Железуглеродистые сплавы

1 — расплавленный металл, 2 — свод. 3 — загрузочные окна, 4 — расплавленный шлак, 5 — под. 6, 6' — каналы для подвода газа и отвода продуктов горения, 7, 7’ — каналы для подвода воздуха и отвода продуктов горения, 8, 8' — газовые регенераторы, 9 — рабочий уровень площадки, 10, 10' — воздушные регенераторы, 11 — перекидные клапаны, 12 — дымовая труба

В плавильное пространство печи через окна 3 сначала загружают холодные твердые материалы (стальной лом и передельный чугун) и разогревают их. Затем заливают жидкий чугун, подают флюсы и железную руду для окисления примесей. По каналам б и 7 в верхнюю часть печи подводятся предварительно подогретые в регенераторах 8, 10 газ и воздух, которые смешиваются и сгорают, выделяя тепло для расплавления шлака 4 и металла /. Продукты горения отсасываются из плавильного пространства с противоположного торца печи, проходят через вторую пару регенераторов 8', 10', нагревая их, проходят через фильтры и выбрасываются в дымовую трубу 12.

При повороте перекидных клапанов 11 направление продуктов горения изменяется на обратное и они нагревают регенераторы 8, 10. В это же время регенераторы 8', 10' отдают накопленное тепло воздуху и газу, поступающим в печь. В процессе плавки клапаны несколько раз переключаются. В результате продукты горения нагревают то одну, то другую пару регенераторов, а топливо (газ и воздух), также меняя направление, подаются в печь только через раскаленную пару регенераторов.

На последнем этапе плавки происходит раскисление металла. Готовую сталь выпускают, окончательно раскисляя при выпуске алюминием. Процесс плавки длится 5...7 ч; вместимость печей достигает 900 т стали.

В мартеновских печах плавят качественные углеродистые и легированные стали, из которых изготовляют прокат различных профилей, трубы, балки и другие изделия.

Выплавка стали в электрических печах. Электрические сталеплавильные печи подразделяются на дуговые и индукционные. Дуговая электросталеплавильная печь (рис.8) имеет цилиндрическую форму и состоит из стального кожуха 8, выложенного изнутри огнеупорным кирпичом 1. Сверху печь  накрывается крышкой, называемой сводом 3. Через специальные отверстия в своде в печь опускают три графитовых электрода 4 (по числу фаз трехфазного электротока) и включают ток.

Между электродами и металлом 7 в печи возникает электрическая дуга, которая создает высокую температуру, и шихта плавится. Далее процесс ведется подобно плавке в мартеновских печах.

Рис. 8.  Схема   трехфазной дуговой электросталеплавильной   печи:

1 — футеровка, 2 — желоб для выпуска металла, 3 — свод, 4 — электроды, 5 — вторичные обмотки       печного трансформатора, 6 — дверца рабочего окна,7 — расплавленный металл, 8 — кожух, 9 — механизм для наклона печи

 

Качество стали, выплавленной в дуговых электрических печах, выше, чем качество конвертерной и мартеновской сталей, что достигается следующим: меньшей насыщенностью газами, так как в электрической печи значительно слабее газовая окислительная атмосфера и меньше продуктов горения; созданием благоприятных условий для применения более химически активных шлаков, с которыми лучше удаляются вредные примеси.

В дуговых электрических печах выплавляют высококачественные легированные стали, содержащие тугоплавкие элементы,—вольфрам, молибден, ванадий. В настоящее время большинство сортов специальных высококачественных сталей выплавляется в электрических печах, вместимость которых колеблется от 1 до 200 т.

 

Рис. 9.  Схема индукционной печи:

1 — крышка,   2 — индуктор,  3 — огнеупорный тигель,

4 — подъемный механизм, 5 — ковш

 

Индукционная печь (рис. 9) представляет собой многовитковый спиральный индуктор 2, изготовленный из медной водоохлаждаемой трубки. Внутри индуктора помещается огнеупорная набивная футеровка в виде тигля 3, куда закладывается строго дозированный по расчету металл. На индуктор подается переменный ток, который создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток пронизывает металл и возбуждает в нем мощные вихревые индукционные токи, которые нагревают металл до высоких температур. Шлак, не обладающий магнитной проницаемостью (т. е. ток в нем не индуцируется), нагревается от металла; в результате температура шлака ниже температуры металла, вследствие чего шлак малоактивен и окислительно-восстановительные реакции протекают медленно. Шлак служит защитным слоем от окисления и поглощения газов из воздуха. Поэтому плавку в индукционной печи ведут преимущественно методом переплава высоколегированных сталей и сплавов. При переплаве легирующие элементы слабо окисляются и химический состав металла почти не изменяется. Качество стали получается очень высокое. Расход электроэнергии 700...900 кВт-ч/т стали. Применяют печи вместимостью до 10 т.

