Выбор и обоснование технологии плавки

    Перспективным является применение для закалки  деталей подшипников качения  индукционного нагрева, что позволяет  получить твёрдый поверхностный  слой с сохранением вязкой сердцевины. Так, например, разработан и внедрен  в массовое производство процесс  объёмноповерхностной закалки колец  тяжело нагруженных подшипников  для букс железнодорожных вагонов  из стали марки ШХ4 с регламентируемой (ограниченной) прокаливаемостью. И  хотя в данном случае закаливаемые кольца подшипника нагреваются индукционным способом насквозь (толщина колец 12-20 мм), из-за ограниченной прокаливаемости стали марки ШХ4 образуется закалённый слой со структурой мартенсита толщиной всего 2,5-3,5 мм (61-64 HRC). Сердцевина кольца остается более мягкой (36-42 HRC) и вязкой, имея структуру троостита и сорбита. Кольца подшипников после такой термической обработки характеризуются высокими показателями конструктивной прочности.

    Твёрдость поверхности при любом способе  закалки деталей подшипника должна быть в пределах 61-66 HRC. Окончательной  операцией термической обработки  является низкий отпуск при температуре 150-170 °С с выдержкой в течение 2-5 ч. Цель отпуска - уменьшение закалочных напряжений в деталях подшипника. Перед отпуском для уменьшения количества остаточного аустенита прецизионные (особо точного изготовления) подшипники подвергают обработке холодом с  охлаждением до (-10)-(-20)°С для повышения  стабильности их размеров. 
 
 
 
 
 
 

    1.2.Технология  выплавки стали. 

    Производство  шарикоподшипниковой стали осуществляют методом полного окисления из углеродистой шихты или переплавом собственных отходов завода без  окисления.

    Высокие требования, предъявляемые к стали  по содержанию вредных примесей, и  сравнительно небольшое количество вводимых легирующих добавок определяют целесообразность производства подшипниковой  стали на свежей шихте. Наличие окислительного периода является характерной особенностью технологии плавки на свежей шихте, поэтому  ее называют еще плавкой с полным окислением.

    Плавка  высококачественной стали на свежей шихте включает следующие этапы: 

• подготовку  шихтовых материалов,
• подготовку печи к плавке,
• загрузку шихты,
• период плавления,
• окислительный период,
• восстановительный период.

      Отходы этой стали используют  на плавках более легированных  сталей, выплавляемых методом переплава.  При достаточном же количестве  отходов подшипниковую сталь  можно выплавлять и методом  переплава. При плавке методом  переплава окислительный период  исключают из суммарного процесса  плавки, в результате чего некоторые  из содержащихся в шихте легирующих  элементов не окисляются и  остаются в стали. Это позволяет  полнее использовать легирующие  элементы, содержащиеся в отходах,  и уменьшить расход ферросплавов.

    Продолжительность плавки методом переплава меньше, чем на свежей шихте, соответственно выше производительность агрегата, меньше расход электрической энергии. Себестоимость  стали, выплавленной методом переплава, меньше себестоимости той же стали, выплавленной на свежей шихте.

    Производство  подшипниковой стали ведется  в электропечах емкостью 10—200 т. Этот металл целесообразно выплавлять на специализированных печах при хорошем  состоянии футеровки печи. После  ремонта стен выплавка подшипниковой  стали разрешается после двух плавок. Если на печи выплавляли сталь, содержащую вредные для шарикоподшипниковой  стали элементы, например никель, то до ее выплавки необходимо провести предварительно несколько промывных плавок, а  если раньше печь использовали специально для выплавки нержавеющей хромоникелевой марки, то необходимо сменить футеровку  стен печи и частично обновить футеровку  подины и откосов.

    Рисунок.1 Подшипниковая сталь 

    В настоящее время практически  на всех заводах страны применяют  варианты технологии главные положения  которой сводятся к следующему: 

• шихту составляют из отходов углеродистой стали без  чугуна.
• недостающее количество углерода вводят с коксом или электродным боем.
• содержание углерода в шихте должно составлять 1,2—1,3%, содержание хрома не превышать 0,4%, меди и никеля — ниже допустимых содержаний в стали.

