615

Рис. 3.1. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конверторах:

а— загрузка скрапа; б — заливка жидкого чугуна; в — продувка кислородом;

г— выпуск стали в ковш; д — слив шлака в шлаковую чашу

Струя кислорода под большим давлением проникает в металл, вызывая его циркуляцию и перемешивание со шлаком. В результате окисления примесей чугуна в зоне под фурмой температура достигает 2400 ºС.

Окислительный период характеризуется окислением железа и примесей:

Fe + ½ O2 = FeO.

FeO растворяется в металле и шлаке.

В объеме металла окисление примесей идет по реакциям:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2;

FeO + Mn = MnO + Fe;

FeO + C = Fe + CO.

Кроме того идет окисление примесей непосредственно О2. Такие же реакции идут на границе металл — шлак за счет FeO, содержащейся в шлаке.

Фосфор удаляется из металла благодаря большому количеству FeO и CaO:

2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4 P2O5 + 5Fe.

Фосфат кальция удаляется в шлак.

Таким образом можно удалить фосфор из доменных чугунов, в которых его содержание не более 0,15 %. При большем содержании Р в доменном чугуне необходимо шлак удалять и наводить новый, что снижает производительность конвертора.

Удаление серы из металла происходит по реакции

FeS + CaO = CaS + FeO.

Высокое содержание FeO в шлаке затрудняет удаление серы. Поэтому применяют чугун с ограниченным содержанием серы — 0,07 %.

Продувку кислородом прекращают после получения заданного содержания углерода.

Раскисление стали

При выпуске стали из конвертора в ковш ее раскисляют ферромарганцем, затем ферросилицием и алюминием. После этого из конвертора сливают шлак.

Продолжительность плавки 25–30 мин. Производительность конвертора объемом 300 т составляет 300–400 т/ч.

В конверторах получают углеродистую и низколегированную сталь.

3.2.Производство стали в мартеновских печах

Устройство и работа мартеновской печи

Мартеновская печь — это пламенная отражательная печь регенеративного типа (рис. 3.2).

13

Рис. 3.2. Устройство и работа мартеновской печи

Она состоит из подины 12 и свода 11, передней 5 и задней 10 боковых стен. Ванна выполнена с откосами в сторону боковых стен. Футеровка печи может быть кислой и основной.

Кислую футеровку ванны печи выполняют из динасового кирпича, а подину набивают кварцевым песком; основную футеровку выполняют из магнезитового кирпича, а подину набивают магнезитовым порошком.

Свод печи не взаимодействует со шлаками. Его выполняют из динасового или хромомагнезитового кирпича, независимо от типа процесса.

Впередней стенке печи расположены загрузочные окна 4 для подачи шихты в печь. В задней

стенке печи выполнено отверстие 9 и желоб для выпуска готовой стали.

Мартеновские печи бывают емкостью 20–900 т, площадь пода 900-тонной печи — 115 м2.

С торцов печи расположены головки 2, которые служат для смешивания топлива (мазут, природный газ, генераторный газ) с воздухом.

Для подогрева воздуха при работе на газообразном топливе имеются два регенератора 1. Регенератор представляет собой камеру, в которой размещена насадка из огнеупорного кирпича.

Температура отходящих из печи газов ~1500 ºС. Попадая в регенераторы, они нагревают насадку до 1250–1280 ºС, а охлажденные до 500–600 ºС — уходят в дымовую трубу 8 высотой до 120 м.

Затем в регенераторы поочередно подают воздух, который, проходя насадку, нагревается до температуры 1100–1200 ºС. Нагретый воздух подается в головку печи, где смешивается с топливом, образуя факел 7, направленный на шихту 6, и покидает печь через противоположную головку. Кислород подают в печь через трубки 3 в своде печи.

Температура факела 1750–1800 ºС. Он образует окислительную атмосферу в печи, что создает условия для окисления примесей на протяжении всей плавки.

Разновидности мартеновского процесса: скрап-процесс (основная часть шихты — стальной лом и чушковый чугун); скрап-рудный (основная часть шихты — жидкий чугун (55–75 %), оставшаяся часть состоит из стального лома и железной руды); кислый мартеновский процесс (производится в печах с кислой футеровкой; применяется чистая шихта с низким содержанием серы и фосфора).

