Виробництво сталі
Сталь є матеріальною основою промислового виробництва та будівництва, найважливішим продуктом чорної металургії. У порівнянні з чавуном вона має більш високі механічні властивості, її можна обробляти тиском; багато сортів сталі, в розплавленому стані мають достатню жидкотекучестью для отримання фасонних виливків.
Основна маса сталі (до 90-92%) піддаються обробці тиском (прокатці, пресуванню, куванню, штампуванню). Сталеві вироби отримують також з порошків.
Шихтовими матеріалами для плавки сталі є рідкий або твердий чавун, сталевий і чавунний брухт, стружка, обрізки (скрап), залізорудні окатиші, феросплави (перераховані матеріали називають металошихти); вапняк, вапно, боксит, плавиковий шпат, марганцева руда, кварцовий пісок (флюси ); залізна руда, окалина, агломерат, кисень, повітря (окислювачі). Віднесення перерахованих матеріалів до груп металошихти, флюсів і окислювачів зроблено у відповідності з основним їх призначенням; багато з матеріалів однієї групи містять елементи інший (наприклад, в окалині, бокситі є залізо, в скрап - кисень і т. п.)
Завдання переділу чавуну в сталь полягає в тому, щоб із чавуну видалити надлишок вуглецю, кремнію, марганцю та інших домішок. Особливо важливо при цьому видалити шкідливі домішки сірки і фосфору, які надають стали крихкість. Вуглець чавуну, з'єднуючись з киснем, перетворюється в газ (оксид вуглецю CO), який випаровується. Інші домішки переходять у різні сполуки, нерозчинні або малорозчинні у металі; ці з'єднання разом з флюсами утворюють на поверхні металу шлак.
При окисленні марганець і кремній утворюють оксиди MnO та SiO 2, нерозчинні у металі. Утворений оксид фосфору P 2 O 5 у з'єднання (CaO) 4 · P 2 O 5, нерозчинний в металі. Безпосереднім окислювачем домішок в процесі виробництва сталі є оксид заліза FeO, розчинений у металі.
Сірка розчинена у чавуні у складі з'єднання FeS, її видаляють за допомогою марганцю або вапна, які утворюють з нею або погано розчинні у металі з'єднання MnS або нерозчинне з'єднання CaS, що переходять у шлак. Кінцевою операцією процесу виплавки сталі є її розкислення (відновлення заліза з FeO). Для легованої сталі, розкислення зазвичай поєднують з легуванням.
У металургії в основному застосовують такі способи отримання сталі: киснево-конвертерний, в мартенівських і двухванних печах і електротермічний.
Виробництво сталі в кисневих конвертерах
У виробництві сталі широко використовують киснево-конвертерні процеси при продувці киснем зверху і в останні роки - при продувці через днище. Їх перевагами є висока продуктивність, яка забезпечується інтенсивністю процесів окислення елементів, а також менше в порівнянні з мартенівськими цехами витрати на будівництво. У кисневих конвертерах можуть виплавляти як вуглецеві, так і леговані сталі.
Основним шихтових матеріалом киснево-конвертерного процесу є рідкий передільний чавун, джерелом тепла при виплавки сталі є хімічні екзотермічні реакції окислення елементів при продувці рідкого чавуну киснем.
Кисневі конвертори поділяються на стаціонарні та обертові. У СРСР застосовують стаціонарні конвертори з глухим дном і конвертори з донної продувкою місткістю від 100 до 400 т.
Стаціонарний конвертер має два бандажа, кожен з яких спирається на два ролики. Горловина конвертора має симетричну форму. Усередині сталевого кожуха конвертери викладаються смолодоломітовим цеглою. Льотка призначена для зливу готової сталі та сприяє кращому відділенні стали від шлаку та зменшення відновлення фосфору з шлаку при зливі.
У конвертер спочатку завантажують скрап, далі заливають чавун, потім засипають вапно, а також боксит, залізну руду і окалину (якщо потрібно), після чого виробляють продувку, взяття проб, їх аналіз, а потім злив металу і шлаку.
Кисень під тиском 900 - 1000 кПа подається через водоохолоджувальну фурму, частина проникає в метал, а залишився кисень розтікається по поверхні ванни. Залитий в конвертер чавун містить близько 93% заліза, тому що проникає в чавун кисень переважно окислює залізо:
Fe + 1 / 20 лютого → FeO + ΔH.
З початком продувки в конвертері відразу утворюються дві незмішувані між собою рідини - метал (щільність 7,8 г / см 3) і шлак (щільність близько 2,5 г / см 3), що знаходяться в безпосередньому контакті і взаємодії.
Частина оксиду заліза залишається в металі, частина його переходить в шлак, при цьому як в металі, так і в шлаку оксид заліза реагує з іншими елементами і сполуками, однак в шлаку та металу розподіл оксиду заліза постійно при даній температурі; це називається константою розподілу L FeO:
L FeO = FeO в мет. = const.
Отже, при зменшенні масового вмісту FeO в шлаку відповідно зменшується його масовий вміст і в металі.
