Неметаллические включения. Газы в сталях и сплавах.

Неметаллическими включениями называют содержащиеся в ста­ли соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюми­ния, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азо­том, фосфором, углеродом). Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии влияют на свойства стали. Неметаллические включения уху­дшают не только механические (прочность, пластичность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, эле­ктропроводность и др.), так как нарушают сплошность мета­лла и образуют полости, в которых концентрируются напря­жения в металле.

Неметаллические включения принято разде­лять на две группы: 1) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные¹ включе­ния) и 2) включения, механически попадающие в сталь (эк­зогенные² включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.

Очень часто включения представляют собой довольно сложные соединения типа силикатов, алюмосиликатов, шпинелей и т.д.

Наименее благоприятные условия для удаления включений из металла создаются тог­да, когда эти включения образуются в процессе кристалли­зации стали: по мере снижения температуры повышается вяз­кость металла, рост кристаллов застывающей стали препят­ствует подъему включений. В результате часть таких вклю­чений неизбежно остается в металле.

Газы в сталях.В любой стали в некоторых количествах содержатся газы (кислород, водо­род, азот). Газы содержатся в металлах в виде газовых пу­зырей, соединений (оксидов, гидридов, нитридов) и жидких или твердых растворов. Газы ока­зывают существенное влияние на свойства металла.

Кислород в стали. Источником кислорода в расплаве является атмосфера сталеплавильных агрегатов, содержащая кислород, СО₂, вода, шихта, сод-щая оксиды железа, ок-ли.

Для удаления кислорода из расплава проводится процесс ее раскисления, т.е вводятся спец добавки, у кот сродство к кислороду большее, чем у Fe. Для этого используют С,Si,Mn,Ca,Al , редкоземельные Ме. [О] + [С] = СО_газ

Водород в стали. Источниками Н 2 в печи явл атмосфера, сод-щая Н2 и пары воды; влага шихты. Меры борьбы с Н2:

1. Обработка металла вакуумом.

2. Организация кипения ванны.

3. Продувка инертными газами.

4. Выдержка закристаллизовавшегося металла при повышенных температурах.

5. Добавки гидридообразующих элементов.

6. Наложение электрического поля.

Азот в стали

Попадает в сталь из атмосферы печи и ферросплавов. При обычных темпера­турах сталеплавильных процессов (1450—1600 °С) интенсив­ность перехода азота в металл из газовой фазы невелика, но температурах, превышающих 2500 °С молекулы азота диссоциируют и скорость проникновения в металл ато­мов азота может резко возрасти.

На растворимость азота в металле влияет хим со­став. Хром, марга­нец, ванадий, титан, алюминий, церий и другие редкозе­мельные металлы повышают растворимость азота в стали, а углерод, фосфор и кремний снижают растворимость азота.

Резкое снижение растворимости азота при переходе из жидкого в твердое состояние и при превращении y-Fe в a-Fe приводит к получению перенасыщенного азотом твердого раствора, что ув твердость и хрупкость и сни­жающие пластичность ("старение" металла).

Меры борьбы с азотом:

1) использование чистых по азоту шихтовых материалов;

2)организация кипения ванны

3) предохранение металла от контактас азотсо­держащей атмосферой

4)продувка кислородом, не содержаще­го примесей азота;

связывание азота в устойчивые соединения.

13. Исходные материалы для производства чугуна и стали: Рудные материалы. Передельный чугун.

Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли. Это — гор­ная порода или минеральное вещество, из которого при дан­ном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения. Такая экономическая целесообразность прежде всего определяется содержанием ценных металлов в минеральном веществе, т.е. так называе­мым браковочным пределом по извлекаемому металлу.

Руды обычно называют по одному или нескольким метал­лам, содержащимся в них, например железные, медные, алю­миниевые и марганцевые или медно-никелевые, медно-кобальто-никелевые и др.

Руды специально подготавливают — дробят, обогащают, окусковывают и усредняют.

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% .Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Основное количество чугунов, выплавляемых в доменных печах, относится к передельным чугунам. То есть чугунам, используемым для передела в сталь.

14. Исходные материалы для производства чугуна и стали: Стальной лом. Технология подготовки стального лома к плавке.

Основной составляющей шихты (75-100 %) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не пре­вышало 0,05 %. При более высоком содержании фосфора про­должительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым). Ржавчина — гидрат оксида же­леза, с ней вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной корзиной). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.

15. Исходные материалы для производства чугуна и стали: Ферросплавы и легирующие элементы.