    Для ускоренного окисления фосфора  еще в период плавления наводят  окислительный шлак. Это достигается  присадкой в завалку извести (примерно 2% от массы завалки), шамотного боя  и плавикового шпата и введением  во второй половине периода плавления  железной руды или окалины (0,7—1,0%). В  результате период окисления металла  частично совмещается с периодом плавления. Для ускорения плавления  шихты в конце периода рекомендуется  продувка кислородом.

    Для окисления примесей можно пользоваться железной рудой или газообразным кислородом. За период кипения должно быть окислено около 0,3% С. Вследствие высокой  флокеночувствительности подшипниковой  стали необходимо обеспечить минимальное  содержание в ней водорода, для  чего кипение должно быть энергичным, а все присадки должны быть хорошо прокалены.

    Перед скачиванием окислительного шлака, спустя примерно 5 мин после окончания  ввода окислителей, проводят предварительное  раскисление ванны печи чугуном (5 кг/т). Содержание углерода к концу  окислительного периода должно быть таким, чтобы после скачивания окислительного шлака можно было выполнить раскисление ванны углеродистыми материалами — коксом или электродным боем с учетом науглероживания металла на 0,05—0,1%.

    После скачивания окислительного шлака и  науглероживания металла ванну  раскисляют металлическими раскислителями — кусковым 75%-ным ферросилицием (1,3—1,4 кг/т), ферромарганцем (на расчетное  содержание Mn) и кусковым алюминием (0,4 кг/т). Вместо ферромарганца, ферросилиция и алюминия можно присаживать  сплав АМС. Затем наводят увеличенное  количество (3,5—4,0% от массы металла) рафинировочного шлака.

    При производстве подшипниковой стали  состав шлаковой смеси рафинировочного  периода входит известь, плавиковый шпат, кварцит и шамот (10 : 2 : 2 : 1). Для  более быстрого проплавления шлаковой смеси известь целесообразнее присаживать  в последнюю очередь. Использование  в шлаковой смеси рафинировочного  периода в качестве флюсующих  добавок кварцита и шамота позволяет  без корректировки в течение  длительного времени поддерживать консистенцию и основность на необходимом  уровне. Плавиковый шпат, сильно разжижающий  шлак, действует кратковременно и  не обеспечивает получение нормальной однородности и жидкоподвижности шлака  на протяжении всего периода рафинировки.

    На  шлаковую смесь дают молотый кокс и для образования слабокарбидного  шлака (1,0—1,5% СаС2) печь уплотняют. В  дальнейшем шлак обрабатывают коксом таким образом, чтобы к концу  периода содержание карбида кальция  понизилось до 0,5%.

    Спустя 20—25 мин, считая от начала рафинировки, в ванну вводят необходимое количество феррохрома. После этого в зависимости  от содержания карбида кальция шлак раскисляют порошком 75%-ного ферросилиция с добавками кокса или без  них. При производстве шарикоподшипниковой  стали ШХ15СГ за 15-20 мин до выпуска  металл легируют кремнием. За 10—15 мин  до выпуска раскисление молотым  ферросилицием прекращают. Последнюю  раскислительную смесь, состоящую  из алюминиевого порошка и мелкораздробленной извести (1 : 1), присаживают в печь при выключенном токе за 5—10 мин до выпуска. Электропечь до самого выпуска больше не включают. За 2-3 мин до выпуска на штанге в печь вводят кусковой алюминий (0,5 кг/т), перемешивают металл и шлак и приступают к выпуску.

    Изучение  показало, что при выплавке, проводимой по этой технологии, значительное удаление кислорода и серы из металла происходит лишь в первые 20—40 мин восстановительного периода и изменение содержания кислорода определяется присадками раскислителей, главным образом  алюминия. Это позволило сократить  восстановительный период при интенсивном  раскислении стали алюминием.

    Тепловой  режим производства шарикоподшипниковой  стали характеризуется тем, что  перед скачиванием окислительного шлака металл нагревают до температуры 1580—1610° С с последующим понижением ее к концу плавки до 1550—1570° С  для того, чтобы температура металла  в ковше составляла 1520—1540° С.

    При плавке подшипниковой стали методом  переплава в шихту вводят до 90% собственных отходов и до 20% отходов  углеродистых сталей с содержанием  фосфора не более 0,020% или мягкого  железа. Недостающее количество углерода вводят в виде кокса или электродного боя. Отходы шарикоподшипниковой стали  могут быть заменены отходами других хромистых марок.