Оксид заліза, що знаходиться в металі, вступає у взаємодію з домішками у чавуні, до яких кисень має велике спорідненість, ніж до заліза:
2FeO + Si → 2Fe + SiO 2 + ΔH
FeO + Mn → Fe + MnO + ΔH
Фосфор вигоряє за реакцією:
5FeO + 2P → P 2 O 5 + 5Fe + ΔH
Оксид фосфору розчиняється в металі і в шлаку зі своєю константою распределеніяL P O зразок оксиду заліза:
L PO = PO в мет. = Const
Вуглець вигорає за реакцією:
FeO + C → Fe + CO - ΔH
Оксид вуглецю СО бульбашками виходить з рідкої ванни, частково згоряє, реагуючи з киснем, що розтікаються по поверхні ванни:
CO + 1/2O 2 → CO 2 + ΔH
Розігрів ванни сприяє розчиненню вапна, бокситу і оксидів заліза, в результаті утворюється активний основний шлак з надлишком вільного оксиду кальцію, який зв'язує фосфор в нерозчинний в металі підключення:
P 2 O 5 + 4 CaO → (CaO) 4 P 2 O 5 + ΔH
При переробці високофосфористі чавуну, для того щоб запобігти зворотний перехід фосфору зі шлаку в метал, шлак, збагачений фосфором, зливають і знову завантажують вапно. Фосфористий шлак використовують в сільському господарстві в якості добрива.
Гарячий високоізвестковістий шлак у конвертері дає можливість шлаковать фосфор раніше, ніж вигорає вуглець. Вапно забезпечує також шлакування сірки по реакції:
FeS + CaO → FeO + CaS + ΔH
Ця реакція йде на межі розділу шлак - метал. Перегрітий активний основний шлак забезпечує видалення значної частини сірки з металу, в результаті чого її масове зміст може бути доведено до 0,015%
Збільшення продуктивності кисневих конвертерів досягається не тільки шляхом збільшення місткості, але також за рахунок інтенсивності продувки при впровадженні автоматичного управління та контролю плавки та використанням ЕОМ.
У конвертерах з донним дуттям вихід стали більше за рахунок збільшення присадки скрапу в порівнянні з конвертерами з верхнім дуттям.
За останній час на металургійних заводах збудовано кілька великих киснево-конвертерних цехів. Будівництво таких цехів буде продовжуватися, а питома вага виробництва сталі, в мартенівських печах значно скоротиться.
Леговані сталі і сплави
Міцність, в'язкість, жаро-і хладостойкость, а також корозійна стійкість вуглецевих сталей є недостатніми для багатьох високонавантажених деталей машин і будівельних конструкцій; інструменти з вуглецевої інструментальної сталі тверді, але не витримують підвищеної швидкості різання, тому що розм'якшуються при нагріванні вже до температури 250 0C , Крім того, вони крихкі. Прокаливаемость вуглецевої сталі також невелика у зв'язку з великою критичною швидкістю гарту, в результаті цього на мартенсит гартується тільки поверхневий шар заготовки, а внутрішні шари гартуються лише на троостит або сорбіт, а у заготовок великих розмірів залишаються зовсім не загартованими. Таким чином, вуглецева сталь часто не відповідає підвищеним вимогам машинобудування та інструментального виробництва.
Введені в сталь легуючі елементи покращують її механічні, фізичні і хімічні властивості. Для легування сталі застосовують хром, нікель, марганець, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан, алюміній, мідь і інші елементи. Марганець вважається легирующим компонентом при масовому вмісті більше 1%, а кремній - більше 0,8%. Більшість легованих сталей набувають високі фізико-механічні властивості лише після термічної обробки.
Леговану сталь класифікують за такими ознаками:
числу введених легуючих елементів;
сумарному масового змісту легуючих елементів;
характером взаємодія легуючих елементів з залізом і з вуглецем;
структурі в отожженном і нормалізувати станах;
якості;
призначенням і застосування.
Число введених легуючих елементів. Якщо введений один легуючий елемент, то сталь називають по цьому елементу, таку сталь називають також потрійний, так як вона містить залізо, вуглець і легуючий елемент (постійні домішки не рахуються). З потрійних легованих сталей застосування знаходять хромова, марганцева і кремниста сталі.
Якщо сталь легована двома, трьома і більше елементами, то вона є складнолегованих (комплексно-легованої) і її називають по введених легирующим елементам (наприклад, хромомарганцевой, хромомолібденової, хромоникельовой, серністомарганцевой, хромокремністованадіевой). Хром, кремній і марганець присутні в більшості легованих сталей, інші легуючі елементи вводять (за винятком сплавів з особливими властивостями) найчастіше в поєднанні з ними. При комплексному легуванні отримання потрібних властивостей досягається повніше і при меншому загальному масовому змісті легуючих елементів.
Сумарне масовий вміст легуючих елементів. За цією ознакою сталь ділиться на низьколеговану (сумарний вміст їх менше 2,5%, середньолегованих (від 2,5 до 10%) і високолеговану (більше 10%).
Взаємодія легуючих елементів з залізом і вуглецем. З залізом легуючі елементи утворюють у-, так і a-тверді розчини, тобто вони можуть входити до складу аустеніту і фериту, зміцнюючи їх. При цьому легуючі елементи роблять різний вплив на стійкість аустеніту: одні (наприклад, нікель) розширюють цей інтервал і при достатньому масовому змісті визначають аустеніт стійкому навіть при кімнатній температурі (такі стали називають аустенітних). Інші (наприклад, хром) зменшують стійкість аустеніту і можуть зовсім усунути аустенитное перетворення; при достатньому вмісті таких елементів (наприклад, більше 13% Cr) аустеніту не існує і сталь аж до плавлення залишається феритної. Аустенітні і ферритні стали шпильки не приймають, тому що вони не мають фазових перетворень у твердому стані.
