Електрометалургійний завод «Дніпроспецсталь» має одну з лідерських позицій на світовому ринку легованих сталей. Накопичений за понад 85 років досвід виробництва сталей з гарантовано високими показниками якості металу постійно доповнюється розробками новітніх технологій та вдосконаленням технологічних схем електросталеплавильного виробництва. Проривний етап у створенні та впровадженні інноваційної металургійної технології — метод електрошлакового переплаву (ЕШП), реалізований на заводі «Дніпроспецсталь» уперше у світовій практиці силами вчених Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона та інженерами заводу «Дніпроспецсталь».

Відзначаючи 60-річчя з дня пуску в експлуатацію комплексу ЕШП, металурги справедливо оцінюють вирішальну роль і значення цього методу в розвитку особливої галузі — спеціальної електрометалургії. Виняткова однорідність структури металу ЕШП визначила високий рівень фізичних і механічних характеристик і властивостей металопродукції для оборонної галузі, хімічного машинобудування, енергомашинобудування та ін. Показники якості електрошлакового металу нині своєрідний еталон для технологій виробництва легованих сталей відповідного призначення.

У висунутій роботі викладено наукові передумови і підсумки створення і розвитку багатостадійних технологій металургійного виробництва марок електросталі підшипникового і корозійностійкого сортаменту для забезпечення гарантованих показників якості металу функціонального призначення і підвищення конкурентоспроможності металопродукції на вітчизняному й закордонних ринках.

Прес 6000 тонн. Фото надані ПрАТ «Дніпроспецсталь

Створення інноваційної технології виробництва електросталі підшипникового сортаменту з регламентованим вмістом і складом неметалевих включень

У структурі електросталеплавильного виробництва ПрАТ «Електрометалургійний завод «Дніпроспецсталь» значний сегмент за обсягом виплавки і в вартісному вираженні займає підшипникова сталь групи ШХ4 ... ШХ15СГ-В відкритої виплавки в дугових печах з позапічною обробкою.

Показник якості підшипникового металу — низький рівень його забрудненості неметалевими включеннями в поєднанні з вимогами регламентації хіміко-мінералогічного складу і розмірів. Вид, кількість включень, як і неоднорідність розподілу карбідної фази, ідентифікують методом оптичної металографії з оцінкою в балах за еталонними шкалами міждержавного стандарту ГОСТ 801-78. Особливість чинного стандарту ГОСТ 801-78 — градація допустимих балів включень з урахуванням профілерозмірів і груп прокату за трьома базовими видами включень — сульфідами, оксидами і глобулями.

Завдання отримання підшипникової сталі з регламентованими типами і вмістом включень посилюється у разі контролю якості прокату за закордонними методами випробувань ASTM E-45 (метод А) (США), DIN 50602 (метод К) (Німеччина), JIS G 4805 (Японія).

Стандарт випробувань ASTM Е-45, який використовують у більшості країн, унормовує два види включень: сульфіди (А) і оксиди. Останні поділяються на три підвиди: В — корунд; пластичні (силікати) (С) і глобулярні (D).

Оксидні включення, які важко деформуються, що класифікуються згідно з ГОСТ 801-78 як «оксиди» і «глобулі», спричиняють найбільш негативний вплив на стійкість підшипників.

На підставі фізико-хімічного моделювання процесів розкислення сталі виконано аналіз реакцій відновлення кальцію із шлакового розплаву і формування включень з урахуванням співвідношення активностей розчинених елементів. За підсумками виконаних досліджень розроблено і з 2009 року впроваджено інноваційну технологію режимів розкислення і легування металу з використанням як комплексного розкислювача легуючого феросилікомарганцю МнС17 (ДСТУ 3548-97) замість високовуглецевого феромарганцю і феросиліцію.

Встановлено, що у разі введення феросилікомарганцю замість феросиліцію ФС65 (із вмістом кальцію 0,4—0,6%) утворюються продукти реакції розкислення металу у вигляді легкоплавких силікатів марганцю, які найповніше асимілюються шлаком під час обробки сталі в ковші-печі шлакоутворювальними сумішами. Науково обґрунтована диверсифікація застосовуваних феросплавів дала змогу знизити вміст кальцію в металі, зменшити забрудненість сталі НВ, особливо глобулярними, підвищити вихід придатного під час оцінки НВ за ГОСТ 801-78 з 1 контролю до 98% і як наслідок забезпечити економічний ефект за рахунок зниження втрат металу через НВ і економії питомих витрат феросплавів на 5 кг/т.

