Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Государственный технологический университет

«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»

Новотроицкий филиал

Кафедра металлургических технологий

А.Н. Шаповалов

Курс лекций

Часть 1 металлургия стали: основные реакции сталеплавильных процессов

Курс лекций

по дисциплине «Металлургия стали»

для студентов специальности 150101 "Металлургия черных металлов"

заочная фора обучения

Новотроицк - 2007

УДК 669.18

Шаповалов А.Н. Металлургия стали: Курс лекций. Ч.1 «Основные реакции сталеплавильных процессов» для студентов специальности 150101. – Новотроицк: НФ МИСиС, 2007. – 28с.

Курс лекций по дисциплине «Металлургия стали» предназначен для студентов специальности 150101 заочной формы обучения. Первая часть курса – «Основные реакции сталеплавильных процессов» посвящена изучению закономерностей главных реакций, определяющих протекание сталеплавильных процессов, а также содержит сведения о свойствах сталеплавильных шлаков и принципах установления оптимального шлакового режима.

Указания соответствуют государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по направлению 150100 – МЕТАЛЛУРГИЯ.

Одобрено на заседании кафедры МТ

«___» ________2007г.

© Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2007

СОДЕРЖАНИЕ

1 Основные понятия и определения 4

2 Классификация сталей 4

3 Сталеплавильные шлаки 6

3.1 Источники образования шлака и его роль в сталеплавильных процессах 6

3.2 Химические свойства шлака 6

3.3 Физические свойства шлаков 8

3.4 Общие принципы установления оптимального шлакового режима плавки 10

4 Основные реакции сталеплавильных процессов 11

4.1 Окисление углерода 11

4.2 Окисление и восстановление кремния 15

4.3 Окисление и восстановление марганца 16

4.5 Удаление серы (десульфурация металла) 22

5. Библиографический список 28

1 Основные понятия и определения

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерод содержится от сотых долей до 2 %. Помимо этого, в стали содержатся также марганец, кремний, сера, фосфор и другие химические элементы. Исходными материалами для производства стали являются чугун и металлический лом.

Металлургией стали называется наука о способах получения стали с заданными свойствами в количествах, имеющих промышленное зна­чение.

В настоящее время мировое производство стали достигает примерно 750 млн. т. основными способами производства являются кислородно-конвертерный (50%), электросталеплавильный (~20%) и мартеновский (<30%); ~ 2% ста­ли производят в электропечах с использованием материалов, полученных на уста­новках прямого восстановления.

2 Классификация сталей

Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнооб­разны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, харак­теру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.

По способу производства сталь может быть тигельной, кислой и основной мартеновской, бессемеровской, томасовской, кон­вертерной, электросталью, электрошлакового переплава и получен­ной другими способами. Иногда требуется еще большее уточнение, например «кислая мартеновская сталь» и т. п.

По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовле­нии различных металлоконструкций (для строительства здании, мостов, различных машин и т. п.).

2. Топочная и котельная сталь - низкоуглеродистая сталь, при­меняемая для изготовления паровых котлов и топок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению.

3. Сталь для железнодорожного транспорта - рельсовая марте­новская и конвертерная сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это - среднеуглеродистая сталь, к кото­рой предъявляются высокие требования при механических испыта­ниях, например, на усталость, и при проверке сплошности струк­туры металла.

4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1 % С и 1,5 % Сг, предъявляют очень высокие требования по содержанию неметаллических включений.

5. Инструментальная сталь применяется для изготовления раз­личных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Инструментальная сталь содержит обычно значительное количество углерода (иногда до 2 %), а также легирующиу эле­менты: хром, вольфрам, молибден и др.

Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорно-пружинные, электро­технические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудий­ные, снарядные, броневые, трубные стали и др.

По качеству стали обычно делят на группы по содержа­нию вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора): сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. В сталях обыкновенного качества содержание серы и фос­фора не должно превышать 0,055-0,060, в качественных сталях - не более 0,040-0,045, в высококачественных - не более 0,020- 0,030 % (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допу­скается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).

По химическому составу различают:

1. Сталь с низким содержанием примесей, или так называе­мое технически чистое железо, так как суммарное содержание других элементов составляет всего лишь около 0,1%;

2. Углеродистая сталь - сталь, не содержащая легирующих компонентов (кроме углерода). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на низкоуглеродистую (0.25 % С); среднеуглеродистую (0,25- 0,60 % С); высокоуглеродистую (0,6-2,0 % С), углеродистые стали, у которых углерод обусловливает ме­ханические свойства металла; эти стали в свою очередь подраз­деляются на группы:

3. Легированная сталь - сталь, содержащая, помимо углерода, другие легирующие компоненты, которые в свою очередь делят на низколегированные стали (углеродистые), к которым до­бавляют незначительный процент одного или нескольких элемен­тов для повышения качества стали, но без резкого изменения ее характеристики (до 10 %); высоколегированные стали, которые в дополнение к углероду также содержат один или несколько элементов в количествах, достаточных для значительного изменения свойств стали по сравнению с углеродистой.

Для легированных сталей применяются следующие буквен­ные обозначения элементов: углерод – У; марганец - Г; кремний - С; ни­кель - Н; вольфрам - В; молибден - М; хром - X; ванадий - Ф; алюминий - Ю; титан - Т; медь - Д;

В обозначении марок стали применяют в определенных сочетаниях цифры и буквы. Принцип маркировки стали: цифры до букв означают содер­жание углерода в сотых долях процента (если менее 0,08 %, то 0), буквы - наименование легирующего элемента, а цифра после букв-содержание леги­рующего элемента в процентах (если оно превышает 1,5 %).

Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш – особо высококачественная сталь ЭШП.

Марки конструкционной стали обыкновенного качества обозначают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначениями качествен­ных конструкционных сталей служат: 10, 20, 45 и т. д. Качественная углеродистая сталь обозна­чается У7, У8, ..., У12, где буква У - углеродистая, а цифра - содер­жание углерода в десятых долях процента.

Стали специального назначения обозначаются следующим образом: А - автоматная сталь, Р - быстрорежущая инструментальная сталь, Ш - подшипниковые стали, Э - электротехнические стали, Е - для посто­янных магнитов, ЭП - экспериментальные стали.

В зависимости от микроструктуры стали бывают перлитные, мартенситные, аустенитные или ферритные.

По степени раскисленности: спокойные, кипя­щие и полуспокойные. Поведение металла в изложницах зависит от степени его раскисленности - чем полнее раскислена сталь (удален кислород), тем спокойнее кристаллизуется слиток (раскислением стали называют процесс удаления из металла растворенного в нем кислорода). Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсюда название стали). Наоборот, спокойная сталь кристаллизуется без видимых эффектов, спокойно.