Лекции / Лекция 7

сталлизации, и сплавы состоят из жидкой и твердой фаз. Ниже линии солидус все сплавы данной системы находятся в твердом состоянии. AH – граница области, соответствующей смеси кристаллов феррита и жидкости, ниже её область феррита. HJB – линия превращения феррита и жидкого сплава в аустенит. На участке ЕСF при температуре 1147ºС и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику – ледебурит.

Таблица 7.2 Характерные точки диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

Линия GSE диаграммы называется линией верхних критических точек или линией начала превращения аустенита (при охлаждении). Точка G соответствует температуре (911ºС) перехода чистого железа из модификации γ-железа в α-железо. При температурах, лежащих на линии GS, начинается выделение феррита из аустенита.

Линия PSK диаграммы (температура 727ºС) называется линией нижних критических точек или линией перлитного превращения (при охлаждении). Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка E определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените.

Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при температуре 727ºС аустенит полностью распадается, образуется перлит.

На диаграмме имеется также три горизонтали (HB, EF и PS) трехфазных равновесий: соответственно перитектического (1496ºС), эвтектического (1147ºС) и эвтектоидного (727ºС).

4. Чугун

Производство чугуна. Получение чугуна заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды. Процесс получения чугуна ведут преимущественно в доменных печах (рис. 7.4). Существуют также и внедоменные способы получения чугуна, т. е. по прямому восстановлению из руд. Однако они не получили ещё широкого внедрения. Следовательно, чугун – это первичный продукт переработки железных руд.

12

П р и м е ч а н и е ‒ Большинство металлов находятся в природе в виде различных химических соединений (руд). Извлекают такие металлы из руд путем сложных реакций восстановления.

Рис. 7.4. Схема работы доменной печи:

1 – кокс; 2 – известняк; 3 – железная руда; 4 – поступление сырья; 5 – предохранительный клапан; 6 – выход отходящих газов; 7 – поддув горячего воздуха; 8 – чугун; 9 – шлак

Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железной руды, флюса, флюсованного агломерата, окатышей и топлива. В состав железной руды входят железосодержащие минералы и пустая порода. Пригодность железной руды для доменной плавки определяется содержанием железа, составом пустой породы и концентрацией вредных примесей (серы, фосфора). В зависимости от концентрации железосодержащих минералов железные руды бывают богатыми, которые используют непосредственно, и бедными, которые подвергают обогащению.

Для доменного чугуна в качестве железных руд используют магнитный желез-

няк (магнетит), красный железняк (гематит), бурый железняк (гетит) и шпатовый железняк (сидерит), содержащие 30…70% железа в виде оксидов Fe2O3 или Fe3O4. В состав пустой породы входят оксиды кремния SiO2 (кремнезём), алюминия Аl2O3 (глинозём), кальция СаО, магния МgO и другие составляющие.

Флюсы предназначены для понижения температуры плавления, обеспечения плавки руды и связывания пустой породы, неизбежно остающейся в руде после про-

13

цесса рудоподготовки. По химическому составу различают основные флюсы (известняк, доломит), кислые (кремнезём) и нейтральные (глинозём). Они сплавляются с пустой породой и золой топлива и образуют легкоплавкий сплав-шлак, не смешивающийся с жидким чугуном.

Основным видом топлива в доменном процессе служит кокс, но в отдельных случаях в дополнение к коксу используют природный газ или пылевидный каменный уголь. Топливо при выплавке чугуна является не только источником тепла, но и принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в процессе плавки. Оно является также и основным источником углерода.

Доменная печь (домна) относится к разряду шахтных и работает по принципу противотока. Внутри печь выложена огнеупорным материалом (шамотным кирпичом, блоками), сверху покрыта стальным кожухом. По химическому составу огнеупоры могут быть кислые (динас), основные (доломит, магнезит) и нейтральные (шамот). Современные доменные печи имеют общую высоту 80 м и объём рабочего пространства до 5600 м3. Производительность доменной печи объёмом 3000 м3 составляет более 6000 т чугуна в сутки.

Технологический процесс производства чугуна автоматизирован. Шихту непрерывно подают через загрузочные устройства в верхнюю часть печи, а снизу через фурмы вдувают горячий воздух. В условиях доменной печи при температуре 1900°С происходит интенсивное насыщение железа углеродом (науглероживание), поэтому доменный чугун обычно содержит от 2,14 до 4,6% углерода, около 93% железа и небольшое содержание примесей кремния (0,5…4%), марганца (1…3%), фосфора (0,02…2,5%), серы (0,005…0,08%) и др., перешедших в чугун из пустой породы. Углерод в чугуне содержится в виде цементита и графита.