При плавке стали скрап-рудным процессом применяют основную футеровку печи. Вначале на подину загружают железную руду и известняк, после прогрева загружают скрап. По окончании прогрева скрапа заливают жидкий чугун, который, проходя через его слой, взаимодействует с железной рудой.

Впериод плавления идут реакции:

2Fe2O3 + 3Si = 3SiO2 + 4Fe; Fe2O3 + 3Mn = 3MnO + 2Fe; 5Fe2O3 + 6P = 3P2O5 +10Fe; Fe2O3 + 3C = 3CO + 2Fe.

Окислы SiO2, MnO, P2O5, FeO, а также СаО из извести образуют шлак, а СО удаляется в виде газа, вспенивая шлак, который выпускают из печи через передние окна в шлаковые чаши. Удаление шлака продолжают до конца расплавления шихты.

К этому моменту полностью окисляются кремний, марганец, большая часть углерода и фосфора. Для ускорения плавления в печь подают через трубы в своде кислород.

14

После расплавления наступает период кипения ванны. Для этого в печь подают железную руду и вдувают кислород. Углерод начинает окисляться, образуя СО. В это время отключают подачу топлива и воздуха в печь. Выделяющаяся окись углерода вспенивает шлак, и он вытекает через передние окна печи. Вместе со шлаком удаляются фосфор и значительное количество серы. Для более полного удаления S и P наводят новый шлак и включают подачу топлива и воздуха.

При кипении сталь перемешивается, из нее удаляются газы и неметаллические включения. Для качественной очистки стали продолжительность кипения ванны должна составлять ~ 40 мин,

поэтому содержание углерода в шихте должно быть на 0,5–0,6 % выше, чем в выплавляемой стали. После выгорания углерода до заданного содержания кипение прекращают и приступают к раскис-

лению стали, подавая в ванну ферромарганец, ферросилиций и окончательно алюминий. Затем выпускают сталь в ковш. В ковш укладывают часть раскислителей.

Производительность мартеновских печей составляет ~ 10 т стали в сутки с одного квадратного метра подины печи при расходе топлива 120 кг/т стали или 80 кг/т стали в случае продувки ванны кислородом.

3.3. Производство стали в электропечах

Дуговые электроплавильные печи питаются трехфазным переменным током и имеют три цилиндрических электрода (рис. 3.3), графитовых или угольных 6, устанавливаемых в своде печи 5. Под печи 1 выкладывается из кирпича, поверх которого устраивают набивную футеровку 2. Для выпуска металла 8 в ковш 10 служит летка 3. Через рабочее окно 7 сливается часть шлака и производятся операции плавки. Шихту 4 загружают сверху корзинами на под печи.

Печи имеют механизм наклона печи 9 и механизмы поворота свода и подъема электродов. При плавке на электроды подается напряжение 180–600 В и сила тока 1–10 кА.

Рис. 3.3. Дуговая трехфазная плавильная печь

Технология плавки

Вдуговых печах применяют основной и кислый электросталеплавильные процессы.

Впечах с кислой футеровкой применяют чистую шихту. Возможно незначительное удаление серы и фосфора.

Наиболее распространен основной процесс электроплавки с проведением окислительного и восстановительного периода.

Плавку на отходах из легированной стали производят без окислительного периода.

При плавке на углеродистой шихте проводят оба периода. Выплавляют высококачественную сталь с низким содержанием газов и неметаллических включений.

Впечь загружают стальной лом (90 %), чушковый передельный чугун (до 10 %), электродный бой и 2–3 % извести. Известь и электродный бой дают под электроды для лучшего горения дуги в начале расплавления.

Еще до полного расплавления шихты в печь присаживают железную руду и известь ~1 % от веса металлозавалки для получения шлака с большим содержанием FeO (железистого шлака).

Через 10–15 мин после загрузки руды скачивают 60–70 % шлака. С ним удаляется большая часть фосфора в виде фосфатов железа.

После скачивания шлака в печь дают 1,0–1,5 % извести, полностью расплавляют и нагревают металл и порциями присаживают железную руду и известь.

По мере повышения температуры металла усиливается окисление углерода и усиливается кипение ванны жидкого металла. При высокой температуре и большом количестве извести фосфор

15

связывается в фосфат кальция 4СаО · Р2О5. Несколько раз скачивают шлак, который имеет черный цвет из-за большого количества FeO.