Разливка стали. Когда плавка в конвертерах, мартеновских печах и электропечах закончится, сталь выпускают в специальный ковш, из которого ее разливают одним из приведенных ниже способов.

Разливку сверху (рис. 10, а) производят в изложницы 2 — высокие металлические формы. После того как металл застынет, получаются слитки, с которых снимают изложницы. Этим способом изготовляют крупные слитки.

Рис. 10. Схема разливки стали:

а — сверху, б — снизу (сифонный способ), в — непрерывная разливка;

1 — ковш, 2 — изложница, 3 — литник, 4 — металлическая плита, 5 — воронка, 6 — кристаллизатор, 7 — жидкая сталь, 8 — кристаллизующийся слиток, 9 — дождевальное устройство, 10 — валки, 11 — затвердевший непрерывный слиток, 12 — газорезка, 13 — тележки, 14— отрезанный мерный слиток

 

При разливке снизу (рис. 10, б)—сифонный способ — изложницы 2 устанавливают на металлические плиты 4. Изложницы соединяются между собой и с центральным литником 3, в который заливают из ковша 1 сталь. Изложницы заполняются по методу сообщающихся сосудов. Через один литник отливают до 30 некрупных слитков.

Непрерывная разливка стали (рис. 10, в) — наиболее прогрессивный способ, разработанный советскими металлургами. Установка для непрерывной разливки стали была пущена впервые в нашей стране в 1956 г. Жидкая сталь из ковша 1 через промежуточную воронку 5 поступает в медную водоохлаждаемую форму — кристаллизатор 6. Дно кристаллизатора перед заливкой закрыто крышкой — затравкой с ласточкиным хвостом. Жидкая сталь 7, попав в кристаллизатор, быстро затвердевает, приваривается к затравке и вместе с ней вытягивается из кристаллизатора валками 10 со скоростью 1...5 м/мин. При выходе из кристаллизатора слиток 8, поверхность которого затвердела, подвергается дополнительному охлаждению дождевальным устройством 9. Окончательно затвердевший непрерывный слиток 11 валками 10 подается к газорезке 12, разрезается на отрезки 14 заданной длины, которые тележками 13 транспортируются в цехи для прокатки на сортовых станах. По сравнению с разливкой в изложницы непрерывная разливка стали обеспечивает уменьшение потерь металла, не требует прокатки слитков на блюмингах и слябингах и изготовления изложниц.

 

Углеродистые стали

Углеродистые стали — сплавы, содержащие железо, углерод и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора и серы. По содержанию углерода такие стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,2 % углерода), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,65 углерода), высокоуглеродистые (от 0,65 до 2 % углерода). По назначению углеродистые стали бывают конструкционные и инструментальные.

Углеродистые конструкционные стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываются давлением хорошо свариваются и термо-обрабатываются.

 

 

Такие стали бывают обыкновенного качества и качественные.

Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) выплавляется в мартеновских печах и кислородных конвертерах. По назначению такая сталь подразделяется на группы А, Б и В.

Сталь группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами без уточнения химического состава, поэтому ее не подвергают термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: СтО, Ст1 и т. д. до Стб. Буквы «Ст» означают сталь, цифра — номер стали. Чем больше цифра, тем больше содержится углерода в стали. Для обозначения раскисления к обозначению марки стали после номера добавляют индексы: кп — кипящая, пс—полуспокойная, сп — спокойная. Например, Ст3кп, Ст4сп.

Сталь группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, поэтому ее можно подвергать термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: БСтО, БСт1, БСт1кп и т.д. до БСтб, БСтбсп. В марке сталей указывается группа Б.

Сталь группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Подвергается термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок (группа стали указывается в марке)з ВСт2сп, ВСт3пс и т. д.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы, некоторые поковки, болты, заклепки, арматуру, которые широко используют для сварных строительных конструкций и неответственных деталей машин.

Углеродистая качественная конструкционная сталь (ГОСТ 1050—74) выплавляется в мартеновских и электрических печах и кислородных конвертерах. Поставляется сталь с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Подвергается термической обработке.

По сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества качественные стали содержат меньше вредных примесей серы и фосфора.

