Состав электросталеплавильного цеха ЧерМК



Nbsp;     Подпись Дата Лист 4 ДП-150101-61313111-51   Разработал  Волков С.В. Руководитель  Сумин С.Н.        Зав. каф. Габелая Д.И.  Н. Контр. Окуджава И.И. Изучение распределения серы между металлом и шлаком при внепечной обработке стали ШХ15 в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь»   Лит. Листов 110 ФГБОУ ВПО ЧГУ     Масса Масштаб   Введение     Введение Эксплуатационные свойства большинства машин и механизмов (станков, автомобилей, авиационных двигателей, прокатных станов, точных приборов и др.) в значительной степени зависят от точности, долговечности и надёжности подшипников качения - одного из важнейших и наиболее распространённых элементов этих устройств. Качество подшипников качения определяется их конструкцией, технологией изготовления и качеством используемого металла. В частности рассматривается сталь ШХ15. Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются сера, фосфор, медь и никель. Также отрицательное воздействие на свойства стали оказывают такие газы: кислород образует неметаллические включения, водород увеличивает поражённость флокенами, а азот снижает сопротивляемость выкрошиванию. Поэтому в данной дипломной работе рассматриваются вопросы, связанные с возможностью снижения уровня этих дефектов с помощью внепечной обработки, а также повышение качества стали ШХ15. Многие металлургические предприятия вынуждены тратить огромные средства на исследование и внедрение новых технологий, которые в свою очередь развиваются по трём основным направлениям: снижение себестоимости уже производимой продукции, разработка технологий, позволяющих при неизменной цене производить продукцию более высокого качества, и разработка абсолютно новых видов продукции, способных вытеснить уже имеющиеся на рынке товары своими уникальными свойствами.   1       Подпись Дата Лист 5 ДП-150101-61313111-51   Разработал Волков С.В. Руководитель  Сумин С.Н.        Зав. каф. Габелая Д.И.    Н. Контр. Окуджава И.И. Изучение распределения серы между металлом и шлаком при внепечной обработке стали ШХ15 в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь»   Лит. Листов 110 ФГБОУ ВПО ЧГУ     Масса Масштаб   Технико-экономическое обоснование работы     Технико-экономическое обоснование работы Как видно из названия темы, шарикоподшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников. Но номенклатура марок стали данного вида достаточно широка. Это объясняется разнообразием требований к эксплуатационным свойствам подшипников со стороны традиционных, а так же новых отраслей промышленности и сельского хозяйства. Марки стали ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4, ШХ6, ШХ9 относятся к подшипникам, работающих в обычных условиях. В результате проведенной в 1960 г. унификации две последние марки были заменены сталью ШХ15. Названия аналогичных марок в других странах – 52100, 100С6, SKF-24, SUJ2 и т.д. Выбор стали конкретного подшипника диктуется его размерами и условиями эксплуатации. Из хромистой и хромомарганцевокремистой сталей изготовляют подшипники работающие в интервале температур 60- 3000 С. Эксплуатация подшипников при температуре, превышающей 1000 С, требует специальной термической обработки деталей, обеспечивающей стабильность размеров, но сопровождающейся снижением твердости, а также сопротивления контактной усталости стали. Внутри указанного температурного интервала выбор хромистой или хромомарганцевокремниевой стали определяется толщиной стенок колец или диаметром тел качения. Обеспечение сквозной прокаливаемости колец подшипников с толщиной стенки более 10 мм и роликов диаметром более 22 мм   Изм. Лист № докум. Подпись  Дата Лист 6 ДП-150101-61313111-51   достигается заменой стали ШХ15 сталью ШХ15СГ. Для колец с толщиной стенки более 30 мм в отечественной практике используют сталь ШХ15СГ, применяемую для изготовления деталей крупногабаритных подшипников. Граница размеров деталей, выше которой начинается применение стали ШХ20СГ или её аналогом, в разных странах различна. По-видимому, это объясняется различной прокаливаемостью, обусловленной