Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

7. КАЧЕСТВО КОНВЕРТЕРНОЙ СТАЛИ

7.1. свойства и применение конвертерной стали,

Выплавленной разными методами

Технологические условия процессов выплавки стали оказывают значительное влияние на содержание в ней вредных примесей (S, Р, N, H и неметаллических включений), которые наряду с главны­ми элементами (С, Mn, Si, легирующими добавками) влияют на свойства готового металла.

В кислородно-конвертерной стали вредных примесей содержит­ся примерно столько же, сколько и в мартеновской, а при опреде­ленных условиях даже меньше. В бессемеровской и томасовской стали концентрация вредных примесей значительно выше, чем в кислородно-конвертерной, особенно велико содержание азота. Оно в три-шесть раз больше, чем в мартеновской и кислородно-конвер­терной, так как при донной продувке чугуна воздухом металл по­глощает много азота (по ходу продувки в газовых пузырях /ж2 =

Содержание вредных примесей в готовой стали в зависимости от типа процесса

Процесс

[Si, %

1Р[, %

[Ni, %

IHb см'/ЮО г

Бессемеровский Томасовский Основной мартеновский Кислородно-конвертерный с верхней продувкой

0,05-0,06 0,03-0,05 0,02—0,05

0,02—0,04

0.05—0,07 0,03- 0,05 0,01—0,03

0,01-0,02

0,015-0,025 0.1 18-0,030 0,003 - 0,006

0,003*-0,006

2—4 2-5 4-6

1-3

* При степени чистоты кислорода 99—99,5 %.

= 0,07—0,09 МПа). В связи с этим бессемеровская и томасовская сталь менее качественна и область ее применения ограничена.

Рассмотрим поведение вредных примесей по ходу плавок и их содержание в готовой стали в зависимости от типа сталеплавиль­ного процесса (таблица).

Лзог. Повышение [N], как уже отмечалось, приводит к пониже­нию относительного удлинения образцов стали, увеличению ее хрупкости, твердости, пределов прочности и текучести, уменьше­нию магнитной проницаемости, электропроводности и электросва­риваемости. Все это обусловлено выпадением нитридов из твердо­го раствора в результате уменьшения растворимости азота при низ­ких температурах. Количество выделившихся нитридов растет с течением времени, что вызывает старение стали (непрерывное ухуд­шение ее пластических свойств, увеличение хрупкости и твердос­ти). Таким образом, повышенное содержание азота в металле зна­чительно ухудшает ее качество (за исключением некоторых ле­гированных сталей).

Одной из главных причин бурного развития кислородно-конвер­терного процесса за последние 25 лет является то, что в стали, выплавленной таким способом, содержание азота намного меньше, чем в металле, полученном с использованием воздушного дутья (в бессемеровском и томасовском конвертерах, таблица). Если сте­пень чистоты кислорода высока и работают без дожигания СО в камине и без подсоса воздуха в полость конвертера, то кислородно — конвертерная сталь содержит азота 0,001—0,002 %. При низкой степени чистоты кислорода (ниже 98 %) [N] в кислородно-конвер­терной стали может увеличиваться до 0,01 %.

Фосфор и сера. Отрицательное влияние этих примесей на свой­ства стали общеизвестно: фосфор увеличивает хрупкость металла, особенно при низких температурах (явление «хладноломкости»), сера резко снижает его пластичность при высоких температурах (явление «красноломкости»), а также пластичность готовой про­катанной стали и вызывает расслоения из-за ликвации сульфи­дов. В бессемеровском процессе, в котором шлак кислый, фосфор и сера не удаляются из металла. Поэтому их содержание в бессеме­ровской стали даже несколько выше, чем в бессемеровском чугуне. В томасовском процессе шлак основной и его взаимодействие с ме­таллом обеспечивает значительное удаление из металла этих при­месей, но в связи с кратковременностью взаимодействия гомогенно­го основного шлака с металлом (такой шлак формируется лишь в конце плавки в период передувки) содержание фосфора и серы в готовой стали все же выше, чем в мартеновской и кислородно-кон­вертерной. В кислородно-конвертерном процессе можно создать более благоприятные условия для глубокой дефосфорации и де­сульфурации металла, чем в мартеновском и в томасовском.

