книги / Строительные материалы

нйй: Процесс раскисления идет с выделением теплоты по следующим схемам:

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от полноты проведения процесса рас­ кисления жидкого металла различают: спокойную сталь, получающуюся при полном раскислении и застывании металла без выделения газа; такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение; кипящую сталь, полу­ чающуюся при неполном раскислении. В этом случае в процессе застывания закись железа продолжает реаги­ ровать с углеродом металла, выделяя оксид углерода в виде пузырьков. Этот процесс продолжается до выделе­ ния большей части газа; часть его еще остается в метал­ ле и при охлаждении образует газовые пузыри.

Вкипящей стали образуются зоны ликвации, они характерны неравномерным распределением вредных примесей, что приводит к снижению качества стали. Достоинства кипящей стали: лучшая свариваемость, улучшение процесса обработки и более низкая стоимость по сравнению со спокойной сталью.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное место между спокойной и кипящей сталями.

Выплавка стали чаще всего производится в марте­ новских печах. На рис. 11.14 показана схема устройства мартеновской печи, которая может работать на газовом

ина жидком топливе, подаваемом в распыленном виде. Большим преимуществом этого вида печей являются ре­ генераторы (из выложенного в клетку огнеупорного кир­ пича), используемые для подогрева холодного воздуха, небходимого для окислительного процесса и горения топлива. Регенераторы включаются попеременно через 15—20 мин; в то время как одна пара насадки нагрева­ ет воздух и газ (до 1100°С), в другой нагревается сама насадка за счет отходящих из печи горячих газов. Смесь газа и воздуха при сгорании выделяет большое количе­ ство теплоты, необходимой для расплавления стали.

Взависимости от характера примесей в сырье внут­ реннюю футеровку мартеновской печи делают кислой (из динаса), когда в шихте мало кислых примесей S а

Подача

Воздуха

Рис. 11.14. Схема мартеновской печи

Р, или основной (из доломита, магнезита) позволяющей вводить в шихту известняк, чем обеспечивается более полное удаление S и Р. Преобладает выплавка стали в печах с основной футеровкой.

При выплавке стали в мартеновской печи различают: чугунно-рудный процесс, при котором используют жид­ кой чугун непосредственно из доменной печи, а железная руда (до 25 %) вводится для окисления примесей (из руды также дополнительно восстанавливается железо) и скрап-процесс, при котором сырьем может быть жидкий или твердый чугун, скрап (металлом) и известняк.

В мартеновской печи шлак, всплывающий на поверх­ ность металла, защищает его от окисления кислородом. Особенность производства стали в мартеновских печах заключается в возможности использования жидкого чу­ гуна, металлического лома и железной руды. В настоя­ щее время вместимость мартеновских печей доходит до 900 т. Показатели работы мартеновских печей: расход топлива на 1 т выплавляемой стали (100—200 кг услов-

Рис. 11.15. Схема положения конвертора

а — при заливке чугуна; б — при его продувке: в—при разливке стали в ковш

ного топлива на 1 т стали) й съем стали в тоннах (9— 22 т с 1 м2 пода печи в сутки) .

Для интенсификации мартеновского процесса в на­ стоящее время используют кислород, что позволяет по­ лучать более высокие температуры, уменьшить количе­ ство продуктов горения, а также ускорять плавление шйхты с общим увеличением производительности печей на 25—30 %. Значительный эффект по выходу стали обеспечивает также автоматизация процессов регулиро­ вания плавки стали.

В основу конверторного способа производства стали

положена продувка воздухом жидкого чугуна с малым содержанием серы и фосфора. Конвертор (рис. 11.15)’ имеет грушевидную форму. Его вместимость до 300 т, внутри он футерован огнеупорным кислым материалом. Жидкий чугун заливается через горловину на 20—25 % его высоты, когда конвертор находится в горизонталь­ ном положении. Сжатый воздух под давлением 0,3—0,35 МПа поступает через специальные отверстия, равномер­ но распределенные по днищу конвертора. Раскислители вводят в ковертор через горловину после окончания про­ дувки.

Особенности конверторного способа: быстрота про­ цесса; применение чугунов с минимальным содержани­ ем фосфора (0,085 %) и серы (0,065 %), так как при

продувке воздухом количество этих примесей не умень­ шается; возможность применения только жидкого рас­ плавленного чугуна. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается в результате химических реакций окисления углерода и находящихся в чугуне примесей.

Кислородно-конверторный способ производства ста­ ли — наиболее перспективный. Он основан на возможно­ сти широкого применения кислорода с продувкой в кон­ верторе сверху через специальные фурмы и повышения доли скрапа, подаваемого в печь, а также снижения со­ держания азота в сталях. Использование кислорода сов­ местно с водяным паром и углекислотой позволяет дове­ сти качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартеновских и электропечах. В тех случаях, когда в чугунах содержится значительное ко­ личество фосфора и в него приходится вводить известь, конвертор должен иметь основную футеровку, которая не могла бы реагировать с известью при высоких тем­ пературах. При этом способе образуется много шлака (до 25 % массы готовой стали).

