Реферат: Производство стали
Производство стали
Стальявляется материальной основой промышленного производства и строительства,важнейшим продуктом черной металлургии. В сравнении с чугуном она имеет болевысокие механические свойства, ее можно обрабатывать давлением; многие сортастали, в расплавленном состоянии обладают достаточной жидкотекучестью дляполучения фасонных отливок.
Основнаямасса стали (до 90-92 %) подвергаются обработке давлением (прокатке,прессованию, ковке, штамповке). Стальные изделия получают также из порошков.
Шихтовымиматериалами для плавки стали являются жидкий или твёрдый чугун, стальной ичугунный лом, стружка, обрезки (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы(перечисленные материалы называют металлошихтой); известняк, известь, боксит,плавиковый шпат, марганцевая руда, кварцевый песок (флюсы); железная руда,окалина, агломерат, кислород, воздух (окислители). Отнесение перечисленныхматериалов к группам металлошихты, флюсов и окислителей сделано в соответствиис основным их назначением; многие из материалов одной группы содержат элементыдругой (например, в окалине, боксите есть железо, в скрапе – кислород и т. п.)
Задачапередела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избытокуглерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалитьвредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна,соединяясь с кислородом, превращается в газ (оксид углерода CO), который улетучивается. Другиепримеси переходят в различные соединения, нерастворимые или малорастворимые вметалле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак.
Приокислении марганец и кремний образуют оксиды MnO и SiO2,нерастворимые в металле. Образующийся оксид фосфора P2O5 в соединение (CaO)4 · P2O5, нерастворимое в металле. Непосредственным окислителемпримесей в процессе производства стали является оксид железа FeO, растворенный в металле.
Серарастворена в чугуне в составе соединения FeS, ее удаляют с помощью марганца или извести, которыеобразуют с ней или плохо растворимые в металле соединения MnS или нерастворимое соединение CaS, переходящие в шлак. Конечнойоперацией процесса выплавки стали является ее раскисление (восстановлениежелеза из FeO). Для легированной стали,раскисление обычно совмещают с легированием.
Вметаллургии в основном применяют следующие способы получения стали:кислородно-конвертерный, в мартеновских и двухванных печах иэлектротермический.
Производствостали в кислородных конвертерах
Впроизводстве стали широко используют кислородно-конвертерные процессы припродувке кислородом сверху и в последние годы – при продувке через днище. Ихпреимуществами является высокая производительность, которая обеспечиваетсяинтенсивностью процессов окисления элементов, а также меньше по сравнению смартеновскими цехами затраты на строительство. В кислородных конвертерах могутвыплавлять как углеродистые, так и легированные стали.
Основнымшихтовым материалом кислородно-конвертерного процесса является жидкийпередельный чугун, источником тепла при выплавки стали являются химическиеэкзотермические реакции окисления элементов при продувке жидкого чугунакислородом.
Кислородныеконвертеры делятся на стационарные и вращающиеся. В СССР применяют стационарныеконверторы с глухим дном и конвертеры с донной продувкой вместимостью от 100 до400 т.
Стационарныйконвертер имеет два бандажа, каждый из которых опирается на два ролика.Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожухаконвертеры выкладываются смолодоломитовым кирпичом. Летка предназначена дляслива готовой стали и способствует лучшему отделении стали от шлака иуменьшению восстановления фосфора из шлака при сливе.
Вконвертер сначала загружают скрап, далее заливают чугун, затем засыпаютизвесть, а также боксит, железную руду и окалину (если нужно), после чегопроизводят продувку, взятие проб, их анализ, а затем слив металла и шлака.
Кислородпод давлением 900 – 1000 кПа подается через водоохлаждаемую фурму, часть егопроникает в металл, а оставшийся кислород растекается по поверхности ванны.Залитый в конвертер чугун содержит около 93 % железа, поэтому проникающий вчугун кислород преимущественно окисляет железо:
Fe + 1/202 → FeO + ∆H.
Сначалом продувки в конвертере сразу образуются две несмешивающиеся между собойжидкости – металл (плотность 7,8 г/см3) и шлак (плотность около 2,5г/см3), находящиеся в непосредственном контакте и взаимодействии.