В случае использования глубокообессеренного чугуна уменьше­ние доли лома в шихте кислородно-конвертерного процесса по сравнению с таковой в мартеновском обеспечивает при прочих рав­ных условиях более низкое [S]. Если выплавляется сталь ответст­венного назначения ([S]=0,005—0,015 %), удорожание шихты с избытком окупается повышением качества стали (за счет снижения [S] и количества примесей цветных металлов, вносимых ломом). Использование обессеренного магнием чугуна ([SJ4yr = 0,005— 0,01 %) в мартеновском процессе обесценивается тем, что большая доля в шихте лома обусловливает внесение значительного коли­чества серы (в три раза больше, чем вносимое чугуном). В сочета­нии с количеством серы, поступающей в металл из топлива, это вы­зывает существенную ресульфурацию металла по ходу мартенов­ской плавки. Таким образом, использование обессеренного чугуна более рационально в кислородном конвертере.

Водород. Повышение [Н], как уже отмечалось, уменьшает пре­дел прочности и ударную вязкость, значительно понижает относи­тельные сужение и удлинение образцов стали. Водород также спо­собствует образованию флокенов. Отрицательное влияние водоро­да на свойства стали проявляется при [Н]>2,5 см3/Ю0 г и усиливается с ростом содержания углерода в стали и некоторых других элементов.

Содержание водорода в кислородно-конвертерной стали при­мерно в два раза меньше, чем в мартеновской, и ниже тех крити­ческих значений [Н], при которых начинает обнаруживаться его отрицательное действие на качество стали.

Более высокое [Н] в мартеновской стали по сравнению с [Н] в кислородно-конвертерной обусловлено следующими факторами: в мартеновскую ванну шихтовые материалы (стальной лом, ржав­чина лома, железная руда) вносят больше водорода, чем в кис­лородный конвертер; газовая фаза мартеновской печи, находя­щаяся над ванной, содержит за счет сжигания топлива 15—20% водяных паров, в то время как в полости конвертера, даже при условии подсоса воздуха, содержание водяных паров невелико (1-2 %)•

Кислород и неметаллические включения. К моменту начала раз­ливки жидкая сталь содержит некоторое количество кислорода, частично растворенного в металле, частично находящегося в соста­ве взвешенных окислов — неметаллических включениях. Раство­ренный кислород после охлаждения затвердевшей стали выделяет­ся из раствора в виде Fe3O4, что вызывает искажение кристалли­ческой решетки металла и ухудшение механических свойств стали — ее старение.

На качество стали влияют состав, характер (определяются ре­жимом раскисления) и количество неметаллических включений, за­висящее от содержания в металле к концу продувки растворенных кислорода и серы, а также взвешенных неметаллических частиц. С увеличением количества последних снижаются показатели плас­тичности и ударной вязкости металла, особенно в образцах, попе­речных направлению прокатки. Степень этого влияния зависит от формы и характера расположения включений. Качество металла особенно ухудшается при наличии в нем остроугольных и строчеч­ных неметаллических частиц.

Таким образом, содержание кислорода в металле к концу про­дувки, определяя концентрацию [О] в раскисленной стали и коли­чество оксидных включений, в конечном итоге влияет на качество готовой стали.

В кислородно-конвертерной стали содержание растворенного кислорода и неметаллических включений значительно меньше, чем в бессемеровской и томасовской, так как продувка воздухом (осо­бенно в томасовском процессе) обычно прекращается при очень низком содержании углерода, что обусловливает высокую концент­рацию кислорода в металле перед выпуском:

[О] = [0]Равн. с + Л[0] = [Рсо/(Кс [C]/[ci/[0|)] + А [О], (7.1)

Где Л[0] —избыточный кислород в металле сверх равновесного [О]равн. С-

Многочисленные исследования окисленности кислородно-кон — вертерной стали по ходу продувки, которые проводили с помощью известных химических методов определения [О] в раскисленных алюминием пробах стали и погружаемых в ванну активометров, показали, что величина избыточного кислорода в металле по ходу продувки в кислородном конвертере практически такая же, как и в мартеновской плавке.