По відношенню до вуглецю легуючі елементи поділяють на дві групи: 1) елементи, які утворюють з вуглецем стійкі хімічні сполуки, - карбіди (хром, марганець, молібден, вольфрам, ванадій, цирконій, титан); карбіди можуть бути простими, наприклад, Cr 4 C , MoC, і складними легованими - [(Fe, Cr) 7] C 3; (Fe, W) 4 C та ін Вони твердіше карбіду заліза і менш крихкі, 2) елементи, що не утворюють в сталі карбідів і входять до твердий розчин - ферит (нікель, кремній, кобальт, алюміній, мідь); вони надають графітізірующее дію.
Структура в отожженном стані. За цією ознакою розрізняють доевтектоїдних, евтектоїдних, заевтектоідную і ледебуритного леговані сталі.
На рис. 1 наведена структурна діаграма для відпалених хромових сталей, що показує зміни положення точок легованого перліту (лінія 1) і граничного масового вмісту вуглецю в легованому аустеніті (лінія 11) на діаграмах стан систем сплавів в залежності від кількості хрому. З діаграми видно, що в міру збільшення масового вмісту хрому точки, аналогічні тачок S і E на діаграмі стану системи сплавів Fe-Fe 3 C, будуть зміщатися вліво на відповідних діаграмах стану систем сплавів з хромом, тобто масовий вміст вуглецю в легованому перліті і легованому аустеніті зменшуються в міру збільшення кількості хрому в сплавах. Це відноситься також і до сталей, легованих іншими карбидообразующие елементами.
Доевтектоїдних сталь складається з легованого перліту та надлишкового легованого фериту, заевтектоідная - з легованого перліту і легованих карбідів, а ледебуритного - з легованих ледебуріта, перліту та карбідів. На діаграмі вказана також область феритних сталей, які утворюються при великому масовому змісті і невеликому вуглецю.
Структура в нормалізованому стані. На рис. 2 наведена діаграма для нікелевих сталей, що показує залежність отриманої при охолодженні на повітрі структури стали від масового вмісту вуглецю та нікелю в ній.
З діаграми видно, що при невеликому масовому вмісті нікелю і вуглецю виходить структура, що складається з суміші фериту і цементиту, яка, однак, характеризується підвищенням дисперсності в міру збільшення в сталі нікелю і вуглецю, тобто структура може бути перлітною, сорбітной або троостітной . На діаграмі відповідна область характеризує перлітний клас сталей. Більша масовий вміст нікелю і вуглецю в сталях призводить до утворення при їх охолодженні на повітрі структури мартенситу або аустеніту; такі стали відносять, відповідно, до мартенситном або аустенітного класу.
Освіта структури аустеніту пояснюється тим, що при підвищеному масовому вмісті в сталі елементів, що розчиняються в аустеніт (зокрема нікелю), мартенситне перетворення в порівнянні відбувається при більш низьких температурах, при великому змісті цих елементів таке перетворення здійснюється при температурах нижче 0 0 С. Відповідно при охолодженні на повітрі до кімнатної температури в сталі збережеться структура аустеніту без мартенситу.
При меншій масовому вмісті нікелю і вуглецю мартенситно точка на відповідній діаграмі буде лежати вище, так як мартенівське перетворення в таких випадках відбувається при більш високій температурі і охолоджена на повітрі сталь має структуру мартенситу.
При невеликому вмісті нікелю і вуглецю швидкість охолодження на повітрі виявляється менше критичної швидкості гартування і сталь, охолоджена на повітрі до кімнатної температури, має структуру троостита, сорбіту або перліту. Заштриховані ділянки на діаграмі відповідають складом сталей, що займає положення проміжних класів: перлітною-мартенситного та мартенситних-аустенітного.
Аналогічні діаграми можуть бути побудовані також для сталей, легованих іншими елементами, при цьому крім тих названих класів можуть утворитися ще два класи: карбідний і феритний.
Таким чином, легована сталь в залежності від структури і стану, отриманих при охолодженні на повітрі, діляться на п'ять класів (не включаючи проміжних): перлітний, мартенситних, аустенітний, карбідний і феритний.
Класифікація за якістю. Легована сталь підрозділяється на якісну (масовий вміст сірки та фосфору не більше 0,035% кожного), високоякісну (не більше 0,025% кожного) і особовисококачественную (не більше 0,015% S і 0,025% P), яку одержують при рафінуючих переплавах.
Класифікація за призначенням і застосування. Сталь поділяють на конструкційні (загального і спеціального призначення і з особливими властивостями) і інструментальні.
У конструкційних сталях загального призначення виділяють будівельні та машинобудівні низьколеговані сталі, а також покращувані, Цементовані сталі і сталі підвищеної оброблюваності різанням (автоматні сталі).
До конструкційних сталей спеціального призначення та сталям з особливими властивостями відносяться шарикопідшипникові, ресорно-пружинні, високоміцні, корозійно-стійкі, жаростійкі та жароміцні, зварювальні та наплавочні сталі, сталі з особливими магнітними, електричними і тепловими властивостями, котельні, корпусні стали для суднобудування та інші .
Інструментальні сталі застосовують для виготовлення ріжучих, вимірювальних та ударно-штампувальних інструментів.
