книги из ГПНТБ / Производство шарикоподшипниковой стали М. И. Колосов, А. И. Строганов, И. Я. Айзеншток. 1960- 21 Мб

хром присаживается только в начале восстановительного перио­ да. В отечественной практике подобный способ присадки ферро­ хрома принят на Челябинском заводе. На других заводах ферро­ хром присаживают обычно в середине рафинировки.

Влияние содержания кремния в готовой стали.

На Челябинском металлургическом заводе путем статистичес­ кой обработки контрольных испытаний шарикоподшипниковой стали было установлено, что в стали, недостаточно раскисленной

кремнием, сильнее развиваются волосовины на поверхности проката; балл по оксидным включениям в этих плавках более высокий (к недостаточно раскисленным относились плавки, со­ держащие менее 0,25% Si).

Надо полагать, что при введении алюминия в недостаточно раскисленную ванну образуются крупные включения глинозема и алюмосиликатов; свободного алюминия меньше, чем в стали,

Несколько другие данные были получены на заводе «Элек­ тросталь». В работе [42] отмечается отсутствие влияния содер­ жания кремния в готовой стали на балл по оксидным включе­

ниям. Сравнивали две группы плавок: с содержанием кремния

0,16—0,25% и 0,26—0,35%. Возможно, что такое различие объ­ ясняется тем, что на заводе «Электросталь» сталь отливали в

ного скачивания окислительного шлака ванну предварительно раскисляют ферромарганцем или силикомарганцем, а на неко­ торых заводах — чугуном. Присадку этих ферросплавов произ­ водят из расчета получения содержания марганца в металле около среднего заданного значения.

Повторное кипение позволяет получить несколько более чи­ стый от включений металл. В зарубежной практике «повторное» кипение применяется при выплавке мало- и среднеуглеродистых сталей ответственного назначения.

Влияние содержания FeO в шлаке перед вы­ пуском. Металл во время выпуска из печи перемешивается

со шлаком. При достаточно высоком содержании закиси железа

в шлаке возможно интенсивное развитие реакции вторичного окисления, что может привести к загрязнению стали неметал­ лическими включениями. Однако при выплавке шарикоподшип­

никовой стали при обычном содержании закиси железа (в пре­ делах 0,2—0 8%) в конечном шлаке этого не происходит

(табл. 51) [42].

104 Основные положения выплавки стали в основных электропечах

Таблица 51

Влияние содержания FeO в конечном шлаке на содержание в стали оксидных включений

Количество образцов. % с баллом

предпочитают иметь в конечном шлаке возможно низкое содер­ жание FeO, тем более, что это улучшает условия раскисления стали. Поэтому в период всей рафинировки также стремятся снижать содержание FeO в шлаке.

Характеристика включений в стали по ходу плавки

Поведение неметаллических включений и изменение их ха­

рактера по ходу плавки шарикоподшипниковой стали в основ­

ной электропечи исследовали Б. В. Старк и Г. Л. Керлин [72],

а также ЦНИИЧМ совместно с Челябинским металлургическим заводом. В исследованиях Б. В. Старка и Г. Л. Керлина сталь

ШХ15 выплавляли в 4,5-т электропечи. Раскисление опытных плавок проводили по различным методам и под различным шлаком в период рафинировки.

Висследованиях на Челябинском заводе опытные плавки проводили методом переплава. По ходу плавок отбирали пробы

ввиде 5-кг слиточков, а из под ковша — слитков весом 40—75 кг. Пробные слиточки ковали или катали на прутки диам. 30 мм и от них отрезали шайбы толщиной 20—25 мм для изготовления мик­

рошлифов.

Вобоих исследованиях было обнаружено максимальное со­ держание включений в стали после расплавления. За окисли­ тельный период количество неметаллических включений в ванне значительно уменьшается. В период рафинировки происходит дальнейшее уменьшение количества включений, но в меньшей степени, чем в период чистого кипения. После выпуска металла из печи содержание включений вновь возрастает.

Плавки, проведенные с предварительным раскислением кремнием и алюминием

Пробы после расплавления. Встречаются пла­

стичные, вытянутые в направлении ковки включения силикатов

железа и марганца. Особенностью этих силикатов является боль­ шая прозрачность в затемненном поле зрения.

Были обнаружены единичные крупные включения силикатов марганца в стадии «расстекловывания», о чем свидетельствова­ ли ясно видимые внутри этих включений так называемые «ро­ зочки» . чистого кремнезема. Встречаются включения сульфида FeS — MnS. В первых пробах металла после расплавления ших­ ты наблюдается большое количество силикатных и сульфидных включений. Сульфиды весьма крупны: оценка по ним доходит до

4 баллов.