Флюсы взаимодействуют с компонентами руды, образуя шлак, в который уходят вредные примеси (сера, фосфор), пустая порода, излишки марганца и некоторые цветные металлы. Доменные газы выпускаются через колошники в верхней части печи. Расплавленный чугун стекает в низ печи, а расплавленный шлак как более легкий находится сверху чугуна, предохраняя его от окисления. Жидкий чугун выпускается через нижнюю летку от 4 до 6 раз в сутки, шлаки – через верхнюю.

В доменных печах получают жидкий передельный и литейный чугуны, доменные ферросплавы (специальные чугуны), шлак и доменные газы. Чугун является основным и главным продуктом доменного производства, а шлак и доменные газы – побочными. По форме включения графита в сплаве различают:

серый чугун с пластинчатым графитом (СЧ);

чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ);

высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ);

ковкий чугун с хлопьевидным графитом (КЧ).

В зависимости от химического состава выпускаются нелегированные (общего назначения) и легированные (специального назначения) чугуны. В легированных чугу-

14

нах используется приблизительно тот же комплекс легирующих элементов, что и в сталях (хром, никель, алюминий, молибден, ванадий и др.).

Разновидности чугуна. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают передельный, литейный, белый, серый, модифицированный, высокопрочный и ковкий чугуны.

Передельный чугун (ГОСТ 805) содержит 4…4,5% углерода, 0,6…0,8% кремния, 0,25…1,0% марганца, до 0,07% серы и до 0,3% фосфора. В его структуре преобладает цементит – твердое и хрупкое соединение. Передельный чугун выпускается трех типов:

для сталеплавильного (марки П1 и П2) и литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производства;

фосфористый (ПФ1, ПФ2 и ПФ3);

высококачественный (ПВК1, ПВК2 и ПВК3).

На долю передельного чугуна приходится до 90% всей продукции доменных пе-

чей.

Литейный чугун (ГОСТ 4832) отличается от передельного повышенным содержанием кремния (до 3,6%) и в некоторых марках фосфора (до 1,2%). В зависимости от массовой доли кремния и назначения изготовляют чугун литейный марок от Л1 до Л6 и литейный рафинированный магнием марок от ЛР1 до ЛР7. Предназначается литейный чугун для дальнейшей переплавки в чугунолитейных цехах при производстве чугунных отливок.

В зависимости от условий охлаждения при получении различают два вида чугуна: белый и серый. Белыми называют передельные чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (карбид железа Fe3C). В изломе они имеют матово-белый цвет и характерный металлический блеск. Получают при быстром охлаждении расплава. Из-за большого содержания цементита белые чугуны обладают высокой твёрдостью (450…550 НВ), износостойкостью, хрупкостью, но плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий они не используется. Применяются как передельный чугун для производства стали или для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.

Серыми называют литейные чугуны с пластинчатой формой графита, в изломе имеющие серый цвет. Содержание углерода в связанном состоянии составляет не более 0,5%. Получают при медленном охлаждении жидкого чугуна.

П р и м е ч а н и е ‒ В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Чугун, в котором графит имеет форму хлопьев, называют ковким, а с шаровидной формой графита

– высокопрочным.

Механические свойства серого чугуна (ГОСТ 1412, EN 1561) определяются в основном количеством, формой и размерами графитных включений. По сравнению с металлической основой они имеет более низкую прочность. Поэтому графитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу.

15

Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна.

Серый чугун менее твердый, чем передельный, хорошо обрабатывается режущими инструментами, имеет высокую износостойкость, но меньшую прочность. В случае предварительного подогрева может хорошо свариваться, обладает хорошими литейными свойствами. Выпускается марок СЧ10…СЧ35.

В основу стандартизации серого чугуна положен принцип регламентирования минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении в МПа∙10-1. Например, марка СЧ15 указывает, что минимальное временное сопротивление при растяжении серого чугуна составляет не менее 150 МПа. В строительстве серый чугун применяют главным образом для изготовления изделий, работающих при сжатии (башмаки, тюбинги, колонны в санитарно-технических системах) и в архитек- турно-художественном оформлении.

