Классификация и маркировка сталей

Полученные тем либо иным способом стали чрезвычайно многообразны. Их необходимо классифицировать. Способы классификации так же многообразны и стали делятся: 1 - по способу производства, 2 - по назначению, 3 - по качеству, 4 - по химсоставу, и 5 - строению получающегося слитка.

1 - Мартеновская, бессемеровская, томасовская, кислородно-конвертерная, электросталь

2 - По назначениюстали делятся на стали общего назначения (конструкционные), идущие на изготовление деталей машин, и инструментальные, предназначенные для изготовления инструментов.

Конструкционные стали содержат до 0,7% углерода (в виде исключения изготавливаются стали с содержанием углерода до 0,85%). Эти стали должны обладать достаточной прочностью и пластичностью, хорошей обрабатываемостью.

Конструкционные стали в свою очередь делятся на стали обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые инструментальные стали содержат свыше 0,7% углерода. Сравнительно большое содержание углерода придает этим сталям высокую твердость и прочность. Инструментальные стали подразделяются на качественные и высококачественные.

3 – 3 группы: обыкновенная, качественная и высококачественная. Различия между ними в допустимом содержании вредных примесей (серы и фосфора), чем выше класс тем меньше содержание указанных примесей.

4 – По химическому составу сталь делится на углеродистую (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированную (низколегированные и легированные).

В зависимости от содержания углерода ГОСТ 5200—50 делит все углеродистые стали на три группы: низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,25—0,6% углерода) и высокоуглеродистые (от 0,6 до 2% углерода).

Углеродистая сталь — сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%), поддающийся ковке. Кроме железа и углерода, в состав углеродистой стали входят также кремний, марганец, сера и фосфор.

Углерод в стали находится обычно в виде цементита. С увеличением содержания углерода до 1,2% увеличиваются твердость, прочность и упругость стали, при этом, однако, уменьшаются пластичность и ударная вязкость, ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний в небольших количествах (нормальное содержание его в стали 0,05—0,35%) не оказывает особого влияния на свойства стали. При повышении содержания кремния повышаются упругость, коррозионная стойкость и жаростойкость стали.

В обыкновенной стали марганца содержится 0,3—0,8%; такое количество марганца почти не влияет на ее свойства. При высоком содержании марганца сталь становится очень твердой и износоустойчивой.

Сера — вредная примесь, придающая стали красноломкость и понижающая коррозионную стойкость. Серы в стали допускается не более 0,06%.

Фосфор (допускается до 0,07%) придает стали повышенную хрупкость в холодном состоянии. Он несколько улучшает обрабатываемость стали.

Кислород является вредной примесью, он образует закись железа, придающую стали хрупкость.

Легированными называются стали, в состав которых, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят легирующие химические элементы, повышающие их физические, химические и механические свойства.

Химические элементы в марках легированных сталей обозначаются следующими буквами русского алфавита:

А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г- марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, У – углерод, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Название марки состоит из буквенных обозначений элементов и следующих за ними чисел, указывающих на среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Две цифры, стоящие левее первой буквы, указывает на содержание углерода в сотых долях процента (для конструкционных сталей), а одна цифра – в десятых долях процента (для инструментальных сталей).

Цифры, стоящие после букв, справа, указывают приблизительное содержание элемента, если оно больше 1%.

Буква А, стоящая в конце, свидетельствует о том, что сталь качественная.

Например, сталь марки 12Х2Н4А – это высококачественная конструкционная сталь, в которой содержится 0,12 % углерода, 2 % хрома и 4 % никеля.

Если углерода в стали 0,09 %, то цифру вначале не ставят, если углерода до 0,08 %, то ставят число «0», а при содержании углерода до 0,04 % - ставят два нуля «00». Например, сталь марки 0Х14Н28В3ЮТР содержит около 0,08 % углерода, 14% хрома, 28% никеля, 3% вольфрама и по 1% алюминия, титана и бора.