Висока стабільна якість металу, атестованого за методами і нормами закорднних стандартів ASTM E-45 (метод А); DIN 50602 (метод К), WTm 138 та ін. забезпечило підприємству довгострокові замовлення зарубіжних споживачів підшипникового металу і значно розширило експортні можливості ПрАТ «Дніпроспецсталь».

Системний аналіз технології виробництва виплавки корозійностійких сталей з контролем якості металу сучасними методами фізичного матеріалознавства

Щорічне виробництво корозійностійких сталей (КСС) на світовому ринку становить 41,6 млн т (2015). Традиційні галузі застосування КСС — нафтохімія, хімічне та кріогенне машинобудування та оборонна. У структурі виробничої програми ПрАТ «Дніпроспецсталь» частка КСС відповідального призначення сягає 30—40%.

ПрАТ «Дніпроспецсталь» — єдине в Україні підприємство з виробництва прокату й поковок з високоякісних і спеціальних сталей і сплавів різного призначення, зокрема трубної заготовки. Значна частина під час формування фінансового бюджету підприємства залежить від реалізації готової продукції за обсягами виплавки, виробництва прокату й поковок і у вартісному вираженні належить до сортаменту легованих корозійностійких сталей.

На ПрАТ «Дніпроспецсталь» освоєно понад 200 марок корозійностійкої сталі мартенситного, мартенситно-феритного, феритного, аустенітно-феритного і аустенітного класів, зокрема низьковуглецевих сталей із вмістом вуглецю 0,03%, з нормованим вмістом сірки і легованих азотом, а також сталей типу дуплекс.

Технологічна схема виробництва сталей марок 03Х18Н10, 03Х17Н13М2 (тобто марок зі вмістом вуглецю до 0,03%) — виплавка напівпродукту у відкритій дуговій печі (ВДП) з подальшою обробкою розплаву в агрегаті газокисневого рафінування (ГКР). Виплавка сталі марок типу 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т здійснювали або просто в ВДП, або за схемою ВДП+ГКР. Ефективність і переваги розробленої технології виплавки із застосуванням агрегата ГКР такі: виробництво низьковуглецевих (до 0,03%) корозійностійких марок сталей, які широко використовують у світі; ширше використання дешевшого високовуглецевого ферохрому (ФХ 800, ФХ 900) для легування сталі; збільшення ступеня рафінування розплаву й відповідно сталь, менш забруднена неметалічними включеннями.

Задля підвищення техніко-економічних показників виробництва і стабілізації характеристик якості КСС виконано фізико-хімічний аудит впливу параметрів багатоскладової наскрізної технології виплавки та позапічної обробки сталей цього сортаменту засобами фізичного матеріалознавства, оптичної мікроскопії досліджені макро- і мікроструктура сталі. Для формування включень у двофазній зоні та утворення макронеоднорідностей розроблено і впроваджено технологію розливки сталей у виливниці з використанням сучасних тепловставок і утеплювальних матеріалів, що забезпечило зниження браку КСС на стадії прокату за показником «поверхня+УЗК» з 6,0% (2009) до 0,6% (2017).

Один з найважливіших напрямів зниження собівартості виплавки КСС — зниження питомої витрати дорогих феросплавів і легуючих елементів Ni, Сr, Мо, Мn, Si.