особенностями технологии выплавки стали, а также различными схемами определения толщины стенок колец. Кроме изготовления деталей подшипников сталь ШХ15, применяется также для производства игл распылителей форсунок, обратных клапанов и подушек впрыскивающих систем, валиков топливных насосов, роликов, осей различных рычагов и других деталей, от которых требуется высокая твёрдость и хорошее сопротивление износу. По составу и свойствам эту сталь можно отнести к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения. Высокое содержание углерода в шарикоподшипниковых сталях обуславливает их высокую прочность после термической обработки и стойкость против истирания. Поверхностная твёрдость определяется концентрацией углерода в мартенсите, поэтому она одинакова для всех шарикоподшипниковых сталей. Твёрдость внутренних слоёв металла зависит от глубины прокаливаемости, которая в свою очередь зависит от содержания хрома. Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали, поэтому, чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома (0,4-1,65%) применяется сталь для их изготовления. Кроме того, высокая твёрдость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Хром увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву и придаёт ей Изм. Лист № докум. Подпись  Дата Лист 7 ДП-150101-61313111-51   мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (>1.65%) трудно получить однородную структуру, поэтому содержание хрома в шарикоподшипниковых сталях обычно не превышает 1,65%. Марганец, как и хром, увеличивает твёрдость и сопротивляемость стали истиранию. Но одновременно он способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали оказывает кремний. Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее раскислена сталь, поэтому присутствие этих элементов в шарикоподшипниковой стали всех марок желательно не более 0,35%Si и 0,4%Mn. Исключение составляют стали для изготовления деталей крупных подшипников типа ШХ15СГ. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке. Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются фосфор, медь и никель. Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость и уменьшает прочность на изгиб, что в свою очередь увеличивает чувствительность стали к динамическим нагрузкам и склонность изделий к появлению закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле ограничивают. Медь, хотя и увеличивает твёрдость, предел прочности и прокаливаемость стали, является нежелательной примесью, так как с повышением содержания меди при горячей механической обработке увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов. Содержание никеля ограничивают в связи с тем, что его присутствие снижает твёрдость стали. Сопротивляемость стали выкрошиванию уменьшают примеси таких цветных металлов, как олово, свинец, мышьяк. Изм. Лист № докум. Подпись  Дата Лист 8   ДП-150101-61313111-51   Влияние серы на свойства шарикоподшипниковой стали не однозначно. Отрицательное влияние сказывается в снижении устойчивости против истирания и усталостном разрушении при выходе на рабочую поверхность сульфидов. Однако образование сульфидной оболочки вокруг сульфидных включений при достаточном содержании серы уменьшает влияние этих включений на концентрацию напряжений и вследствие этого повышает сопротивление усталости. С увеличением отношения концентраций S/O до 3-5 стойкость подшипников возрастает. Этому способствуют и улучшение качества поверхности вследствие того, что сера улучшает обрабатываемость стали. В данной дипломной работе рассмотрены основные технологические и технические приемы удаления вредных примесей и повышения качества стали ШХ15 в условиях электросталеплавильного цеха ЧерМК ОАО «Северсталь».     2       Подпись Дата Лист 9 ДП-150101-61313111-51    Разработал Волков С.В.  Руководитель  Сумин С.Н.      Зав. каф. Габелая Д.И.  Н. Контр. Окуджава И.И. Изучение распределения серы между металлом и шлаком при внепечной обработке стали ШХ15 в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь»     Лит. Листов 110 ФГБОУ ВПО ЧГУ     Масса Масштаб   Общая часть       Общая часть