Маркування легованої сталі. Відповідно до ГОСТом для позначення легуючих елементів прийняті наступні літери; Х - хром, Н - нікель, Г - марганець, С - кремній, В - вольфрам, М - молібден, Ф - ванадій, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюміній, Д - мідь, П - фосфор, Р - бор, Б - ніобій, А - азот (ставити наприкінці маркування забороняється), Е - селен, Ц - цирконій. Для позначення легованої сталі тієї або іншої марки застосовують певне поєднання цифр і букв.
Для сталі конструкційної легованої прийнята маркування, за якою перші дві цифри вказують середнє масовий вміст вуглецю в сотих частках відсотка, якщо сталь містить менше 0,1% вуглецю, то перша цифра нуль, наприклад 08, 05. Букви в маркуванні вказують наявність відповідних легуючих елементів, а цифри, наступні за літерами, - відсоткове масовий вміст цих елементів в сталі. Якщо за будь-якої буквою відсутня цифра, то це означає, що сталь містить даний елемент у кількості до 1,5%, крім елементів, присутніх в малих кількостях (для комплексно-легованих сталей). Наприклад, марка 35X позначає хромову сталь з масовим вмістом С близько 0,35% і Сr до 1,5%; 45Г2 - марганцеву сталь з масовим вмістом С близько 0,45% і Мn близько 2%; марка 38ХН3МФА - сталь, що містить 0 ,33-0, 4% С, 1,2-1,6% Сr, 3,0-3,5% Ni, 0,35-0,45% Мо, 0,1-0,18% V, а також 0,25-0,5% Мn, не вказаного з маркування, букву А наприкінці маркування використовують для позначення високоякісної сталі. Для позначення особовисококачественной стали наприкінці маркування ставлять букву Ш (через дефіс), наприклад, 30ХГС-Ш.
Для інструментальної легованої сталі порядок маркування за легирующим компонентів той же, що і для конструкційних сталей, але зміст вуглецю вказується першою цифрою у десятих частках відсотка. Якщо цифра відсутня, то сталь містить близько 1% вуглецю.
Деякі стали спеціального призначення мають особливу маркування з літер, які ставляться попереду цифр: А - автоматна, Ш - шарікоподшипниковая, Р - швидкоріжуча, Е - магнітотвердих, Е - електротехнічна, Св - зварювальний, Нп - наплавочний і т. д.
Вплив легуючих елементів на властивості сталі. Легування сталі, нікелем підвищує її прокаливаемость; цьому ж сприяють присадки марганцю, молібдену, хрому, бору. Нікель збільшує також, в'язкість і пластичність сталі, знижує температуру порога хладноломкости. Однак нікель доріг, тому його вводять у поєднанні з марганцем або хромом. Зниження порогу холодноламкості досягається також присадкою хрому, молібдену, вольфраму, ванадію, титану, ніобію і цирконію, які утворюють дисперсні важкорозчинні в аустеніт карбіди і перешкоджають зростанню зерна аустеніту. Зростання зерна аустеніту затримується також присадкою алюмінію, присутнього у вигляді дисперсних оксидів. Молібден і вольфрам підвищують, також стійкість стали до відпустки. Кобальт (як і нікель) повністю взаємно розчинний з залізом, і сприяє зниженню кількості залишкового аустеніту в загартованої сталі.
Особливості термічної обробки легованої сталі. Введення більшості легуючих елементів визначає підвищення точок А 1 і А 3 в порівнянні з їх становищем для вуглецевої сталі, тому температура нагріву легованої сталі для загартування вище. Леговані сталі мають меншу теплопровідність і вимагають уповільненої нагріву і більш тривалою витримки для аустенізації в порівнянні з вуглецевою сталлю. Всі легуючі елементи (за виключення кобальту) зменшують критичну швидкість загартування, тобто збільшує інкубаційний період переохолодженого аустеніту («зрушують» вправо криві на діаграмах ізотермічного перетворення); це визначає збільшення прокаливаемости заготовок. Карбидообразующие елементи, крім того, визначають на діаграмі ізотермічного перетворення дві області 1 і 3 (рис. 3) мінімальної стійкості аустеніту та область 2 між ними підвищеної його стійкості. Збільшенню стійкості переохолодженого аустеніту забезпечує можливість отримання структури мартенситу при загартуванню охолодженням у маслі, на повітрі і в гарячих середовищах.
Багато легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу проти відпустки, тому для досягнення необхідної міцності леговані сталі при відпустці нагрівають до більш високих температур, ніж вуглецеві.
Термомеханічна
Обробка. Деякі марки легованої і вуглецевої сталей упрочняют термомеханічної обробкою (ТМО), при якій в єдину операцію поєднують пластичну деформацію аустеніту і загартування. Після гарту виробляють низький відпустку. Сталь після ТМО має підвищену міцність і ударну в'язкість в 1,5-2 рази вище в порівнянні зі сталлю тієї ж марки після гартування і низького відпустки.
У залежності від температури, при якій роблять деформацію, розрізняють високотемпературну (ВТМО) і низькотемпературну (НТМО) термомеханічну обробку. ВТМО застосовують для вуглецевої і легованої сталей. При цьому сталь нагрівають до температури вище точки А 3 (рис. 3, а), витримують для аустенізації, деформують прокатної або куванням (на схемі показано ламаною лінією) для попередження поста зерен аустеніту їх охолоджують. При НТМО (рис. 3 б) деформацію проводять при температурах нижче рекристалізації (зона рекристалізації показана штрихуванням) в області підвищеної стійкості аустеніту, що можливо лише для легованих сталей; рекристалізація при цьому не може виникнути.