Для підвищення ефективності виробництва КСС, зниження собівартості продукції в умовах ПрАТ «Дніпроспецсталь», підвищення конкурентоспроможності металопродукції виконано цілий комплекс робіт. Розроблено технологію виробництва економно легованих КСС, що виплавляють за схемою ВДП-ГКР-УПК і ВДП-УПК. Знижено витрати дорогих легуючих елементів і феросплавів Ni, Сr, Мо, Sі, Ті за рахунок роботи на нижніх допустимих значеннях хімічного складу сталі. Методами математичного аналізу і статистики проаналізовано масиви з кількох сотень плавок КСС. Встановлено, що у певних співвідношеннях хімічного складу металу гарантовано забезпечуються нормативні вимоги механічних властивостей сталі, зокрема в умовах високих температур, вимоги допустимого вмісту альфа-фази в аустенітній корозійностійкій сталі, а також технологічна пластичність під час прокату і число скручувань на гаряче кручення в дослідженні в цеху іспитів. Розроблено звужені межі хімічного складу елементів С, Ni, Сr, Мn, Sі, Мо сталей, що постачають за різними технічними умовами (ГОСТ 5632, ТУ 565, 790, 3844, 3845) й іншими нормативними документами.

Розроблено і впроваджено технологію виробництва трубних заготовок з КСС марок 06-08Х18Н10Т-ВД, а також сталей марок 08Х8Н10Т-Ш і 08Х22Н6Т- Ш для виготовлення труб і посудин, що працюють під тиском з підвищеними вимогами до механічних властивостей (зокрема в умовах високих температур) і неметалевих включень.

Значну увагу науково-технічна спільнота підприємства приділяла проблемним питанням розливання металу та формування зливка сталей функціонального призначення впродовж кристалізації. Запроваджена технологія виготовлення монолітної футеровки ковшів тиксотропними масами зменшила витрати формованих вогнетривів, підвищила тривалість кампанії ковшів з 10 до 60 плавок.

Для розливання підшипникових сталей у зливки 3,6 т розроблено конструкцію безнадставочних виливниць зі збільшеною придатною частиною зливка без використання керамічних тепловставок. Забезпечено раціональні умови кристалізації сталей підшипникового сортаменту, що дало змогу зменшити обрізь із 14,5 до 12,5%.

Використання нових безнадставочних типів виливниць для зливків КСС масою 4,5 та 6,5 т зменшило витрати металу за рахунок зменшення обрізі головної частини зливка з 14,5 до 10,8% і з 16,5 до 11,0% відповідно.

Ці технологічні розробки, впроваджені у широкомасштабне виробництво сталей підшипникового та корозійностійкого сортаменту, захищено авторськими свідоцтвами та патентами України.

Електросталеплавильна піч.

Дослідження закономірностей впливу неметалевих включень на технологічні й фізикомеханічні властивості сталей спеціального призначення

Застосування нових інноваційних технологій електроплавки сталей спеціального призначення дало змогу не тільки знизити вміст у них неметалевих включень, а й отримати регламентовані типи включень, які впливають на технологічну пластичність та структуроутворення у разі деформації злитків та заготовок.

Визначено зміни морфології різних типів неметалевих включень, зокрема гетерофазних, і механізми їх пластичності й руйнування у процесі гарячої прокатки сталей спеціального призначення, а також вплив на утворення дефектів, що призводить до істотного зниження технологічної пластичності. Класифіковано найшкідливіші типи неметалевих включень, які сприяють зниженню технологічної пластичності сталей спеціального призначення. Обґрунтовано механізми та умови утворення тріщин на міжфазних межах включення — матриця завдяки їх декогезії (корунд Al2O3, шпінелі МnО·Al2O3, МgО·Al2O3, FeO·Al2O3), в самих включеннях (MnO.SiO2, FeO.SiO2,TiN, TiCN, TiO, TiO2, Ti2O3, TiO-TiC, FeO-TiO2), зокрема на внутрішніх міжфазних межах гетерофазних включень, а також у сталевій матриці поблизу включень залежно від ступеня їх пластичності, температури, переходу від в’язкого до крихкого руйнування та структури меж включення — матриця. Визначено температури плавлення включень сульфідних, оксисульфідних та силікатних евтектик, які сприяють червоноламкості.

Підсумки досліджень дали змогу науково обґрунтувати нові інноваційні технології електроплавлення, а також режими і схеми нагрівання, гарячої прокатки і охолодження після деформації. Їх використано під час розроблення технологічних інструкцій із проведення різних стадій виробництва заготовок різного сортаменту з легованих нержавіючих і підшипникових сталей. Це дало змогу істотно підвищити технологічну пластичність, фізико-механічні властивості та якість металопродукції, отже й конкурентоспроможність металопродукції виробництва ПрАТ «Електрометалургійний завод «Дніпроспецсталь» на вітчизняному і світовому ринках.