Характеристика стали ШХ-15

Химический состав стали ШХ-15 приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав                                        

Марка стали

Массовая доля химических элементов, %

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

ШХ-15

0,95-1,05 0,17-0,37 0,20-0,40 max 0,027 max 0,020 1,30-1,65 max 0,30 max 0,25

 

По составу и свойствам эту сталь можно отнести к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения.

Проблема недостаточной прокаливаемости и теплостойкости изделий из хромистой и хромомарганцевокремнистой сталей в ряде стран решена путём создания их модификаций, содержащих небольшие добавки молибдена, ванадия (на немецких предприятиях сортамент выплавляемой стали содержит марку X90CrMoV18, содержащую некоторое его количество) и вольфрама.

В некоторых странах с целью экономии импортируемого хрома разработано несколько модификаций подшипниковой стали, в которых его снижение компенсируется небольшими добавками молибдена с повышенным содержанием марганца.

Высокое содержание углерода в шарикоподшипниковых сталях

 

 

обуславливает их высокую прочность после термической обработки и стойкость против истирания поверхностная твёрдость определяется

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
10
ДП-150101-61313111-51  
 концентрацией углерода в мартенсите, поэтому она одинакова для всех шарикоподшипниковых сталей.

Твёрдость внутренних слоёв металла зависит от глубины прокаливаемости, которая в свою очередь зависит от содержания хрома. Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали, поэтому, чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома (0,4-1,65%) применяется сталь для их изготовления.

Кроме того, высокая твёрдость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Хром увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву и придаёт ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (>1.65%) трудно получить однородную структуру, поэтому содержание хрома в шарикоподшипниковых сталях обычно не превышает 1,65%.

Марганец, как и хром, увеличивает твёрдость и сопротивляемость стали истиранию. Но одновременно он способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали оказывает кремний. Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее раскислена сталь, поэтому присутствие этих элементов в шарикоподшипниковой стали всех марок желательно не более 0,35%Si и 0,4%Mn. Исключение составляют стали для изготовления деталей крупных подшипников типа ШХ15СГ. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке.

В большинстве случаев подшипники качения работают при малых динамических нагрузках, что позволяет изготавливать их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
11
ДП-150101-61313111-51  
отпуска. В некоторых областях применения подшипников от них требуется повышенная динамическая прочность, что заставляет применять высокоотпущенные стали с поверхностной закалкой или цементируемые стали.

Нагрузка, воспринимаемая подшипником качения, передаётся через тела качения – шарики или ролики, разделённые сепаратором. В точках соприкосновения тел качения с кольцами возникают контактные напряжения, вызывающие локальные деформации, в результате которых образуются контактные площадки, в общем случае имеющие форму эллипса, в частных же случаях – это круг или полоска. Давления на контактной площадке, испытываемые деталями подшипника при работе, очень велики и доходят обычно до 200Мпа, а у тяжелонагруженных подшипников – до 4000Мпа.

Очень большое влияние на будущие свойства готовых изделий в подшипниковой промышленности оказывает качество заготовок.

В зависимости от назначения подшипниковая сталь поставляется в виде горячекатаных прутков круглого и квадратного (больших размеров) сечений, в виде горячекатаной полосы, горячекатаных и холоднокатаных труб и крупногабаритных паковок, а также холоднотянутой проволоки в мотках и прутках.

Технические требования к качественным показателям сортового проката из сталей типа ШХ-15 и ШХ15СГ (в т. ч. и ШХ4), нормы и методы контроля основных свойств его указаны в ГОСТ 801-68, труб в ГОСТ 800-78, проволоки в ГОСТ 4727-67; к стали ШХ15ШД вакуумно-дугового переплава – в ГОСТ 21022-75.

Кроме того, имеется ещё целый ряд технических условий, содержащих дополнительные требования к качеству полуфабрикатов из

стали этих марок, полученных другими методами рафинирующих переплавов или отражающих особенности новых технологических процессов получения заготовок.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
12
ДП-150101-61313111-51  
Требования, предъявляемые к состоянию поверхности прутков, труб, проволоки подшипниковой стали, предусматривают отсутствие грубых дефектов типа нарушения сплошности или ограничивающие допустимость менее опасных дефектов незначительной глубины. На поверхности прутков не допускаются раскованные и раскатанные загрязнения, пузыри, трещины, корочки, закаты, плены и другие дефекты, возникающие при переделе слитка или промежуточной заготовки.

Несмотря на тщательный контроль на металлургических предприятиях, брак по этим дефектам составляет наибольший процент от общего количества стали, рекламируемой подшипниковыми заводами. Особенно велик этот процент для калиброванной стали.

Не обнаруженные при контроле в прутках и трубах поверхностные дефекты раскрываются в процессе дальнейшей механической обработки, пластической деформации, термической обработки или в процессе эксплуатации подшипников.

