Современное состояние и перспективы развития производства электростали в Украине

 

 

 

 

 

 

1.2 Влияние водорода, азота, кислорода и серы на качество конструкционных сталей

 

При переходе стали из жидкого состояния в твердое  резко уменьшается растворимость  водорода и возрастает его парциальное давление, что может служить причиной рослости, повышенной пористости и образования других дефектов в металле. Водород сообщает хрупкость стали и резко снижает ее пластические свойства, которые после его удаления восстанавливаются.

Процент брака стали различных  марок по макроструктуре зависит  от времени года и влажности воздуха.

В летнее время содержание водорода колеблется около 6-8 мл/100г, а в зимнее оно составляет 3-4 мл/100г; брак из-за неудовлетворительной макроструктуры резко возрастает, с ростом абсолютной влажности воздуха, влажности извести и других шихтовых материалов, поэтому все материалы, поступающие в плавку, должны иметь минимальное содержание влаги.

Так по некоторым данным для получения  очень плотной макроструктуры ( с баллами до единицы) необходимо, чтобы содержание влаги не превышало 0,5-1% и металл был хорошо раскислен.

Флокены - волосовидные трещины образуются при содержании водорода 2-3мл/100г  и низких температурах. Это недопустимый дефект конструкционных сталей, из-за которых возможны аварийные поломки деталей, узлов машин и стальных конструкций. Поэтому металл, пораженный флокенами бракуется. Они образуются преимущественно в заготовках крупного профиля, чаще всего в их центре.

С целью получения нефлокено - чувствительной стали водород из твердой стли удаляют путем диффузии во время изотермической выдержки при температурах наибольшей скорости распада аустенита (около 650ºС) или при замедленном охлаждении.

С целью устранения дорогостоящей  длительной изотермической выдержки применяют вакуумирование стали на специальных установках или вакуумирование стали в струе.

Содержание азота в конструкционной  стали колеблется в пределах  0,008-0,012%. В процессе плавки при интенсивном  кипении ванны концентрация его  может быть снижена до 0,003%. С увеличением длительности рафинирования и степени раскисленности шлака содержание азота в металле увеличивается.

В углеродистых и низколегированных  сталях азот является вредной примесью, так как резко снижает пластичность металла, повышает склонность к старению и порог хладноломкости, уменьшает ударную вязкость. Для снижения склонности стали к старению используют алюминий или другие элементы (V, Nb, Ti, Zr), образующие нитриды, которые способствуют измельчению зерна и повышению механических свойств металла.

Азот расширяет область  и является во многих сталях заменителем никеля. Степень влияния азота на свойства стали зависят от состава и структуры металла.

С повышением содержания азота и  алюминия и образованием AlN тесно связано возникновение таких пороков, как сколы, слоистый излом, пятнистая ликвация.

Наиболее действенными способами  борьбы с этим пороком являются снижение концентрации фосфора, серы, кислорода  и азота в стали, глобуляризация неметаллических включений за счет ввода силикокальция, защита струи и зеркала металла в изложнице от воздействия азота и кислорода воздуха при разливке, повышение температуры и длительности выдержки металла в ковше.

При низком содержании кремния и  высокой концентрации кислорода в процессе кристаллизации выделяется окись углерода, образуются газовые пузыри и пористость стали. Макроструктура металла получается плотной, если концентрация водорода в нем низкая (менее 3-5мл/100) и он хорошо раскислен, т.е. [%Si]= 0,20-0,35.

Кислород и сера в твердой стали находятся в виде неметаллических включений (окислов, сульфидов и оксисульфидов). Чем больше кислорода и серы, тем ниже качество стали, выше брак металла по трещинам, волосовинам, механическим характеристикам. Металл высокого качества получается. если [%О]= 0,002-0,003 и [%S]= 0,003-0,01, а неметаллические включения имеют глобулярную форму.

Тип и форма включений зависят  от состава стали и  метода ее раскисления.

Обычно сталь раскисляют алюминием, если содержание его не превышает 0,01-0,02%, а серы более 0,02%, процесс кристаллизации стали сопровождается выделением сульфидов  марганца и железа на границах зерен  и резким снижением пластичности и вязкости металла. Повышение содержания алюминия выше 0,03% влечет за собой снижение концентрации кислорода в стали и увеличение вязкости. Основная часть включений при этом находится в виде глинозема и сульфидов марганца.