У підсумку виконаних розробок з урахуванням вимог зварюваності КСС створено нові сталі аустенітного, аустенітно-феритного, феритного і мартенситного класів, а також нікелеві сплави. Зниження їх міцності під дією зварювального нагрівання майже не відбувається, вони виокремлюються простотою термічної обробки, високою корозійною стійкістю.

До найперспективніших слід зарахувати розроблені склади аустенітних корозійностійких сталей і сплавів ЕП516 і ЕІ35, холодостійких 03Х20М16АГ6, 03Х13АГ19, 05Х33Г20АН5, ХН60МВЮ, високоміцних мартенситних сталей ЕП810, ЕП767 і ін.

Безперервне розширення сортаменту нових марок сталей зумовлює дедалі складніші завдання не тільки в технології виплавки сталей, а й в царині зварювання. Розв’язуючи ці завдання, в роботі разом із традиційними експериментальними використовували методи математичного моделювання.

Забезпечення заданого комплексу фізико-механічних властивостей, необхідних для конкретних умов експлуатації зварного з’єднання, — основний чинник вивчення зварюваності корозійностійких сталей. При цьому під заданим комплексом фізико-механічних властивостей розуміють відповідний структурний стан зони термічного впливу, механічні властивості матеріалу різних зон з’єднання і відсутність несуцільностей на кшталт гарячих і холодних тріщин.

Виконані комплексні дослідження технологічних параметрів виплавки, позапічної обробки і деформаційного переділу стали підставою для встановлення мінімально допустимих звужених меж вмісту дорогих легуючих елементів у складі корозійностійких сталей. Технологія виплавки сталі Х18Н10Т, яку використовували раніше, в 2003 році забезпечувала середній вміст у металі нікелю і хрому 9,745% і 17,51% відповідно. За підсумками розробленої та впровадженої технології виробництва цієї марки вперше з 2009-го по 2016 рік досягнуто зниження вмісту нікелю і хрому 9,28—9,33 і 17,32—17,38% відповідно.

Якість корозійностійких сталей, вироблених ПрАТ «Дніпроспецсталь», атестовано в сертифікаційних центрах США і Європи для використання трубної заготовки, металопрокату та поковок для конструкцій відповідального призначення.

Основні споживачі трубної заготовки, прокату і поковок — вітчизняні та закордонні замовники: ВО «Південний машинобудівний завод», ДП «АНТОНОВ», ПрАТ «Турбоатом», Науково-виробничий комплекс «Іскра», «Тіссен Крупп», «Штапперт», «Дамшталь, Thyssen hulte, F.Linster (Німеччина), IMS, S.С.А.М, Gruрро Inox, Рrofilinox, Siderval, (Італія); «С.Т.МеталлЦентр», Тhe Аalco (Великобританія); «Магеллан», ТаСhen, Еnergy (США); АSА (Канада); Carpenter (Мексика).

Сумарний економічний ефект від упровадження інноваційних технологій виробництва підшипникових і корозійностійких сталей за період 2004—2017 років становить 254 млн 235 тис. грн.

За темою, висунутою на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2018 року, здобувачі опублікували дев’ять монографій і навчальних посібників, 50 наукових публікацій в академічних журналах «Сучасна електрометалургія», в галузевих науково-технічних виданнях «Сталь», «Електрометалургія», «Металургійна і гірничорудна промисловість»; нові розробки, матеріали і способи виробництва захищено дев’ятьма патентами України.

За підсумками досліджень, виконаними у роботі та впровадженими у виробництво, захищено кандидатську дисертацію, підготовлено до захисту кандидатську, дві докторські дисертації. 

 

КОРНІЄВСЬКИЙ В. М.,
к.т.н. КИЙКО С. Г.,
ЛОГОЗИНСЬКИЙ І. М.,
ШИБЕКО П. А., к.т.н.
САЛЬНІКОВ А. С., к.т.н.
ГОРОБЕЦЬ А. П., д.т.н.
ГУБЕНКО С. І., д.т.н.
ТОГОБИЦЬКА Д. М.

для «Урядового кур’єра»