Ферросплавы— сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали (напр., феррохром,ферросилиций). К ферросплавам условно относят также некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (силикокальций, силикомарганец и др.), и некоторые металлы и неметаллы (Mn, Cr, Si) с минимальным содержанием примесей. Получают из руд или концентратов в электропечах или плавильных шахтах (горнах).

По объёму производства разделяют так называемые «большие» и «малые» ферросплавы. Большие ферросплавы:

· кремнистые ферросплавы

· марганцевые ферросплавы

· хромистые ферросплавы

Малые ферросплавы:

· ферровольфрам

· ферромолибден

· феррованадий

· сплавы щёлочноземельных металлов

· феррониобий

· ферробор, ферроборал и лигатуры с бором

· сплавы с алюминием

· сплавы с редкоземельными металлами

· ферросиликоцирконий, ферроалюминоцирконий

· ферроникель и феррокобальт.

Легирующие элементы-химические элементы, преимущественно металлы, вводимые в состав сплавов для придания имопределённых свойств. Основные Л. э. в стали и чугуне Cr, Ni, Mn, Si, Мо, W, V, Ti, Zr,Be, Nb, Co, Al, Cu, B, Mg. Л. э. вводят в легируемый металл обычно в виде сплавов.

§ Марганец повышает прочность и твердость стали, увеличивает прокаливаемость, уменьшает коробление при закалке, повышает режущие свойства стали, но вместе, с тем способствует росту зерна при нагреве, чем снижает стойкость стали к ударным нагрузкам.

§ Хром затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание. При значительных количествах хрома сталь становится нержавеющей и жаростойкой.

§ Кремний значительно повышает упругие свойства стали, но несколько снижает ударную вязкость.

§ Никель повышает упругие свойства стали, не снижая вязкости, противодействует росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства стали. При значительных количествах никеля сталь становится немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

§ Молибден противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали вследствие образования карбидов, уменьшает склонность стали к хрупкости при отпуске, повышает жаростойкость стали.

§ Кобальт повышает прочность стали при ударных нагрузках, улучшает жаропрочность и магнитные свойства стали.

§ Вольфрам, так же как и молибден, повышает твердость и режущие свойства стали, уменьшает рост зерен при нагреве, повышает жаростойкость.

§ Ванадий способствует раскислению стали, противодействует росту зерна, повышаеттвердость и режущие свойства стали.

§ Титан является раскислителем стали, способствуя также удалению из нее азота, благодаря чему сталь получается более плотной, однородной и жаропрочной.

16. Исходные материалы для производства чугуна и стали: Твердые окислители, шлакообразующие, флюсы.

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы железосодержащей шихты и золы кокса в шлак требуемого химического состава, обладающего определенными физически­ми свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы агломерата, окатышей или руд, а также в золу кокса, значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450—1600 °С). Вместе с тем при определенном соот­ношении указанных оксидов образуются легкоплавкие соста­вы, которые имеют температуру плавления ниже 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450—1600 °С.

Необходимо также, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (СаО и MgO) для обеспечения требуемой десульфурирующей способности.

В зависимости от состава пустой породы руды и вида топлива нужно применять основные, кислые или глиноземистые флюсы. Добываемые руды, как правило, содер­жат кислую пустую породу и характеризуются приемлемым соотношением Si0₂ и Al₂0₃, поэтому по технологическим причинам обычно применяют основной флюс— известняк, сос­тоящий из карбоната кальция СаСО_э, или доломитизированный известняк, содержащий, кроме СаС0₃ еще MgCO_s.

Шлак. Помимо чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят невосстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, Al₂0₃, Si0₂ и небольшое количество МпО и FeO, причем СаО специально добавляют к железорудной шихте для получе­ния жидкого шлака.

Наведение в печи жидкого текучего шлака необходимо прежде всего для выведения из печи составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, а гакже золы кокса. Другой важной функцией шлака яв­ляется десульфурация: в шлак из чугуна удаляется сера.

Образование шлака. Основными стадиями сложного процес­са шлакообразования в доменной печи являются: нагрев и размягчение железосодержащей части шихты, ее плавление, стекание в горн первичного шлака с изменением его состава, присоединение к нему золы кокса, формирование оконча­тельного состава в горне.

Конечный шлак на 85—95 % состоит из Si0₂, Al₂O_s и СаО и содержит, %: 38-42 Si0₂, 38-48 СаО, 6-20 А1₂О_э, 2-12 MgO, 0,2-0,6 FeO, 0,1-2 МпО и 0,6-2,5 серы (в основном в ниде CaS). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет 1400—1560 °С.

Состав шлака, его физические свойства, основность и количество оказывают существенное влияние на ход доменной плавки и показатели работы печи.