- -
- 100%
- +
В настоящее время мировое производство стали превышает 1,5 млрд. т в год, из которых на Россию приходится до 60 млн.т. Основными способами производства являются кислородно-конвертерный (более 60%), электросталеплавильный (более 30 %) и мартеновский (до 10% в России и ~ 1% в мире). Примерно 2-3% стали производят в электропечах с использованием материалов, полученных на установках прямого восстановления. По своей сущности выплавка стали представляет из себя сложный комплекс физико-химических и тепловых процессов, проводимых в сталеплавильных агрегатах в определенной последовательности. Конечной целью плавки стали является получение жидкого металла с заданным химическим составом (марки) и температурой при минимальных издержках производства.
Современная схема получения стали состоит из доменного процесса, при котором из железорудных материалов получают чугун, и сталеплавильного передела, в ходе которого из чугуна и металлического лома производят сталь. Высокое содержание углерода в чугуне, составляющем основу шихты для выплавки стали, предопределяет окислительный характер сталеплавильных процессов, в ходе которых сталь получают путем окисления примесей чугуна (и других шихтовых материалов) за счет использования различных окислителей. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.
Температура плавления сталей различного состава обычно находится в диапазоне 1400-1530°С, а величина перегрева может изменяться от 70 до 150°С в зависимости от технологии ковшевой обработки стали и разливки.
3.1.Классификация сталей
Классификация сталей производится по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, степени раскисленности (по поведению в процессе затвердевания) и др.
1.По способу производства стали классифицируют по типу агрегата (например, конвертерная, мартеновская, электросталь и т. д.), указывая, при необходимости, особенности технологии производства (например, основная или кислая мартеновская, обработанная вакуумом и т. п.).
2. По назначению стали подразделяют на следующие основные группы сталей, отличающиеся по химическому составу и свойствам:
конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин, механизмов и металлоконструкций;
инструментальные стали применяются для изготовления различных инструментов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования;
специальные стали с особыми свойствами это трубные, нержавеющие, электротехнические, подшипниковые, топочные и котельные, для железнодорожного транспорта, рессорно-пружинные, с особыми магнитными свойствами и др.
3. По качеству стали обычно классифицируют в зависимости от содержания в них серы и фосфора, выделяя при этом следующие группы:
стали обыкновенного качества, в которых содержание серы и фосфора не должно превышать 0,040-0,060%,
качественные стали должны содержать серы и фосфора не более 0,030-0,040%;
высококачественные стали – не более 0,020-0,030% серы и фосфора;
особо высококачественные, содержание серы и фосфора, в которых ограничивается уровнями в 0,005-0,010% и менее (в зависимости от индивидуальных требований).
4. По химическому составу стали подразделяют на:
углеродистые стали, в которых единственной легирующей примесью, определяющей механические свойства металла, является углерод. В зависимости от содержания в них углерода эти стали делят на низкоуглеродистые (менее 0,25% С); среднеуглеродистые (0,25-0,60% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
легированные – свойства, которых, определяются, помимо углерода, сочетанием других легирующих компонентов.
В зависимости от количества легирующих компонентов, легированные стали подразделяют:
–на низколегированные (углеродистые) с суммарным содержанием легирующих (помимо углерода) до 2,5-3,0%;
–среднелегированные – содержащие от 3 до 10% легирующих элементов;
–высоколегированные, содержащие более 10% легирующих примесей.
5. По степени раскисленности, характеризующей полноту удаления из металла растворенного в нем кислорода, стали подразделяют на три вида:
кипящие– с максимальным содержанием растворенного кислорода в стали, при затвердевании которого, вследствие снижения растворимости происходит активное газовыделение (в результате протекания реакции [О] + [С] = {СО}), создается впечатление «кипения» металла;
спокойные – содержание кислорода в которых не превышает его растворимость в твердом металле, в результате чего затвердевание стали происходит без газовыделения, то есть «спокойно»;
полуспокойные – занимают промежуточное положение между спокойной и кипящей сталями, как по степени раскисленности, так и по интенсивности газовыделения в процессе кристаллизации. Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризует потребительские свойства металла и отражается в маркировке, которая производится в соответствии с действующими, для каждой группы марок сталей, стандартами.
3.2. Сталеплавильные шлаки
Шлак является неизбежным побочным продуктом производства стали в открытых агрегатах. Его образование обусловлено следующими процессами, сопровождающими плавку:
обязательным окислением элементов металлической части шихты во время плавки;
неизбежным разрушением футеровки сталеплавильного агрегата под воздействием оксидов шлаковой фазы в условиях высоких температур;
использованием специальных неметаллических материалов (флюсов, твердых окислителей, разжижителей);
попаданием в сталеплавильную ванну оксидов в виде загрязнений (с металлическим ломом) или миксерного (доменного) шлака (с чугуном).
Основными источниками образования шлака при выплавке стали являются:
1) оксиды, образующиеся в результате окисления компонентов шихты: чугуна и лома (Fe, Si, Mn, P и др) – FeO, Fe2O3, SiO2, MnO, Р2О5 и др.;
2) продукты разрушения футеровки агрегата: СаО, MgO при разрушении основной футеровки (доломит, магнезит); SiO2 при разрушении кислой футеровки (динас);
3) загрязнения, вносимые металлическим ломом (песок, глина): SiO2, Аl2О3;
4) ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом (особенно легковесный), основными компонентами которой являются: FeO, Fe2O3, Fe(OH)2;
5) миксерный (доменный) шлак, попадающий в сталеплавильный агрегат с жидким чугуном, состоящий в основном из СаО, SiO2, MgO, Аl2О3 и др.;
6) добавочные материалы (флюсы и разжижители), такие как известняк, известь, боксит, плавиковый шпат и т.п., вносящие в шлак СаСО3, СаО, Аl2О3, SiO2, CaF2 и др.;
7) твердые окислители (агломерат, окатыши, железная и марганцевая руды), с которыми в шлак попадают такие соединения, как СаО, Аl2О3, SiO2, FeO, Fe2О3, MnO и др.
