Виды сталей
Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов.
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую, кислородно-конвертерную, тигельную и электросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую.
По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами — спе- циальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
|
|
Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые — от0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой—отО,ЗдоО,5% С, пружинные —от 0,5 до 0,8% С, инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.
Основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавительных агрегатов.
Классификация углеродистых сталей
Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.
- Углеродистые стали обыкновенного качества
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается изношенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их наплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.
Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), потопывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добав- лением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в кипящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и по- пуспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. (таль СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали ука- и.мтюттолько содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р<0,07%). В остальных марках регламентировано содер- жиние С, Mn, Si, S, Р, атакже As и Р (табл. 3.1).
|
|
Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая форму- па: С(%) «0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание (< 0,07 х 3 я 0,21 % (фактически 0,14-0,22%).
Концентрация марганца возрастает от 0,25—0,50% в стали Ст1 до (1,50—0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышенным (0,80—1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г и марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: v кипящих — не более 0,05%, у полуспокойных — не более 0,15%, у спокойных — не более 0,30%.
Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t50. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс и СтЗкп он составляет—10; —10 и 0 соответственно. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготовляют сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.
Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).
Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвергают термическому упрочнению.
3.2.2. Углеродистые качественные стали
Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 3.2). Маркируют их двухзначными числами: 08,10,15,20,...,60, обозначающими среднее содержание \ I порода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88).
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и I мнящие — с индексами соответственно пс и кп. Кипящими производят стали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 0,8 пс,10пс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03%); в полуспокойных его количество ограничено 0,05—0,17%.
Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80%. Содержание азота для сталей, пе- рерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006%; для остальных сталей-0,008%.
ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высокого отпуска.
Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.
|
|
Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:
• малопрочные и высокопластичные стали 08,10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготовляемых холодной деформацией и сваркой;
• цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от —40 до +425 °С.
Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые (см. табл. 3.2).
Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45,50.
Производство стали
Наиболее перспективными являются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный способы получения стали.
3.4.2. Производство стали в кислородных конвертерах
Основой конвертерного получения стали является обработка жидкого чугуна газообразными окислителями. Химическая теплота экзотермических реакций окисления примесей и физическая теплота жидкого чугуна полностью обеспечивают этот процесс.
Рис. 3.1. Схема кислородного конвертера с рабочим объемом 270 м3 |
Современные кислородные конвертеры (преобразователи) изготовляются из стального листа. В зависимости от вида футеровки конвертеров различают два процесса: бессемеровский и томасовский. При бессемеровском процессе (кислом) футеровку в конвертерах выполняют из кислых материалов (динасовый кирпич или кварцит), при томасовском процессе (основном) — из основных материалов (обожженный доломит). Кислая футеровка выдерживает 1000— 2000 плавок, а основная 300—400. Днища конвертера меняют чаще, так как они разрушаются быстрее (рис.3.1). Конвертеры имеют горловину J в виде усеченного конуса с леткой 7; цилиндрическую часть 4 и сферическое днище 6. Нижний усеченный конус конвертера служит ванной для металла. Цилиндрическая часть является рабочим пространством, заполняемым металлом, шлаком и газом при продувке. Оно в 7— 10 раз больше объема, занимаемого спокойным металлом. Верхний усеченный конус сокращает потери металла и теплоты. Через горловину загружают шихтовые материалы, отводят образующиеся газы, сливают шлак и ремонтируют футеровку. Слив стали проводят через отверстие для выпуска сташ. Раздельный слив металла и шлака необходим, так как при этом исключается переход из шлака в металл серы и фосфора. Конвертер поворачивается вокруг своей горизонтальной оси на цапфах 5при помощи приводных механизмов. Рабочее положение конвертера вертикальное. По вертикальной оси конвертера сверху опускается охлаждаемая водой фурма 2, по которой под давлением 1,6—1,8 МПа подается технически чистый кислород. Вместимость кислородных конвертеров 50—500 т.
|
|
В конвертерном производстве стали 70-85% металлошихты составляет жидкий чугун, остальное —лом.
Технологический процесс начинается с загрузки скрапа. Затем заливается необходимое количество жидкого чугуна с температурой более 1320 °С. Загрузка и заливка конвертера вместимостью 300 т продолжаются 5 мин.
В поставленный вертикально конвертер заводится фурма и начинается продувка металла кислородом. Подвод кислорода интенсивен, поэтому реакции окисления примесей в конвертере протекают с высокой скоростью. Начало продувки совмещается с загрузкой в конвертер флюсов и металлодобавок. При окислении примесей под фурмой развивается температура до 2500 °С, что способствует более быстрому протеканию окисления и шлакообразования.
