Технология выплавки качественных углеродистых, низколегированных и легированных сталей

Особенности технологии выплавки качественных легированных сталей

Легированную сталь ответственного назначения раньше выплавляли только в мартеновских печах небольшой вместимости. Увеличение вместимости печи уменьшает удельную поверхность ванны (отношение площади пода к садке, м2/т), что ухудшает условия питания ванны кислородом и рафинированные процессы, протекающие на границе шлак—металл. Скорость обезуглероживания составляет, % С/ч: 0,3 в 100-т печах; 0,16 в 400-т и 0,13 в 600-т печах. Однако в более глубоких ваннах возрастают мощность и время пребывания в ванне единичного пузыря, чем и компенсируется, в той или иной сере, снижение рафинирующего действия СО, вследствие снижения скорости обезуглероживания. Абсолютное количество углерода, окисляющегося в единицу времени с увеличением вместимости печи, возрастает, следовательно, интенсивность кипения ванны крупных печей достаточно высока, поэтому чистота металла от газов и неметаллических включений мало зависит от вместимости печей. При выплавке стали в большегрузной печи ухудшаются условия смены шлака, а следовательно, условия дефосфорации и десульфурации. Однако при повышении чистоты исходных материалов по фосфору и сере и широком использовании кислорода ряд легированных и качественных сталей выплавляется в 400-т и даже в 600-т печах, работающих скрап-рудным процессом.

Выплавка стали, содержащей хром, никель и молибден (20ХНМ). Никель позволяет получать высокую ударную вязкость, а в сочетании с хромом — глубокую прокаливаемость стали. Недостатком хромоникелевых сталей является склонность к отпускной хрупкости. Для устранения этого недостатка в металл вводится 0,2—0,4 % Мо. Эти стали применяют для ответственных изделий, работающих при больших динамических нагрузках: валы, оси, соединительные муфты. В мартеновской плавке хром окисляется в период плавления с образованием тугоплавких оксидов хрома, которые увеличивают вязкость шлака. Поэтому количество легированных отходов с никелем, молибденом, хромом, загружаемых в печь, подбирают так, чтобы содержание хрома в мартеновской шихте не превышало 0,7—0,8 %. Состав стали по никелю и молибдену корректируют в период рудного кипения, так как угар их практически равен нулю. Хром же присаживают в предварительно раскисленную ванну. Выдержка после легирования составляет 15—20 мин присодержании 1,3—1,5 % Сг и 30—50 мин при 1,5—3 % Сг. Такая выдержка вызвана как необходимостью разрушения карбидов хрома, так и выравниванием состава ванны. Уменьшение длительности выдержки повышает вязкость жидкого металла вследствие увеличения в нем количества мелкодисперсных частиц оксидов хрома. Вязкий металл плохо разливается. Слишком большая выдержка снижает производительность печи и может повысить содержание газов (особенно водорода) в стали, так как при отсутствии кипения ванна усиленно поглощает газы из атмосферы печи.

Выплавка стали, содержащей кремний и марганец. В мартеновских печах выплавляют сталь для арматурных профилей марок 25Г2С, 35ГС; трубные стали 17ГС, 17Г2С. В составе этих сталей 0,6—0,9 % Si и 0,8—1,6 % Мп. Сталь, легированная кремнием и марганцем, имеет повышенные по сравнению с углеродистой прочностные и пластические характеристики. Дополнительное легирование такой стали хромом повышает прочность металла и сопротивление износу. Стали 20ХГСА и ЗОХГСА широко используются в машиностроении для изготовления зубчатых колес, ответственных деталей крепления и т. д. При выплавке стали с повышенным содержанием кремния большое внимание уделяется глубокой дефосфорации ванны, так как присадки большого количества ферросилиция для легирования в конце плавки приводят к рефосфорации. Поэтому оптимальным шлаковым режимом надо обеспечить перед легированием содержание фосфора в металле ^0,005— 0,007 % при невысоком содержании его в шлаке. Для этого предварительное раскисление в печи должно быть непродолжительным. Лучше использовать комплексные раскислители: силикомарганец, силикохром. Окончательноераскисление производится в ковше 75 %-ным ферросилицием, ферромарганцем и алюминием (500 г/т).