После того, как содержание углерода достигает нижнего предела, а содержание фосфора снизится до 0,015 %, опять скачивают почти весь черный шлак и дают ванне прокипеть ~25 мин без присадки руды (чистое, безрудное кипение).

После этого скачивают почти весь окисленный шлак и начинают восстановительный период плавки. Он начинается с присадки извести, плавикового шпата и шамота. После расплавления металла на поверхность шлака дают молотый кокс, ферросилиций или алюминий для раскисления содержащейся в нем закиси железа.

Активное раскисление шлака приводит к диффузионному раскислению стали. Закись железа из расплава переходит в шлак, где раскисляется ферросилицием или алюминием. Диффузионный метод раскисления позволяет получить очень чистую сталь по содержанию неметаллических включений.

Высокая температура и отсутствие FeO в шлаке способствуют полному удалению серы из металла в виде CaS:

FeS + CaO = CaS + Fe O.

Расход электроэнергии на 1 т углеродистой стали — 500–700 кВт/ч, легированной — до 1000 кВт/ч.

Плавка стали в индукционных печах

При плавке стали в индукционных печах (рис. 3.4) футеровку печей делают кислой и основной. Кислую применяют для углеродистых сталей, а основную — для высоколегированных.

Шлак служит для защиты расплава от окисления и насыщения газами. В индукционных печах нельзя удалить серу и фосфор.

Рис. 3.4. Индукционная тигельная сталеплавильная печь:

1 — магнитопроводы; 2 — индуктор водоохлаждаемый; 3 — тигель; 4 — механизм поворота; 5 — сливной лоток; 6 — крышка печи;

7 — рабочая площадка; 8 — металлический каркас

3.5. Разливка стали

Сталь из плавильных печей выпускают в разливочные ковши 1 (рис. 3.5, 3.6). Сталеразливочный ковш изготавливают из листовой стали с цапфами для транспортировки и

поворота его при футеровке и ремонте.

Внутри ковш имеет футеровку из шамотных кирпичей и отверстие в дне для установки разливочного стакана. Для открывания и закрывания отверстия в дне ковша при разливке стали служит стопорный механизм.

С помощью ковшей сталь разливают в изложницы или в приемное промежуточное устройство 2 установки непрерывной разливки стали (см. рис. 3.6).

Существует два способа разливки стали в изложницы — сверху (рис. 3.5, а) и сифоном (рис. 3.5, б).

16

а) б)

Рис. 3.5. Разливка стали в изложницы: а — сверху; б — сифоном

При заливке сверху сталь заполняет изложницу падающей струей, при ударе о дно металл разбивается на брызги, которые могут застыть на стенках изложницы с образованием поверхностных дефектов или «корольков».

Недостаток заливки сверху — необходимость зачистки поверхности слитка перед прокаткой или ковкой для удаления поверхностных дефектов.

При сифонной разливке заливают одновременно несколько изложниц, устанавливаемых на поддоне 6, в центре которого находится центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4.

Изложницы 5 заполняют металлом снизу через отверстие в их дне. Стояк соединен с изложницами каналами, выполненными пустотелыми кирпичами 7.

Изложницы имеют прибыльные надставки 8, футерованные внутри огнеупорной теплоизоляционной массой 9, чтобы сталь в прибыли застывала позднее слитка (см. рис. 3.5).

Непрерывная разливка стали (рис. 3.6) осуществляется в кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается слиток 4.

17

Рис. 3.6. Схема установки для непрерывной разливки стали (УНРС)

В начале процесса дно водоохлаждаемого кристаллизатора перекрывается затравкой, имеющей головку в виде ласточкиного хвоста. Жидкий металл в кристаллизаторе охлаждается на затравке и на его стенках образует корку.

Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком, центральная часть которого остается жидкой.

Скорость вытягивания слитка зависит от его сечения и составляет ~1 м/мин для слитков сечениями 150× 500 мм и 200×300 мм.

При выходе из кристаллизатора слиток интенсивно охлаждают водой в зоне вторичного охлаждения 6. В зоне резки 7 его разрезают газовым резаком 8 на куски заданной длины.