Підвищення міцності при ТМО визначається подрібненням блоків зерен аустеніту і ущільненням дислокацій; ці особливості успадковуються і мартенситом. НТМО дає найбільше зміцнення (σ в до 2800 МПа), однак при температурах НТМО аустеніт менш пластичний, тому НТМО застосовують для виробів простої форми (стрічки, прутка) при невеликих перетинах.
Сталь є матеріальною основою промислового виробництва та будівництва, найважливішим продуктом чорної металургії. У порівнянні з чавуном вона має більш високі механічні властивості, її можна обробляти тиском; багато сортів сталі, в розплавленому стані мають достатню жидкотекучестью для отримання фасонних виливків.
Основна маса сталі (до 90-92%) піддаються обробці тиском (прокатці, пресуванню, куванню, штампуванню). Сталеві вироби отримують також з порошків.
Шихтовими матеріалами для плавки сталі є рідкий або твердий чавун, сталевий і чавунний брухт, стружка, обрізки (скрап), залізорудні окатиші, феросплави (перераховані матеріали називають металошихти); вапняк, вапно, боксит, плавиковий шпат, марганцева руда, кварцовий пісок (флюси ); залізна руда, окалина, агломерат, кисень, повітря (окислювачі). Віднесення перерахованих матеріалів до груп металошихти, флюсів і окислювачів зроблено у відповідності з основним їх призначенням; багато з матеріалів однієї групи містять елементи інший (наприклад, в окалині, бокситі є залізо, в скрап - кисень і т. п.)
Завдання переділу чавуну в сталь полягає в тому, щоб із чавуну видалити надлишок вуглецю, кремнію, марганцю та інших домішок. Особливо важливо при цьому видалити шкідливі домішки сірки і фосфору, які надають стали крихкість. Вуглець чавуну, з'єднуючись з киснем, перетворюється в газ (оксид вуглецю CO), який випаровується. Інші домішки переходять у різні сполуки, нерозчинні або малорозчинні у металі; ці з'єднання разом з флюсами утворюють на поверхні металу шлак.
При окисленні марганець і кремній утворюють оксиди MnO та SiO 2, нерозчинні у металі. Утворений оксид фосфору P 2 O 5 у з'єднання (CaO) 4 · P 2 O 5, нерозчинний в металі. Безпосереднім окислювачем домішок в процесі виробництва сталі є оксид заліза FeO, розчинений у металі.
Сірка розчинена у чавуні у складі з'єднання FeS, її видаляють за допомогою марганцю або вапна, які утворюють з нею або погано розчинні у металі з'єднання MnS або нерозчинне з'єднання CaS, що переходять у шлак. Кінцевою операцією процесу виплавки сталі є її розкислення (відновлення заліза з FeO). Для легованої сталі, розкислення зазвичай поєднують з легуванням.
У металургії в основному застосовують такі способи отримання сталі: киснево-конвертерний, в мартенівських і двухванних печах і електротермічний.
Виробництво сталі в кисневих конвертерах
У виробництві сталі широко використовують киснево-конвертерні процеси при продувці киснем зверху і в останні роки - при продувці через днище. Їх перевагами є висока продуктивність, яка забезпечується інтенсивністю процесів окислення елементів, а також менше в порівнянні з мартенівськими цехами витрати на будівництво. У кисневих конвертерах можуть виплавляти як вуглецеві, так і леговані сталі.
Основним шихтових матеріалом киснево-конвертерного процесу є рідкий передільний чавун, джерелом тепла при виплавки сталі є хімічні екзотермічні реакції окислення елементів при продувці рідкого чавуну киснем.
Кисневі конвертори поділяються на стаціонарні та обертові. У СРСР застосовують стаціонарні конвертори з глухим дном і конвертори з донної продувкою місткістю від 100 до 400 т.
Стаціонарний конвертер має два бандажа, кожен з яких спирається на два ролики. Горловина конвертора має симетричну форму. Усередині сталевого кожуха конвертери викладаються смолодоломітовим цеглою. Льотка призначена для зливу готової сталі та сприяє кращому відділенні стали від шлаку та зменшення відновлення фосфору з шлаку при зливі.
У конвертер спочатку завантажують скрап, далі заливають чавун, потім засипають вапно, а також боксит, залізну руду і окалину (якщо потрібно), після чого виробляють продувку, взяття проб, їх аналіз, а потім злив металу і шлаку.
Кисень під тиском 900 - 1000 кПа подається через водоохолоджувальну фурму, частина проникає в метал, а залишився кисень розтікається по поверхні ванни. Залитий в конвертер чавун містить близько 93% заліза, тому що проникає в чавун кисень переважно окислює залізо:
Fe + 1 / 20 лютого → FeO + ΔH.
З початком продувки в конвертері відразу утворюються дві незмішувані між собою рідини - метал (щільність 7,8 г / см 3) і шлак (щільність близько 2,5 г / см 3), що знаходяться в безпосередньому контакті і взаємодії.
Частина оксиду заліза залишається в металі, частина його переходить в шлак, при цьому як в металі, так і в шлаку оксид заліза реагує з іншими елементами і сполуками, однак в шлаку та металу розподіл оксиду заліза постійно при даній температурі; це називається константою розподілу L FeO:
L FeO = FeO в мет. = const.
Отже, при зменшенні масового вмісту FeO в шлаку відповідно зменшується його масовий вміст і в металі.