Частьоксида железа остается в металле, часть его переходит в шлак, при этом как вметалле, так и в шлаке оксид железа реагирует с другими элементами и соединениями,однако в шлаке и металле распределение оксида железа постоянно при даннойтемпературе; это называется константой распределения LFeO:
LFeO= FeO в<sup/>мет.= const.
Следовательно,при уменьшении массового содержания FeO в шлаке соответственно уменьшается его массовое содержание и в металле.
Оксиджелеза, находящийся в металле, вступает во взаимодействие с примесями в чугуне,к которым кислород имеет большое сродство, чем к железу:
2FeO + Si → 2Fe +SiO2 + ∆H
FeO + Mn → Fe + MnO + ∆H
Фосфорвыгорает по реакции:
5FeO + 2P → P2O5 + 5Fe + ∆H
Оксидфосфора растворяется в металле и в шлаке со своей константой распределенияLP<sub/>O наподобие оксида железа:
LP O =P O в<sup/>мет.= const
Углерод выгорает по реакции:
FeO + C → Fe + CO — ∆H
Оксидуглерода СО пузырьками выходит из жидкой ванны, частично сгорает, реагируя скислородом, растекающимся по поверхности ванны:
CO + 1/2O2 → CO2 + ∆H
Разогревванны способствует растворению извести, боксита и оксидов железа, в результатеобразуется активный основной шлак с избытком свободного оксида кальция, которыйсвязывает фосфор в нерастворимое в металле соединение:
P2O5 + 4 CaO → (CaO)4P2O5 + ∆H
Припереработке высокофосфористого чугуна, для того чтобы предотвратить обратныйпереход фосфора из шлака в металл, шлак, обогащенный фосфором, сливают и вновьзагружают известь. Фосфористый шлак используют в сельском хозяйстве в качествеудобрения.
Горячийвысокоизвестковистый шлак в конвертере дает возможность шлаковать фосфорраньше, чем выгорает углерод. Известь обеспечивает также шлакование серы пореакции:
FeS + CaO → FeO + CaS + ∆H
Этареакция идет на границе раздела шлак – металл. Перегретый активный основнойшлак обеспечивает удаление значительной части серы из металла, в результатечего ее массовое содержание может быть доведено до 0,015%
Увеличениепроизводительности кислородных конвертеров достигается не только путемувеличения вместимости, но также за счет интенсивности продувки при внедренииавтоматического управления и контроля плавки и использованием ЭВМ.
Вконвертерах с донным дутьем выход стали больше за счет увеличения присадкискрапа по сравнению с конвертерами с верхним дутьем.
Запоследнее время на металлургических заводах построено несколько крупныхкислородно-конвертерных цехов. Строительство таких цехов будет продолжаться, а удельныйвес производства стали, в мартеновских печах значительно сократится.
Легированныестали и сплавы
Прочность,вязкость, жаро- и хладостойкость, а также коррозионная стойкость углеродистыхсталей являются недостаточными для многих высоконагруженных деталей машин истроительных конструкций; инструменты из углеродистой инструментальной сталитверды, но не выдерживают повышенной скорости резания, так как размягчаются принагреве уже до температуры 2500C, кроме того, они хрупкие. Прокаливаемостьуглеродистой стали также невелика в связи с большой критической скоростьюзакалки, в результате этого на мартенсит закаливается только поверхностный слойзаготовки, а внутренние слои закаливаются лишь на троостит или сорбит, а узаготовок больших размеров остаются вовсе не закалёнными. Таким образом,углеродистая сталь часто не отвечает повышенным требованиям машиностроения иинструментального производства.
Вводимыев сталь легирующие элементы улучшают ее механические, физические и химическиесвойства. Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний,вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы.Марганец считается легирующим компонентом при массовом содержании более 1 %, акремний – более 0,8 %. Большинство легированных сталей приобретают высокиефизико-механические свойства лишь после термической обработки.
Легированнуюсталь классифицируют по следующим признакам:
числувведённых легирующих элементов;
суммарномумассовому содержанию легирующих элементов;
характерувзаимодействие легирующих элементов с железом и с углеродом;
структурев отожженном и нормализированным состояниях;
качеству;
назначениюи применению.