К допустимым дефектам на поверхности прутков и труб относятся мелкие отпечатки, рябизна, царапины. Глубина залегания таких дефектов в стандартах дифференцируется в зависимости от диаметра прутков и от состояния поставки.

Повышение суммы легирующих до 5% и выше может быть оправдано только в случаях особых эксплуатационных условий (коррозионная среда, повышенные рабочие температуры и др.), так как оно приводит к увеличению расходов на обрабатываемость и снижению долговечности по сравнению с теми же показателями традиционных подшипниковых сталей.

Влияние суммарного содержания легирующих элементов на долговечность подшипниковых сталей представлен на рисунке 1.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
13
ДП-150101-61313111-51  

Рисунок 1 – Влияние суммарного содержания легирующих элементов на долговечность подшипниковых сталей

 

Изменение содержания составляющих сталь легирующих элементов оказывает различное влияние на свойства подшипников. Добавка молибдена оказывает положительное влияние на долговечность подшипников.

В Японии были испытаны подшипниковые стали типа ШХ15 с содержанием 1-1.5% Si. Долговечность подшипников из этих сталей повышалась, однако они не получили применения из-за плохой обрабатываемости. Предлагаемая замена стали ШХ15 на сталь с пониженным содержанием хрома (85Cr1Mo) не была осуществлена, несмотря на более короткое время отжига, из-за пониженной (8 мм) прокаливаемости. Эту сталь целесообразно применять там, где требуется улучшенная деформируемость в холодном состоянии. Многими авторами было доказано благоприятное влияние повышенного содержания серы (до 0,15%) на долговечность и обрабатываемость подшипниковых сталей, хотя стали с таким содержанием серы пока не применяются.

В подшипниковых сталях, полученных по обычной технологии, содержится около 0,005% О2, 0,01-0,02% N2, 0,0001-0,0005% Н2. Кислород находится в виде окислов и его количество зависит от технологии

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
14
ДП-150101-61313111-51  
раскисления. При вакуумировании содержание кислорода уменьшается до 0,002%, а при ВДП – до 0,001%.

Водород отрицательно влияет на качество стали ввиду того, что снижение растворимости его при снижении температуры металла вызывает повышенные локальные давления в металле, приводящие к образованию флокенов.

При исследовании подшипниковых сталей отечественных и зарубежных фирм было установлено отрицательное влияние повышенных содержаний азота и суммы азота и кислорода на долговечность подшипников.

Неметаллические включения в подшипниковых сталях являются концентраторами напряжений и могут в некоторых случаях являться причиной появления микротрещин, образующихся от повышенной концентрации мозаичных напряжений, резкого охлаждения при закалке и др. В общем же случае стараются, чтобы неметаллические включения имели глобулярную форму. Наиболее пагубное воздействие на качество подшипников оказывают включения оксидов и нитридов алюминия.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям по содержанию вредных включений стали, произведённые методами ЭШП и ВДП. Однако этот металл слишком дорогой и, кроме того, не установлены экономически целесообразные требования по чистоте металла.

 

Состав электросталеплавильного цеха ЧерМК

ОАО «Северсталь»

Электросталеплавильный цех был введен в эксплуатацию в апреле 1969 года, по проекту Ленгипромеза в составе трех 100-тонных электропечей типа ДСП-100М01.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
15
ДП-150101-61313111-51  
Электросталеплавильный цех состоит из шести крытых пролетов, размеры которых приводятся в таблице 2.

Пролет/оси, наименование Длина, м Ширина, м
А-Б(В)/1-51 Шихтовый 300 30
В-Г/1-51 Печной 300 30
Г-Д(Е)/1-51 Разливочный 300 30
Е-Ж/1-51 Аэрационный 300 18
Ж-И/1-67 Термоотделочный 300 30
И-К/1-67 Адъютажный 300 30

Таблица 2 - Размеры электросталеплавильного цеха                                  

 

В печном пролете установлены две шахтные печи (ШП №1 и ШП №2) и две установки «печь – ковш» (УПК №1 и УПК №2) конструкций фирмы «Fuchs Systemtechnik GmbH».

В разливочном пролете цеха смонтирована, по проекту Ленгипромеза, установка вакуумирования стали в ковше (УВС – 130) и размещены две установки непрерывной разливки стали (шести и двух – ручьевые).

