Электросталеплавильное производство стали марки 3Х3М3Ф

Головна мета легування переважної більшості сталей — підвищення міцності за рахунок розчинення легуючих елементів у фериті та аустеніті, утворення карбідів та збільшення прогартовуваності. Крім того, легуючі елементи можуть підвищувати стійкість проти корозії , теплостійкість, жаростійкість (окалиностійкість), жароміцність тощо. Такі елементи як хром, марганець, молібден, вольфрам, ванадій, титан утворюють карбіди, а нікель, кремній, мідь, алюміній карбідів не утворюють. Марганець та нікель знижують критичні точки А₁ і А₃, а решта — підвищують. Крім того, легуючі елементи зменшують критичну швидкість охолодження при гартуванні, що необхідно враховувати при призначенні режимів гартування. За значної кількості легуючих елементів може суттєво змінитись структура, що приводить до утворення нових структурних класів в порівнянні з вуглецевими сталями.

 Легуючі елементи змінюють  механічні,  фізико-механічні, фізичні  та хімічні  властивості вуглецевих  сталей.  Так,  для  збільшення  зносостійкості  в сталь  додають  марганець,  вольфрам,  ванадій;  для  підвищення  корозійної  стійкості  вводять  хром  і нікель.

Легуючі  елементи  розчиняються  в  фериті,  аустеніті,  цементиті,  а  також  утворювати  з  вуглецем  сполуки,  які називають  карбідами.  Деякі  легуючі  елементи  утворюють  інтерметалеві  сполуки із  залізом  або  між  собою.  У  фериті  розчиняються  кремній, нікель,  кобальт,  марганець,  хром,  молібден,  вольфрам,  азот,  фосфор  та  інші,  вони  підвищують  його  твердість,  зменшують  пластичність, підвищують  крихкість.  В  аустеніті розчиняються нікель,  марганець, хром  та  інші.  Ці  елементи  затримують розпад  аустеніту на  ферито-цементитну  суміш.

Для заданної сталі ШХ15хімічний склад рокисників та легуючих приведений у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1. Хімічний склад  розкісників та легуючих,%

Марка	C	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	S	P	Co
ФМН 1,0	1,0	85	2,0	-	-	-	0,03	0,3	-
ФС 75	-	0,4	Св. 74-80	0,4	-	-	0,02	0,05	-
ФХ 100А	1,0	-	2,0	65	-	-	0,04	0,03	-
Н4	0,150	-	-	-	97,6	1,00	0,040	-	0,700

 

Вміст вуглецю в шарикопідшипникових  сталях обумовлює їх високу міцність після термічної обробки і  стійкість проти стирання поверхнева твердість визначається концентрацією  вуглецю в мартенситів, тому вона однакова для всіх шарикопідшипникових  сталей. 

Твердість внутрішніх шарів металу залежить від глибини прокаліваемості, яка в свою чергу залежить від вмісту хрому. Хром сповільнює перетворення аустеніту в перліт і тим самим збільшує прокаліваемость сталі, тому, чим більша деталі підшипників, тим з великим вмістом хрому (0,4-1,65%) застосовується сталь для їх виготовлення.

Крім того, висока твердість карбідів хрому підвищує зносостійкість сталі. Хром збільшує стійкість мартенсіта проти відпустки, зменшує схильність стали до перегріву і надає їй дрібнозернисту структуру. Але приви сокому вмісті хрому (>1.65%) важко отримати однорідну структуру,тому вміст хрому в шарикопідшипникових сталях зазвичай не перевищує 1.65%.

Марганець, як і хром, збільшує твердість  і опірність сталистирання. Але  одночасно він сприяє росту зерна  при нагріванні, в наслідок чого при термічній обробці може утворюватися грубозерниста структура перегрітої сталі. Негативний вплив на в'язкість шарикопідшипникових стали робить кремній. Але марганець і кремнійє розкислювачі, і чим вище їх вміст, тим повніше розкислюеться сталь, тому присутність цих елементів у шарикопідшипникових сталі всіх марок бажано не більше 0,35% Si і 0,4% Mn.

Шкідливими домішками для шарикопідшипникових  сталі є фосфор, мідь і нікель. Фосфор збільшує схильність стали до утворення крупнозернистої структури при нагріванні, підвищує крихкість і зменшує міцність на вигин, що у свою чергу збільшує чутливість стали до динамічних навантажень і схильність виробів до появи гартівних тріщин. У зв'язку з цим вміст фосфору в металі обмежують. Мідь, хоча і збільшує твердість, межа міцності і прокаліваемость сталі, є небажаною домішкою, тому що з підвищенням вмісту міді при гарячій механічній обробці збільшується утворення поверхневих тріщин і надривів.