Числовведённых легирующих элементов. Если введён один легирующий элемент, то сталь называют поэтому элементу, такую сталь называют также тройной, так как она содержитжелезо, углерод и легирующий элемент (постоянные примеси не считаются). Изтройных легированных сталей применение находят хромовая, марганцевая икремнистая стали.
Еслисталь легирована двумя, тремя и более элементами, то она являетсясложнолегированной (комплексно-легированной) и её называют по введённымлегирующим элементам (например, хромомарганцевой, хромомолибденовой,хромоникелевой, сернистомарганцевой, хромокремнистованадиевой). Хром, кремний имарганец присутствуют в большинстве легированных сталей, остальные легирующие элементывводят (за исключением сплавов с особыми свойствами) чаще всего в сочетании сними. При комплексном легировании получение нужных свойств достигается полнее ипри меньшем общем массовом содержании легирующих элементов.
Суммарноемассовое содержание легирующих элементов. По этому признаку сталь делится на низколегированную(суммарное содержание их менее 2,5 %, среднелегированную (от 2,5 до 10 %) ивысоколегированную (более 10 %).
Взаимодействиелегирующих элементов с железом и углеродом. С железом легирующие элементы образуюту-, так и a- твёрдые растворы, т. е. они могутвходить в состав аустенита и феррита, упрочняя их. При этом легирующие элементыоказывают различное влияние на устойчивость аустенита: одни (например, никель)расширяют этот интервал и при достаточном массовом содержании определяютаустенит устойчивом даже при комнатной температуре (такие стали называют аустенитными).Другие (например, хром) уменьшают устойчивость аустенита и могут совсемустранить аустенитное превращение; при достаточном содержании таких элементов(например, более 13 % Cr)аустенита не существует и сталь вплоть до плавления остаётся ферритной.Аустенитные и ферритные стали заколки не принимают, так как они не имеютфазовых превращений в твёрдом состоянии.
Поотношению к углероду легирующие элементы разделяют на две группы: 1) элементы,образующие с углеродом устойчивые химические соединения, — карбиды (хром,марганец, молибден, вольфрам, ванадий, цирконий, титан); карбиды могут бытьпростыми, например, Cr4C, MoC, и сложными легированными — [(Fe, Cr)7] C3; (Fe, W)4C и др. Они твёрже карбида железа и менее хрупкие; 2) элементы, не образующие встали карбидов и входящие в твёрдый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт,алюминий, медь); они оказывают графитизирующее действие.
Структурав отожженном состоянии. По этому признаку различают доэвтектоидную, эвтектоидную, заэвтектоиднуюи ледебуритную легированные стали.
Нарис. 1 приведена структурная диаграмма для отожженных хромовых сталей,показывающая изменения положения точек легированного перлита (линия 1) ипредельного массового содержания углерода в легированном аустените (линия 11)на диаграммах состояние систем сплавов в зависимости от количества хрома. Издиаграммы видно, что по мере увеличения массового содержания хрома точки,аналогичные тачкам S и E на диаграмме состояния системысплавов Fe-Fe3C,будут смещаться влево на соответствующих диаграммах состояния систем сплавов схромом, т. е. массовое содержание углерода в легированном перлите и легированномаустените уменьшаются по мере увеличения количества хрома в сплавах. Этоотносится также и к сталям, легированным другими карбидообразующими элементами.
Доэвтектоиднаясталь состоит излегированного перлита и избыточного легированного феррита, заэвтектоидная – излегированного перлита и легированных карбидов, а ледебуритная – излегированных ледебурита, перлита и карбидов. На диаграмме указана также областьферритных сталей, получающихся при большом массовом содержании инебольшом углерода.
Структурав нормализованном состоянии. На рис. 2 приведена диаграмма для никелевых сталей,показывающая зависимость полученной при охлаждении на воздухе структуры сталиот массового содержания углерода и никеля в ней.
