Процесс выплавки стали в дуговых печах - Курсовая работа

В электропечи можно получать сталь с низким содержанием серы и фосфора, можно полнее раскислить металл, обеспечив низкое содержание в стали неметаллических включений. Специальные добавки (марганец, хром, кремний, вольфрам и др.) вводят в сталь для легирования и раскисления в виде сплавов с железом, называемых ферросплавами. Температура плавления стали всегда ниже, чем железа, и зависит от содержания примесей. Таким образом, примеси, содержащиеся в металле и образующие оксиды, более прочные, чем FEO, в период окисления защищают железо от окисления, но не предотвращают этого процесса, так как для формирования шлака расходуется некоторое количество оксидов железа. В результате окислительного действия газовой фазы и восстановительного действия примесей металла по ходу плавки наблюдается обычно стабильное для каждого периода содержание оксидов железа в шлаке, которое неравновесно ни с газовой, ни с металлической фазами, но связано с содержанием углерода в металле.Материалы в печь загружают в мульдах; мульды имеют отверстия для лучшего удаления испаряющейся влаги. Дробление и размол в настоящее время сосредоточивают в специальных отделениях подготовки материалов. Здесь дробят доломит для заправки, ферросилиций, старые магнезитовые блоки, отходы кирпича (магнезит, динас, шамот), мелят ферросилиций, кокс и отходы огнеупоров. В бадьи шихту загружают магнитным краном. При погрузке не разрешается грузить закрытые баллоны коробки и т. п.; наличие в последних воды или снега может вызвать взрыв при нагреве в печи.Процесс плавки проходит с жидкоподвижными нагретыми до высокой температуры химически активными шлаками, которые изнашивают откосы печи на уровне шлака. Футеровка подины может быть повреждена при загрузке, когда тяжелые куски шихты врезаются в подину, не защищенную подстилкой из мелкой шихты. До заправки необходимо удалить с подины и откосов шлак, а также металл, если он остался в ямках подины. Шлак удаляют во избежание зарастания подины, приводящего к уменьшению емкости ванны и приближению зеркала ванны своду, а следовательно, к ускорению износа свода. Остатки металла на подине недопустимы, когда приходится менять марку выплавляемой стали; изза остатка металла предыдущей плавки следующая плавка может не соответствовать заданному составу.Металл стараются покрыть шлаком для того, чтобы предохранить его от охлаждения, насыщения газами, науглероживания электродами. Поэтому оптимальным является следующий ступенчатый электрический режим: первые 8-10 мин плавка идет на более низкой (второй или третьей) ступени напряжения, пока дуги не скроются в колодцах, затем на первой, самой высоткой ступени напряжения в течение приблизительно 1,25 ч, снова на второй ступени около 30 мин, и заканчивают расплавление на третьей ступени. Раскисление металла осуществляется двумя методами: присадкой раскислителей непосредственно в металл и присадкой их на шлак с целью раскисления его. При этом методе используется закон распределения кислорода между двумя соприкасающимися несмешивающимися жидкостями - металлом и шлаком, по которому в условиях равновесия отношение концентрации закиси железа в шлаке к концентрации кислорода в металле для данной температуры и основности шлака является величиной постоянной. На удаление серы из металла в электропечи влияют раскисленность металла и шлака, основность шлака, содержание углерода в металле, кратность шлака, температура, перемешивание металла и шлака, выдержка металла под восстановительным шлаком, вторичное напряжение, содержание серы в извести и других шлакообразующих материалах.Для сокращения продолжительности восстановительного периода рекомендуется провести ряд мероприятий: подготовка шлакообразующих и ферросплавов, механизация загрузки в печь, механизация перемешивания металла, обработка металла газами. Образование шлаков ускоряется, если шлакообразующие материалы подавать в печь в дробленом и предварительно перемешанном виде.При продувке металла газом через пористую пробку или пористую подину ковша в металл попадает поток мелко распыленных пузырей нейтрального газа. Процессы дегазации лимитируются диффузией газа из металла в атмосферу. Ускоряя перемешивание металла, внося в металл готовые поверхности раздела, а следовательно, снимая тормозящее влияние процесса образования пузырей в объеме металла, мы значительно ускоряем дегазацию стали. Таким образом, продувка металла в ковше аргоном может обеспечивать получение следующих преимуществ: а) выравнивается химический состав металла и происходит усреднение его температуры; при обычной разливке градиент температуры в ковше может достигать 50-100°; в) температура разливки стали снижается на 30-70° С без ухудшения характеристик разливки;Выбирая состав шихты, каждый легирующий элемент проверяем по соотношению (2) и в случае необходимости корректируем состав шихты: 1. Если содержание элемента в шихте перед началом плавки составляет Сш , а угар данного элемента в ходе плавки - Ку , то содержание элемента в ванне к концу плавки Определим содержание элемен

Наибольшее допустимое содержание легирующего элемента в шихте См должно удовлетворять соотношению:

Применение электрической энергии в качестве источника тепла вместо энергии сжигаемого топлива, обусловливающее возможность получения при этом высокой температуры, определяет теплотехнические, конструктивные и производственно-технические преимущества электропечей.