Марки углеродистых сталей обычного качества Ст0, Ст1, Ст2

качеств. сталь 10,20,45 (сотые % углерода)

Углеродистые инструментальные стали маркируются У7,У10, У12(десятые доли С).

5 – По строению слитка стали делятся на спокойную, кипящую и полуспокойную.

5.2. Шихта и шлаки сталеплавильного производства.

Шихта

1 – металлосодержащие

2 – добавочные

3 – Окислители.

К первой группе относятся

а – чугун(жидкий или твердый)

б – стальной (иногда чугунный) лом

в – продукты прямого получения железа

г – ферросплавы

Основная масса металлошихты (90%) чугун -55% и стальной лом(скрап) – 45%. На 1 т стали примерно 1,1т металлошихты.

Мартен 55% чугуна 45%лома

Конвертер 75-85%чугуна 15-25% лома

Электропечь 5% чугуна 95% лома.

а – Из доменного цеха в чугуновозных ковшах чугун поступает в миксер, где происходит выравнивание состава и Т. Емкость до 1300т. Иногда в ковши миксерного типа емкостью до 200т. (если работа доменного цеха ритмична). При использовании ковшов Т выше на 50-60 С, чем в стационарном миксере. Если нет доменного цеха чугун поступает в виде чушек, которые предварительно расплавляют в вагранках.

б – Существует специальная отрасль – ломоперерабатывающая.

47-48% лома образуется на металлургических заводах – обрезь, бракованные слитки и т.д. Это тяжеловесный лом и его химсостав известен.

18-20% лома образуется на машиностроительных заводах (стружка, отходы штамповки и т.п.). его химсостав тоже можно проследить.

30% лома – отслужившие свой срок машины. В связи с многообразием его химсостав неизвестен. Иногда он загрязнен маслами(а это сера), цветными Ме (Pb, Al, Sn, Cu, Zn и др.).

Pb, Sn, Zn вредны для экологии, Sn резко снижает прочность при высоких Т. Zn улетучивается и откладывается в футеровке, что приводит к ее разрушению. Свинец проникает в поры кладки печи. В ряде случаев такой лом загрязнен ржавчиной.

Лом в виде стружки неудобен. Для придания лому технологических свойств существует следующее оборудование: прессы, дробилки, печи для обжига. Несмотря на все это лом дешевле чем добыча и переработка руды.

Особую ценность представляют лом и отходы легированной стали из-за наличия в нем ценных элементов (никель, молибден, кобальт и т.д.). Поэтому все отходы легированных сталей строго учитываются, а их использование контролируется.

Ко второй группе относятся

- известняк

- известь(85-90% СаО)

- боксит(20-60% глинозема, 3-20% кремнезема и 15-45 гематита)

- плавиковый шпат (90-95% флюорита)

- Мп руда

- песок (95% кремнезема)

- Бой шамотного кирпича(65% кремнезема, 30% глинозема).

Ко всем добавочным материалам предъявляют высокие требования по содержанию вредных примесей (серы, Р, Н₂ и др.)

К третьей группе относятся

- чистый кислород

- сжатый воздух

- железная руда

- окалина

- агломерат

- железорудные брикеты.

Шлаки сталеплавильного производства

Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления элементов, а также процессами разъедания футеровки сталеплавильных агрегатов. В загружаемой шихте имеется некоторое количество загрязнений. Кроме того при ведении плавки добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза – шлак.

Основные источники образования шлака

1 – продукты окисления примесей чугуна и лома – Si, Mn, P, S, Cr и др. которые дают SiO₂, MnO, P₂O₅, FeS, MnS, Cr₂O₃ и др.

2 – Продукты разрушения футеровки агрегата – при разъедании основной футеровки(доломит, магнезит) в шлак попадает СаО и MgO, кислой (динас) - SiO_2.

3 – Загрязнения внесенные шихтой (песок, глина, минеральный шлак) –SiO₂, Al₂O₃, MnS.