Пробы перед скачиванием окислительного

шлака. Количество силикатных и сульфидных включений в этих пробах по сравнению с предыдущими резко уменьшается, например балл по сульфидам с 1,0 до 0,5 и по силикатам с 4,0

ния располагаются группами иди строчками в направлении ков­ ки. В затемненном поле зрения включения алюминатов светятся,

цвет их светло-желтый.

Балл по оксидным включениям после введения в ванну AI

значительно возрастает (с 1,0 до 2,0).

Пробы после обработки ванны карбидным

обработки ванны карбидным шлаком существенно не изменяется. В этом периоде рафинировки преобладают сульфидные включе­ ния состава FeS — MnS и включения алюминатов как в виде изолированных правильной кристалической формы включений,

так и в виде строчек.

Проба перед выпуском плавки из печи.

Дальнейшая выдержка металла под карбидным шлаком не да­ ет каких-либо существенных изменений по количеству и качест­ ву неметаллических включений.

ся в поле зрения до 15 мелких шаровидных включений силикатов кальция.

Сохраняются включения алюминатов, большей частью в виде изолированных мелких и крупных зерен правильной кристал­ лической формы.

106 Основные положения выплавки стали в основных электропечах

Сульфидные включения часто сочетаются с включениями алюминатов. В нескольких плавках повысилось содержание ша-

ровидных и сульфидных включений.

Плавки, проведенные без предварительного раскисления кремнием и алюминием

Пробы перед скачиванием окислительного шлака. В отличие от проб, взятых по расплавлении металла,

в пробах, взятых перед скачиванием шлака, обнаружены в не­ значительных количествах мелкие включения темно-серого цве­ та правильной кристаллической формы, имеющие при затемнен­ ном поле зрения отсветы. По морфологическим признакам эти включения можно отнести к хромитам (FeO • Сг2О3). Появление хромитов в пробах, отобранных перед скачиванием шлака, можно объяснить тем, что после расплавления присаживали одну порцию железной руды.

Проба готового металла из под ковша. При­ садка силикокальция в ковш способствовала образованию боль­ шого количества крупных глобулярных включений силикатов кальция, размер которых на некоторых плавках достигал 42 р, а количество их в одном поле зрения доходило до 6. Почти во всех образцах обнаружены мелкие «глобули».

Характер включений в пробах, отобранных в другие периоды плавки, сохранялся примерно таким же, как и в плавках с пред­ варительным раскислением кремнием и алюминием.

Однако в процессе рафинирования разрушалась некоторая часть силикатных включений, а также уменьшались размеры включений этого типа.

Глава 8

ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ОСНОВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Шарикоподшипниковые стали успешно выплавляют в элек­ тропечах малого, среднего и большого тоннажа.

Технология выплавки стали практически не зависит от тон­

нажа печи.

Наиболее распростаненным типом процесса в электропечах является скрап-процесс.

Выплавка стали скрап-процессом производится двумя мето­ дами: с полным окислением и без окисления (переплав отходов).

При выплавке стали с полным окислением в окислительный период осуществляется дефосфорация, отчасти дегазация и очи­ щение металла от неметаллических включений. В качестве ших­ ты используется углеродистый электропечной лом и карбюриза­ тор— чугун или кокс. При плавке без окисления шихта состоит из отходов шарикоподшипниковой стали (80%) и мягких, чистых по фосфору отходов углеродистых или хромистых конструкци­ онных сталей (20%). При выплавке методом переплава содер­

жание углерода и фосфора в металле по расплавлении ванны,

ниже требуемого в готовой стали, поэтому окисление ванны, как правило, не проводят, и продолжительность плавки значительно сокращается.

Шарикоподшипниковую сталь выплавляют также дуплекспроцессом. Сущность дуплекс-процесса состоит в том, что в ос­ новной мартеновской печи подготавливают полупродукт, при­ годный по содержанию фосфора, углерода и марганца для рафи­ нирования в электропечи. После перелива в электропечь металл

раскисляют, обессеривают, доводят по анализу и температуре и выпускают. Феррохром в этом случае вводят в начале рафини-

ровки.

Плавка дуплекс-процессом в два и более раза короче плавки

скрап-процессом.