При использовании электрического тока представляется возможность вести концентрированный нагрев. В этом случае исключаются потери, связанные с передачей тепла от топлива, сгорающего в закрытом пространстве, отпадают затраты энергии на нагрев топлива до температуры сгорания, снижаются потери с отходящими газами.

Нагревание электрическим током позволяет легче осуществлять быстрый подъем температуры, точнее регулировать нагрев. То обстоятельство, что при электронагреве тепло выделяется в самом нагреваемом теле или в непосредственно соприкасающейся с ним среде, позволяет вести процессы нагрева в различной атмосфере, при любом давлении.

Новая техника XX в. - техника высоких давлений и температур, больших скоростей и сильных химических воздействий - потребовала новых материалов для машин, аппаратов и других металлических изделий. Такими материалами и явились высококачественные и специальные стали и сплавы.

Высококачественной называется сталь с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей, обладающая высокими механическими и физическими свойствами.

Особое место среди высококачественных сталей занимают специальные легированные стали, которые содержат легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, марганец, кремний, молибден, ванадий, титан, кобальт, цирконий, бор и др.) и благодаря этому обладают особыми свойствами.

Электрическая печь имеет ряд существенных преимуществ перед другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные стали, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в электрических печах.

В электропечи можно получать сталь с низким содержанием серы и фосфора, можно полнее раскислить металл, обеспечив низкое содержание в стали неметаллических включений. В электропечи значительно меньше потери легирующих элементов, вводимых в виде ферросплавов, значительно выше использование ценных составляющих, вносимых отходами легированных сталей. В электропечи легко осуществить быстрый подъем и точное регулирование температуры металлической ванны в узких пределах. В ней можно проводить все металлургические процессы, создавая окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу, можно выплавлять сталь любого состава.

Развитие производства стали требовало одновременного роста производства ферросплавов. Специальные добавки (марганец, хром, кремний, вольфрам и др.) вводят в сталь для легирования и раскисления в виде сплавов с железом, называемых ферросплавами. Объясняется это тем, что производство чистого марганца, кремния или хрома сопряжено с большими затратами и трудностями; получать же ферромарганец, ферросилиций, феррохром и другие сплавы с железом проще и дешевле.

3. Общие характеристики и расчет

3.1 Свойства и виды термообработки заданной марки металла

Свойства элементов входящие в сталь: 1. Основные свойства железа. Железо является главным элементом, составляющим основу металлической фазы в процессе плавки и готовой стали. Содержание железа в металлической фазе по ходу плавки обычно повышается, но относительно незначительно - менее чем на 10%, тогда как содержание других примесей изменяется в несколько раз. Переход железа из металлической фазы в другие связан с рядом его физических и химических свойств. Физико-химические свойства железа определяют основные параметры процессов плавки стали температурный режим, режим окислительного рафинирования и т. д., поэтому в общей физико-химической характеристике сталеплавильных процессов важное место занимают данные о свойствах железа и его поведении во время плавки.

Основные физические свойства железа. Температура плавления химически чистого железа составляет 1539°С. Техническое железо, полученное окислительным рафинированием и имеющее высокое содержание кислорода, плавится примерно при 1530°С. Температура плавления стали всегда ниже, чем железа, и зависит от содержания примесей. Металлы (Mn, Cr, Ni, Co, Мо, V и др.) незначительно снижают температуру плавления железа: на 1-3°С при введении 1%, а металлоиды (С, О, S, Р и др.) на 30-80 °С. В процессе плавки температура плавления металла изменяется главным образом в результате изменения содержания углерода. В целом температура плавления металла в начале плавки минимальна, обычно незначительно превышает температуры плавления чугуна (1120-1150°С), а в конце плавки максимальна и при низком содержании углерода составляет 1520-1525°С. Перегрев металла выше температуры плавления в начале плавки для нормального проведения процессов рафинирования необходим не менее 30-50 °С, а в конце плавки, чтобы обеспечить нормальное проведение процессов раскисления-легирования и разливки, этот перегрев обычно требуется в пределах 70-150 °С. В связи с этим температура нагрева металла уже в начале плавки должна быть не менее 1350-1400 °С, а в конце до 1600-1650 °С, иногда и выше.

Теплота плавления железа, по данным В. И. Явойского, 15200 Дж/моль, или 271,7 КДЖ/кг. Температура кипения железа составляет 2735 °С, а теплота испарения его ~ 352,5 КДЖ/моль, или 6300 КДЖ/кг.