В настоящее время наиболее совершенными стале­ плавильными агрегатами являются электрические печи, в которых плавление металла осуществляют с Помощью электрической энергии. Особенности производства ста­ ли в электропечах: отсутствие реакции горения топли­ ва, облегчающее получение в печи восстановительной атмосферы, что способствует значительному сокращению угара стали и уменьшению расхода легирующих доба­ вок; в плавильном пространстве можно достигнуть бо­ лее высокой температуры, позволяющей получать спе­ циальные легированные стали; может быть точно отрегу­ лирован химический состав стали; в основных электро­ печах достаточно полно удаляются вредные примеси фосфора и серы.

Существуют два вида электрических печей для плав­ ки стали: дуговые и индукционные. Наиболее широко применяют первые (рис. 11.16). Вместимость дуговых печей 3—270 т. В последнее время получают распрост­ ранение индукционные печи, работающие на принципе трансформатора: в загруженном металле, являющемся вторичной цепью, наводится переменный ток (токи Фу­ ко), в результате металл нагревается и расплавляется. Преимущества индукционных печей: отсутствие элект­ родов, простота управления нагревом и возможность про-

тельность выплавки стали в дуговой печи зависит от её мощности и конструкции, выплавляемой марки стали, характера исходного сырья и составляет 6—8 ч. Приме­ нение электрических печей пока ограничено достаточно высокой стоимостью электроэнергии.

Дуплекс-процесс производства стали дает возмож­ ность выгодно совмещать выплавку стали в двух пла­

найример, из мартеновской печи в электрическую, не нужно тратить электроэнергию на ее разогрев и вместе с тем можно получить высококачественную сталь.

Электрошлаковый переплав — весьма перспективный вид нового производства стали, обеспечивающий сниже­ ние содержания серы в стали на 30—50 %, а. содержа­ ние неметаллических включения в 2—3 раза. Этим спо­ собом получают высококачественные легированные ста­ ли. Для этого слиток обыкновенной стали превращают в электрод. Вследствие сопротивления проходящему че­ рез него току выделяется большое количество теплоты, отчего электрод плавится. Каждая капля расплавленно­ го металла проходит через слой особого жидкого шла­ ка и очищается от вредных примесей и газов.

Другой способ — плазменно-дуговой переплав. Ис­ точником теплоты здесь служит плазменная дуга с тем­ пературой до 10 000°С. При использовании электронно­ лучевого переплава плавление происходит под действи­ ем потока электронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой, с созданием в плавильном простран­ стве глубокого вакуума. Достоинства всех этих спосо­ бов: возможность получения стали и сплавов очень вьь сокой чистоты, а также бездефектной стали, примене­ ние которой резко сокращает расход металла, облегчает массу конструкций, увеличивает их надежность и долго** вечность.

Прогрессивный способ получения стали — ее прямое восстановление из руд, минуя доменный процесс. Таким способом сначала во вращающихся шахтных печах по­ лучают губчатое железо, которое дробят, отделяют от пустой породы и используют при производстве стали.

Из печей сталь выпускается в специальный ковш, вы­ ложенный внутри огнеупорным материалом. В ковше сталь транспортируют к литейным формам или излож­ ницам, в которых получают слитки для прокатки или

изготовления крупных поковок. Разливку производят сверху в каждую изложницу отдельно или в несколько (2—20) изложниц одновременно через сообщающиеся сосуды (так называемый сифонный метод). В настоящее время для улучшения свойств стали начали применять при разливке вакуумирование.

Сифонный метод разливки стали применяется для слитков малого и среднего размеров и небольшой мас­ сы. Разливкой стали сверху получают слитки большого размера и значительной массы. При сифонной разливке стали не образуется брызг, которые могут появляться при разливке стали сверху на внутренней поверхности изложниц. Недостатки сифонной разливки стали: загряз­ нение стали неметаллическими включениями и появле­ ние более глубокой усадочной раковины в верхней части слитка.

Наряду с разливкой в изложницы применяют непре­ рывный способ разливки стали. Он наиболее прогрес­ сивен, так как устраняет усадочные раковины, снижает отходы, кроме того, значительно повышает производи­ тельность труда и позволяет получать плотные мелко­ зернистые отливки. При непрерывной разливке стали струя расплавленного металла поступает в кристалли­ затор, охлаждаемый водой. После затвердевания слиток на специальном поддоне вытягивается вниз, где разре­ зается на требуемые размеры.