Слитки, полученные на установках непрерывной разливки стали (УНРС), имеют плотное строение, мелкозернистую структуру и хорошее качество поверхности. Они непосредственно поступают на сортопрокатные станы.

3.6. Строение и дефекты стальных слитков

На кристаллическое строение слитка влияет степень раскисленности стали.

а)

б)

в)

18

г)		д)		е)

Рис. 3.7. Схемы строения стальных слитков:

а, г — спокойная; б, д — кипящая; в, е — полуспокойная сталь

Спокойную сталь получают при полном раскислении в печи и ковше, поэтому она имеет плотное строение без выделений газов. В средней части слитка образуется осевая усадочная рыхлость 1, а в верхней части усадочная раковина 2.

По структуре слиток спокойной стали имеет у поверхности тонкую корку мелких равноосных кристаллов А; затем зону Б крупных столбчатых кристаллов, в центре зону В — крупных неориентированных кристаллов и мелкокристаллическую зону Г — конус осаждения у данной части слитка.

Неоднородность слитка по химическому составу или ликвация бывает двух видов: дендритная и зональная.

Дендритная ликвация — это неоднородность по химическому составу в пределах одного кристалла (дендрита). Например, концентрация серы на границе кристалла в 2 раза выше, а углерода в 2 раза меньше, чем в центре. В результате при прокатке появляется полосчатая структура стали, что приводит к анизотропии механических свойств в изделиях вдоль прокатки и поперек.

Зональная ликвация — неоднородность химического состава в различных частях слитка. Наибольшей склонностью к зональной ликвации обладают углерод, сера, фосфор. В верхней части слитка их концентрация может быть больше, чем в нижней, в несколько раз. Зональная ликвация

—нежелательное явление, которое приводит к ухудшению качества слитка.

Кипящую сталь раскисляют в печи не полностью. Поэтому при разливке и затвердевании

слитка происходит бурное кипение стали за счет выделения пузырьков СО, которые образуются при реакции

FeO + C = Fe + CO.

Слиток кипящей стали состоит: из зоны А — плотная наружная корка мелких кристаллов без пузырей; зоны П — сотовых продолговатых пузырей, вытянутых к оси слитка и располагающихся между вытянутыми кристаллами; промежуточная плотная зона С; зона вторичных пузырей круглой формы К; средняя зона Д с отдельными пузырями, количество которых увеличивается в верхней части слитка (см. рис. 3.7).

Слитки кипящей стали имеют зональную ликвацию по углероду, фосфору и сере, которые скапливаются в головной части слитка.

Полуспокойную сталь частично раскисляют в печи и частично в ковше. Она имеет в нижней части слитка структуру спокойной, а в верхней части — кипящей стали.

Слитки полуспокойной стали не имеют концентрированной усадочной раковины, и сталь имеет меньшую зональную ликвацию C, P, S по сравнению с кипящей сталью.

К дефектам стального слитка относятся: усадочная раковина и осевая рыхлость; ликвация, плены и заворот корки на поверхности, неметаллические и шлаковые включения; поперечные и продольные трещины; подкорковые газовые пузыри, возникающие в результате чрезмерной смазки изложниц, что приводит при прокатке к образованию мелких трещин — волосовин.

19

3.7. Способы повышения качества металла

Повышение качества металла заключается в уменьшении в нем неметаллических включений, газов, вредных примесей, что повышает пластичность, вязкость и другие его свойства.

Обработка синтетическими шлаками

Синтетический шлак состава: 55 % СаО, 40 % Al2O3 и небольших количеств SiO2 и MgO — выплавляется в электропечи и заливается в ковш. В этот же ковш заливают из плавильной печи расплав металла. В результате перемешивания и увеличения площади контакта между металлом и шлаком в нем уменьшается содержание серы, кислорода и неметаллических включений.

Вакуумная дегазация стали

Наиболее распространенный способ вакуумной дегазации стали — в ковше (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Схема и чертеж камеры для вакуумной обработки жидкой стали

Ковш помещают в вакуумную камеру, в которой создается вакуум до остаточного давления 20 мм рт. ст., и выдерживают в ней в течение 10–12 мин. Из стали удаляются около 60 % водорода, азот и неметаллические включения.

Электрошлаковый переплав (ЭШП)

Схема электрошлакового переплава показана на рис. 3.9. Электрошлаковому переплаву подвергают металл, выплавленный в электропечах и прокатанный на круглые прутки.