Вязкость (динамическая) жидкого железа обычно колеблется в пределах 0,01-0,05 Па?с и зависит от температуры и содержания примесей. Чем выше температура, тем меньше вязкость.

Плотность жидкого железа при 1550-1650 °С равна 6,7-6,8 г/см3, при температуре кристаллизации ~ 6,85 г/см3, плотность твердого железа при температуре кристаллизации ~ 7,45 г/см3 (усадка при кристаллизации ~ 8,7%), при комнатной ~ 7,8 г/смэ (общая усадка 14%). Из обычных примесей наибольшее влияние на плотность железа оказывают углерод и кремний, снижая ее, поэтому обычный жидкий чугун имеет плотность 6,2-6,4 г/см3, твердый при комнатной температуре 7,0-7,2 г/см3. Плотность жидкой и твердой стали, занимающей промежуточное положение между железом и чугуном, соответственно 6,5-6,6 и 7,5- 7,6 г/см3.

Теплоемкость и энтальпия. Удельная теплоемкость жидкой металлической фазы практически не зависит от температуры и составляет для чугуна 0,88 КДЖ/(кг?К) и металла конца окислительного рафинирования 0,84 КДЖ/(кг?К). А для твердых материалов она зависит от температуры, но в приближенных расчетах можно принимать средние значения, равные для чугуна 0,745 КДЖ/(кг?К) и стали 0,7 КДЖ/(кг?К).

На 1 т выплавляемой стали обычно выход шлака составляет 100-150 кг, газов 50-100 кг, поэтому расход тепла на нагрев всех трех продуктов плавки (металла, шлака и газов) обычно изменяется в пределах 1700-1900 МДЖ/т. Кроме того, дополнительно расходуется тепло на разложение загружаемых в ванну оксидов железа и карбонатов, а также на компенсацию неизбежных тепловых потерь.

Поверхностное натяжение (на границе металл - газ) жидкой металлической фазы зависит от температуры и химического состава (содержания углерода и других поверхностно-активных примесей) и обычно колеблется в пределах 1000-1800 КДЖ/м2. Поверхностное натяжение железа максимально при ~ 1550°С, в области более низких и высоких температур оно снижается, что отличает железо от большинства металлов, для которых характерно снижение поверхностного натяжения при повышении температуры. С повышением содержания углерода и кислорода поверхностное натяжение снижается, особенно в области концентраций менее 0,3-0,5% [С] и 0,05-0,08% [О]. При более высоких содержаниях их влияние незначительно.

Растворяющая способность жидкого железа. Теоретически (термодинамически) жидкое железо в той или иной степени способно растворять все металлы и металлоиды, но растворимость некоторых элементов в железе настолько незначительна, что ею можно пренебречь. Такой пренебрежимо малой растворимостью в жидком железе обладают металлы, стоящие в начале каждого периода Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, имеющие большие атомные радиусы и рыхлую электронную оболочку: щелочные металлы (Li, Na, К, Rb, Cs) и щелочноземельные металлы (Mg, Ca, Sr, Ba). Кроме того, практически нерастворимыми являются Ag, Cd, Bi. Другие металлы в жидком железе растворяются полностью (неограниченно) или частично (ограниченно). К числу металлов, имеющих неограниченную растворимость, относятся Mn, Ni, Co, Си, Al, Sb, Се (все редкоземельные элементы) и др. Ограниченную растворимость имеют металлы: Сг, V, Mo, W, Ti, Zr, Pb, Sn, Pt и др. Но при высоких температурах все металлы, кроме Pb и Sn, имеют неограниченную растворимость. Металлоиды имеют ограниченную растворимость в жидком железе и, как правило, образуют с железом химические соединения.

Основные химические свойства железа и его поведение в сталеплавильных процессах. Окисление и восстановление железа, как и любого другого элемента, образующего оксид, означает распределение его между металлической и шлаковой фазами. Но распределение железа отличается от распределения примесей, содержащихся в нем: в металлической фазе активность железа близка к единице, а примесей всегда значительно меньше, поэтому описание закономерностей окисления железа несколько проще. Железо образует три оксида: Fe2O3, Fe3O4 и FEO.

Оксид Fe3O4 не является самостоятельным (по валентным связям), а представляет собой соединение оксидов FEO и Fe2O3 и называется ферритом железа. В жидких шлаках, особенно в основных, образование ферритов других элементов более вероятно, чем ферритов железа, поэтому целесообразно рассмотреть существование только двух оксидов: FEO и Fe2O3, в которых железо двух- и трехвалентно.