Более прогрессивной является комбинированная продувка: через днище, верхнюю и боковые фурмы, что позволяет перерабатывать больший процент скрапа.
При воздействии струи кислорода в основном окисляется железо (в ванне его 95%, остальное — примеси) по реакции (3.1). Образующийся оксид железа, растворяясь в шлаке, постоянно перемешивается с металлом. Вследствие этого примеси чугуна на границе металл — шлак интенсивно окисляются оксидом железа по реакциям (3.8)—(3.10). Часть оксида железа растворяется в металле, обогащая его кислородом:
[FeO] = [Fe] + [О].
Поэтому окисление примесей может проводиться также кислородом, вдуваемым в конвертер через фурму, по реакциям (3.2)—(3.4) и кислородом, растворенным в металле, по реакциям (3.5)—(3.7).
В кислородном конвертере благодаря наличию основных шлаков, в которых наряду с СаО имеется оксид железа FeO, и перемешиванию металла и шлака достаточно легко протекает реакция дефосфорации (3.11), образующийся фосфат кальция удаляется в шлак.
Продукты реакции десульфурации (3.18) — сульфиды также удаляются в шлак. Основной шлак в конвертере вследствие значительных количеств в нем оксида железа FeO затрудняет процесс десульфурации. Дополнительно около 10—20% серы в процессе плавки удаляется в газовую фазу.
Продувка конвертера прекращается по достижении заданного химического состава и требуемой температуры металла. Время продувки конвертера вместимостью 300 т составляет 12—20 мин. Для отбора проб конвертер наклоняют, на это отводится 6 мин.
Одновременно с выпуском стали проводится ее раскисление и легирование ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, атакже легирующими элементами. Эти операции проводятся либо в конвертере, либо в ковше. Иногда раскислители вводят в струю металла при выпуске плавки (реакции раскисления (3.12)—(3.17)).
Последними операциями плавки являются слив металла и затем шлака, а также осмотр футеровки, их продолжительность 5—10 мин.
Таким образом, передел чугуна в сталь в кислородном конвертере емкостью 300 т составляет в среднем 35—40 мин, что обеспечивает очень высокую производительность процесса — 400—500 т/ч стали. Производительность мартеновских печей и электропечей составляет около 80 т/ч. В кислородно-конвертерных цехах выпуск стали на одного работающего на 30—50% больше, чем в мартеновских цехах.
В настоящее время разработаны модели и алгоритмы конвертерного процесса, позволяющие контролировать и регулировать ход плавки.
3.4.3. Производство стали в мартеновских печах
Мартеновский процесс более универсальный по составу металлошихты, значительно уступает кислородно-конвертерному по производительности, трудоемкости и капитальным затратам.
Мартеновский процесс передела чугуна в сталь осуществляется в пламенной отражательной печи, оснащенной системой регенерации, направленной на использование теплоты отходящих при горении газов для подогрева воздуха и газообразного топлива.
Устройство мартеновской печи схематически показано на рис. 3.2. Передняя стенка с завалочными (рабочими) окнами 2, задняя стенка со сталевыпускным отверстием, подом (подиной) и сводом образуют рабочее (плавильное) пространство печи 7.
С торцов плавильного пространства расположены головки 3 для смешивания топлива с воздухом (кислородом), подачи горючей смеси в плавильное пространство и отвода продуктов сгорания. Головки с помощью вертикальных каналов 4 соединены со шлаковиками 5, регенераторами 6и боровами (каналами) 7.
Топливом для мартеновских печей служит природный газ или мазут. На схеме воздух и газ поступают с правой стороны печи. Проходя через предварительно нагретые насадки, воздух и газ нагреваются до 1000—1200 °С. При сгорании топлива в рабочем пространстве возникает факел с температурой 1800—1900 °С, достаточной для расплавления шихты. Кроме того, температура факела обеспечивает нагрев металла до 1600— 1650 °С, что создает условия для выпуска стали и разливки ее. Раскаленные продукты сгорания (дымовые газы) проходят через левую головку, попадают в шлаковики, в которых улавливаются частицы плавильной пыли и шлака, а затем в левые регенераторы. В них газы разогревают насадки. Охлажденные до 500—600 "С дымовые газы из регенераторов проходят по боровам, через котел-утилизатор 9и устройство для очистки газов 10, а затем удаляются с помощью дымовой трубы 11. При достаточном охлаждении насадок правых регенераторов и нагреве левых изменяют направление движения газов с помощью перекидных клапанов 8. Циклы повторяются.
В зависимости от огнеупорных материалов, из которых выполнены пол, стены и свод рабочего пространства, мартеновские печи делятся на основные и кислые.