4 - Ржавчина – окислы железа (из лома)

5 – Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды). вводя после соответствующего расчета то или иное количество добавок получают шлак нужного состава.

Иногда производят операцию скачивания шлака, когда определенное количество шлака, иногда 100% удаляют и наводят новый необходимого состава.

Характеристика шлаков

1. Шлаки в которых преобладают основные оксиды называются основными, кислые оксиды – кислыми.

В зависимости от характеристики шлака и процесс называют основным или кислым.

Обычно характер огнеупорных материалов из которого сделана кладка сталеплавильной ванны должен соответствовать характеру процесса или шлака. Потому, что кислотные оксиды активно взаимодействуют с основными. В тех агрегатах где нет футеровки (ЭШП) шлак может быть любым.

Степень основности определяется отношением извести к кремнезему. Если степень меньше 1,5 –низкоосновные шлаки, 1,6-2,5 –среднеосновные и более 2,5 высокоосновные.

При переделе высокофосфористых чугунов для характеристики основности берут следующее отношение CaO/(SiO₂+P₂O₅)

2. Для кислых шлаков используют степень кислотности SiO₂/(FeO + MnO).

3. Степень окисленности выражается в содержании FeO в шлаке.

Важнейшим свойством шлака является его жидкотекучесть. Которая определяется степенью перегрева или при невозможности увеличить температуру изменением состава шлака.

Для разжижения основных шлаков – боксит, плавиковый шпат, песок. Для сгущения СаО,MgO.

Для кислых наоборот.

Роль шлака

1 – предохраняет Ме от атмосферы

2 – Удаление из Ме вредных примесей. Например удаление серы и фосфора заключается в переводе этих элементов в шлак и создания условий препятствующих их обратному переходу.

3 – Изменение состава Ме.

Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получении шлака необходимой консистенции и химсотстава.

5.3. Основні реакції та процеси сталеплавильного виробництва.

Поскольку сталь обычно получают из чугуна и лома в результате окисления и удаления содержащихся в них примесей, особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления.

Окисление углерода

Углерод растворенный в металле может окислятся кислородом по следующим реакциям

а - [С] + {1/2О₂} = {СО} + Q кислород из газовой фазы

б - [С] + (FeО) = Fe_ж + {СО} – Q кислород из шлаковой фазы

в - [С] + [О] = {СО} + Q кислород растворенный в металле

Скорость реакции окисления углерода (реакция обезуглероживания) определяется интенсивностью подвода окислителя и условиями образования и выделения продукта реакции. Чтобы пузырек СО мог образовываться в металле, он должен преодолеть давление расположенного над ним столба металла, шлака и атмосферы, а также преодолеть силы поверхностного натяжения.

Р_со^выд. >Р_атм. + Р_шл.+ Р_Ме + Р _{пов.нат.}

Р _{пов.нат.} = 2δ/r

δ – пов. натяжение на границе металл/ пузырек

Чем глубже ванна, больше слой шлака и выше давление в агрегате тем труднее образуются пузырьки. И наоборот (вакуумирование). Последнее слагаемое исчезает на межфазных поверхностях.

Реакция окисления имеет особое значение. Образующаяся ГФ, в виде пузырьков, перемешивает ванну выравнивая химсостав и температуру металла, оказывает большое влияние на процессы удаления газов и неметаллических включений. Ее иногда называют основной реакцией сталеплавильного производства.

Окисление и восстановление фосфора

Р вредная примесь, снижающая пластические свойства особенно при низких температурах. В шихту сталеплавильного производства попадает из чугуна, лома и ферросплавов. Окисляется кислородом по следующим реакциям

а – 4/5[Р] + {О₂} = 2/5{Р₂О₅} + Q кислород из газовой фазы

б - 4/5[Р] +2(FeО) = 2[Fe_ж] + 2/5{Р₂О₅} + Q кислород из шлаковой фазы

в - [Р] + 2[О] = 2/5{Р₂О₅} + Q кислород растворенный в металле

По реакции а много тепла. Для томасовского процесса основное топливо(т.е. элементов в результате окисления которого происходит нагрев металла).