Наличие шлаковой фазы, способной растворять оксиды железа, создает термодинамически благоприятные условия для окисления железа, так как переход оксидов в раствор повышает их устойчивость. Вследствие этого примеси металла, образующие оксиды, на поведение железа влияют следующим образом: 1) способствуя образованию шлаковой фазы, облегчают протекание процесса окисления железа и перехода его в шлак; 2) имея большее химическое сродство к кислороду, чем железо, препятствуют его окислению (поступающий в ванну кислород расходуется главным образом на окисление примесей). Это влияние примесей сказывается лишь до тех пор, пока не достигнуто равновесие реакций их окисления. Таким образом, примеси, содержащиеся в металле и образующие оксиды, более прочные, чем FEO, в период окисления защищают железо от окисления, но не предотвращают этого процесса, так как для формирования шлака расходуется некоторое количество оксидов железа.

Углерод обладает большей способностью защищать железо от окисления, чем другие примеси. Это объясняется следующим: 1) концентрация углерода в металле по ходу плавки выше равновесной и углерод непрерывно окисляется, забирая поступающий в ванну кислород; 2) в результате окисления углерода образуются газообразные оксиды, причем главный продукт реакции СО является хорошим восстановителем.

В реальной сталеплавильной ванне неизбежно присутствует некоторое количество шлаковой фазы, образующейся или только в результате окисления примесей металла и разрушения футеровки (кислые процессы), или еще дополнительно в результате участия флюсов (основные процессы). В связи с этим протекание процесса частичного окисления железа и переход его оксидов в шлак в период окислительного рафинирования неизбежны даже в условиях защитного действия (непрерывного окисления) углерода. Содержание оксидов железа в шлаке зависит от большого числа факторов, главными из которых являются окислительное действие газовой фазы и восстановительное действие примесей металлической фазы. В результате окислительного действия газовой фазы и восстановительного действия примесей металла по ходу плавки наблюдается обычно стабильное для каждого периода содержание оксидов железа в шлаке, которое неравновесно ни с газовой, ни с металлической фазами, но связано с содержанием углерода в металле.

В период окислительного рафинирования неизбежны окисление железа металлической фазы и переход его в шлак, а также восстановление оксидов железа, введенных в ванну. Эти реакции протекают до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное содержание оксидов железа в шлаке, характерное для конкретных условий ведения плавки.

Температура ванны существенно влияет на содержание оксидов железа в шлаке лишь в области перегревов над температурой плавления металла менее 40-60°С; в области более высокого перегрева это влияние незначительно, если основность шлака оптимальна. В том и другом случае чем выше температура, тем ниже содержание оксидов железа в шлаке, если другие факторы остаются неизменными. В условиях низких температур начала плавки, когда шлак еще гетерогенный и неблагоприятны кинетические условия окисления примесей металла кислородом оксидов шлака, содержание оксидов железа высокое даже при значительных содержаниях. Вследствие восстановительного действия углерода металла железо в шлаке находится главным образом в виде низшего оксида FEO. Соотношение FEO и Fe2O3 в шлаке главным образом зависит от окислительного потенциала газовой фазы и основности шлака. Чем больше окислительный потенциал газовой фазы и основность шлака, тем больше содержание Fe2O3.

2. Углерод. Является важнейшей примесью металла, играющей огромную положительную роль в процессах производства стали. Этот элемент присутствует в сталях большинства марок. Расширяя область температур устойчивого состояния ?-Fe и улучшая свойства железа, углерод позволяет получать сталь с широким диапазоном механических свойств. В сталях очень немногих марок специального назначения (электротехнических, коррозионностойких, жаропрочных и т. п.) углерод является нежелательной примесью. Углерод является главным потребителем кислорода, подводимого в ванну для окисления примесей.

Перемешивание (кипение) ванны обусловлено выделением газообразных продуктов реакции окисления углерода. При окислении углерода образуются СО и СО2, объем которых в тысячи раз превышает объем металла. Выделение такого количества газа обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака, облегчает массо- и теплопередачу, создавая условия для ускорения других физико-химических и физических процессов и форсирования плавки в целом. Пузыри СО, проходя через жидкий металл, также способствуют удалению из него газов и неметаллических включений в процессе плавки (особенно в подовых процессах) и во время вакуумирования.

Углерод имеет ограниченную растворимость в жидком железе, но она в несколько раз выше, чем даже в ?-Fe. Растворимость углерода при 1600°С [С]мах = 5,75%. Такое содержание может наблюдаться только тогда, когда углерод является единственной примесью железа. Присутствие других примесей изменяет растворимость углерода. Карбидообразующие примеси (Mn, Cr и др.) способствуют повышению [С]max, а примеси, образующие соединения с жидким железом (Si, Р и др.), уменьшают [С]max, поэтому в чугунах и ферросплавах содержание углерода различно, если даже в процессе их производства происходит насыщение металла углеродом (жидкий металл находится в постоянном контакте с твердым углеродом - коксом).