Технология выплавки стали включает расплавление металлошихты и наведение в печи окислительного шлака, выпуск металла в «печь-ковш» с раскислением, наведением нового восстановительного шлака и продувкой металла аргоном. Кроме этого, на установке «печь-ковш» производится доводка плавок по химическому составу и температуре, а также обработка металла порошковыми проволоками. Наличие сталеплавильного рафинировочного  оборудования позволяет производить сталь всех необходимых марок самого высокого качества.

В специализацию ЭСПЦ по марочному составу входят:
- стали углеродистые обыкновенного качества;
- углеродистые качественные конструкционные;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
16
ДП-150101-61313111-51  
- низколегированные;
- шарикоподшипниковые;
- легированные конструкционные.                                                                                         

Транспортировка ковшей с жидким чугуном, слябов, шлака, огнеупоров, электродов и сменного оборудования производится железнодорожным транспортом.

Стальной лом для переплавки в шахтных печах поступает в скрапной пролет в контейнерах емкостью 17 м3 на платформах из скрапоразделочного цеха. Часть лома завозится в цех автотранспортом. Лом перегружается мостовыми кранами в завалочные корзины, установленные на скраповозах. После взвешивания на платформенных весах, лом подается в печной пролет по двум тупиковым путям.

Завалочные корзины с ломом поднимаются завалочными кранами через проемы в рабочей площадке и загружаются в электропечи.

Жидкий чугун подается к печам литейным краном в заливочных ковшах номинальной емкостью 80 тонн.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
17
ДП-150101-61313111-51  
3 Влияние вредных примесей на свойства стали ШХ-15

Влияние кислорода

Уже указывалось, что концентрация этого газа в стали к моменту ее кристаллизации определяет получение стали того или иного типа: спокойной, полуспокойной или кипящей.

К концу плавки общее содержание кислорода складывается из растворенного в стали кислорода и из кислорода, находящегося в составе оксидных включений, не успевших выделиться и находящихся во взвешенном состоянии. Эти окислы сформировались в металле в результате прошедших окислительных реакций.

Кислород, находящийся в жидкой стали, вследствие резкого уменьшения возможной его концентрации в твердой стали, выпадает из раствора в момент кристаллизации и тут же формирует нежелательные оксидные включения. Так как эти процессы происходят на поздней стадии перехода жидкости в твердое состояние, то уже нельзя надеяться на всплывание образовавшихся окислов. Поэтому та сталь получится более чистой и будет отличаться лучшим качеством, в которой в момент затвердевания осталось мало общего содержания кислорода (растворенного и взвешенного в окислах).

В зависимости от состава и расположения кислородных включений будет проявляться их различное влияние на свойства стали. Наиболее вредными для свойств стали оказываются окислы, располагающиеся в виде семейства цепочек, нитей или пленок по границам зерен. Такие формы образования чаще всего наблюдаются при формировании глиноземистых, корундовых и алюмосиликатных включений. Менее вредными оказываются окислы, формирующиеся при высокой еще температуре и располагающиеся внутри зерен.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
18
ДП-150101-61313111-51  
Установлено, что повышенное содержание кислорода в стали повышает ее склонность к старению, ухудшается электросопротивление, снижаются магнитные свойства стали, из-за повышенных ваттных потерь. Влияние содержащегося кислорода на старение стали видно из примера, когда сталь из поверхностного слоя кипящего слитка, в котором содержалось 0,02% кислорода (проба на разливке), оказалась менее склонной к старению, чем сталь из сердцевинной доли того же слитка, в которой содержалось около 0,06% кислорода. Склонность стали к старению оценивалась сравнением пластических свойств и особенно ударной вязкости образцов до и после искусственного старения, когда образцы подвергались 10% деформации растяжением с последующим отпуском при 250° С в течение 1 ч. Повышенное содержание кислорода в вольфрамовой магнитной стали приводит к понижению мощности магнитов. Известно также, что повышенное содержание кислорода в стали сообщает ей свойство красноломкости даже при обычных концентрациях серы в ней. Это явление связано с выпадением кислорода из пересыщенного раствора во время кристаллизации и расположением оксисульфидной фазы вокруг зерен, что нарушает прочность связи отдельных зерен металла друг с другом.