В последнее время начинает осуществляться дуплекс-процесс:

основной конвертер на кислородном дутье — электропечь. Технология выплавки шарикоподшипниковой стали со време­

нем совершенствовалась в связи с повышением требований к

подшипникам. Поэтому представляет интерес рассмотреть техно­ логию выплавки этой стали в ее историческом развитии.

108 Технология выплавки стали в основной электрической печи

Выплавка стали на заводах США и Германии в 30-х годах

Выплавка стали в США. Выплавку в 7- и 25-т электропечах на заводе «Тимкен» вели на твердой шихте мето­ дом переплава. В качестве шихты использовали чистый скрап, отходы хромистой стали и мягкое железо.

Благодаря мощным трансформаторам (3500 ква на 7-т печи и 7500 ква на 25-т печи) расплавление шло быстро и продолжа­ лось не более 2 час. [3].

После скачивания окислительного шлака на голый металл присаживали ферромарганец и феррохром, затем заводили карбидный шлак из извести, плавикового шпата и нефтяного

кокса. После выдержки ванны под карбидным шлаком в течение

одного часа металл доводили до заданного химического состава. Окончательное раскисление осуществляли в ковше ферросили­ цием и алюминием. При выпуске шлак задерживали в печи до момента слива в ковш основной массы металла. Общая продол­ жительность плавки не превышала пяти часов.

Шлаки в период рафинировки поддерживали высокоосновны­ ми с содержанием СаО более 55,0%. Количество конечного шла­ ка составляло 4,0—6,0% от веса металла.

Аналогичная технология была принята и на другом заводе

(Централ Аллой К°) при выплавке стали в 25-, 15- и 17-т печах. Выплавка стали в Германии. На Крефельдском заводе, являвшемся в 30-х годах основным поставщиком шари­

коподшипниковой стали, выплавку вели на твердой завалке как с окислением, так и переплавом. В первом случае в печь загру­

жали известь и обычный углеродистый лом с таким расчетом,

чтобы по расплавлении, длившемся 2—2,5 час., содержание уг­ лерода находилось в пределах 0,2—0,3%. По расплавлении ван­ ну рудили в течение примерно 20 мин. до содержания углерода около 0,05%. После скачивания окислительного шлака на голую

ванну вводили ферромарганец (0,1—0,2% Мп) и для науглеро­ живания металла электродный бой, включали ток и через 8— 10 мин. присаживали известь и плавиковый шпат. Примерно че­ рез полчаса после этого вводили феррохром в подогретом со­ стоянии. Металл под карбидным шлаком выдерживали не менее

1,5 часа, после чего ванну раскисляли кусковым ферросилицием и

алюминием 300—500 г/т Стремились возможно полнее раскис­ лить ванну карбидным шлаком. Во время выпуска в ковш до­ полнительно присаживали алюминий, так как в противном слу­ чае на слитках образовывались подкорковые пузыри.

При выплвке стали переплавом в печь загружали отходы хромистой и шарикоподшипниковой стали и небольшое количе­

ство стружки. По расплавлении металл содержал 0,7—0,8% С.

Первый шлак не скачивали и путем дачи кокса переводили в

карбидный. Этим достигали почти полного использования хрома,

содержащегося в шихге. Под карбидным шлаком ванну выдер­ живали не менее 1,5 часа, после чего на основании данных экспресс-анализа корректировали химический состав металла путем присадок ферромарганца и феррохрома. Затем в печь вводили кусковой ферросилиций и алюминий. Температура ме­ талла на выпуске из электропечи составляла 1510—1520° (по Пиропто без поправки). В ковше сталь выдерживали 5—7 мин.

Разливку стали осуществляли сифонным способом в слитки раз­ весом 450 и 850 кг.

Многократное испытание качества шарикоподшипниковой ста­

ли, выплавленной в тот период на германских заводах перепла­ вом и с окислением, не обнаружило какого-либо преимущества одного из методов. Качество стали, выплавленной с окислением, оказывалось несколько лучше лишь в том случае, когда в каче­ стве исходных шихтовых материалов брали шведский древесно-

угольный чугун или губчатое железо.

На Крефельдском заводе был проверен дуплекс-процесс: основная мартеновская печь—электропечь. Этот способ часто практиковался также на заводе Круппа. В основную мартенов­ скую печь загружали 25% чугуна и 75% стального скрапа. Сле­ дует отметить, что при дуплекс-процессе использование хрома

из скрапа незначительно, поэтому в мартеновскую печь загру­

жали обычно углеродистые отходы.