На свойства готовой стали большое влияние оказывает растворимость углерода в твердом железе, которая существенно изменяется в зависимости от модификации железа и температуры. Растворимость углерода в ?-Fe при 1130°С составляет ~2 %, в ?-Fe при 723 °С 0,03-0,04 %, при комнатной температуре <0,01 %. Растворимость углерода в твердом железе, как и в жидком, изменяется в присутствии ряда примесей.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0.8 %, оказывает определенное влияние на их свойства. Степень ее влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки. После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали. Кроме снижения ударной вязкости углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости (рис.1), расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние. Каждая 0.1 % С повышает верхнюю границу этого перехода примерно на 20 °С. При содержании 0.4 % С порог хладноломкости равен 0 °С. При большей концентрации углерода температура хрупкости достигает 20 °С; сталь становится менее надежной в работе.

Влияние углерода еще более значительно при неравномерной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0.4 % С. При большей концентрации углерода прочность ?в становится нестабильным изза хрупкого разрушения стали (рис.2). При низком отпуске механические свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.

Углерод изменяет и физические свойства стали (рис.3). При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

3. Кремний. Имеет следующие физико-химические свойства: атомную массу 28,06; плотность 2,4 г/см3; температуру плавления 1414°С; температуру кипения 2287°С; теплоту плавления 39,76 КДЖ/моль. В жидком железе кремний имеет неограниченную растворимость, в твердом - ограниченную (до 14%). С железом кремний образует несколько соединений - Fe3Si2, FESI и FESI5 но в жидком железе устойчивым является только силицид FESI (33,3% Si). Кислородным соединением кремния, устойчивым в сталеплавильных ваннах, является SIO2 (температура плавления 1710°С).

Кремний является одним из наиболее распространенных в природе и занимает второе место после кислорода (в земной коре 26 % Si). Вследствие высокого химического сродства к кислороду и большой доступности кремний при производстве стали прежде всего используется в качестве раскислителя. Кроме того, кремний вводят в металл для его легирования. Для раскисления кремний вводят в спокойную сталь обычно в количестве 0,15-0,35%, в полуспокойную сталь - до 0,10-0,12 %. В кипящей стали кремний является нежелательной примесью, ухудшающей кипение металла в изложнице и строение слитка, поэтому содержание кремния в кипящей стали не должно превышать 0,02-0,03%. Кремний как легирующий элемент в сталях содержится в количестве 0,5-0,6 % и более. Сталь, легированная кремнием, обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, небольшим остаточным магнетизмом, хорошей прокаливаемостью, жароупорностью, способностью в закаленном состоянии сохранять твердость при относительно высоких температурах и другими полезными свойствами. Кремнием легируют стали различного назначения: конструкционные (0,8-1,5% Si), инструментальные (1,2-1,6% Si); пружинно-рессорные (1,3-2,0% Si), жаро- и окалиностойкие (2,0-3,0% 51), динамно-трансформаторные (2,5-4,5 % Si) и др. Обычно сталь легируют кремнием в сочетании с другими примесями, чаще всего в сочетании с хромом и марганцем.

Кремний, содержащийся в металлической шихте, хотя во время плавки окисляется и теряется практически полностью, но на ход процесса, как правило, влияет положительно. Это выражается в улучшении теплового баланса плавки, поскольку среди обычных примесей металлической шихты кремний окисляется с выделением наибольшего количества тепла.

В любых сталеплавильных шлаках кремнезем является одним из важнейших компонентов. Кремнезем, получающийся в результате окисления кремния в ванне, активнее вносимого в готовом виде и ускоряет процесс формирования шлака. В этом смысле кремний металлической шихты также положительно влияет на ход плавки.

Однако кремнезем, образующийся при окислении кремния металла, оказывает разрушающее действие на основную футеровку. Кроме того, при очень высоком содержании кремния образуется большое количество шлака, которое не всегда является желательным, поэтому обычно устанавливаются пределы содержания кремния в чугуне.

4. Марганец. Имеет следующие физико-химические свойства: атомную массу 54,93; плотность 7,42 г/см3; температуру плавления 1244°С; температуру кипения 2150°С; теплоту плавления 14700 Дж/моль. При 1600 °С PMN = 3,7 КПА, тогда как упругость пара железа при этой температуре составляет всего 20 Па, поэтому в испарениях металла обычно марганец содержится в значительных количествах, хотя его содержание в самом металле во много раз меньше содержания железа. В связи с этим в сталеплавильных процессах иногда приходится учитывать возможность испарения марганца, например, во время выпуска плавки с высоким содержанием марганца, при вакуумировании, особенно при различных способах переплава с использованием вакуума. Металлический марганец очень хрупок, поэтому он в чистом виде имеет ограниченное применение, в основном используется для получения различных сплавов, важнейшим из которых является сталь.