Повышение окисленности шлака благоприятствует процессам окисления Р. Для того чтобы удалить Р из металла и удержать его в шлаке, необходимо снижать активность Р₂О₅ в шлаке. это достигается при наведении основного шлака с помощью добавок извести (СаО).

2[Р] +5(FeО) + 3(СаО) = Са₃(РО₄) + 5[Fe] + Q

При продувке ванны кислородом часть железа окисляется и образующиеся оксиды железа при наличии основного шлака взаимодействует с Р. Иногда для ускорения дефосфорации в металл в струю кислорода вдувают тонкоизмельченную известь или смесь извести и желзной руды. В кислых процессах(т.е. под кислым шлаком) удалить Р невозможно, поэтому шихта должна быть очень чистой. Уменьшит активность Р₂О₅ и заставить тем самым протекать реакции слева направо можно, прибегая к смене(скачиванию) шлака. Обычно хватает одной смены шлака.

Основные условия обеспечивающие дефосфорацию металла:

1 – высокая активность окислов железа в шлаке

2 – высокая основность шлака

3 – наличие шлаков, содержащих мало Р (скачивание)

6 - пониженные температуры.

Если в какой то момент плавки эти условия не будут соблюдены, то происходит обратное восстановление Р из шлака в металл (рефосфорация Ме).

Правило: основные окисленные шлаки и пониженные Т.

Удаление серы(десульфурация металла)

Сера вредная примесь, вызывает красноломкость стали, особенно при непрерывной разливке стали(горячие трещины). Поэтому в большинстве случаев удаление из Ме серы – одна из главных задач сталеплавильщика. Сера – ПАВ, это приводит к тому, что концентрация серы на поверхности раздела фаз больше, чем в объеме. Поэтому наибольший эффект дает применение таких методов ведения плавки, которые обеспечивают увеличение поверхности контакта Ме с обессеривающей фазой (исскуственное перемешивание Ме со шлаком, вдувание в металл тонкоизмельченных порошкообразных реагентов.

Элементы десульфураторы - Mn, Mg, Na, Ca, а также редкоземельные элементы (Се). Самый дешевый и распространенный – известь.

Основной источник серы – чугун, лом(особенно замасленная стружка), добавочные материалы, а также атмосфера печи(если печь отапливается мазутом, газом).

В сталеплавильном агрегате удаление серы происходит в основном по следующей реакции

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO)

если в шлаке много МпО

[FeS] + (MnO) = (MnS) + (FeO)

CaS и MnS практически не растворимы в Ме

В результате реакции (S)растет, а [S] уменьшается.

Отношение (S)/ [S] называется коэффициентом распределения серы. Чем он больше тем лучше.

Значение этого коэффициента растет с ростом Т, т.к. повышается скорость диффузии серы.

Таким образом удалению серы из металла способствуют:

- основные шлаки с высокой активностью СаО

- низкая окисленность Ме(минимум [O]) и низкая окисленность шлака(мин. (FeO))

- низкая концентрация серы в шлаке (скачивание)

- Перемешивание Ме со шлаком и увеличение поверхности контакта.

- Повышение температуры сталеплавильной ванны.

При продувке Ме кислородом возможна следующая реакция

[S] + {O₂} = {SO₂}

Однако основная часть серы удаляется со шлаком.

Правило: Основные восстановительные шлаки и высокие температуры.

Газы в стали

Водород, кислород, азот.

Неметаллические включения

Ухудшают механические свойства, электропроводность, магнитные свойства и т.д.

Существует 2 группы включений

1 – эндогенные, образующиеся в процессе передела

2 – экзогенные, механически попадающие в сталь.

Большинство неметаллических включений удаляется во время плавки и при кристаллизации.

