Тема 2.1 особливості плавлення високолегованих сталей

1. Штамповані матеріали для виплавлення сталей зі спеціальними властивостями

Шихта - суміш вихідних матеріалів, яка піддається переробленню у металургійних або інших агрегатах.

Для виплавлення високолегованих сталей використовують велику кількість різних матеріалів.

Шихта для виплавлення ливарних сталей складається із:

• металевої частини, на основі якої виплавляють сталь заданого хімічного складу (сталевий і чавунний брухт, зворот власного виробництва, чавуни, феросплави, чисті метали та ін.);

• неметалевої частини - флюсів, що використовують для формування шлаків та надання їм властивостей, які дозволяють забезпечити здійснен ня необхідних реакцій з металом (вапно або вапняк, боксити, плавиковий шпат, кварцовий пісок, окислювачі, матеріали, що вмістять велику кількість вуглецю та ін.).

До усіх шихтових матеріалів пред'являються вимоги, шо забезпечують раціональне проведення процесу плавлення сталі заданого хімічного складу і якості.

Шихтові металеві матеріали, які найчастіше використовуються для виплавлення ливарних сталей зі спеціальними властивостями:сталевий брухт та відходи;брикети із сталевої стружки;чавун переробний;ферохром;феромарганець;марганець металевий;феросиліцій; феротитан;феромолібден;феровольфрам;ферованадій;фероніобій;феросилікохром;силікомарганець;алюміній;нікель первинний;мідь;хром металевий.

Основною складовою металевої частини шихти є сталевий брухт і відходи. Ці матеріали повинні відповідати вимогам нормативних документів.

Відповідно до вимог нормативних документів вторинні чорні метали розділяють:

• за вмістом вуглецю - два класи: сталевий брухт і відходи та чавунний брухт та відходи;

• за наявністю легувальних елементів - на дві категорії: А — вугле цеві; Б-леговані;

• за показником якості - на 28 видів;

• за вмістом легувальних елементів — 67 груп.

Останнім часом у шихту додають високометалізовані обкатиші (90...95% заліза), які виготовляють безпосередньо із руди методом прямого відновлення (бездоменний процес) в спеціальних установках.

Як шихтові матеріали використовують також губчасте залізо, яке вмі стить до 8... 12% кремнію, та спеціальні виливанці. ,

У сталеливарних цехах особливу увагу приділяють феросплавам,і оскільки вони є другою, після сталевого брухту та відходів, складовою металевої частини шихти.

Замість феротитану можна використовувати брикети титанової губки.

Для відновлювальних шлаків використовують порошки коксу, молотого феросиліцію, а в окремих випадках - алюмінію.

Як матеріали для навуглецьовування сталі використовують кам'яновугільний кокс (80% С), електродний бій (98% С), графіт, деревне вугілля (80% С) та ін.

2. Плавлення феросплавів у рідкій сталі

Розплавлення феросплавів у рідкій сталі. Як уже відзначалося, до легкоплавких відносяться такі сплави і метали, температури плавлення яких нижчі за температуру рідкої сталі, в яку вони додаються. Швидкість їх плавлення в рідкій сталі визначається, головним чином, фізико-хімічними властивостями речовини, що плавиться, і розплаву, характером його руху, а також формою тіла і його розмірами.

Характер руху середовища визначає механізм переносу тепла і речовини у рідині, а властивості речовини, яка плавиться, визначають швидкість передавання підведеного до її поверхні тепла в центр тіла.

Плавлення розглядається як процес, що складається із двох періодів, які здійснюються один за другим: інерційного і регулярного. Тепло, яке підведене до поверхні тіла в інерційний період, витрачається повністю на прогрівання тіла до досягнення на його поверхні температури плавлення. В регулярний період тепло, підведене до поверхні тіла, частково витрачається на прогрівання твердого тіла, що залишилося.

Для відносно малих швидкостей потоків рідкої сталі (0,1 ...0,5 м/с) вирішальний вплив на тривалість плавлення тіла справляє його температура плавлення: чим вона нижча, тим швидше досягається на його поверхні точка плавлення і тим менше часу необхідно для завершення процесу. При збільшенні швидкості потоків рідкої сталі (1,0 м/с) суттєвого значення набуває теплопровідність сталі: чим вона вища, тим швидше здійснюється передавання тепла до центра тіла і тим швидше воно плавиться. ;

Якщо щільність феросплавів дуже відрізняється від щільності рідкої сталі, то вони будуть або опускатися на подину печі, або на дно ковша, або спливати на поверхню дзеркала сталі. Обидва випадки є несприятливими з точки зору здійснення процесів тепло- і масообміну.

Зона інтенсивної циркуляції сталі є найбільш сприятливою для протікання тепло- і масообміних процесів між сталлю і феросплавом. Результати досліджень в цьому напрямку підтверджують, що швидкість розплавлення твердих часток у рідині збільшується з ростом швидкості її руху, зменшенням розмірів часток і наближенням їх щільності до щільності рідини.

Особливо важливого значення ці питання набувають при легуванні сталі в ковші.

У зв'язку з тим, що швидкості спадних потоків більші висхідних, швидкість розплавлення феросплаву більш висока у нижніх горизонтах ковша, де швидкість потоків характеризується ще достатньо високими значеннями. В реальних виробничих умовах сталь на цих горизонтах дійсно має більш високу температуру, ніж у верхніх горизонтах між стінкою ковша і вхідним струменем.

Промислові феросплави надходять до замовника в кусках відносно великих розмірів. При їх подрібненні утрати в вигляді дрібних фракцій можуть досягати 3...5%, причому, чим дрібніше подрібнюють феросплави, тим більші утрати. Тому необхідно обмежувати максимальні розміри кусків феросплавів в залежності від необхідних швидкостей завершення процесів тепло- і масообміну в рідкий сталі. Практично для легування сталі в печі використовують феросплави розмірами кусків не більше 0,10...0,15 м.

Необхідно відзначити, що в реальних умовах при попаданні холодних кусків феросплавів в рідку сталь на їх поверхнях утворюється кірка намороженої сталі, яка суттєво змінює процес теплообміну між сталлю і феросплавом і збільшує тривалість розплавлення останнього.

Протягом першого періоду збільшується маса куска феросплаву внаслідок намерзання на його поверхні кірки сталі з наступним її розплавленням.

На початку другого періоду маса феросплаву різко зменшується внаслідок розплавлення його частини в першому періоді, а потім поступово зменшується з прискоренням через зменшення радіуса куска і різниці температур на його поверхні і в центрі Температура поверхні куска феросплаву поступово підвищується до температури плавлення і ^: залишається на одному рівні до завершення процесу плавлення.

Під час утворення кірки намороженого металу на поверхні кусків феросплавів можливе здійснення процесів взаємної дифузії атомів їх компонентів, що може змінити фізико-хімічні властивості суміжних шарів металів, які контактують, сприяти виникненню певного теплового ефекту і внаслідок цього може впливати на загальний процес теплообміну. Такі елементи як С, Si, А1, Ті, V і деякі інші розчиняються і розплавляються в залізі з виділенням тепла.