Опірність стали викрошіванію зменшують  домішки таких кольоровихметалів, як олово, свинець, миш'як. Негативний вплив  на властивостістали роблять також  гази: кисень утворює неметалеві включення,водень збільшує ураженість флокенамі, а азот знижує опірністьвикрошіванію.

Вплив сірки на властивості шарикопідшипникових  стали не однозначно. Негативний вплив позначається у зниженні стійкості до стиранняі втомне руйнування при виході на робочу поверхню сульфідів.  
Однак створення сульфідної оболонки навколо сульфідних включень придостатній вміст сірки зменшує вплив цих включень на концентрацію напружень і внаслідок цього підвищує опір втоми. Зі збільшенням відносини концентрацій S/O до 3-5 стійкість підшипників зростає. Цьому сприяють і поліпшення якості поверхнівнаслідок того, що сірка покращує оброблюваність сталі.

Основною структурною складовою  конструкційних сталей є ферит (до 90%). Тому легуючі елементи повинні в  першу чергу зміцнювати ферит. (Цементит взміцненні не потребує.) Максимальне  зміцнення фериту створюють кремній, марганець і нікель (див. рис. 2.1, а). Ці елементи не утворюють власних карбідів, тому містяться тільки в твердому розчині. Кремній до того ж розчиняється за типом впровадження, що дає особливо ефективне зміцнення.

Залежність кількості легуючих елементів на якість сталі наведена на рисунку 2.1

Рисунок 2.1 Вплив легуючих елементів на механічні властивості  сталі.

а - на твердість у відпаленого  стані, б - на ударну в'язкість

 

На пластичність легуючі елементи майже не впливають, але знижують ударну в'язкість при додаванні їх більше 1% (рис. 2.1, б).

Звідси випливає, що легування  має бути раціональним: додавати потрібно мінімально необхідну кількість  кожного елемента, причому переважно  використовувати комплекс легуючих елементів, а не якийсь один.

 

3 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ  СПОСОБІВ ВИРОБНИЦТВА СТАЛІ ТА  ОБГРУНТУВАННЯ ПРИЙНЯТОГО СПОСОБУ  ВИПЛАВКИ

 

Найбільш поширеними способами  виробництва шарикопідшипникових  сталей є: основний мартенівський, кислий мартенівський та електродуговий. Останній, за даними С.С. Штейнберга, був визнаний найбільш досконалим. Вважалося, що в електропечі може бути виплавлений першосортний метал навіть з відносно забруднених сіркою і фосфором матеріалів. Тому на заводах, на яких вихідні матеріали забруднені сіркою і фосфором вище норми, єдиним агрегатом для виплавки сталі гатунку була визнана електропіч.

Там, де можливе отримання чистих за сіркою та фосфору чавунів, рівноцінним агрегатом була визнана кисла мартенівська піч.

В даний час в країнах СНД  майже 90% підшипникової сталі масового призначення виплавляється в електродугових печах і близько 10% вкислих мартенівських печах.

Новим напрямком, розвитку в останні  роки у вітчизняній промисловості  при виплавці сталі у відкритих  дугових електропечах, з'явилося  позапічний метод вакуумування в  ковші, в установках циркуляційного або порційного вакуумування, вакуум-шлакової обробки (УВСШ).

За кордоном вдосконалення процесу  виробництва сталі для підшипників масового і, частково, спеціального застосування пішло по шляху позапічного вакуумування. Сталь для особливо відповідальних підшипників виплавляють методами вакуумної індукційної виплавки, вакуумно-дугової переплавки, Електронно променевої плавки, плазмового і електрошлакового переплаву.

 

 

3.1 Виплавка в електродугових печах

 

Підшипникову сталь виплавляють за двома технологічними схемами – з обробкою пічним шлаком і з обробкою металу в ковші високо глиноземистим синтетичним шлаком, одержуваним в окремій печі.

Залежно від застосовуваної шихти  в обох технологічних варіантах виплавка може проводитися методом переплавки або на свіжій шихті. При виплавці сталі методом переплавки з обробкою пічним шлаком використовується від  
70 до 100% відходів підшипникових сталей. Остаточне розкислювання проводять пічним кусковим алюмінієм шляхом присадки його в піч за 5 хвилин до випуску (0,5 кт/т сталі). При виплавці на свіжій шихті з обробкою пічним шлаком використовують вуглецевий брухт (74-77%), чавун (18-21%), і відходи підшипникової сталі (4,5%). Остаточне Розкислювання металу виробляють первинним алюмінієм у кількості 0,5 кг/т у ківш.