Марганец в жидком железе имеет неограниченную растворимость, и это растворение протекает без теплового эффекта (без химического взаимодействия), так как марганец является ближайшим соседом железа в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. В ?-Fe марганец имеет ограниченную растворимость, в ?-Fe может растворяться марганца до >60%. При 1200°С в ? -Fe марганец растворяется неограниченно. С примесями металла марганец может образовывать различные химические соединения, наиболее важными из которых являются MNO, MNS и Mn3С. Марганец в готовой стали в большинстве случаев является полезной примесью, служащей для раскисления и легирования.

Марганец как раскислитель в количестве 0.25-0.50 % содержится в кипящей, полуспокойной и спокойной углеродистой стали почти всех марок, причем в кипящей стали марганец обычно является единственным раскислителем. Раскислительная способность марганца относительно невысока, но обычно бывает достаточной для раскисления кипящей стали. Основное положительное влияние марганца на свойства стали состоит в уменьшении вредного влияния серы. Марганец, имея высокое химическое сродство к сере, легко образует сульфид MNS, который при кристаллизации металла выделяется в виде твердых, случайно расположенных включений, приносящих во много раз меньше вреда, чем FES. Для выделения серы в виде менее вредных твердых включений необходимо иметь в стали следующее отношение содержания марганца и серы: [Mn]/[S] ? 20?22.

Марганец расширяет область ?-Fe, т.е. повышает устойчивость аустенита и увеличивает степень его переохлаждения. Благодаря этому марганец резко уменьшает критическую скорость закалки, поэтому марганцовистая сталь прокаливается значительно глубже, чем простая углеродистая. Растворяясь в феррите, марганец повышает прочность стали (пределы прочности и текучести), особенно в области содержаний 0,1-0,5 % С, но несколько снижает пластичность стали (относительное удлинение и ударную вязкость). Марганец также повышает износостойкость и упругость стали, широко применяется для легирования конструкционных, пружиннорессорных, износостойких и других сталей.

Чаще всего применяют стали низко- (0,8-1,8 % Mn) и высоколегированные (10-15% Mn), в которых в качестве легирующих элементов могут быть также хром, никель и др. Марганец в легированных сталях часто является заменителем более дорогого и дефицитного никеля.

Марганец вследствие образования прочных карбидов несколько снижает пластичность стали, особенно при обычной температуре, поэтому в низкоуглеродистой стали, используемой для глубокой штамповки без нагрева (автомобильные кузова и др.), желательно низкое содержание (0,2-0,3%) марганца. Примерно такими же пределами ограничивается его содержание в углеродистой инструментальной стали, так как при более высоких содержаниях ухудшаются режущие свойства стали. Но при легировании инструментальной стали марганцем (1,0-1,5% Mn) ее качество повышается благодаря улучшению прокаливаемости.

Повышение технологических и эксплуатационных свойств стали в результате легирования ее марганцем, так же как и многими другими элементами, оказывается существенным обычно лишь тогда, когда сталь подвергается соответствующей термической обработке. Применение легированной стали без термической обработки часто не дает желаемого эффекта: затраты, связанные с легированием стали не в полной мере компенсируются улучшением качества стали.

5. Сера. Является самой вредной примесью, снижающей механическую прочность и свариваемость стали, а также ухудшающей ее электротехнические, антикоррозионные и другие свойства. Отрицательное влияние серы на свойства стали обычно сказывается уже при содержании 0,005- 0,010%, в некоторых случаях при 0,002-0,003% и связано с рядом свойств, которыми обладают сера и ее соединения. Сера имеет неограниченную растворимость в жидком железе (до 38 % при содержании ее в FES 36,5 %), а растворимость в твердом железе ограниченная: в ?-Fe при 1365°С ~0,055%, в ?-Fe при 900°С ? 0,015% и при нормальной температуре 0,001-0,002%. Если не принимать меры, например, не раскислять металл, то во время кристаллизации и при дальнейшем охлаждении металла весь избыток серы выше указанных пределов выделяется в виде сульфида железа FES совместно с FEO, поскольку в нераскисленном металле всегда содержится кислород в количествах, значительно превышающих его растворимость в твердом железе. Чистый сульфид железа имеет температуру плавления 1190°С, а оксисульфидный расплав имеет эвтектику с температурой затвердевания ~985°С, т. е. значительно ниже температуры плавления металла (обычно ~1500°С). Это при кристаллизации металла приводит к выделению сульфида и оксисульфида железа в жидком виде. Поскольку они хорошо смачивают твердый металл, выделяющиеся неметаллические включения располагаются по границам зерен в виде тонких пленок, занимающих большие площади. Образование таких пленок резко снижает прочность металла при температурах красного каления (>1000°С), поскольку они при этих температурах, находясь в жидком или размягченном состоянии, ослабляют межзеренную связь в металле. Это явление называют красноломкостью стали. Красноломкость вызывает: 1) образование так называемых горячих трещин на слитках, литых заготовках и изделиях (деталях); 2) появление рванин, трещин и других поверхностных дефектов на прокате; 3) плохое сваривание внутренних усадочных пустот металла во время прокатки, вследствие чего головная обрезь от слитков возрастает при повышении содержания серы, т. е. наблюдается увеличение расхода металла на прокате. Таким образом, красноломкость, вызываемая повышенным содержанием серы, резко снижает все основные технологические свойства стали.