Модифицированные серые чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок (ферросилиция, силикокальция и др.). Они имеют более однородное строение по сечению отливки и мелкую завихренную форму графита. Обладают повышенными механическими и литейными свойствами.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293, EN 1563) являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделили в особую группу. Получают при модифицировании жидкого серого чугуна магнием или церием (0,03…0,07% от массы отливки). В результате модифицирования частицы графита находятся в чугуне в виде маленьких сфер (шариков), исключая образование и распространение трещин. Помимо высокой прочности такой чугун обладает ещё и высокой пластичностью.

Условное обозначение марки высокопрочного чугуна включает буквы ВЧ – высокопрочный чугун и цифровое обозначение величин предела прочности при растяжении в МПа∙10-1 и в ряде случаев относительного удлинения в процентах. Выпускается марок ВЧ35…ВЧ100. Например, марка ВЧ 100-2 указывает, что предел прочности при растяжении высокопрочного чугуна составляет 1000 МПа при относительном удлинении 2%.

Высокопрочные чугуны применяются в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют трубы, оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.

5. Сталь

Общие сведения. Сталь (польск. Stal, нем. Stahl) – это деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими постоянными или неизбежными (кремний, сера, фосфор) и скрытыми (кислород, водород, азот) примесями Она занимает левую часть диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

16

Доля железа в сплаве составляет 90…98,5%, а доля углерода не превышает 2,14%. Кроме того, в состав стали входят и другие химические элементы, либо содержащиеся в руде (кремний, марганец, фосфор, сера), либо вводимые специально для улучшения (легирования) свойств (никель, ванадий, хром, молибден). В сравнении с чугуном сталь обладает лучшими механическими свойствами, что обусловлено меньшей концентрацией в ней углерода и нормальных примесей.

П р и м е ч а н и е ‒ 1. В чугунах углерод представлен в виде графита и цементита, в сталях – в виде дисперсий, твердых растворов, эвтектических смесей и химических соединений (карбидов).

2. ГОСТ Р 54384 (EN 10020) определяет сталь как сплав железа с углеродом, в котором массовая доля железа больше, чем массовая доля какого-либо другого элемента, а массовая доля углерода составляет менее 2%, и в состав которого входят другие химические элементы. У небольшого количества хромистых сталей массовая доля углерода может превышать 2%. Обычно массовая доля углерода, равная 2%, является границей раздела между сталью и литейным чугуном. Но это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5%.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий химические и технологические процессы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него. Исходным сырьем для производства стали являются металлошихта (передельный чугун, выплавляемый в доменных печах, и стальной лом) или ферросплавы, металлодобавки, флюсы и окислители. Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: кислородных конверторах, мартеновских печах, электрических печах и др. (рис. 7.5 и 7.6).

Если сравнить содержание основных примесей в стали и чугуне, то в стали их значительно меньше. Поэтому целью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания (или удаления части) углерода и примесей путем их избирательного окисления (выгорания) и перевода в шлак и газы в процессе плавки с последующим раскислением. В результате получают сталь заданного химического состава.

П р и м е ч а н и е ‒ Сталеплавильный процесс является окислительным, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора и др.). Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят при необходимости легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.

Конвертерный способ производства стали, включающий несколько разновидностей, заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) жидкий чугун, нагретый до температуры 1250…1400 , вместе с другими компонентами (металлоломом и шлакообразующими веществами) продувают воздухом или кислородом через водоохлаждаемую фурму. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна (кремний, марганец, углерод и др.), в результате происходит повышение температуры до 1600 и

17

чугун превращается в сталь. При этом образуется химически активный шлак с необходимым содержанием оксида кальция для удаления примесей. Следовательно, источником теплоты при конвертерном способе являются химические реакции окисления элементов, входящих в состав чугуна. Последними операциями плавки являются слив металла и затем шлака.

Рис. 7.5. Кислородный конвертер в разрезе

Рис. 7.6. Схема мартеновской печи (а) и дуговой электросталеплавильной печи (б): 1 – электроды; 2 – металл

Мартеновский процесс передела чугуна в сталь осуществляется в плазменной отражательной печи, оснащенной системой регенерации, направленной на использование теплоты отходящих при горении газов для подогрева воздуха и газообразного топ-

18

лива. Металлическая часть шихты для ведения плавки состоит из чугуна (в твердом или жидком виде) и стального лома, доля каждого из которых, может изменяться от 0 до 100%. Сталь получается в результате окислительной плавки загруженных в печь железосодержащих материалов и сложных процессов взаимодействия между металлом, шлаком и газовой средой.

Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Электрические печи для плавки металла подразделяются на дуговые, индукционные и печи сопротивления. Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака с температурой, превышающей 3000 . В индукционных печах для выплавки стали используется тепло, которое выделяется за счет возбуждения электрического тока переменным магнитным полем. Проводящая электрический ток шихта, помещенная в тигель печи, подвергается воздействию переменного магнитного поля и нагревается вследствие теплового воздействия вихревых токов. Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья.

Полученную в сталеплавильных агрегатах сталь выпускают в разливочный ковш, а затем либо разливают в металлические формы (изложницы), либо направляют на установки непрерывной разливки стали (машины непрерывного литья). Незначительная часть стали идет на фасонное литье. В результате затвердевания металла получаются стальные слитки или заготовки, которые в дальнейшем подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Технология и организация разливки является весьма ответственным этапом в общем производстве стали и в значительной мере определяет её качество и количество отходов при последующем переделе стальных слитков.

Классификация сталей. По сложившейся практике стали классифицируют главным образом по химическому составу, способу производства, качеству, назначению, структуре в равновесном состоянии, степени раскисления, методам придания формы стальным изделиям и другим показателям. Единой международной классификации сталей не разработано. Во многих странах (а также в ряде крупных фирм) разработаны свои системы классификации и маркировки сталей, которые по качественным показателям и другим параметрам практически не сопоставимые друг с другом. В США в пределах одной страны используется несколько систем обозначения металлов и сплавов.

В соответствии с СТБ EN 10020 и ГОСТ Р 54384 по химическому составу различают стали нелегированные, нержавеющие и другие легированные. Нелегированными считаются стали, массовая доля у которых любого химического элемента оказывается меньшей оговоренного стандартом. Нержавеющие стали – это стали с минимальной массовой долей хрома 10,5% и максимальной долей углерода 1,2% (СТБ EN 10088- 1…5). К другим легированным относят стали, которые по определению не являются не-

19

ржавеющими, но отличаются тем, что у них массовая доля, как минимум, одного химического элемента, из указанных в стандарте, соответствует установленным предельным значениям.

П р и м е ч а н и е ‒ Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процессов, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целью повышения качества металлургической продукции (улучшения механических, физических и химических свойств).

По основным свойствам или области применения стали подразделяют на классы качества: нелегированные и другие легированные – на качественные и специальные, нержавеющие – по массовой доле никеля (менее 2,5% и 2,5% и более) и по основным свойствам – на коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные.

По отечественной системе классификации, разработанной в СССР, в зависимости от способа выплавки и переплава стали подразделяются на мартеновскую, кислородноконверторную, выплавленную в электропечах, вакуумно-индукционной выплавки и электрошлакового, вакуумно-дугового и плазменно-дугового переплава (ГОСТ 4543). При этом различают основную и кислую стали в зависимости от характера футеровки печи.

По качеству (содержанию вредных примесей) стали различают:

обыкновенного качества – содержание углерода, серы и фосфора составляет соответственно до 0,49; 0,05 и 0,04%. Выплавляют в конверторах или мартеновских печах. Предназначены для изготовления горячекатаного проката (сортового, фасонного, толстолистового и тонколистового), холоднокатаного тонколистового проката, труб, ленты, проволоки, метизов и других изделий (ГОСТ 380);

качественные – содержание серы и фосфора в них не должно превышать 0,035%. Колебание содержания углерода в стали одной марки допускается не более 0,08%. Получают преимущественно в мартеновских печах с соблюдением повышенных требований к составу шихты и технологическим режимам плавки и разливки;

высококачественные – стали с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре металлопродукции из нее по сравнению с качественной сталью (например, содержание фосфора и серы не должно превышать 0,025% и др.). Изготовляют главным образом в электропечах или в так называемых кислых мартеновских печах;

особо высококачественные – сталь, выплавленная в вакуумно-индукционных печах или с применением переплавов, с повышенными требованиями к химическому составу, качеству поверхности и макроструктуре металлопродукции из нее по сравнению

скачественной и высококачественной сталью (например, содержание фосфора не должно превышать 0,025%, серы – 0,015% и др.).

По структуре сталь может быть перлитная, аустенитная, ферритная, мартенситная, карбидная.

20