По расплавлении ванны в мартеновской печи в металле со­

держалось обычно 0,9—1,2% С и 0,6—0,8% Мп. После руления и неоднократного спуска шлака содержание фосфора снижалось

до 0,010%, а углерода до 0,1%; после этого полупродукт выпу­ скали из печи и раскисляли в ковше алюминием и сплавом сима-

нал ом (20% Si, 20% Мп и 20% А1).

В электропечь перед заливкой полупродукта загружали 350 кг гематитового чугуна, древесного угля и электродного боя (по ~ 0,35% каждого). После слива в печь мартеновского метал­ ла включали ток и присаживали шлакообразующие: известь (2%) и павиковый шпат (~ 0,7%).

Через 40—50 мин. после заливки металла в печь начинали

.оаскисление металла алюминием, насаженным на штанги; за­ тем обрабатывали шлак молотым ферросилицием. После раскис­

ления содержание углерода составляло 0,8—0,9% и марганца 0,2—0,3%. При хорошем раскислении металла через 15—20 мин.

после присадки А1 и FeSi в ванну вводили феррохром с после­ дующим раскислением ванны молотым ферросилицием и древес­ ным углем. По ходу плавки содержание марганца поддержи­ вали выше 0,20%. Примерно через 30—40 мин. после дачи фер­ рохрома корректировали состав металла. В качестве карбюри­

затора часто использовали шведский древесноугольный чугун.

по Технология выплавки стали в основной электрической печи

По ходу плавки поддерживали белый шлак путем периодических: присадок древесного угля и молотого ферросилиция. Оконча­

тельное раскисление металла в печи осуществляли сплавом AMS (2,5 кг/т) и в ковше алюминием (~ 130 г/т).

В отличие от практики Крефельдского завода, стремившегося полнее использовать хром шихты, на заводе Круппа при работе

электропечей на твердой шихте, как правило, проводили хромо­ окислительный процесс. Причем преимущественно плавки про­ водили с окислением. При использовании хромистых отходов

окислительный период затягивался вследствие стремления пол­ нее удалить хром из металла.

Сравнение технологии выплавки шарикоподшипниковой стали на американских и германских заводах показывает, что

существенных отличий между ними не имелось. Однако в США. предпочитали проводить окончательное раскисление в ковше, а

Выплавка стали на отечественных заводах

Технология выплавки шарикоподшипниковой стали на отече­ ственных заводах за 25 лет неоднократно изменялась и совер­

шенствовалась. Ниже рассматривается развитие технологии в хронологическом порядке. Наиболее показательна в этом отно­ шении история совершенствования технологии на Злотоустовском металлургическом заводе, на котором выплавляли шарико­ подшипниковую сталь по всей номенклатуре марок и профилей, поставляемых всем подшипниковым и трубным заводам Союза. Поэтому при изложении этого раздела в основу положен опыт

Златоустовского завода с приобщением к нему опыта заводов

«Электросталь», Челябинского металлургического, «Днепроспецсталь», Кузнецкого металлургического комбината, а также ре­

зультатов исследований, проведенных ЦНИИЧМ, ЭНИИПП,

Челябинским и Уральским политехническими институтами и др.

Выплавка стали в 1931 — 1932 г г. На Злато­ устовском металлургическом заводе и заводе «Электросталь» сталь выплавляли в 8- и 15-т печах, в которые обычно загружа­ ли 10—20 т шихты. На заводе «Электросталь» широко практи­ ковали работу дуплекс-процессом: основная качающаяся марте­ новская печь — электропечь. При работе на твердой шихте на Златоустовском заводе плавки проводили более форсированно.

Шихту подбирали таким образом, чтобы к моменту расплав­ ления содержание углерода было больше 1%. Продолжитель­ ность окислительного периода составляла 1,5—2 час. Содержа­ ние углерода к концу этого периода снижали до 0,35—0,40%, содержание марганца поддерживали не ниже 0,20%.

Выплавка стали, на отечественных заводах lit

После скачивания окислительного шлака металл науглеро­

живали и раскисляли алюминием (250 г/т), шлак раскисляли молотым ферросилицием. Шлак в период рафинировки поддер­

живали белым. Длительность восстановительного периода ко­ лебалась в пределах 1,5—2,0 час. Перед выпуском в металл вво­ дили кусковой алюминий на штанге в количестве 250 г/т.

Сталь, выплавляемая по этой технологии, была сильно за­ грязнена неметаллическими включениями: средний балл по ок­ сидам и сульфидам отдельно составлял 3. Поверхность слитков и заготовок была поражена пленами, волосовинами и свищами.