Не меньшее отрицательное влияние сера оказывает на служебные, прежде всего на прочностные свойства стали, особенно при низких температурах < (-30 °С). Следовательно, повышенное содержание серы вызывает и красноломкость, и хладноломкость стали. Снижение прочностных свойств стали с повышением содержания серы связано с тем, что выделяющие из металла сульфидные и оксисульфидные включения нарушают сплошность металла, а сами включения имеют незначительную прочность, являются хрупкими, особенно при низких температурах. Сульфидные и оксисульфидные включения во время прокатки легко деформируются и вытягиваются вдоль проката. Это приводит к анизотропии свойств металла вдоль и поперек проката: в поперечных образцах некоторые прочностные свойства стали оказываются в несколько раз ниже, чем в продольных.

Сера раскисленная алюминием, которая имеет гораздо большее химическое сродство к сере, чем железо и марганец, и способствует образованию более тугоплавких и менее деформируемых сульфидных и оксисульфидных включений. В этом случае отрицательное влияние серы на свойства стали в значительной степени подавлено. В других случаях это отрицательное влияние может быть гораздо больше. Некоторое ослабление отрицательного влияния серы на свойства, особенно на красноломкость, оказывает марганец, который, имея большее химическое сродство к сере, чем железо, способствует выделению сульфидов и оксисульфидов марганца, обладающих более высокой температурой плавления (MNS плавится при 1640 °С) и меньшей деформируемостью, чем сульфиды и оксисульфиды железа. Но это положительное влияние марганца заметно лишь при отношении в готовой стали [Mn]/[S] ? 20?22.

Наибольшее подавление отрицательного влияния на свойства стали серы, а также кислорода наблюдается при раскислении ее кальцием, поскольку при этом образуются практически не растворимые в жидком железе сульфиды и оксиды кальция, из которых формируется (часто с участием А12О3) сложный оксисульфидный расплав, имеющий низкую температуру плавления (<1450°С) и практически не смачивающий металл. Благодаря этому, во-первых, значительная часть включений удаляется из металла, т. е. наблюдается снижение общего содержания серы и кислорода в металле; во-вторых, оставшиеся в металле включения образуют мелкие, равномерно распределенные в объеме металла глобули и слабо деформируемые при обработке давлением. Хорошие результаты по снижению отрицательного влияния серы на свойства стали также достигаются при раскислении-легировании стали редкоземельными металлами (РЗМ, лантаноиды), благодаря образованию тугоплавких и трудно деформируемых сульфидов и оксидов типа Ce2S3 и Се2Оз.

В целом для уменьшения отрицательного влияния серы на свойства стали необходимо всегда стремиться получать возможно низкое содержание ее в готовом металле и обеспечивать выделение сульфидных и оксисульфидных включений, имеющих преимущественно форму глобулей и практически не деформирующихся во время обработки давлением. Теоретически содержание серы в стали должно быть снижено до ? 0,005%. в некоторых случаях до ? 0,002 % (растворимость серы в ?-Fe при нормальной температуре). Существование настоящих норм, допускающих содержание серы во многих сталях массового назначения до 0,03-0,04 % и выше, не означает, что такие содержания не вызывают снижения свойств этих сталей. Принятие таких норм является вынужденным и вызвано ограниченностью возможностей проведения более глубокой десульфурации металла в условиях производства стали массового назначения. В связи с этим к числу наиболее, сложных и неотложных задач сталеплавильного производства относится обеспечение дальнейшего снижения содержания серы в стали. Сера является химически активным элементом и образует различные соединения, устойчивые при высоких температурах сталеплавильных процессов и способных переходить и в газовую, и в шлаковую фазы.

6. Фосфор. В рудах фосфор всегда сопутствует железу, часто в больших количествах. В процессе восстановительной плавки рудного материала фосфор восстанавливается одновременно с железом и в одинаковой степени, поэтому практически весь фосфор шихты переходит в чугун. Минимальное содержание фосфора в чугуне составляет 0,1-0,2 %, максимальное 2-2,5 %. Фосфор отрицательно влияет на многие свойства стали уже при содержаниях более 0,005-0,010%. В связи с этим в процессе плавки стали необходима обязательная дефосфорация металла (снижение концентрации фосфора в металле в ? 100 раз).