 

Влияние водорода

 

Давно установлено отрицательное влияние водорода на качество слитка. Выделение водорода во время кристаллизации способствует развитию рослости слитков, образованию пористости как в слитках, так и в заготовках, способствует формированию в слитках пятнистой ликвации. Водород хорошо ликвирует и усиливает ликвацию других примесей. Обычно повышенные концентрации водорода обнаруживаются в центральной и головной части слитка. Способность водорода к ликвации создает опасность появления ряда дефектов в стали.

 

Жидкая сталь при переходе в твердое состояние и при дальнейшем ее

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
19
ДП-150101-61313111-51  
охлаждении может пересыщаться водородом, вследствие резкого уменьшения возможной растворимости при различных модификациях железа. Большая часть водорода выделяется из раствора внутри слитка (изделия) возле мельчайших трещинок и несплошности усадочного происхождения и в порах на границе неметаллических включений и металла.

Развивающийся здесь процесс молекулярного превращения 2[H] → [H2] приводит к скоплению молекул водорода и в отвердевшей стали формируются участки, где выделившийся водород находится под значительным давлением. Это способствует возникновению внутренних напряжений в металле. При сочетании условий, когда эти напряжения складываются с напряжениями другого рода, например термическими или напряжениями, возникшими в результате фазовых превращений или при деформации, которые в сумме превышают предел прочности стали при данном ее состоянии, то это приводит к образованию внутренних разрывов стали и мельчайших трещинок волосных размеров, которые называются флокенами.

Хромоникелевые, хромоникельмолибденовые стали обычно кристаллизуются с развитием столбчатых кристаллитов. Эта особенность кристаллического строения облегчает условия для скапливания молекулярного водорода у границ развитых кристаллитов. Именно в этой зоне возле неметаллических образований возникают большие напряжения, благодаря скопившемуся молекулярному водороду, которые приводят к ослаблению прочности связи кристаллитов, облегчая разрушение стали в поперечных образцах. Излом стали имеет обычно древовидное (занозисто-слоистое) строение, называемое шиферным. Углеродистые стали менее склонны к формированию шиферного излома, чем сталь, легированная хромом, никелем и молибденом. Шиферное строение стали понижает ее пластические характеристики.

Для предупреждения вредного влияния водорода сталь подвергают термической обработке, при которой облегчаются условия диффузии

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
20
ДП-150101-61313111-51  
растворенного водорода к поверхности слитка (изделия) и последующего его удаления, чем ликвидируется возможность скопления молекулярного водорода внутри слитка (изделия). Образование указанных дефектов можно предупредить медленным охлаждением слитков в специальных устройствах или под горячим песком.

В настоящее время после вакуумирования жидкой стали, благодаря которому снижается концентрация в ней водорода до 1,5—2,0 сл3/100 г, полностью предупреждается образование в стали флокенов и шиферного излома. Это и подтвердило, что именно водород является основным источником порождения указанных дефектов в поковках, главным образом из легированной стали. Для этой же цели начали широко применять способ продувки жидкого металла в ванне печи, и особенно в разливочном ковше, инертными газами (гелием, аргоном) через пористые огнеупоры в виде цилиндрических конусов, установленных в днище ковша.

 

Влияние азота

 

Н. А. Минкевич установил, что при заметном повышении концентрации азота увеличиваются прочностные характеристики и одновременно снижаются пластические свойства стали. Азот увеличивает хрупкость и твердость стали, способствует уменьшению магнитной проницаемости. Установлено также, что в стали, раскисленной и легированной нитридообразующимися элементами, например титаном или цирконием, повышается содержание нитридов.

Азот совместно с углеродом сообщают стали склонность к старению. Наибольшее снижение ударной вязкости после искусственного старения наблюдается у кипящей стали; сталь, успокоенная кремнием, обнаруживает

небольшую склонность к старению, а эта же сталь, но дополнительно раскисленная алюминием, практически не стареет. Известно также, что углеродистая сталь с концентрацией 0,003% азота при остаточном алюминии

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
21
ДП-150101-61313111-51  
0,02% не стареет, но при содержании в подобной стали 0,007% азота для сохранения нестареющих свойств требуется иметь остаточного алюминия в стали 0,035%. Небольшими концентрациями остаточного ванадия в стали (0,02—0,04%) также обеспечивается нестареющие ее свойства.