Оксид заліза, що знаходиться в металі, вступає у взаємодію з домішками у чавуні, до яких кисень має велике спорідненість, ніж до заліза:
2FeO + Si → 2Fe + SiO 2 + ΔH
FeO + Mn → Fe + MnO + ΔH
Фосфор вигоряє за реакцією:
5FeO + 2P → P 2 O 5 + 5Fe + ΔH
Оксид фосфору розчиняється в металі і в шлаку зі своєю константою распределеніяL P O зразок оксиду заліза:
L PO = PO в мет. = Const
Вуглець вигорає за реакцією:
FeO + C → Fe + CO - ΔH
Оксид вуглецю СО бульбашками виходить з рідкої ванни, частково згоряє, реагуючи з киснем, що розтікаються по поверхні ванни:
CO + 1/2O 2 → CO 2 + ΔH
Розігрів ванни сприяє розчиненню вапна, бокситу і оксидів заліза, в результаті утворюється активний основний шлак з надлишком вільного оксиду кальцію, який зв'язує фосфор в нерозчинний в металі підключення:
P 2 O 5 + 4 CaO → (CaO) 4 P 2 O 5 + ΔH
При переробці високофосфористі чавуну, для того щоб запобігти зворотний перехід фосфору зі шлаку в метал, шлак, збагачений фосфором, зливають і знову завантажують вапно. Фосфористий шлак використовують в сільському господарстві в якості добрива.
Гарячий високоізвестковістий шлак у конвертері дає можливість шлаковать фосфор раніше, ніж вигорає вуглець. Вапно забезпечує також шлакування сірки по реакції:
FeS + CaO → FeO + CaS + ΔH
Ця реакція йде на межі розділу шлак - метал. Перегрітий активний основний шлак забезпечує видалення значної частини сірки з металу, в результаті чого її масове зміст може бути доведено до 0,015%
Збільшення продуктивності кисневих конвертерів досягається не тільки шляхом збільшення місткості, але також за рахунок інтенсивності продувки при впровадженні автоматичного управління та контролю плавки та використанням ЕОМ.
У конвертерах з донним дуттям вихід стали більше за рахунок збільшення присадки скрапу в порівнянні з конвертерами з верхнім дуттям.
За останній час на металургійних заводах збудовано кілька великих киснево-конвертерних цехів. Будівництво таких цехів буде продовжуватися, а питома вага виробництва сталі, в мартенівських печах значно скоротиться.
Леговані сталі і сплави
Міцність, в'язкість, жаро-і хладостойкость, а також корозійна стійкість вуглецевих сталей є недостатніми для багатьох високонавантажених деталей машин і будівельних конструкцій; інструменти з вуглецевої інструментальної сталі тверді, але не витримують підвищеної швидкості різання, тому що розм'якшуються при нагріванні вже до температури 250
Введені в сталь легуючі елементи покращують її механічні, фізичні і хімічні властивості. Для легування сталі застосовують хром, нікель, марганець, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан, алюміній, мідь і інші елементи. Марганець вважається легирующим компонентом при масовому вмісті більше 1%, а кремній - більше 0,8%. Більшість легованих сталей набувають високі фізико-механічні властивості лише після термічної обробки.
Леговану сталь класифікують за такими ознаками:
числу введених легуючих елементів;
сумарному масового змісту легуючих елементів;
характером взаємодія легуючих елементів з залізом і з вуглецем;
структурі в отожженном і нормалізувати станах;
якості;
призначенням і застосування.
Число введених легуючих елементів. Якщо введений один легуючий елемент, то сталь називають по цьому елементу, таку сталь називають також потрійний, так як вона містить залізо, вуглець і легуючий елемент (постійні домішки не рахуються). З потрійних легованих сталей застосування знаходять хромова, марганцева і кремниста сталі.
Якщо сталь легована двома, трьома і більше елементами, то вона є складнолегованих (комплексно-легованої) і її називають по введених легирующим елементам (наприклад, хромомарганцевой, хромомолібденової, хромоникельовой, серністомарганцевой, хромокремністованадіевой). Хром, кремній і марганець присутні в більшості легованих сталей, інші легуючі елементи вводять (за винятком сплавів з особливими властивостями) найчастіше в поєднанні з ними. При комплексному легуванні отримання потрібних властивостей досягається повніше і при меншому загальному масовому змісті легуючих елементів.
Сумарне масовий вміст легуючих елементів. За цією ознакою сталь ділиться на низьколеговану (сумарний вміст їх менше 2,5%, середньолегованих (від 2,5 до 10%) і високолеговану (більше 10%).
Взаємодія легуючих елементів з залізом і вуглецем. З залізом легуючі елементи утворюють у-, так і a-тверді розчини, тобто вони можуть входити до складу аустеніту і фериту, зміцнюючи їх. При цьому легуючі елементи роблять різний вплив на стійкість аустеніту: одні (наприклад, нікель) розширюють цей інтервал і при достатньому масовому змісті визначають аустеніт стійкому навіть при кімнатній температурі (такі стали називають аустенітних). Інші (наприклад, хром) зменшують стійкість аустеніту і можуть зовсім усунути аустенитное перетворення; при достатньому вмісті таких елементів (наприклад, більше 13% Cr) аустеніту не існує і сталь аж до плавлення залишається феритної. Аустенітні і ферритні стали шпильки не приймають, тому що вони не мають фазових перетворень у твердому стані.