К конструкционным сталям, легированным только кремнием, относятся рессорно-пружинные (50С2, 60С2), они содержат 1,5—2% Si, для улучшения закаливаемости их иногда дополнительно легируют небольшими количествами марганца или хрома. Обязательно предварительноераскисление в печи. Окончательноераскисление производят в ковше 75 %-ным ферросилицием. Конструкционную сталь, легированную только марганцем (14Г2, 20Г2 с 2,0— 2,5 % Мп), применяют для менее ответственных деталей машин и механизмов. Раскисление хорошо прогретым ферромарганцем производится в печи после предварительногораскисления 12 %-ным ферросилицием. Чаще легирование ферромарганцем производят в ковше. При выплавке марганцовистых сталей очень важно выдерживать оптимальную температуру металла на выпуске. При пониженной температуре ухудшаются условия разливки и увеличивается брак слитков. Повышенная температура разливки способствует уктурной неоднородности металла и понижению его пластических свойств. ОптиПо химическому составу стали разделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме углерода, содержат марганец и кремний. Фосфор и сера являются вредными примесями в сталях и при выплавке стремятся получить их минимальное содержание.

Легированные стали содержат, кроме углерода, марганца, кремния, различные (в зависимости от марки) компоненты: хром, никель, титан, ванадий, бор, вольфрам. Содержание кремния и марганца в легированных сталях превышает концентрации их, необходимые для раскисления металла. В СССР приняты следующие обозначения для элементов в легированных сталях: марганец—Г, кремний — С, хром — X, никель — Н, молибден— М, титан — Т, ванадий — Ф, медь — Д, алюминий — Ю, вольфрам — В, ниобий — Б и т. д. Это дает возможность по марке стали определить ее химический состав. В обозначениях марок стали принято вначале ставить содержание углерода в сотых долях процента, а для инструментальных сталей в десятых долях %; цифра после символа элемента показывает содержание его в процентах. Если в сталях содержится до 1 Ч элемента, то цифру после символа не ставят. Буква «А» в конце марки обозначает сталь повышенного качества (низкое с жание серы и фосфора), а при легировании стали азотом ' «А» ставится в середине. Например, сталь 12ХНЗА сод^ 0,11—0,17% С; 0,60—0,90% Сг; 2,75—3,25% Ni и <0,030 :: S и Р (каждого в отдельности).

- Легированную сталь по содержанию легирующих элементов разделяют на низколегированную (до 2,5%), среднелегированную (до 10,0%) и высоколегированную (>10%). Буква Р в начале марки обозначает быстрорежущие стали; ШХ6. ШХ15 — шарикоподшипниковую; Э — электротехническую; Е — электромагнитную; У7, У8, У13 — углеродистая инструментальная, содержание углерода в ней в среднем 0,7; 0,8; 1,3 %; У7А, У8А, У9А — высококачественные углеродистые инструментальные стали.мальные температуры выпуска 1625—1640 °С.

Легирующие элементы по температуре плавления разделяются на легкоплавкие и тугоплавкие. Такие элементы, у которых температура плавления ниже температуры расплава (обычно 1550—1600 °С), относятся к легкоплавким; если температура плавления элементов Выше температуры расплава, они являются тугоплавкими. К последним относятся Zr, W, Mo, Cr, V, Ti, Nb. На их растворение в металле затрачивается значительно больше времени, чем на растворение легкоплавких элементов. Применяемые при производстве легированных сталей ферросплавы имеют более низкую температуру плавления по  сравнению с температурой плавления тугоплавких элементов, входящих в состав ферросплавов. При введении в железо легирующих элементов снижается температура плавления образующихся сплавов.