С целью снижения содержания серы и кислорода в стали применяют обработку стали на установке «печь-ковш»[5].

 

1.3 Влияние легирующих элементов на свойства стали

 

Легированные стали - это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены  легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства[6].

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения  требуемых строения, структуры, физико-химических, механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, B) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента. Такие стали называют микролегированными.

Низколегированными сталями  считаются те, в которых, суммарное  количество легирующих элементов должно быть не более 2,5%(кроме углерода), в  легированных от 2,5 до 10%, в высоколегированных- более 10% при содержании в них  железа не менее 45%.

В зависимости от наличия  тех или иных легирующих элементов  стали называют марганцовистыми. Кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также  хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованидиевыми, никельмолибденовыми, хромокремнемарганцовистыми и т.п..

 

 

2. Теоретические основы технологии кислого процесса в дуговых печах

 

 

Технология плавки кислого  процесса - принципиальные особенности  кислого процесса предопределяют ряд  отличий технологии выплавки стали  в кислых дуговых печах по сравнению с плавкой в основных дуговых печах. В кислых печах сталь обычно выплавляют методом переплава, применяя или не применяя кипения. Технология без кипения находит ограниченное применение при переплаве хромистых, хромоникелевых, хромокремнистых и хромомолибденовых сталей, так как отсутствие кипения позволяет полнее использовать хром из отходов. В основном же плавка в кислой дуговой печи проводится с кипением ванны печи, поскольку оно, как и в основном процессе, способствует рафинированию металла от газов[7].

 

 

 

2.1 Шихтовые материалы для кислой плавки

 

Ввиду того, что в процессе плавки фосфор и сера не удаляются, а их содержание в стали за счет вводимых добавок даже несколько  увеличивается, шихтовые материалы  должны содержать фосфора и серы минимум на 0,01%  меньше, чем допускается в готовой стали. Меньшая активность закиси железа в кислых шлаках и более высокая вязкость шлаков затрудняют окисление углерода. Но так как кислые шлаки менее проницаемы и для газов (азота и водорода), то интенсивность окисления углерода в кислой дуговой печи не имеет такого большого значения, как в основной. Плавка стали в кислых дуговых печах даже при скорости выгорания углерода 0,3% С/ч позволяет получать сталь, содержащую 3-4 см³ на 100 тонн стали, что в 1,5-2 раза меньше, чем в стали, выплавленной в основных печах. Ввиду этого кислые плавки шихтуют на выгорание меньшего количества углерода. Шихтовые материалы должны внести такое его количество, чтобы в период кипения окислилось 0,1—0,2% С. В случае необходимости недостающее количество углерода в завалку вносят в виде кокса, электроднoгo боя или малофосфористого и малосернистого чугуна. Металлический лом не должен быть ржавым, так как окислы железа растворяя SiO₂, способствуют разрушению кислой футеровки. При использовании сильно окисленного лома вредное действие окислов железа можно нейтрализовать, добавив в шихту необходимое для их ошлакования количество кварцевого песка. В остальном требования к шихтовым материалам и порядку завалки их в кислую дуговую печь аналогичны требованиям, предъявляемым к исходным материалам при основной плавке.

 

2.2 Период плавления

 

Процесс плавления проводят так же, как и в основных дуговых  печах. Поскольку же шихта кислых печей, как правило, более легковесна и более склонна к образованию  мостов, необходимо сталкивать чаще, чем в основных печах. По этой же восстановление кремния происходит главным образом вследствие восстановления кремнезема футеровки печи и шлака углеродом. При этом возможны и другие реакции[8]:

 

- (SiO2) + 2 [С] = [Si] + 2СО(г),                                                           (2.1)

 

- (SiO2) + 2 [Fe] = [Si] + 2 (FeO),                                                         (2.2)

 

- (SiO2) + 2 [Mn] - [Si] + 2 (MnO).                                                       (2.3)

 

Взаимодействие углерода с кремнеземом вследствие образования  газообразного продукта реакции  представляет собой необратимый  процесс. Реакции (2.2), (2.3) могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Развитие прямой или обратной реакции определяется температурой ванны дуговой печи, химическим составом металла и шлака, консистенцией шлака.