    В процессе плавления присаживают  известь (1%) и известняк (1%). Иногда известняк  заменяют известью. При получении  в металле после расплавления повышенного содержания углерода, марганца, кремния или фосфора допускается  частичное окисление ванны рудой  или газообразным кислородом. Применять  кислород целесообразно также для  ускорения плавления шихты, быстрого повышения и выравнивания температуры. Но в этом случае необходимо обеспечивать содержание углерода в завалке на 0,10—0,15% выше верхнего предела в стали.

            За 5 мин до скачивания окислительного  шлака присаживают чугун (5 кг/т) и в дальнейшем ведут процесс аналогично варианту плавки на свежей шихте.

      На некоторых заводах подшипниковая  сталь обрабатывается в ковше  синтетическими шлаками (40—45% Al2O3, 48—55% СаO, 2—3% SiO2, 0,5% FeO), выплавляемыми  в специальной электропечи. При  обработке стали синтетическими  шлаками происходит рафинирование  ее от серы и кислорода, что  позволяет повысить чистоту стали  по включениям при одновременном  уменьшении длительности восстановительного  периода.

    Флокеночувствительную шарикоподшипниковую сталь целесообразно  подвергать также обработке вакуумом. Поэтому заслуживает внимания разработанная  на Челябинском металлургическом заводе технология так называемой вакуум-шлаковой обработки, когда ковш с синтетическим  шлаком устанавливают в вакуумной  камере и при переливе из ковша  в ковш металл одновременно обрабатывается вакуумом и синтетическим шлаком.

    При необходимости производства шарикоподшипниковой  стали высокой степени чистоты  ее целесообразно подвергать рафинирующему  переплаву — электрошлаковому, вакуумно-дуговому или электроннолучевому. 

1.3. Выбор технологии  внепечной обработки 

    Эффективность использования способа вакуумирования стали с обработкой в столбе шлака  определяется соотношением дополнительных затрат в металлургии, связанных  с внедрением способа. И экономического эффекта от замены у потребителей металла обычной выплавки металлом, выплавленным с вакуумшлаковой обработкой.

    Исходя  из характера нагрузок срок службы подшипников, как и других деталей  машин, во многом зависит от качества применяемых сталей. На основе накопленного опыта не вызывает сомнений, что  одним из главных факторов, влияющих на срок службы подшипников и деталей  машин, являются включения, представленные окислами алюминия и железа, сульфиды, силикаты в виде глобулей и избыточные карбиды и фазы в виде ликваций (скоплений), строчек и сетки.

    Стали для изготовления подшипников выплавляются в электродуговых печах с основной футеровкой по следующей схеме (рисунок 1). 

    В состав шихты входит около 30% жидкого  чугуна с содержанием серы менее 0,030%, остальное – отсортированный  металлический лом. Сразу же после расплава шихты определяется содержание C, S, P, Cr, Ni, Mo,  Cu. Вслед за этим приступают к выжиганию углерода, продувая расплавленный металл кислородом и засыпая в ванну окислы железа, что позволяет довести содержание углерода в расплаве до 1%. После чего опять контролируют содержание C, P, S, Mn, Cr и др. Далее полностью скачивают шлак и наводят новый введением в расплав извести  CaC2. Затем вводят феррохром, доведя содержание хрома до 1,5%, одновременно добавляя FeSi, поддерживая шлак карбидом кальция (СаС2) и углеродом. В случае необходимости вслед за этим раскисляют металл алюминием. Часть жидкой стали (около 50%) сливается в ковш, из которого ее перемещают обратно в печь для интенсификации перемешивания стали со шлаком. По выполнении очередного контрольного анализа в сталь вводят разные добавки для корректировки до нормы химического состава ванны. Затем частично удаляют шлак и разливают сталь с одновременной дегазацией при вакууме менее 1 мм рт. столба. Вакуумирование стали позволяет значительно снизить содержание кислорода, азота и водорода. В период обработки металла в вакууме вводятся добавки FeSi для корректировки кремния в стали до установленной нормы. После разливки и охлаждения слитков проводятся контрольные анализы. Пробы берутся от слитка первой, средней и последней плавок из головной, средней и донной части слитка. С целью получения максимально высокого качества слитки впоследствии подвергаются переплавке различными способами. Всего их насчитывается более 21 вида, но для подшипниковых сталей используют электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы. Основная задача переплава стали – значительное снижение включений.