизации труда и совершенствованию ремонтного обеспечения на предприятиях черной металлургии "Черметмеханизация" Heat-resistant steel
SU1555392A1 (en) * 1988-06-21 1990-04-07 Научно-производственное объединение по механизации, роботизации труда и совершенствованию ремонтного обеспечения на предприятиях черной металлургии "Черметмеханизация" Steel
RU2124067C1 (en) * 1998-03-11 1998-12-27 Бибиков Алексей Михайлович Heat-resistant steel
RU2369656C2 (en) * 2005-11-07 2009-10-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" Cast heat-resistant steel for fire bars of sinter machines
RU2550457C1 (en) * 2013-12-30 2015-05-10 Денис Игоревич Иванов Cast heat resistant steel

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR754910A (en) * 1933-04-22 1933-11-16 Stainless Steel Corp Stainless steel and its manufacturing process
SU889736A2 (en) * 1980-03-11 1981-12-15 Сибирский Металлургический Институт Им. С.Орджоникидзе Steel
SU1454878A1 (en) * 1987-07-06 1989-01-30 Научно-производственное объединение по механизации, роботизации труда и совершенствованию ремонтного обеспечения на предприятиях черной металлургии "Черметмеханизация" Heat-resistant steel
SU1555392A1 (en) * 1988-06-21 1990-04-07 Научно-производственное объединение по механизации, роботизации труда и совершенствованию ремонтного обеспечения на предприятиях черной металлургии "Черметмеханизация" Steel
RU2124067C1 (en) * 1998-03-11 1998-12-27 Бибиков Алексей Михайлович Heat-resistant steel
RU2369656C2 (en) * 2005-11-07 2009-10-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" Cast heat-resistant steel for fire bars of sinter machines
RU2550457C1 (en) * 2013-12-30 2015-05-10 Денис Игоревич Иванов Cast heat resistant steel

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117428153A (en) * 2023-10-13 2024-01-23 江阴宏创动能科技有限公司 High-strength high-temperature oxidation-resistant grate bar and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5208354B2 (en) Austenitic stainless steel
US5766376A (en) High-strength ferritic heat-resistant steel and method of producing the same
JPH1192885A (en) Austenitic stainless steel with extremely low nickel content
JP2018525520A (en) Microalloying passenger car carbon hub bearing steel and manufacturing method thereof
JP2017057461A (en) Fe-Cr-Ni-BASED ALLOY EXCELLENT IN HIGH TEMPERATURE STRENGTH
CN110643898B (en) Wear-resistant corrosion-resistant nonmagnetic alloy material and preparation method thereof
JP4995131B2 (en) Ferritic heat-resistant steel and heat-resistant structure with excellent creep characteristics in weld heat-affected zone
CN108342661A (en) A kind of fired power generating unit heat-resisting steel alloy material and its manufacturing process
CN111057939A (en) 316H plate and production process thereof
RU2708728C1 (en) Method for manufacturing of grates of burning trolleys with increased operating life
CN112553505A (en) Nickel-based plate and preparation method thereof
JP2013510952A (en) Stainless steel mold steel with small amount of delta ferrite
CN109988927B (en) Method for manufacturing alloy with excellent durability under high-temperature and high-pressure conditions
CN104651743A (en) Multielement composite heat-resistant steel
CN115369401A (en) Corrosion-resistant layer material for laser cladding and preparation method and application thereof
RU2579709C1 (en) High-temperature alloy
RU2550457C1 (en) Cast heat resistant steel
JPH03110097A (en) Wire for welding austenitic stainless steel
RU2536574C2 (en) Blending of martensite stainless steel and esr
RU2395606C1 (en) Heat resistant alloy
RU2700347C1 (en) Heat-resistant alloy
Pressi Impact of Controlled Oxygen Content and Microstructure on the Mechanical Behavior of 13Cr-4Ni Steel
RU2579710C1 (en) High-temperature alloy
RU2577643C1 (en) High-temperature alloy
CN104651749A (en) Medium-carbon multielement heat resistant steel

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201129