В связи со скоротечностью кислородно-конвертерного процесса возможны отдельные нарушения технологического режима и пере — дувки плавок. В таких случаях область концентраций [О] и [О]равн. ш на диаграммах [С] — [О] получается несколько шире, чем при основном мартеновском процессе. Поэтому для обеспече­ния стабильного качества кислородно-конвертерной стали особенно целесообразно внедрять внепечную доводку (см. подразд. 5.11), стоимость которой с избытком компенсируется сокращением цикла плавки и повышением качества металла.

Содержание неметаллических включений в металле перед рас­кислением зависит от соотношения их прихода и расхода по ходу плавки. В готовой стали количество оксидных включений повыша­ется за счет реакций раскисления, и степень этого увеличения изме­няется симбатно [О] перед раскислением (за исключением плавок, раскисленных синтетическим шлаком).

По ходу продувки источниками поступления в металл оксидных включений являются: частицы, вносимые чугуном и скрапом, про­дукты разрушения футеровки, конденсированные продукты реакций окисления примесей чугуна (SiO2, МпО, FeO), эмульгированные в металле частицы шлака (в результате механического перемешива­ния шлака с металлом струей кислорода и пузырями СО). Одно­временно с загрязнением металла протекает противоположный про­цесс— очищение стали от включений в результате ассимиляции быстро всплывающими крупными каплями шлака взвешенных в ванне мелких частичек («промывание» металла шлаком) и флоти­рующего действия пузырей СО («прилипание» частичек к пузы­рям) .

Исследования показали, что увеличение интенсивности продув­ки до 5—6 м3/(т-мин) незначительно влияет на рост загрязненнос­ти стали оксидными включениями.

В некоторых работах было установлено, что загрязненность кис — лородно-конвертерной стали оксидными включениями перед рас­кислением уменьшается при повышении температуры металла, сни­жении вязкости шлака, увеличении его поверхностного натяжения, подъеме фурмы, выдержке металла в конвертере. Можно считать достоверным, что общее содержание оксидных включений в готовой кислородно-конвертерной и мартеновской стали практически оди­наково.

В СССР рядом заводов и институтов детально исследовано ка­чество кислородно-конвертерной стали, ее физико-химические и тех­нологические свойства.

Все показатели качества кислородно-конвертерной стали (спо­собность к старению, пределы текучести и прочности, относитель­ное удлинение и сужение, ударная вязкость при положительных и отрицательных температурах, коррозионная стойкость, штампуе — мость или глубина вытяжки холоднокатаных листов, магнитные свойства динамной стали и другие свойства металла) не ниже, чем мартеновской, а в ряде случаев несколько превосходят по­следние.

В настоящее время в кислородных конвертерах освоен выпуск почти всех марок стали, ранее выплавлявшихся только в мартенов­ских печах, и многих марок стали, которые производились только в электропечах.

Достаточно высокие показатели качества кислородно-конвертер — ной стали обусловливают широкий сортамент изделий из нее. К ним (кроме обычных рядовых) относятся: все виды листов из кипящей и спокойной стали, электродная катанка, телеграфная и канатная проволока, сутунка, трубы, рельсы и другие изделия. В СССР и за границей освоено производство в кислородных конвертерах ряда марок углеродистой полуспокойной стали, низколегированной (10ХСНД, 10ХГ2С, 09Г2Т и др.) и легированной, содержащей хром, марганец, никель, кремний, ванадий, ниобий.

К числу новых марок низколегированной кислородно-конвертер — ной стали относится листовая сталь марки 09Г2ФБ, содержащая небольшие количества ванадия и ниобия, предназначенная для про­изводства в северном исполнении газопроводных труб диаметром 1420 мм, работающих под давлением 7,5 МПа. В ряде стран в про­мышленных кислородных конвертерах освоена выплавка некоторых ответственных средне — и высоколегированных сталей, например шарикоподшипниковых, нержавеющих (Япония, ФРГ), динамной, трансформаторной (СССР).