Наибольшее распространение получила плавка стали в мартеновских печах с основной футеровкой, так как в них можно перерабатывать металлошихту со значительным содержанием серы и фосфора и получать качественную сталь.
В зависимости от загружаемых в печь материалов мартеновский процесс делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс.
Более прогрессивный скрап-процесс характеризуется применением шихты следующего состава: стальной скрап (основная часть), чушковый чугун (25—45%) и другие компоненты.
На под печи с помощью завалочных машин загружают скрап и вперемежку с ним известняк или известь. После этого загружается чугун.
При завалке печи и расплавлении шихты окисляются часть углерода, кремний, большая часть марганца и часть железа. Оксиды кремния, марганца и железа с поднявшейся вверх жидкой известью образуют большое количество основного шлака. Роль шлака при мартеновской плавке велика. Еще при плавлении шихты из печи выпускается так называемый первичный «сбегающий» шлак, уносящий образовавшиеся оксиды.
Главной операцией плавки в мартеновских печах является кипение металла вследствие окисления углерода. Избыточный углерод вводится в ванну с чугуном. Кипение приводит к выравниванию температуры и химического состава ванны, удалению из металла газов, вредных примесей и неметаллических включений. Также поднимается уровень шлака. Тогда отключают подачу топлива, над ванной снижается давление, что позволяет проводить «скачивание» шлака более высокой основности, вместе с которым уходит большая часть фосфора и часть серы. Через некоторое время в печь подается топливо и шлак оседает. Для более полного удаления фосфора и серы вновь наводится, уже высокоосновный, шлак. В случае необходимости сталь легируют. Периоды кипения, раскисления и легирования называют еще общим периодом рафинирования стали.
Общая продолжительность плавки в основных мартеновских печах вместимостью 180—600 т составляет 6—10,5 ч.
3.4.4. Производство стали в электропечах
Электросталеплавильный процесс более совершенный, чем кислородно-конвертерный и мартеновский, поэтому он находит все большее применение. Это определяется возможностью получения качественной и высоколегированной стали, практически неограниченным сортаментом выплавляемой стали, использованием для нагрева металла электрической энергии.
Корпус дуговой электрической печи (рис. 3.3) состоит из кожуха 5 (части корпуса выше порога рабочего окна 3), днища 2 и сливного носка 10. Корпус состоит из наружной стальной обечайки с внутренней футеровкой (основной или кислой). В корпусе печи имеются два отверстия: рабочее окно 3 — для управления ходом плавки, загрузки ферросплавов, взятия проб и скачивания шлака, а также летка для слива готовой стали и шлака. Рабочее окно закрывается заслонкой 4. Наклоны печи в сторону рабочего окна (10—15°) или сливного желоба (40—45°) осуществляются с помощью специального механизма 11 с гидравлическим приводом 1.
Съемный свод Охарактеризуется наименьшей долговечностью футеровки. В своде имеются отверстия, через которые пропускаются три графитизированных электрода 7диаметром 300—610 мм. В электропечах электрический ток (напряжением 115—600 В и силой 10—50 кА) подводится к электродам электрододержателями 8и гибкими кабелями 9. Емкость печей составляет 0,5—200 т.В дуговых электропечах прямого нагрева (рис. 3.3, а) дуга горит между электродами и расплавляемым металлом. Часть энергии дуги выделяется непосредственно на металле. Большая часть лучистой энергии дуги также попадает на поверхность металла. Таким образом, в малых объемах концентрируются большие мощности, что приводит к нагреву металла до высоких температур. При этом легко контролируются и регулируются расход теплоты и изменения температуры.
Рис. 3.3. Схемы дуговых электропечей: а — прямого нагрева; б — косвенного действия
|
Электродуговые печи прямого нагрева характеризуются значительным испарением легкоплавкого металла в зоне дуги, поэтому наиболее пригодны для плавления стали.
Кдуговым также относятся печи косвенного нагрева (рис. 3.3, б), где часть энергии дуги между двумя электродами передается металлу излучением. Сравнительно низкие температуры металла препятствуют применению этих печей для переплава черных металлов, они используются в основном в цветной металлургии.
При производстве стали в электропечах используются следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окислители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживающие компоненты. Основную часть металлошихты составляет металлический лом.
В производстве реализуются две основные технологии плавки в электродуговых печах: на углеродистой или свежей шихте (с окислением примесей); на шихте из отходов легированных сталей (метод переплава).
В состав углеродистой шихты входят стальной лом (около 90%), передельный чугун в чушках (< 10%), железная руда, агломерат или окалина (1,0-1,5%), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2—3%). После загрузки шихты электроды опускают вниз, включают ток и шихта плавится.