Издиаграммы видно, что при небольшом массовом содержании никеля и углеродаполучается структура, состоящая из смеси феррита и цементита, которая, однако,характеризуется повышением дисперсности по мере увеличения в стали никеля иуглерода, т. е. структура может быть перлитной, сорбитной или трооститной. Надиаграмме соответствующая область характеризует перлитный класс сталей.Большее массовое содержание никеля и углерода в сталях приводит к образованиюпри их охлаждении на воздухе структуры мартенсита или аустенита; такие сталиотносят, соответственно, к мартенситному или аустенитному классу.
Образованиеструктуры аустенита объясняется тем, что при повышенном массовом содержании встали элементов, растворяющихся в аустените (в частности никеля), мартенситноепревращение в сравнении происходит при более низких температурах, при большомсодержании этих элементов такое превращение осуществляется при температурах ниже0 0С. Соответственно при охлаждении на воздухе до комнатнойтемпературы в стали сохранится структура аустенита без мартенсита.
Применьшем массовом содержании никеля и углерода мартенситная точка насоответствующей диаграмме будет лежать выше, так как мартеновское превращение втаких случаях происходит при более высокой температуре и охлажденная на воздухесталь имеет структуру мартенсита.
Принебольшом содержании никеля и углерода скорость охлаждения на воздухеоказывается меньше критической скорости закалки и сталь, охлаждённая на воздухедо комнатной температуры, имеет структуру троостита, сорбита или перлита.Заштрихованные участки на диаграмме соответствуют составом сталей, занимающимположение промежуточных классов: перлитно-мартенситного и мартенситно-аустенитного.
Аналогичныедиаграммы могут быть построены также для сталей, легированных другимиэлементами, при этом кроме тех названных классов могут образоваться еще двакласса: карбидный и ферритный.
Такимобразом, легированная сталь в зависимости от структуры и состояния, полученныхпри охлаждении на воздухе, делятся на пять классов (не включая промежуточных): перлитный,мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный.
Классификацияпо качеству. Легированнаясталь подразделяется на качественную (массовое содержание серы и фосфора неболее 0,035 % каждого), высококачественную (не более 0,025 % каждого) иособовысококачественную (не более 0,015 % S и 0,025 % P),получаемую при рафинирующих переплавах.
Классификацияпо назначению и применению.Стальподразделяют на конструкционные (общего и специального назначения и с особымисвойствами) и инструментальные.
Вконструкционных сталях общего назначении выделяют строительные имашиностроительные низколегированные стали, а также улучшаемые, цементируемые сталии стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали).
Кконструкционным сталям специального назначения и сталям с особыми свойствамиотносятся шарикоподшипниковые, рессорно-пружинные, высокопрочные,коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные, сварочные и наплавочные стали,стали с особыми магнитными, электрическими и тепловыми свойствами, котельные,корпусные стали для судостроения и прочие.
Инструментальныестали применяют для изготовления режущих, измерительных и ударно-штамповочных инструментов.
Маркировкалегированной стали. Всоответствии с ГОСТом для обозначения легирующих элементов приняты следующиебуквы; Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М –молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, П –фосфор, Р – бор, Б – ниобий, А – азот (ставить в конце маркировки запрещается),Е – селен, Ц – цирконий. Для обозначения легированной стали той или иной маркиприменяют определённое сочетание цифр и букв.
Длястали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первыедве цифры указывают среднее массовое содержание углерода в сотых доляхпроцента, если сталь содержит менее 0,1 % углерода, то первая цифра ноль,например 08, 05. Буквы в маркировке указывают наличие соответствующих легирующихэлементов, а цифры, следующие за буквами, — процентное массовое содержание этихэлементов в стали. Если за какой–либо буквой отсутствует цифра, то это значит,что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %, кроме элементов,присутствующих в малых количествах (для комплексно-легированных сталей).Например, марка 35X обозначает хромовую сталь с массовым содержанием С около0,35 % и Сr до 1,5 %; 45Г2 – марганцевую сталь с массовым содержанием С около0,45 % и Мn около 2 %; марка 38ХН3МФА – сталь, содержащую 0,33-0,4 % С, 1,2-1,6% Сr, 3,0-3,5 % Ni, 0,35-0,45 % Мо, 0,1-0,18 % V, а также 0,25-0,5 % Мn, неуказанного по маркировке, букву А в конце маркировки используют для обозначениявысококачественной стали. Для обозначения особовысококачественной стали в концемаркировки ставят букву Ш (через дефис), например, 30ХГС-Ш.