В зависимости от содержания марганца стали выпускают с нормальным (0,25...0,7 %) и повышенным (0,7...1 %) содержанием марганца.

Качественные конструкционные стали маркируются: 0,5кп; 0,8кп; 0,8пс; 0,8; 10кп; 10пс; 10; 15кп; 15; 20кп; 20; 25; 30; 35 и т. д. до 85, 15Г, 20Г, 25Г, 30Г и т. д. до 70Г. В марках двузначные числа показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г обозначает повышенное содержание марганца.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали широко применяют для штампованных изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Для глубокой вытяжки применяют кипящие стали 0,8кп, Юкп, 15кп. Малоуглеродистые стали применяют для изделий, подвергающихся цементации. Эти стали хорошо свариваются, обрабатываются резанием на металлорежущих станках.

Из качественных конструкционных сталей изготовляют зубчатые колеса, шатуны, валы, оси, кулачки, муфты, толкатели клапанов, пальцы рессор, вилки и валики переключения передач и т. д.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435 — 74) выплавляются в мартеновских и электрических печах; они содержат от 0,7 до 1,35 % углерода. Такие стали подразделяются на качественные и высококачественные.

Инструментальные качественные стали изготовляют марок: У7, У8, У9, ..., У13. Число в обозначении марки указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента.

К марке инструментальных высококачественных сталей добавляют букву А: У7А, У8А, ..., У13А. Такие стали содержат меньше серы и фосфора, чем качественные.

Из углеродистых инструментальных сталей изготовляют разнообразные слесарные инструменты, подвергаемые термической обработке. Из сталей марок У7А, У8, У8А делают зубила, молотки, штампы, измерительный инструмент; из стали марок У8, У8А — ножи и ножницы по металлу, кернеры, ролики труборезов.

Из сталей марок У10А, У11, У11А, У12, У12А изготовляют инструменты, обладающие высокой твердостью: напильники, шаберы, ножовочные полотна для механических ножовок.

 

Легированные стали

Легированные стали в отличие от углеродистых кроме углерода, железа и обычных примесей содержат определенное количество добавок, придающих сталям особые свойства и называемых легирующими элементами. К легирующим элементам относятся хром — X, вольфрам — В, молибден — М, медь — Д, кремний — С, алюминий— Ю, бор — Р, цирконий — Ц, никель — Н, ванадий— Ф, марганец—Г, кобальт — К, титан — Т, фосфор— П, ниобий — Б. Каждый легирующий элемент имеет свое назначение.

По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами.

Влияние легирующих добавок на свойства сталей. Свойства легированных сталей зависят от содержания в них легирующих элементов.

Никель и хром улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость сталей.

Вольфрам повышает твердость, прочность, улучшает режущие свойства стали при высоких температурах (красностойкость).

Марганец повышает твердость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам сталей.

Кремний повышает упругие свойства стали, увеличивает кислотостойкость сталей.

Титан увеличивает жаропрочность и кислотостойкость сталей.

Молибден улучшает механические свойства при нормальной и повышенной температурах, несколько повышает свариваемость сталей.

Ванадий улучшает пластические свойства стали, измельчает ее микроструктуру.

Кобальт увеличивает ударную вязкость и жаропрочность сталей.

Конструкционные стали (низколегированные) содержат углерод не более 0,6%. Основные легирующие элементы таких сталей — хром, никель, кремний, марганец. Другие легирующие элементы вводят в сталь в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшить ее свойства. Общее количество легирующих элементов у большинства сталей не превышает 5%.

Конструкционные низколегированные стали (ГОСТ 19281—73, ГОСТ 19282—73) обладают наилучшими механическими свойствами после термической обработки.

При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, следующая за ними буква — условное обозначение легирующего элемента, входящего в сталь. Если количество легирующего элемента составляет 2 % и более, то после буквы ставится еще цифра, указывающая это количество. Например, 15Х — сталь содержит 0,15% углерода и до 1 % хрома, 20Х2Н4А — сталь содержит 0,20 % углерода, около 2 % хрома, 4 % никеля, высококачественная (А), т.е. содержит меньше вредных примесей серы и фосфора.

Легированные конструкционные стали 19Г, 14Г, 17ГС, 14ХГС широко применяют при строительстве нефтегазопроводов высокого давления диаметром до 820 мм. Сталь 14ГС используют для крупных листовых сварных конструкций доменных печей, пылеуловителей, воздухонагревателей. Сталь 17ГС предназначается для корпусов аппаратов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов, работающих при температурах до 450 °С.