Рафинирование сталей и чугунов

Внепечное вакуумирование стали марок 20ХНЗЛ, 40ХН и 40Х в условиях машиностроительного завода позволило уменьшить число непрерывнолитых заготовок с внутренними трещинами, осевой рыхлостью и поверхностными дефектами соответственно в 2,2; 1,3 и 1,4 раза. Содержание газов уменьшилось в 2 раза, неметаллических включений в 1,5 раза.

Одним из решающих условий  улучшения качества, проката является снижение содержания серы в стали  до минимально возможного количества. Сера является элементом, характеризующимся  значительной ликвидацией при кристаллизации слитка. Степень этой ликвидации повышается при увеличении массы слитка в  связи с большей продолжительностью его кристаллизации.

Слитки с повышенным содержанием  серы при прокатке могут давать трещины  из-за наличия легкоплавкой эвтетики, располагающейся по границам зерен. Эта фаза при нагреве под прокатку находится в жидком состоянии, что приводит к красноломкости, т. е, к ослаблению связи между зернами металла. В легированных сталях у сульфидов более сложный состав, в них входят и сульфиды легирующих элементов. В углеродистой стали сульфиды находятся в виде FeS (31,1%) и MnS (63,2%). Сернистые включения могут способствовать образованию трещин в процессе обработки и службы деталей, изготовленных из стали с повышенным содержанием серы. Одной из причин более высоких механических свойств электростали по сравнению с мартеновской является меньшее содержание серы и кислорода.

Имеющиеся данные по исследованию микроструктуры петравленых шлифов свидетельствуют о том, что сульфиды (различных составов в зависимости от химического состава стали) располагаются по границам зерен. При повышении содержания серы понижается пластичность металла и в некоторой степени ухудшается качество поверхности проката.

Решающим условием уменьшения содержания серы в металле является обработка его жидкими синтетическими шлаками в сталеплавильных цехах, при которой во время выпуска  плавки значительно увеличивается  поверхность раздела металла  со шлаком, вследствие этого сера с  достаточно высокой скоростью переходит  из металлической фазы в шлаковую. В тех случаях, когда невозможно использовать этот процесс, десульфурацию следует осуществлять на всех переделах: при агломерации железных руд и концентратов, в доменном и сталеплавильном производствах, при электрорафинировочных переплавах.

В последнее время все  большее распространение получает внепечная десульфурация чугуна.

Обработка стали синтетическими шлаками позволяет значительно  снизить содержание серы в металле  и, следовательно, способствует улучшению  качества проката. Поэтому в ближайшие  годы намечено значительно увеличить производство стали, обработанной такими шлаками.

На заводах, где не применяется  обработка стали синтетическими шлаками, большое значение имеет  обессеривание чугуна. На ряде металлургических заводов, в том числе «Азовсталь» и Макеевском, широко применяют вне-доменное обессеривание чугуна обработкой магнием (гранулами, чушками). Сталь и прокат, полученные из такого чугуна, характеризуются меньшим содержанием серы.

Одним из эффективных средств  улучшения качества металла является обработка его синтетическими шлаками. При этом способе необходимое  количество шлака сливают в ковш, а затем на этот шлак с большой  высоты мощной струей выпускают из печи сталь, что обеспечивает быстрое  протекание реакции взаимодействия между металлом и шлаком. Применение такой обработки не только повышает качество стали, но и увеличивает производительность сталеплавильных печей примерно на 10%.

В результате проведенных  исследований установлены следующие  основные преимущества стали, рафинированной синтетическими шлаками, по сравнению  с нерафинированной:

1)   меньшее содержание  серы (в 2—3 раза) и кислорода  (на 30—50%);

2)   меньшее количество  неметаллических включений (в  2—4 раза) и степень пораженности волосовинами (в 5—10 раз в зависимости от марки стали);

3)   пониженная    анизотропия    механических  свойств;

4)   большая ударная  вязкость легированных конструкционных  сталей при комнатной (в 1,5—2,0 раза) и низких (~ в 1,5 раза) температурах;

5)   значительно меньшая  склонность к хрупкому разрушению  и больший запас пластичности  до момента разрушения. Способность  стали к деформации в наиболее  тяжелых условиях объемно-напряженного  состояния при температурах горячей  механической обработки повышается  на 30—40%;

6)   большее количество  энергии (на 30%), затрачиваемой для  разрушения стали;

7) значительно меньшая  склонность стали к кристаллизационным  трещинам в процессе сварки; это  позволяет увеличить скорость  сварки и расширить диапазон  применения высокопроизводительной  электрошлаковой сварки. Весьма  важным обстоятельством, особенно  для конструкций, применяемых  в условиях Севера, является то, что металл в значительно меньшей  степени подвержен хрупкому разрушению  в процессе сварочного цикла  и ударная вязкость околошовной зоны возрастает в 2—3 раза.