На заводе «Электросталь» технология выплавки была не­ сколько иной. Содержание углерода по расплавлении находи­ лось в пределах 1,3—1,4%. В окислительный период ванна хо­

рошо кипела и шлак частично сходил самотеком. В начале вос­ становительного периода металл науглероживали электродным боем и несколько раскисляли алюминием, присаживаемым в ко­ личестве 200—300 г/т.

Феррохром с высоким содержанием углерода вводили в ван­

ну перед наводкой весстановительного шлака. В восстановитель­ ный период поддерживали активный карбидный шлак, который из-за опасения науглероживания металла во время выпуска пе­ реводили в белый.

По ходу плавки содержание марганца поддерживали выше 0,20% путем присадки ферромарганца.

Раскисление карбидным шлаком старались провести возмож­

но полнее; критерием полноты раскисления служило поведение

металла в пробном стаканчике: во время застывания хорошо раскисленного металла на поверхности образуется тонкая сферо­ идальной формы корочка, при вскрытии которой наблюдается спокойная усадка металла.

За 15—20 мин. до выпуска в ванну вводили кусковой ферро­ силиций из расчета получения кремния в готовой стали не менее

0,25%. После раскисления ферросилицием поверхность жидкого металла в пробном стакане некоторое время не покрывалась пленкой и застывала спокойно без сильного искрения, образуя на поверхности вогнутый мениск. Алюминий на штанге вводили в ванну за 1—2 мин. до выпуска плавки. После перемешивания металл выпускали. Температура металла на желобе (по Пиропто без поправки) колебалась в пределах 1495—1505°.

На заводе «Электросталь» сначала разливали сталь сверху в слитки развесом 400 кг, а впоследствии — сифоном. Развес слитка в дальнейшем был увеличен до 800 кг, а затем до 1200 кг.

Следует отметить более тщательное проведение восстанови­ тельного периода на заводе «Электросталь» по сравнению со Златоустовским заводом.

112Технология выплавки стали в основной электрической печи

Всвязи с отмеченным обстоятельством качество стали заво­

да «Электросталь» было выше как по содержанию серы, так и

по неметаллическим включениям.

Технология, разработанная в период освоения выплавки ша­

рикоподшипниковых сталей, в дальнейшем не обеспечивала по­ лучение металла высокого качества. Поэтому технологию систе­ матически совершенствовали на основании накапливаемого опы­ та и результатов исследовательских работ.

Выплавка ста ли в 193 3—1 9 3 8 г г. На Златоустов­

ском металлургическом заводе в 1933 г. была проведена боль­ шая работа по улучшению качества шарикоподшипниковой ста­

ли. С этой целью были исследованы четыре варианта плавки,

причем за основу была положена действовавшая в то время тех­

нология, описанная выше.

В каждом варианте меняли лишь один из технологических факторов. В первой серии окислительный период был сокращен до 1 час. 15 мин., а восстановительный до 1 час. 35 мин. В остальных трех вариантах меняли способ раскисления стали.

По одному из них для окончательного раскисления ванны алю­ миний не использовали, а по другому — раскисление алюминием перенесли в изложницы, присаживая его по 40 г/т при разлив­

ке. В последней серии плавок рафинировку вели не под белым, а под карбидным шлаком, причем алюминий после скачивания окислительного шлака не присаживали.

Качество металла определяли по содержанию неметалличе­ ских включений в четырех образцах от плавок по шкале типа

SKF. Результаты исследования приведены в табл. 52. Сокращение периода рафинировки, а также отсутствие окон­

чательного раскисления металла алюминием привели к укрупне­ нию оксидных включений и увеличению балла по сульфидным

включениям. Надо полагать, что средний балл по сульфидам определялся не только сульфидными включениями, но и сили­ катными, которые не восстанавливались в отсутствии алюминия. Очень важным оказался вывод о характере шлака в восстанови­ тельном периоде: более чистый металл был получен при выплав­ ке под карбидным шлаком. В дальнейшем, вплоть до последнего времени, на отечественных заводах шарикоподшипниковые мар­ ки стали выплавляли только под карбидным шлаком с перево­ дом его в белый перед выпуском.

В процессе исследования были выявлены оптимальные зна­

чения основных параметров плавки, на основании чего была со­

ставлена технологическая инструкция.

Основные положения этой технологии заключались в сле­ дующем:

а) выплавка шарикоподшипниковой стали только методом

окисления; загрузка в лечь такого количества карбюризатора,