Необходимо отметить, что технология производства высокоугле­родистых и легированных марок сталей в кислородных конвертерах несколько усложняется по сравнению с технологией выплавки низ­коуглеродистого металла. При высоком [С] в конце продувки за­трудняется наводка жидкоподвижного гомогенного основного шла­ка. Для достаточно глубокой дефосфорации и десульфурации металла необходимо во второй половине плавки поднять фурму и снизить интенсивность продувки. Последнее целесообразно и для попадания в анализ, которое выполнить при высоком [С] намного сложнее, чем при низком. Все это вызывает относительное увеличе­ние продолжительности плавки высокоуглеродистой стали.

На основе изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Содержание азота, серы, фосфора, кислорода и неметалли­ческих включений в кислородно-конвертерной стали значительно ниже, чем в бессемеровской и томасовской.

2. По содержанию S, Р, N, Н, О и неметаллических включений кислородно-конвертерная сталь при правильно организованной тех­нологии плавки несколько чище мартеновской. В связи с этим все показатели качества ее не ниже, а в ряде случаев выше, чем у мартеновской стали.

3. При использовании кислородно-конвертерного процесса может быть получена сталь с более низким содержанием Р, S, N, Н, чем в мартеновской (см. подразд. 7.2).

7.2. особенности выплавки высококачественной

И легированной стали

Выплавка высококачественной стали в кислородном конвертере возможна при сочетании хорошего качества шихтовых материалов (обессеренного чугуна, качественной извести, сортированного ло­ма) с правильным режимом шлакообразования, обеспечивающим получение низких [Р] и [S], В современных цехах интенсификация продувки несколько усложняет выплавку высококачественной ста­ли. Этот процесс облегчается при использовании методов внепечной обработки металла (выравнивание состава и температуры жидкой стали продувкой аргоном, обработка металла вакуумом и синтети­ческими шлаками, корректировка [С] и содержаний других эле­ментов вдуванием порошкообразных графита и раскислителей, кор­ректировка температуры). Их эффективность во многом зависит от полноты отделения шлака во время выпуска, так как попадание даже небольшой части конвертерного шлака в сталеразливочный ковш ухудшает результаты обработки металла синтетическим шлаком и дегазации стали, повышает угар раскислителей (см. под­разд. 5.11).

Для особо ответственных марок стали необходимо применять первородную шихту, так как обычный скрап загрязнен вредными для ряда качественных сталей примесями цветных металлов (медь, никель, олово, хром, свинец, мышьяк, цинк и др.), а также серой. Наличие таких примесей обусловливает повышение прочностных свойств и понижение пластичности готовой стали, что особенно не­желательно в случае производства низкоуглеродистых холоднока­таных листов (ухудшается штампуемость). Шихту можно считать первородной, если она не содержит обычного скрапа, а в качестве охладителя во время продувки чугуна используется железная руда или металлизованные окатыши. Сам чугун первороден, если он выплавлен в доменной печи без добавок скрапа и из руды, не со­держащей окислов нежелательных в стали металлов. Первородной считается и обрезь после прокатки металла, выплавленного из пер­вородной шихты.

Новейшие исследования показали, что сера сильно влияет на ударную вязкость стали при температуре 40—60 0C ниже нуля. Для надежной работы изделий в условиях Крайнего Севера и сложных нагрузок сталь должна содержать менее 0,015 % S, а в ряде случа­ев даже 0,005 % S. Чтобы достичь этого, необходимо в первую очередь провести глубокую десульфурацию чугуна. В доменном процессе получение чугуна с [S] < 0,03 % связано со значительным снижением производительности печей и резким увеличением расхо­да кокса, что экономически невыгодно. Более рационально внедо — менное обессеривание чугуна, которое обеспечивает достижение низкого [S] при сравнительно высоком (около 0,05 %) содержании серы в чугуне во время его выпуска из доменной печи.

Наиболее эффективным современным методом вн-епечной де­сульфурации чугуна является вдувание гранулированного магния в струе сжатого воздуха (лучше в струе азота или природного газа). Сочетание обессеривания чугуна с обработкой жидкой стали синте­тическим шлаком позволяет обеспечить в готовой стали [S] ^ s^ 0,005 %•