§3. УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ

1.Термическая обработка стали

Термической обработкой стали называют процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму для повышения качества стали в связи с изме­

и получаются равновесные структуры стали (феррит+ +перлит, перлит и перлит+цементит). Размер зерна перлита более 10_6 м. При быстром охлаждении обра­ зуются мелкозернистая смесь цементита с ферритом, получившая название сорбит. Размер зерен сорбита 10“7— 10”8 м. При более быстром охлаждении стали

ка кристаллической решетки y-Fe в a-Fe, однако атомы углерода не успевают выделиться из образовавшейся

структурой стали. Под микроскопом мартенсит вы­ является в виде характерных очень тонких игольчатых образований. При нагреве мартенситовая структура пе­ реходит в более устойчивые структуры: троостит,.сорбит и перлит.

Влияние скорости охлаждения на структуру стали иллюстрирует рис. 11.17, на котором показаны кривые изотермического распада переохлажденного аустенита. При изотермическом распаде аустенита, переохлажден­

300—400 °С — игольчатый троостит, или бейнит, в кото­ ром частицы цементита еще мельче. При температуре 230 °С кривые начала и конца превращения аустенита обрываются линией Ма. Часть аустенита, переохлажден­ ного ниже 230 °С, мгновенно превращается в мартенсит, другая часть сохраняет структуру аустенита. Чем ниже

температура переохлаждения, тем больше образуется мартенсита. Ниже температуры линии Мк весь аустенит переходит в мартенсит.

Скорость охлаждения стали, т. е. число градусов па­ дения температуры за 1 с, наглядно изображается кри­ вой охлаждения (см. кривые 1, 2 на рис. 11.17). В зави­ симости от взаимного расположения кривых охлаждения и кривых изотермического распада можно установить, какие структуры получаются после охлаждения стали. При резком охлаждении со скоростью 200—500°С/с кри­ вая 1 не пересекает кривые / и II и в этом случае обра­ зуется мартенситовая структура. При охлаждении со ско­ ростью 1—5°С/с кривая 2 пересекает кривые I и II при температуре около 650 °С и в результате распада аус­ тенита образуется сорбит.

Положение линий 1 и II к положение линий Мп и Мк зависит от содержания углерода. При повышении его содержания линии изотермического распада сдвигаются вправо, и структуры мартенсита, сорбита и перлита мо­ гут быть получены при меньшей скорости охлаждения. Положение точек Ми и Мк в зависимости от содержания углерода показано на рис. 11.18. Для малоуглеродистых сталей значения М„ и Мк находятся в области столь вы­ соких температур, что образовавшийся на короткий срок мартенсит немедленно распадается на более устойчивые структуры. Практически при С<0,2 в сталях нельзя получить мартенситовую структуру.

Основные виды термической обработки — отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Кроме термической, широко применяют также химико-термическую обработ­ ку стали.

Отжиг стали производится в тех случаях, когда не­ обходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, полу­ чить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании. Полный отжиг стали производится путем нагрева ее до температуры выше верхних критических точек на 30—50 °С, выдержки при такой температуре до полного прогрева слитка с последующим очень медлен­ ным охлаждением (вместе с охлаждаемой печью, под слоем песка, золы, шлака и т. п.). При неполном отжиге нагрев стали производится до температуры выше ниж­ них критических точек на 30—50 °С с выдержкой при этих температурах и последующем медленном охлажде­

нии. При неполном отжиге происходит только частичная* перекристаллизация.

В результате предварительного нагрева сталь полу­ чает аустенитовую структуру, а затем при охлаждении образуется структура в соответствии с диаграммой со­ стояния железоуглеродистых сплавов. Для снятия внут­ ренних напряжений, снижения твердости, улучшения об­ рабатываемости металлов применяют низкотемператур­ ный отжиг при нагреве до температуры, лежащей ниже нижних критических точек.

Нормализация применяется в тех случаях, когда не­ обходимо получить мелкозернистую однородную струк­ туру с более высокой твердостью и прочностью, но с не­ сколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации производят нагрев стали до температуры на 30—5Q°C выше верхних критических точек с выдерж­ кой и затем охлаждение на воздухе. В результате нор­ мализации стали с содержанием углерода менее 0,3 % приобретают ферритоперлитовую структуру, стали с со­ держанием углерода 0,3—0,7%, а также низколегиро­ ванные — сорбитовую.

Закалка — прооцесс нагрева металла выше верхних критических точек на 30—50 °С с выдерживанием при этих.температурах до полного прогрева слитка и после­ дующим очень быстрым его охлаждением. При этом из аустенита образуется мартенсит. Мартенситовая струк­ тура — промежуточная и для ее превращения в более устойчивую производят отпуск.

Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец образо­ вания мартенсита происходит в области высоких темпе­ ратур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Чем больше со­ держание углерода в стали, тем больше твердость обра­ зующегося при полной закалке мартенсита и тем выше закаливаемость стали.

Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться в глубину. Она зависит от критической скорости охлаждения при закалке. Прокаливаемость определяют по глубине полумартенситной зоны, струк­ тура которой содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита* При закалке обыкновенной углеродистой стали глу­ бина закалки распространяется на б<—7 мм. Для обеспе­