Химический состав шлака во многом определяет его свойства, поэтому оказывает существенное влияние на результаты сталеплавильных процессов. Шлак, в котором преобладают основные оксиды (СаО, MgO), называют оснóвным, а если в составе преобладают кислотные оксиды (SiO2; P2O5) – кислым. В сталеплавильном производстве работают со шлаками обеих групп: кислыми (45— 60% SiO2, 35-45% (FeO + MnO)) и основными (35-60% (СаО + MgO), 10-25% FeO, 15-30% SiO2, 5-20% MnO), однако доминирующую роль имеют сталеплавильные процессы с основными шлаками, способными поглощать вредные примеси (серу и фосфор).
Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в результате окисления углерода чугуна и, содержащихся в них примесей, особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления углерода, кремния, марганца и фосфора. Особую роль для качества стали имеют реакции удаления серы из металла. Кислород для протекания этих реакций поступает из атмосферы печи, из твердых окислителей (железорудные материалы), а также при продувке ванны газообразным кислородом.
Углерод является обязательной примесью стали, определяющей ее механические свойства. С повышением содержания углерода увеличивается твердость, прочность и упругость стали, но снижается ее пластичность и сопротивление удару, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.
Окисление углерода, содержащегося в исходной металл шихте, в основном в чугуне, оказывает решающее положительное влияние на ход и результаты окислительного рафинирования металла в любом агрегате:
1. Выделяющиеся при окислении углерода газы (СО и СО2) обеспечивают интенсивное перемешивание ванны (металла и шлака), без которого сталеплавильные процессы в существующих вариантах нереализуемы из-за низких скоростей диффузии в спокойном металле.
2. Газообразные продукты реакции окисления углерода (в основном пузыри СО), проходя через жидкий металл, способствуют удалению из него газов и неметаллических включений в процессе плавки (особенно в подовых процессах) и вовремя вакуумирования.
3. Окисление углерода газообразным кислородом дутья [С] + ½ {О2}={СО}, сопровождающееся выделением большого количества тепла, существенно улучшает тепловой баланс плавки.
4. Реакция окисления углерода [C]+(FeO)={CO}+[Fe] защищает железо от чрезмерного окисления во время окислительного рафинирования.
5. Непрерывное окисление углерода по реакции [С] + [О] = {СО}, определяет содержание растворенного кислорода в металле, от которого зависит содержание оксидных неметаллических включений в готовой стали, то есть ее качество.
Учитывая большое влияние процесса окисления углерода на ход сталеплавильных процессов, при достижении заданного содержания углерода в металле следует руководствоваться следующими положениями:
1. Обеспечение условий для непрерывного окисления углерода в течение всего периода окислительного рафинирования.
2. Создание запаса углерода в исходной шихте (превышение исходного содержания углерода над конечным), который следует расходовать в период окислительного рафинирования.
3. Проведение процесса обезуглероживания металла таким образом, чтобы имеющийся запас углерода был израсходован точно в течение того времени, которое требуется для решения других задач, кроме окисления углерода: нагрева, дефосфорации и десульфурации металла и т.п.
4. При выплавке стали с содержанием углерода менее 0,02-0,04%, обезуглероживание в сталеплавильном агрегате завершают при [С] = 0,04-0,06%, а требуемое содержание углерода достигают в ковше вакуумированием металла или обработкой нейтральным газом.
5 Если содержание углерода в конце плавки ниже требуемого, то после окончания плавки, обычно во время выпуска, производят науглероживание металла (не более чем на 0,05%) присадкой в ковш порошкообразных углеродистых материалов: графита, антрацита, кокса и т.п.
Кремний имеет неограниченную растворимость в жидком железе, а в твердом его растворимость не превышает 14%. В сталеплавильных процессах кремний может образовывать различные химические соединения, наиболее важными из которых являются SiO2 (в шлаке) и FeSi (в металле). Кремний при производстве стали используется в качестве раскислителя (для полуспокойных и спокойных сталей) и легирующего элемента. Сталь, легированная кремнием, обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, хорошей прокаливаемостью, жароупорностью, способностью в закаленном состоянии сохранять твердость при относительно высоких температурах и др.
Марганец растворяется в железе в любых соотношениях. С примесями металла марганец может образовывать различные химические соединения, наиболее важными из которых являются MnO (в шлаке), MnS (в металле и шлаке) и Мn3С (в металле). В готовой стали марганец в большинстве случаев является полезной примесью, поэтому применяется для раскисления и легирования металла. Марганец как раскислитель в количестве 0,25-0,50% содержится практически во всех марках углеродистой стали, причем в кипящей стали марганец обычно является единственным раскислителем. Кроме раскисления, добавки марганца в металл способствуют уменьшению вредного влияния серы на свойства стали. Марганец как легирующий элемент повышает прочность (пределы прочности и текучести), прокаливаемость (глубину прокаливания), износостойкость и упругость стали, но несколько снижает пластичность (относительное удлинение и ударную вязкость), поэтому, в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств, он широко применяется для легирования конструкционных, пружинно-рессорных, износостойких и других сталей.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.