 

 

 

Улучшение свойств металла  при обработке его синтетическими шлаками характеризуется следующими данными:

1)  у стали марок  40ХНМА, ЗОХГСА и ЗОХГСНА уменьшается  анизотропия по ударной вязкости, снижается суммарное содержание  серы    и фосфора до 0,015%;

2)   у стали марки  12Х1МФ повышается пластичность (число  оборотов до разрушения) при 1150—1200° С;

3)  у стали марки  17ПС увеличивается ударная вязкость  на поперечных и продольных  образцах в 1,5 раза, повышается  хладостойкость, снижается содержание серы, фосфора, кислорода и водорода.

Установлено, что обработка  в ковше синтетическими шлаками  стали марки Х18Ы10Т, выплавленной в 100-т электропечах, повышает се пластичность при горячей прокатке трубной  заготовки и труб. Обработка в  ковше синтетическим  шлаком  стали  марки  Х5М,  полученной также в 100-7' электропечах, обеспечивает повышение механических свойств трубной заготовки. Брак труб из металла, обработанного синтетическим шлаком, снизился в 1,4 раза для стали марки Х5М и в 1,6 раза для стали марки Х18Н10Т по сравнению с металлом плавок, необработанных синтетическими шлаками.

В случае применения внепечного вакуумирования в сочетании с обработкой синтетическим шлаком и раскислением кремнием и алюминием стали марки ШХ15 было установлено, что содержание водорода снизилось до 1,7—2,7 см3 на 100 г металла, кислорода — до 0,001 — 0,002%, серы —до 0,002—0,007%.

В случае применения рафинирования  жидкими синтетическими шлаками  необходимо иметь в виду назначение стали и методы ее обработки у  потребителя. Так, поданным Московского  института стали и сплавов (МИСиС) имеют место случаи снижения на 10—20% производительности металлорежущих станков при обработке некоторых низколегированных сталей, применяемых в автомобилестроении,    из-за  их  повышенной    пластичности.

Рафинирование стали синтетическими шлаками в ковше применяют  на металлургических заводах Челябинском, Златоустовском, «Днепроспедсталь», Серовском, Ижевском и др. В девятой пятилетке предусмотрено увеличить количество такой стали в 3 раза.

Весьма эффективным средством  борьбы с окислением во время разливки является защита струи, вытекающей из ковша, и поверхности металла, поднимающегося в изложнице, инертными газами, например аргоном. В результате разливки стали  в атмосфере аргона снижается  содержание кислорода (в 1,5—1,8 раза) и  неметаллических включений. Сталь  становится более плотной. Улучшаются ее пластические свойства и качество поверхности слитков; значительно  повышается предел усталостной прочности.

Продувка мартеновской стали  аргоном через днище ковша  с одновременной обработкой синтетическим  шлаком освоена на Златоустовском металлургическом заводе по технологии, разработанной  совместно с Челябинским научно-исследовательским  институтом металлургии. В результате интенсивного перемешивания стали  инертным газом увеличивается поверхность  соприкосновения металла со шлаком, что приводит к более эффективному использованию рафинирующих свойств  синтетического шлака. По сравнению  с обычной технологией рафинирования  комплексная обработка мартеновской стали инертным газом и синтетическим  шлаком в ковше позволяет снизить  содержание водорода на 14%, серы на 10%,кислорода  на 31% и азота на 16%, а также улучшить пластичность и ударную вязкость на продольных и поперечных образцах.

Обработка жидкого металла  в ковше твердой шлакообразующей  смесью с одновременной продувкой  аргоном, как показали результаты исследований Уральского научно-исследовательского института черных металлов и опыт работы Белорецкого металлургического комбината, снижает содержание серы в канатной и инструментальной сталях на 20—50%, фосфора на 10—37%, кислорода на 27%, водорода на 11%, азота на 9—16%; количество неметаллических включений уменьшается на 10%; пластичность металла значительно повышается, что особенно важно при волочении проволоки малых диаметров, например для металлокорда.

Для дальнейшего повышения  качества стали некоторых марок  предполагается применять совмещенные  процессы внепечного рафинирования: обработку  вакуумом и жидким синтетическим  шлаком в ковше; рафинирование синтетическим  шлаком и продувку инертными газами в ковше; раскисление и легирование жидкими лигатурами с одновременным рафинированием жидким синтетическим шлаком в ковше.

Чтобы обеспечить запланированный  рост производства стали, подвергаемой обработке синтетическими шлаками, и расширить сортамент проката, изготовляемого из такой стали, предусмотрено  создание мощностей для производства полупродукта и выплавки из него шлака. Шлакоплавильные печи намечено ввести в действие в ближайшие годы на металлургических заводах «Красный Октябрь», Ново-Липецком, Западно-Сибирском, им. Петровского и Коммунарском, а также на Орско-Халиловском металлургическом комбинате. Значительные мощности по выплавке полупродукта предусматривается ввести на Ермаковском заводе ферросплавов.

При расчете необходимых  количеств шлака и полупродукта исходят из расхода 40 кг шлака на 1 т стали (4%) и 45% полупродукта па 1 т  шлака.

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1

Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.

Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 1999. - 600 с. - УДК 669.017

Кудрин В.А. Металлургия  стали. - М.: Металлургия, 1981 г. - 488 с.