Искусственно насыщенная азотом томасовская кипящая сталь (до 0,03%) обладала наибольшей склонностью к старению. Спокойная сталь с 0,20% С, раскисленная кремнием и алюминием, почти не стареет. Кипящая сталь с 0,05% углерода без алюминия, т. е. насыщенная газами, в том числе азотом, сильно стареет. Полуспокойная сталь менее склонна к старению, чем кипящая, и если полуспокойную сталь дополнительно раскислить алюминием, то она становится мало склонной к старению. Имеются также указания на возможность использования небольших добавок бора (0,005—0,015%) для связывания азота в кипящей и полуспокойной стали с целью уменьшения склонности к старению.

Растворимость азота резко уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении жидкого металла и дальнейшем его отвердевании неизбежно образование пересыщенных азотом объемов стали, вследствие чего начинается его выделение. При кристаллизации слитка несвязанный азот ликвирует подобно углероду, фосфору или сере, сосредоточиваясь в центре и головной части его. Из пересыщенных объемов стали азот будет выделяться из раствора не в газообразном виде, а в форме нитридов, устойчивых как при высоких, так и низких температурах. Выпавшая твердая мелкодисперсная фаза нитридов и карбиды вызывают напряженность кристаллической решетки, что и обусловливает явление старения. Этот процесс, как указывалось, приводит к ухудшению пластических свойств стали, повышению ее твердости и хрупкости, снижению магнитной проницаемости, увеличению коэрцитивной силы и потерь на гистерезис.

Иногда азот привлекается специально для полезных целей. Так, если в сталь, содержащую азот, добавить нитридообразующие элементы, то это будет способствовать формированию мелкозернистой структуры, так как

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
22
ДП-150101-61313111-51  
образующиеся нитриды будут выполнять роль центров кристаллизации. Известны также приемы устранения транскристаллизации в высокохромистой стали путем ввода азотированным феррохромом или азотированным ферромарганцем до 0,3% азота. Такой прием приводит к образованию нитридов хрома, устранению транскристаллической структуры и формированию мелких зерен.

 

Влияние фосфора

 

Фосфор в стали находится в виде твердого раствора в феррите или выделений фосфида железа Fe2P и благодаря этому увеличивает твердость железа, прочность и упругость, но одновременно снижает вязкость и особенно ударную вязкость. Влияние фосфора особенно резко обнаруживается в появлении у стали хладноломкости. Фосфор обусловливает склонность к образованию трещин при ударной деформации, при обыкновенной температуре и крупнозернистый излом. Такая сталь становится особенно хрупкой на морозе.

Влияние фосфора на сталь тем сильнее, чем больше в стали углерода. Входя в твердый раствор, фосфор способствует ликвации вследствие большого интервала затвердевания. Поэтому сталь, содержащая фосфор, дает весьма резко выраженную дендритную ликвацию, которая усиливается под влиянием углерода. Фосфор весьма медленно диффундирует в железе (гораздо медленнее, чем углерод). Во избежание местного скопления фосфора вследствие ликвации содержание фосфора в различных сортах стали в зависимости от ее назначения допускается лишь не более 0,02—0,07%. В виде исключения содержание фосфора умышленно увеличивается до 0,2% в

стали, идушей для производства болтов и гаек. Благодаря присутствию фосфора достигается более высокая хрупкость, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и получение чистой резьбы без задиров.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
23
ДП-150101-61313111-51  
3.5 Влияние серы

 

Сера в жидкой стали обладает неограниченной растворимостью и очень малой растворимостью в твердом состоянии. Как видно из рисунка, где приведен «железный» угол диаграммы состояния Fe-S для малых концентраций серы, предельная растворимость серы в железе при 1365° С составляет 0,05%, а при 1000° С 0,013%. В альфа-железе растворимость серы ничтожна.