Високоглиноземистим синтетичним шлаком може оброблятися сталь, виплавлена як на свіжій шихті, так і методом переплавки. Фізико -хімічні процеси, що протікають в ковші при взаємодії рідкої сталі з рідкими вапняно-глиноземисті синтетичними шлаками, в основномузводяться до того, що при зливі рідкого металу з достатньо великої висоти в ківш відбувається їх інтенсивне перемішування і взаємне емульгування. Поверхня контакту металу і шлаку при їх взаємному емульгуванні надзвичайно збільшена в порівнянні зі звичайним способом рафінування металув печі.

В останні роки дослідження спрямовані на зниження основності рафіновані шлаку. Застосування шлаків з зниженою основностю, полукіслих і кислих шлаків продиктовано прагненням наблизити склад включень в основних електродугових сталях до складу їх в кислому мартенівському або кислоих індукційних сталях.

За таких процесах повинно знижуватися число великих глобулярних включень, але підвищуватися число сульфідних і силікатних включень. При рафінуванні сталі кислими шлаками переважаючим видом кисневих включень стають тонкі строчки дрібних зерен корунду.

 

3.2 Спеціальні способи виплавки

 

Виплавка змішанням в ковші  рідких розплавів. Особливістю цієї технології є одночасне комплексне використання трьох металургійних агрегатів: основної мартенівської печі,в якій виплавляють залізовуглецевий напівпродукт; дугової електропечі для виплавки рідкої лігатури; шлакоплавильної електропечі для виплавки синтетичного шлаку.

Отримання сталі здійснюється шляхом змішування в сталерозливному ковші залізовуглецевих напівфабрикату і рідкої лігатури в процесі рафінування розплавів синтетичним шлаком і продуванням аргоном.

Передумови підвищення якості та експлуатаційних  властивостей сталі, отриманої за технологією змішання з продувкою металу в ковші аргоном в  порівнянні зі звичайною електросталлю, засновані на наступних теоретичних положеннях та експериментально встановлених фактах:

а) покращуються умови розкислення  і легування сталі в ковші;

б) в процесі розкислення беруть участь не тільки алюміній і кремній, а й вуглець, який утворює газоподібні продукти реакцій і володіє при вибраній технології змішання розкислюючу здатність на порядок вище кремнію;

в) рівномірно розподілені легуючі  елементи в обсязі ковша; г) як об'єкт  розкислення використаний

залізовуглецевий розплав необхідного і легко регульованого окислення.

 

3.3 Вакуумна плавка, переплав та вакуумна дегазація сталі

 

Застосовується кілька різновидів вакуумної обробки підшипникової сталі.

1) Виплавка в вакуумних індукційних  печах на свіжій шихті.

2) Виплавка в електродугових печах з подальшою позапічною вакуумною обробкою в ковші або на спеціальних установках, цей процес називають вакуумуванням або вакуумною дегазацією.

3) переплав електродів у вакуумних  дугових печах. Електродами є  прокатані заготовки, попередньо отримані в електродугових або електрошлакових печах.

Загальні особливості вакуумної  обробки полягають в наступному: рідкий метал зберігаеться від окислювального впливу атмосферного кисню; внаслідок зниження тиску в печі зменшується розчинність азоту і водню, вони виділяються з рідкого металу і відкачуються; в наслідок підвищення розкислюючої здатності вуглецю зменшується вміст кисню в металі і, як наслідок, знижується вміст неметалічних включень в результаті відновлення їх вуглецем і частково в результаті термічної дисоціації; також знижується вміст домішок деяких кольорових металів (олово, миш'як, свинець, вісмут та ін); підвищується хімічна однорідність сталі.

Для позапічного вакуумування підшипникової сталі всіх марок в основному застосовують такі найбільш продуктивні способи:  
- циркуляційний (RH) - продуктивність однієї установки близько 400 тис. т на рік;  
- порційний (DH) - продуктивність близько 200 тис. т на рік;  
- вакуумування в ковші-печі ASEA-SKF (з дуговим підігрівом і електромагнітним перемішуванням) - продуктивність близько 200 тис. т на рік.

Всі перераховані установки можуть працювати в комплексі з будь-якими сталеплавильними агрегатами - електродуговим, мартенівським, конверторним способом. Вакуум створюється високопродуктивними пароежекторнимі насосами.