Кристаллизатор закрывают поддоном с затравкой и засыпают шлакообразующую смесь, которая разогревается и плавится. Выделяемая шлаковой ванной теплота нагревает ее до температуры выше 1700 ºС и вызывает оплавление конца электрода, капли металла падают через слой шлака и скапливаются на дне кристаллизатора. Металлическая ванна непрерывно наполняется жидким расплавом, и за счет охлаждения поддона и стенок кристаллизатора начинает формироваться слиток. После полного наплавления слитка он удаляется из кристаллизатора с помощью поддона.

Сталь отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности. Содержание серы уменьшается в 2 раза, кислорода в 1,5–2 раза, содержание неметаллических включений — в 2–3 раза.

20

а)	б)

1

2 1

3

2

4

4

6

5

7

6

8

7

б

8

9

а

Рис. 3.9. Схема электрошлакового переплава расходуемого электрода:

а— кристаллизатор; б — включение установки; 1 — расходуемый электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — капли

электродного металла; 4 — металлическая ванна; 5 — шлаковый гарнисаж; 6 — слиток; 7 — стенка кристаллизатора; 8 — затравка; 9 — поддон

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП)

Схема ВДП показана на рис. 3.10.

Расходуемый электрод переплавляют в вакууме и формируют слиток в медной водоохлаждаемой изложнице. Применяют заготовки круглого сечения с механически обработанной поверхностью. В результате переплава удаляются газы, неметаллические включения и повышаются механические свойства стали.

Рис. 3.10. Схема вакуумно-дугового переплава:

1 — корпус вакуумной печи; 2 — водоохлаждаемый шток для крепления электрода; 3 — расходуемый электрод; 4 — капли жидкого

металла; 5 — ванна жидкого металла; 6 — водоохлаждаемая изложница; 7 — слиток; 8 — затравка

Контрольные вопросы

1.За счет чего в кислородном конверторе происходит окисление примесей в объеме чугуна?

2.Какие печи применяют для плавки стали?

3.Что такое раскисление стали и как его проводят?

4.Какие бывают способы разливки стали?

21

5. Назовите методы повышения качества стали.

РАЗДЕЛ II

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

4.1. Сущность обработки металлов давлением

Под воздействием внешних сил твердое тело деформируется или разрушается. Если после снятия нагрузки тело принимает первоначальные размеры и форму, то такая деформация называется упругой. Если после снятия нагрузки тело изменяет свои размеры и форму, то такая деформация называется

пластической.

Разрушение металла происходит под нагрузкой, превышающей его прочность. В зависимости от нагружения и температуры твердое тело можно деформировать или разрушать при большей или меньшей величине нагрузки.

Свойство твердых тел изменять свои размеры и форму в результате пластического деформирования используется человеком с глубокой древности для получения различных изделий.

Методы изготовления деталей путем пластического деформирования твердой заготовки или отдельных ее частей называют обработкой металлов давлением.

Обработка металлов давлением имеет существенное отличие от других методов формообразования деталей: резания, когда изделие приобретает форму за счет удаления части заготовки в стружку, и от литья, когда изделие получают заливкой жидкого металла в форму.

Преимущества обработки металлов давлением перед резанием и литьем: уменьшение потерь металла на стружку; высокая производительность; повышение физико-механических свойств металла исходной заготовки.

4.2.Общие сведения о нагрузках, напряжениях

идеформациях металлов

Взависимости от характера действия нагрузки подразделяют на растягивающие, сжимающие,

изгибающие, скручивающие, срезывающие (рис. 4.1).

а)

б)

в)

Р

Р

	Р
г)	д)

Р

Мкр

Рис. 4.1. Основные схемы нагружения:

а — растяжение; б — сжатие; в — изгиб; г — кручение; д — срез

Внутренние силы, приходящиеся на единицу площади сечения тела, называют напряжениями. Различают нормальные σn и касательные напряжения τ.

Нормальные напряжения — это напряжения, действующие перпендикулярно плоскости сечения тела, а касательные — это напряжения, действующие в плоскости этого сечения.

Если плоскость сечения Fо взята перпендикулярно действию силы Р (рис. 4.2), то напряжения в этом случае равны:

σ = Ð .

Fî

22