По відношенню до вуглецю легуючі елементи поділяють на дві групи: 1) елементи, які утворюють з вуглецем стійкі хімічні сполуки, - карбіди (хром, марганець, молібден, вольфрам, ванадій, цирконій, титан); карбіди можуть бути простими, наприклад, Cr 4 C , MoC, і складними легованими - [(Fe, Cr) 7] C 3; (Fe, W)
Структура в отожженном стані. За цією ознакою розрізняють доевтектоїдних, евтектоїдних, заевтектоідную і ледебуритного леговані сталі.
На рис. 1 наведена структурна діаграма для відпалених хромових сталей, що показує зміни положення точок легованого перліту (лінія 1) і граничного масового вмісту вуглецю в легованому аустеніті (лінія 11) на діаграмах стан систем сплавів в залежності від кількості хрому. З діаграми видно, що в міру збільшення масового вмісту хрому точки, аналогічні тачок S і E на діаграмі стану системи сплавів Fe-Fe 3 C, будуть зміщатися вліво на відповідних діаграмах стану систем сплавів з хромом, тобто масовий вміст вуглецю в легованому перліті і легованому аустеніті зменшуються в міру збільшення кількості хрому в сплавах. Це відноситься також і до сталей, легованих іншими карбидообразующие елементами.
Доевтектоїдних сталь складається з легованого перліту та надлишкового легованого фериту, заевтектоідная - з легованого перліту і легованих карбідів, а ледебуритного - з легованих ледебуріта, перліту та карбідів. На діаграмі вказана також область феритних сталей, які утворюються при великому масовому змісті і невеликому вуглецю.
Структура в нормалізованому стані. На рис. 2 наведена діаграма для нікелевих сталей, що показує залежність отриманої при охолодженні на повітрі структури стали від масового вмісту вуглецю та нікелю в ній.
З діаграми видно, що при невеликому масовому вмісті нікелю і вуглецю виходить структура, що складається з суміші фериту і цементиту, яка, однак, характеризується підвищенням дисперсності в міру збільшення в сталі нікелю і вуглецю, тобто структура може бути перлітною, сорбітной або троостітной . На діаграмі відповідна область характеризує перлітний клас сталей. Більша масовий вміст нікелю і вуглецю в сталях призводить до утворення при їх охолодженні на повітрі структури мартенситу або аустеніту; такі стали відносять, відповідно, до мартенситном або аустенітного класу.
Освіта структури аустеніту пояснюється тим, що при підвищеному масовому вмісті в сталі елементів, що розчиняються в аустеніт (зокрема нікелю), мартенситне перетворення в порівнянні відбувається при більш низьких температурах, при великому змісті цих елементів таке перетворення здійснюється при температурах нижче 0 0 С. Відповідно при охолодженні на повітрі до кімнатної температури в сталі збережеться структура аустеніту без мартенситу.
При меншій масовому вмісті нікелю і вуглецю мартенситно точка на відповідній діаграмі буде лежати вище, так як мартенівське перетворення в таких випадках відбувається при більш високій температурі і охолоджена на повітрі сталь має структуру мартенситу.
При невеликому вмісті нікелю і вуглецю швидкість охолодження на повітрі виявляється менше критичної швидкості гартування і сталь, охолоджена на повітрі до кімнатної температури, має структуру троостита, сорбіту або перліту. Заштриховані ділянки на діаграмі відповідають складом сталей, що займає положення проміжних класів: перлітною-мартенситного та мартенситних-аустенітного.
Аналогічні діаграми можуть бути побудовані також для сталей, легованих іншими елементами, при цьому крім тих названих класів можуть утворитися ще два класи: карбідний і феритний.
Таким чином, легована сталь в залежності від структури і стану, отриманих при охолодженні на повітрі, діляться на п'ять класів (не включаючи проміжних): перлітний, мартенситних, аустенітний, карбідний і феритний.
Класифікація за якістю. Легована сталь підрозділяється на якісну (масовий вміст сірки та фосфору не більше 0,035% кожного), високоякісну (не більше 0,025% кожного) і особовисококачественную (не більше 0,015% S і 0,025% P), яку одержують при рафінуючих переплавах.
Класифікація за призначенням і застосування. Сталь поділяють на конструкційні (загального і спеціального призначення і з особливими властивостями) і інструментальні.
У конструкційних сталях загального призначення виділяють будівельні та машинобудівні низьколеговані сталі, а також покращувані, Цементовані сталі і сталі підвищеної оброблюваності різанням (автоматні сталі).
До конструкційних сталей спеціального призначення та сталям з особливими властивостями відносяться шарикопідшипникові, ресорно-пружинні, високоміцні, корозійно-стійкі, жаростійкі та жароміцні, зварювальні та наплавочні сталі, сталі з особливими магнітними, електричними і тепловими властивостями, котельні, корпусні стали для суднобудування та інші .
Інструментальні сталі застосовують для виготовлення ріжучих, вимірювальних та ударно-штампувальних інструментів.
Маркування легованої сталі. Відповідно до ГОСТом для позначення легуючих елементів прийняті наступні літери; Х - хром, Н - нікель, Г - марганець, С - кремній, В - вольфрам, М - молібден, Ф - ванадій, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюміній, Д - мідь, П - фосфор, Р - бор, Б - ніобій, А - азот (ставити наприкінці маркування забороняється), Е - селен, Ц - цирконій. Для позначення легованої сталі тієї або іншої марки застосовують певне поєднання цифр і букв.