На металл уже в периоды завалки и плавления шихты воздействует окислительная печная атмосфера (реакции (3.1)—(3.4)). Затем примеси металла окисляются оксидами шлака и железной руды по реакциям (3.8)—(3.10).
Образовавшиеся оксиды примесей металла совместно с СаО из извести формируют высокоосновной шлак, обеспечивающий дефос- форизацию стали по реакции (3.11). Уже при плавлении окисляется более 50% фосфора.
Шлак играет важную роль в окислительных процессах. Он обеспечивает передачу кислорода металлу из печной атмосферы и оксида железа FeO. Растворяющийся в металле кислород участвует в реакциях окисления (3.5)—(3.7).
Интенсивное окисление железа, а также кремния, марганца, углерода и других примесей по реакциям (3.1)—(3.4) происходит в результате продувки ванны кислородом. При этом выделяется значительное количество теплоты, быстро завершается процесс плавления шихты.
После полного расплавления шихты и перемешивания содержимого ванны берут пробу на полный химический анализ, затем скачивают шлак с фосфором, наводят новый шлак и начинается окислительный период плавки.
Для дальнейшего окисления углерода и фосфора проводят неоднократную загрузку руды и извести. Кислород руды через шлак окисляет углерод по реакции (3.7). Окисление интенсифицируется продувкой кислородом, при этом протекает реакция (3.4). Выделяющиеся пузырьки оксида углерода СО заставляют кипеть металл, что ускоряет прогрев ванны и удаление из металла газов и неметаллических включений, а также фосфора.
Шлак скачивают 2—3 раза, и содержание фосфора доводится до 0,01%. Когда содержание углерода в стали становится равным нижнему пределу его содержания в выплавляемой марке стали (%), кипение, а вместе с ним и окисление заканчиваются.
Затем проводят раскисление стали двумя методами: глубинным раскислением без восстановительного периода; раскислением в восстановительный период.
Первый метод применяют при выплавке углеродистой и низколегированной конструкционной стали, а также стали с последующим внепечным рафинированием. Сталь выплавляют под одним шлаком, без наведения последующего восстановительного шлака. В металл вводят ферросилиций, ферромарганец, феррохром. После 10—20 мин раскисления в печи (по реакциям (3.12)—(3.14)) сталь выпускают в ковш, где проводится окончательное раскисление ферросилицием и алюминием.
Второй метод, когда раскисление проводят под восстановительным шлаком, наводимым после скачивания окислительного шлака, применяется при получении сталей с заданными свойствами, пониженным содержанием примесей или легируемых легкоокис- ляемыми элементами. Восстановительный период плавки направ лен на раскисление металла, удаление серы, доведение стали до заданного химического состава, регулирование температуры металла. Сначала в печь подают кокс или электродный бой. В результате присадки металл науглероживается. После этого в печи наводится известковый восстановительный шлак из смеси извести, плавино вого шпата и шамота в количестве 2,0—3,5% от массы металла. За тем проводят диффузионное раскисление под белым шлаком. С этой целью на шлак подают порошок кокса и ферросилиция; шлак свет леет за счет уменьшения содержания в нем оксидов. Восстановлю ние оксида железа в шлаке происходит по реакциям (3.15) и (3.16), Содержание оксида железа в шлаке снижается, и оксид из металла начинает переходить в шлак. Во время восстановительного периода сера удаляется из металла по реакции (3.18). Когда достигнуты заданные состав металла и температура, выполняют конечное раскисление стали. После этого выпускают металл из печи в ковш.
Вторая разновидность плавки (метод переплава) в электропечи основывается на рациональном использовании содержащихся в шихте легирующих элементов, поэтому она проводится без окисления или с частичным окислением. Шихта для такой плавки помимо пониженного содержания фосфора должна иметь меньшее, чем в выплавляемой стали, количество марганца, кремния и углерода.
К роме того, с целью наведения шлака для защиты металла от окисления кислородом атмосферы и науглероживания электродами имеете с шихтой во время завалки вводят шлакообразующие вещества. Во время плавки удаляются фосфор и сера. Поскольку часть цементов окисляется в период плавки, необходимо проводить раскисление. Оксиды легирующих элементов восстанавливаются ферросилицием, алюминием, молотым коксом.
Чтобы интенсифицировать процесс переплава, применяют частичное окисление газообразным кислородом.
Общая продолжительность выплавки стали в дуговых электропечах вместимостью 5—100 т составляет 3,5—6,5 ч.
Сравнение отдельных способов производства стали показывает, что выход годного металла в электропечах составляет 92—93%, и конвертерах с комбинированной продувкой — 91—92%, в обычных конвертерах с продувкой сверху и мартеновских печах — 90%, и двухванных печах и мартеновских печах с продувкой кислородом - 87—88%.