Реакции (2.1)-(2.3) эндотермичны, и поэтому повышение температуры металла способствует восстановлению кремния. Реакция (2.1) протекает при достаточно высокой температуре и при недостатке в зоне реакции закиси железа. В хорошо прогретом металле по этой реакции углерод восстанавливает кремнезем футеровки, а образующийся кремний окисляется на границе раздела металл-шлак закисью железа или закисью марганца по реакциям (2.2) или (2.3).

Если же концентрация окислов железа и марганца в шлаке  не велика или вследствие большой  вязкости шлака затруднена их диффузия к границе раздела металл-шлак, в металле может происходить  накопление восстановленного кремния.

Таким образом, регулируя температуру ванны печи, содержание закиси железа в шлаке и его консистенцию в окислительный период кислой плавки можно регулировать не только интенсивность выгорания углерода и окисление или восстановление марганца, но также и ход реакций окисления и восстановления кремния.

Следует иметь в виду, что при интенсификации окислительных  процессов присадками железной руды или вдуванием газообразного  кислорода нежелательно получать сильножелезистые шлаки, так как они способны растворять кислую футеровку дуговой печи. Во избежание этого руду надо давать мелкими порциями и только после израсходования предыдущей порции, а продувку кислородом вести менее интенсивно, чем в основных печах. Для этой же цели в окислительный период целесообразно присаживать небольшие порции песка, поддерживая тем самым состояние насыщения шлака кремнеземом.

К концу окислительного периода, определяемому по содержанию углерода, шлак содержит 55-60% SiО₂, причем почти половина шлака бывает образована из материала футеровки.

 

2.3 Восстановительный период

 

Из-за отсутствия условий  для удаления серы и в связи  с ограниченными возможностями  легирования восстановительный  период в кислой дуговой печи либо вообще отсутствует, либо проводится по упрощенной технологии. При выплавке углеродистой стали назначение восстановительного периода сводится к раскислению металла. Если плавка выпускается КЗ печи целиком, то можно проводить так называемый кремневосстановительный процесс. Шлак окислительного периода при этом загущают присадками кварцевого песка и металл нагревают. В густом шлаке диффузия закиси железа к поверхности металла замедляется, вследствие чего кремний, восстанавливающийся по реакциям (2.1)-(2.3) из футеровки и шлака, накапливается в металле и восстанавливает находящиеся в нем окислы.

Скорость восстановления кремния при кремневосстановительном  процессе достигает 0,01% в минуту, и  поэтому надо уметь хорошо управлять  реакциями восстановления кремния. Чрезмерное их развитие может привести к получению излишне высокого содержания кремния. По этой же причине кремневосстановительный процесс мало пригоден в цехах мелкого литья, где плавку разбирают малыми порциями в несколько приемов, поскольку оставшийся в печи металл будет обогащаться кремнием. Прекратить увеличение содержания кремния можно присадками в шлак извести, разжижающей шлак и способствующей увеличению его окислительной способности.

В цехах мелкого литья  металл в печи целесообразнее раскислять присадками ферросилиция, а окончательное  раскисление марганцем и алюминием  осуществлять в ковше.

При выплавке легированных сталей ответственного назначения шлак окислительного периода удаляют  на 70-80% и присадками песка, шамотного  боя и извести заводят маложелезистый шлак. Под этим шлаком металл раскисляют ферросилицием или силикомарганцем и легируют.

Окончательное раскисление  алюминием проводят в кислой дуговой  печи за 2 - 3 мин до выпуска или  в ковше. Количество алюминия для  раскисления выбирают таким, чтобы  не только предотвратить развитие процесса окисления углерода при охлаждении и кристаллизации металла, но и ослабить вредное влияние повышенного в кислой стали содержания серы.

В некоторых случаях  требуется получение крупнозернистой  структуры отливок. Сталь для  таких отливок не следует раскислять алюминием, так как его избыток способствует измельчению структуры.