Для инструментальнойлегированной стали порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, чтои для конструкционных сталей, но содержание углерода указывается первой цифройв десятых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около 1 %углерода.
Некоторыестали специального назначения имеют особую маркировку из букв, которые ставятсявпереди цифр: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – быстрорежущая, Е –магнитотвердая, Э – электротехническая, Св – сварочная, Нп – наплавочная и т.д.
Влияниелегирующих элементов на свойства стали. Легирование стали, никелем повышает её прокаливаемость;этому же способствуют присадки марганца, молибдена, хрома, бора. Никельувеличивает также, вязкость и пластичность стали, понижает температуру порогахладноломкости. Однако никель дорог, поэтому его вводят в сочетании с марганцемили хромом. Понижение порога хладноломкости достигается также присадкой хрома,молибдена, вольфрама, ванадия, титана, ниобия и циркония, которые образуютдисперсные труднорастворимые в аустените карбиды и препятствуют росту зернааустенита. Рост зерна аустенита задерживается также присадкой алюминия,присутствующего в виде дисперсных оксидов. Молибден и вольфрам повышают, такжестойкость стали к отпуску. Кобальт (как и никель) полностью взаимно растворим сжелезом, и способствует понижению количества остаточного аустенита в закаленнойстали.
Особенноститермической обработки легированной стали. Введение большинства легирующих элементов определяетповышение точек А1 и А3 в сравнении с их положением дляуглеродистой стали, поэтому температура нагрева легированной стали для закалкивыше. Легированные стали имеют меньшую теплопроводность и требуют замедленногонагрева и более продолжительной выдержки для аустенизации в сравнении суглеродистой сталью. Все легирующие элементы (за исключение кобальта) уменьшаюткритическую скорость закалки, т. е. увеличивает инкубационный периодпереохлажденного аустенита («сдвигают» вправо кривые на диаграммахизотермического превращения); это определяет увеличение прокаливаемостизаготовок. Карбидообразующие элементы, кроме того, определяют на диаграммеизотермического превращения две области 1 и 3 (рис. 3) минимальной устойчивостиаустенита и область 2 между ними повышенной его устойчивости. Увеличениюустойчивости переохлажденного аустенита обеспечивает возможность полученияструктуры мартенсита при закалке охлаждением в масле, на воздухе и в горячихсредах.
Многиелегирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтомудля достижения требуемой прочности легированные стали при отпуске нагревают доболее высоких температур, чем углеродистые.
Термомеханическая
Обработка.Некоторые маркилегированной и углеродистой сталей упрочняют термомеханической обработкой(ТМО), при которой в единую операцию совмещают пластическую деформациюаустенита и закалку. После закалки производят низкий отпуск. Сталь после ТМОимеет повышенную прочность и ударную вязкость в 1,5-2 раза выше в сравнении состалью той же марки после закалки и низкого отпуска.
Взависимости от температуры, при которой производят деформацию, различаютвысокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическуюобработку. ВТМО применяют для углеродистой и легированной сталей. При этомсталь нагревают до температуры выше точки А3 (рис. 3, а),выдерживают для аустенизации, деформируют прокатной или ковкой (на схемепоказано ломаной линией) для предупреждения поста зёрен аустенита их охлаждают.При НТМО (рис. 3 б) деформацию производят при температурах нижерекристаллизации (зона рекристаллизации показана штриховкой) в областиповышенной устойчивости аустенита, что возможно лишь для легированных сталей;рекристаллизация при этом не может возникнуть.
Повышениепрочности при ТМО определяется измельчением блоков зёрен аустенита иуплотнением дислокаций; эти особенности наследуются и мартенситом. НТМО даетнаибольшее упрочнение (σв до 2800 МПа), однако при температурахНТМО аустенит менее пластичен, поэтому НТМО применяют для изделий простой формы(ленты, прутка) при небольших сечениях.