Для сталі конструкційної легованої прийнята маркування, за якою перші дві цифри вказують середнє масовий вміст вуглецю в сотих частках відсотка, якщо сталь містить менше 0,1% вуглецю, то перша цифра нуль, наприклад 08, 05. Букви в маркуванні вказують наявність відповідних легуючих елементів, а цифри, наступні за літерами, - відсоткове масовий вміст цих елементів в сталі. Якщо за будь-якої буквою відсутня цифра, то це означає, що сталь містить даний елемент у кількості до 1,5%, крім елементів, присутніх в малих кількостях (для комплексно-легованих сталей). Наприклад, марка 35X позначає хромову сталь з масовим вмістом С близько 0,35% і Сr до 1,5%; 45Г2 - марганцеву сталь з масовим вмістом С близько 0,45% і Мn близько 2%; марка 38ХН3МФА - сталь, що містить 0 ,33-0, 4% С, 1,2-1,6% Сr, 3,0-3,5% Ni, 0,35-0,45% Мо, 0,1-0,18% V, а також 0,25-0,5% Мn, не вказаного з маркування, букву А наприкінці маркування використовують для позначення високоякісної сталі. Для позначення особовисококачественной стали наприкінці маркування ставлять букву Ш (через дефіс), наприклад, 30ХГС-Ш.
Для інструментальної легованої сталі порядок маркування за легирующим компонентів той же, що і для конструкційних сталей, але зміст вуглецю вказується першою цифрою у десятих частках відсотка. Якщо цифра відсутня, то сталь містить близько 1% вуглецю.
Деякі стали спеціального призначення мають особливу маркування з літер, які ставляться попереду цифр: А - автоматна, Ш - шарікоподшипниковая, Р - швидкоріжуча, Е - магнітотвердих, Е - електротехнічна, Св - зварювальний, Нп - наплавочний і т. д.
Вплив легуючих елементів на властивості сталі. Легування сталі, нікелем підвищує її прокаливаемость; цьому ж сприяють присадки марганцю, молібдену, хрому, бору. Нікель збільшує також, в'язкість і пластичність сталі, знижує температуру порога хладноломкости. Однак нікель доріг, тому його вводять у поєднанні з марганцем або хромом. Зниження порогу холодноламкості досягається також присадкою хрому, молібдену, вольфраму, ванадію, титану, ніобію і цирконію, які утворюють дисперсні важкорозчинні в аустеніт карбіди і перешкоджають зростанню зерна аустеніту. Зростання зерна аустеніту затримується також присадкою алюмінію, присутнього у вигляді дисперсних оксидів. Молібден і вольфрам підвищують, також стійкість стали до відпустки. Кобальт (як і нікель) повністю взаємно розчинний з залізом, і сприяє зниженню кількості залишкового аустеніту в загартованої сталі.
Особливості термічної обробки легованої сталі. Введення більшості легуючих елементів визначає підвищення точок А 1 і А 3 в порівнянні з їх становищем для вуглецевої сталі, тому температура нагріву легованої сталі для загартування вище. Леговані сталі мають меншу теплопровідність і вимагають уповільненої нагріву і більш тривалою витримки для аустенізації в порівнянні з вуглецевою сталлю. Всі легуючі елементи (за виключення кобальту) зменшують критичну швидкість загартування, тобто збільшує інкубаційний період переохолодженого аустеніту («зрушують» вправо криві на діаграмах ізотермічного перетворення); це визначає збільшення прокаливаемости заготовок. Карбидообразующие елементи, крім того, визначають на діаграмі ізотермічного перетворення дві області 1 і 3 (рис. 3) мінімальної стійкості аустеніту та область 2 між ними підвищеної його стійкості. Збільшенню стійкості переохолодженого аустеніту забезпечує можливість отримання структури мартенситу при загартуванню охолодженням у маслі, на повітрі і в гарячих середовищах.
Багато легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу проти відпустки, тому для досягнення необхідної міцності леговані сталі при відпустці нагрівають до більш високих температур, ніж вуглецеві.
Термомеханічна
Обробка. Деякі марки легованої і вуглецевої сталей упрочняют термомеханічної обробкою (ТМО), при якій в єдину операцію поєднують пластичну деформацію аустеніту і загартування. Після гарту виробляють низький відпустку. Сталь після ТМО має підвищену міцність і ударну в'язкість в 1,5-2 рази вище в порівнянні зі сталлю тієї ж марки після гартування і низького відпустки.
У залежності від температури, при якій роблять деформацію, розрізняють високотемпературну (ВТМО) і низькотемпературну (НТМО) термомеханічну обробку. ВТМО застосовують для вуглецевої і легованої сталей. При цьому сталь нагрівають до температури вище точки А 3 (рис. 3, а), витримують для аустенізації, деформують прокатної або куванням (на схемі показано ламаною лінією) для попередження поста зерен аустеніту їх охолоджують. При НТМО (рис. 3 б) деформацію проводять при температурах нижче рекристалізації (зона рекристалізації показана штрихуванням) в області підвищеної стійкості аустеніту, що можливо лише для легованих сталей; рекристалізація при цьому не може виникнути.
Підвищення міцності при ТМО визначається подрібненням блоків зерен аустеніту і ущільненням дислокацій; ці особливості успадковуються і мартенситом. НТМО дає найбільше зміцнення (σ в до 2800 МПа), однак при температурах НТМО аустеніт менш пластичний, тому НТМО застосовують для виробів простої форми (стрічки, прутка) при невеликих перетинах.