5.4. Раскисление и легирование стали

Раскисление

Технологическая операция, при которой растворенный в Ме кислород переводится в нерастворимые в Ме соединения – раскисление. Раскисленная сталь при разливке и застывании в слитке ведет себя спокойно, из нее практически не выделяются газы – спокойная сталь.

Если сталь не раскислена она при разливке кипит за счет пузырьков СО

[C] + [O] = {CO}

Такую сталь называют кипящей.

В некоторых случаях раскисление ведут не полно – полуспокойная сталь.

Способы раскисления:

- глубинное(или осаждающее)

- диффузионное

- обработка синтетическим шлаком

- обработка вакуумом

Глубинное. (раскислитель вводят в глубину Ме)

Заключается в переводе растворенного в Ме кислорода в нерастворимый оксид введение элемента – раскислителя (сродство у которого к кислороду больше чем у железа). В результате получается нерастворимый в металле оксид который всплывает в шлак. Для этого используют ферросплавы, чаще Мп и кремния, аллюминий, редкоземельные элементы и др.

[Mn] + [O] = (MnO) 2[Ce] + 3[O] = (Ce₂O₃)

Марганец слабый раскислитель, кремний более сильный, а алюминий, кальций и серий практически полностью удаляют кислород. Все эти реакции экзотермические и поэтому при понижении температуры процессы образования оксидов продолжаются, но всплыть им уже тяжело. Поэтому нельзя получить сталь чистую по неметаллическим включениям. Обычно раскислители вводят в конце плавки. Большую часть стали раскисляют этим способом. Если хотят получить особо чистую сталь используют другие способы.

Для каждой марки стали своя технология раскисления. Достоинства дешевизна и простота.

Диффузионное. Здесь раскислению подвергается шлак. Если металл не кипит то выполняется соотношение

a_(FeO)/a_[O] = const

Поэтому любой способ уменьшения a_(FeO) приводит к раскислению Ме. При этом способе высок угар раскислителя, поскольку он вводится на шлак, а атмосфера в печи чаще всего окислительная. Достоинства – продукты раскисления в шлаке а не в металле, поэтому Ме чище по примесям.

Обработка синтетическими шлаками в ковше. Разновидность дифффузионного. Но с большей скоростью. Потому, что Ме выливаясь дробится на мелкие капли и взаимодействует со шлаком не содержащим оксидов железа, кроме того идет перемешивание шлака и Ме.

Обработка вакуумом. В ковше понижается давление и Ме как бы кипит. При этом удаляется также азот и водород.

Легирование

Это процесс присадки в сталь элементов, чтобы придать ей любые физико-химические или механические свойства. Эту операцию могут совмещать с раскислением.

В зависимости от сродства к кислороду легирующие делятся на 2 большие группы.

1 – никель, кобальт, молибден, медь – сродство к кислороду у них мало, и в условиях плавки они не окисляются и, поэтому могут вводится в любой момент, чаще всего в начале вместе с шихтой.

2 – кремний, марганец, алюминий, ванадий, хром, титан имеют большое сродство к кислороду(больше чем у железа) и во время плавки они будут окислятся (угорать). Поэтому их вводят либо в конце плавки, либо в ковш при разливке

Иногда для легирования и раскисления стали используют экзотермические брикеты (смесь оксида и восстановителя). При введении таких брикетов металл не охлаждается потому, что реакции восстановления дают тепло.

Лекция № 6 (1 час)

МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Строение мартеновской печи.

2. Шихтовые материалы

3. Общая характеристика мартеновского процесса

4. Утилизация отходящих газов

ВВЕДЕНИЕ

1864г. Пьер Мартен. Мартеновскую сталь получают на поду пламенной отражательной печи, снабженной регенераторами. В печь загружают шихту (чугун, скрап,металлический лом и др.компоненты),которая под действием факела сжигаемого топлива постепенно плавится После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем,чтобы получить металлнужного состава и температуры, затем готовый металл выпускают в ковш и разливают.