Отрицательное влияние фосфора на свойства стали связано в первую очередь с тем, что он имеет неограниченную растворимость в жидком железе, но плохо растворяется в твердом железе, особенно в аустените (?-Fe). При кристаллизации и дальнейшем охлаждении стали фосфор выделяется в виде фосфидов, которые, имея температуру плавления ниже температуры кристаллизации стали и обладая свойством смачивать металл, располагаются преимущественно по границам зерен. Фосфиды, которые выделяются в межосных пространствах дендритов в твердом железе при температурах 650-680 °С и выше, обладают склонностью перераспределяться и также переходить к границам зерен. В результате снижается пластичность металла, особенно ударная вязкость при низких температурах, т. е. фосфор вызывает хладноломкость стали. В связи с этим устанавливают особо строгие пределы содержания фосфора в сталях, предназначенных для работы в низкотемпературных условиях. Повышенное содержание фосфора также ухудшает свариваемость стали. Это может привести, например, к плохому завариванию пустот в слитках и литых заготовках при обработке давлением, в связи с чем могут увеличиваться отходы (головная обрезь) от слитков, наблюдаться расслой металла в готовом прокате и т. п. Фосфор совместно с серой и кислородом повышает анизотропию прочностных свойств проката: низкая прочность проката в поперечном направлении по сравнению с прочностью в продольном направлении нежелательна для емкостей, работающих под давлением, например, газопроводов, где металл испытывает растяжение в основном в поперечном направлении. Сталь с высоким содержанием фосфора обладает и так называемой синеломкостью, т. е. хрупкостью при температурах 500-600 °С.

Предпринимались многочисленные попытки использовать фосфор в качестве легирующей примеси. Эти попытки были основаны на том, что фосфор повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву. Оказалось, что это положительное влияние незначительно по сравнению с отрицательным, заключающимся в резком снижении пластичности. Кроме того, было установлено, что отрицательное влияние фосфора возрастает в присутствии углерода (> 0,1 %), поэтому от идеи использования фосфора в качестве полезной примеси в сталях отказались.

Исключение составляют некоторые конструкционные стали, обрабатываемые резанием на станках-автоматах - так называемые автоматные стали, используемые для производства болтов, гаек и некоторых других деталей неответственного назначения.

Чистый (белый) фосфор имеет температуру плавления 44 °С, температуру кипения 280 °С. С железом фосфор образует фосфиды Fe3Р, Fe2Р, FEP и FEP2, из которых в жидком железе устойчивым является Fe2P (температура плавления 1365°С), в затвердевшем металле может находиться и Fe3P (~ 1170°С).

Из постоянных примесей стали фосфор образует соединение только с марганцем - фосфид марганца Mn5Р2, имеющий температуру плавления 1370 °С и обладающий способностью смачивать металл, поэтому присутствие марганца и других постоянных примесей заметно не уменьшает отрицательного влияния фосфора на свойства стали. При содержании остаточного алюминия 0,05-0,1 % и более образуется фосфид алюминия ALP, который имеет температуру плавления ~ 1700°С и выделяется в виде случайных неметаллических включений. Это улучшает свойства стали, содержащей 0,04-0,06 % Р и более.

Установлено, что ванадий препятствует диффузии фосфидов в твердом железе. Если это влияние существенно, то оно также может быть использовано для некоторого ослабления вредного влияния фосфора на свойства стали.

С кислородом фосфор образует ряд соединений, но характерным для сталеплавильных процессов является пентаоксид Р2О5 (фосфорный ангидрид). Температура плавления Р2О5 569°С, температура кипения 590°С. Вследствие низкой температуры кипения фосфора и фосфорного ангидрида в жидком металле фосфор и в жидком шлаке Р2О5 могут находиться только в виде соединений, имеющих температуру кипения выше температуры ванны. Такими соединениями являются в металле фосфиды железа, а в шлаке - фосфаты кальция и железа.

7. Хром. Имеет температуру плавления 1825°С, неограниченную растворимость как в жидком, так и в твердом железе, причем не образует с железом прочных соединений, поэтому смешение жидкого хрома с жидким железом происходит практически без выделения тепла. Хром, растворенный в твердом железе, существенно изменяет его физические, механические, химические и технологические свойства.

Хром широко используется в качестве легирующей примеси, особенно в сочетании с никелем и некоторыми другими элементами: более 80 % марок легированных сталей в том или ином количестве (от 1-2 % в низколегированных до 25-30 % в высоколегированных) содержат хром. Однако в некоторых сталях хром является нежелательной примесью, и его содержание обычно ограничивают пределами 0,15-0,2%. В канатной стали содержание хрома должно быть не более 0,05-0,1 %, так как при более высоких содержаниях наблюдается ухудшение пластичности стали, что приводит к уменьшению срока службы канатов.

Хром, обладая сравнительно высоким химическим сродством к кислороду, в сталеплавильных ваннах окисляется довольно интенсивно, особенно при