   

Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации стали и ее охлаждения сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS или оксисульфидов FeS-FeO. Выделение включений в конце затвердевания, когда имеются уже сформировавшиеся кристаллы, приводит к тому, что они располагаются по границам зерен, ослабляя их связь и ухудшая свойства металла.

При комнатной и близких к ней температурах включения сульфидов понижают механические свойства стали, характеризующие пластичность (относительные сужение и удлинение) и ударную вязкость. В литом металле это влияние может проявляться во всех направлениях. В катаных или кованых стальных изделиях, где сульфидные включения вытянуты в виде строчек в направлении горячей пластической деформации, отрицательное влияние серы в стали проявляется лишь в направлении, поперечном к линии вытяжки в процессе этой деформации.

 

                                                   

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
24
ДП-150101-61313111-51  

Рисунок 2 -  Железный угол диаграммы Fe-S

При температуре горячей обработки металла давлением (850-1200° С) сера в стали вызывает понижение технологической пластичности стали, называемое «красноломкостью» (потеря пластичности при температуре красного каления). Красноломкость проявляется в образовании рванин и трещин во время обработки давлением.

Причиной возникновения красноломкости является оплавление оксисульфидов и сульфидов по границам зерен, вызывающее разрушение металла в процессе обработки давлением. Как видно из диаграммы, приведенной на рисунке, это может происходить при содержании серы в стали более 0,01%, т. е. тогда, когда оно выше предела растворимости в гамма-железе.

Степень влияния серы на свойства стали зависит от характера сульфидных включений и их расположения в металле, что определяется воздействием некоторых сульфидообразующих элементов, вводимых в сталь для раскисления.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
25
ДП-150101-61313111-51  
Раскисление будет подробно рассмотрено в следующем подразделе. Здесь же следует отметить лишь, что применяется оно для понижения содержания кислорода в металле.

 

    Рисунок 3 - Типы сульфидов в литой стали, X 400

При раскислении стали марганцем и кремнием без алюминия или с небольшим количеством алюминия (до 0,006—0,02%) образуются сульфиды и преимущественно оксисульфиды в виде обособленных, беспорядочно разбросанных обычно крупных глобулей — I тип включений .

При более полном раскислении (удалении кислорода) алюминием сульфидные включения выпадают в виде цепочек мелких глобулей или пленок — II тип включений. Критическое содержание алюминия, при котором образуются включения второго типа, составляет примерно 0,01—0,10% в малоуглеродистой стали и 0,005—0,020% в средне- и высокоуглеродистой.

Дальнейшее увеличение количества вводимого в сталь алюминия приводит к образованию включений III типа, относительно крупных, обычно неправильной формы, беспорядочно расположенных в металле.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
 Дата
Лист
26
ДП-150101-61313111-51  
Эти включения состоят из сульфидов алюминия, марганца и железа.

Наиболее вредное влияние на механические свойства стали и склонность к красноломкости сера оказывает при образовании включений II типа. Влияние это меньше при образовании включений III типа и еще меньше при образовании включений I типа.

Особое влияние на склонность к возникновению красноломкости оказывает марганец. В стали, не содержащей марганца, красноломкость возникает при очень малой концентрации серы, критическая величина которой зависит от состава металла и условий деформации. Практикой металлургического производства установлено, что отношение концентраций марганца и серы, необходимое для получения высокой технологической пластичности металла, обеспечивающей горячую обработку давлением без возникновения красноломкости, равно 10—20 для стали с содержанием серы до 0,05%.

Однако радикальным средством уменьшения вредного влияния серы на свойства стали является понижение ее содержания.

 

4

 
 
 
Подпись
Дата
Лист
27
ДП-150101-61313111-51  
 Разработал
Волков С.В.
 Руководитель
 Сумин С.Н.
 
   
 Зав. каф.
Габелая Д.И.
 Н. Контр.
Окуджава И.И.
Изучение распределения серы между металлом и шлаком при внепечной обработке стали ШХ15 в условиях ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь»    
Лит.
Листов
110
ФГБОУ ВПО ЧГУ
 
 
Масса
Масштаб
Технологическая часть
 
 
Технологическая часть


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1267; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!