Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




18.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


15.10.2019


13.10.2019


13.10.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Выплавка нержавеющей стали

Выплавка нержавеющей стали

21.03.2019


Все нержавеющие, кислотоупорные и жаростойкие стали содержат то или иное количество хрома. Устойчивость этих сталей по отношению к коррозии в жидких окислительных средах (например, в кислотах) и в газах, содержащих кислород (например, на воздухе или в продуктах сгорания топлива), основана на образовании пленки окиси хрома на поверхности металла, которая препятствует проникновению окисляющих веществ в глубь металлического изделия. Сопротивление стали корродирующему действию различных сред возрастает с увеличением содержания в ней хрома.

Наибольшее распространение получили хромоникелевые нержавеющие стали, содержащие 17—20% Cr и 8—11% Ni. Вследствие значительной стоимости никеля его иногда частично или полностью заменяют марганцем и азотом. Повышение содержания углерода в такой стали свыше 0,02—0,03% резко снижает ее коррозионную стойкость. Так как выплавка нержавеющей стали со столь низким содержанием углерода сложна и дорога, для ослабления вредного влияния углерода в хромоникелевую сталь типа 18-8 вводят титан или ниобий, которые связывают углерод в прочные карбиды. Количество вводимого титана должно в пять раз превышать количество активного углерода: % Ti = 5 (%С—0,02). Вместе с тем углерод повышает твердость нержавеющей стали. Сталь, содержащая 12—14% Cr и до 0,35% С, марок 1—3X13 применяется, например, для изготовления лопастей гидротурбин, а при более высоком содержании углерода (0,35—0,45%, марка 4X13) она используется для изготовления режущего инструмента.

Выплавка нержавеющих сталей, особенно низкоуглеродистых, сопряжена с рядом трудностей, в том числе с необходимостью переработки отходов. Важность последнего обстоятельства становится ясной, если учесть, что содержание дорогостоящих легирующих составляющих в нержавеющей стали — хрома, никеля, вольфрама, молибдена — может достигать 35—40%. Сохранение никеля при переплаве не представляет трудностей. Отходы нержавеющей стали, скапливающиеся в большом количестве на металлургических и машиностроительных заводах, необходимо перерабатывать такими способами, которые позволяют в максимальной степени сохранить хром. Это возможно при ведении плавки без окисления. Недостатком этого способа является повышение содержания углерода и водорода в металле. Только применение газообразного кислорода позволило получать высококачественную нержавеющую сталь с низким содержанием углерода на шихте, содержащей до 100% отходов.

При обычных температурах сталеварения окисление углерода возможно только при невысоком содержании хрома в ванне. Даже при малом содержании хрома в металле (около 1%) при 1600—1650°С трудно окислить углерод, не окисляя хром. С повышением температуры металла сродство хрома к кислороду уменьшается в большей степени, чем сродство углерода к кислороду. Поэтому если окисление ванны проводить при более высокой температуре, то окисляться будет в первую очередь углерод.

При окислении жидкого металла, содержащего хром и углерод, образуется закись хрома, растворяющаяся в шлаке, и окись углерода, выделяющаяся в атмосферу. Равновесие этой реакции описывается уравнением
Выплавка нержавеющей стали

Если шлак насыщен закисью хрома, а выделение пузырьков окиси углерода происходит при постоянном давлении, близком к 1 ат, константа равновесия этой реакции оказывается равной соотношению концентраций хрома и углерода в металле и обратно пропорциональной температуре:

Эта зависимость представлена на рис. 29. С помощью графика легко определить соотношение между концентрациями углерода и хрома, при которых возможно окисление углерода при данной температуре. Если, например, содержание углерода в металле по расплавлении равно 0,12%, а хрома 12%, то [Cr]/[С] = 100. Металл указанного состава будет находиться в равновесии со шлаком, насыщенным окислами хрома, при 1770° С. Чтобы углерод окислялся, необходимо нагреть металл выше 1770° С. Если, например, температура поднялась до 1860° С, то углерод будет окисляться, причем содержание его понизится до 0,06%, так как при 1860° С в условиях равновесия [Cr]/[C] = 200. Таким образом, окисление углерода до весьма низких значений вполне возможно и при большом содержании хрома в металле, однако необходимо проводить окисление при очень высоких температурах, порядка 1800—1900° С.

Такие условия могут быть созданы без особого вреда для футеровки электропечи при продувке ванны кислородом. При окислении хрома и железа кислородом выделяется большое количество тепла, температура металла быстро растет. Например, при продувке ванны печи емкостью 30 т кислородом в течение 20—30 мин содержание хрома понижается на 3—4%, а температура металла повышается от 1500 до 1800—1850° С. При этом в отличие от обезуглероживания металла железной или хромистой рудой становится возможным окислить углерод до 0,06—0,04%, сохранив большую часть хрома в металле. При продувке кислородом нагрев металла и окисление углерода происходят значительно быстрее. Температура шлака ниже, чем температура металла, благодаря чему высокая температура процесса практически не сказывается на стойкости стен и свода дуговой печи.

Технология выплавки нержавеющей стали методом переплава отходов с применением кислорода предусматривает использование в шихте 60—80% отходов нержавеющей стали и 40—20% отходов углеродистой, кремнистой или низколегированной хромоникелевой стали. Шихту подбирают таким образом, чтобы содержание хрома в пей было 10—14%, а кремния 1—1,3%. Окисление кремния, содержащегося в шихте, кислородом обеспечивает быстрый нагрев ванны. Это способствует снижению угара хрома и железа. При низком содержании кремния в отходах добавляют ферросилиций.

Для понижения содержания фосфора в шихте иногда приходится вводить в ее состав некоторое количество шихтовой заготовки с низким содержанием фосфора. Применение такой заготовки оказывается необходимым потому, что при выплавке нержавеющей стали описываемым методом фосфор практически не удаляется.

Взамен низкофосфористой шихтовой заготовки используют более дешевые отходы трансформаторной стали, которая, кроме того, содержит около 3% Si. что позволяет сэкономить ферросилиций. В завалку вводят требуемое количество никеля, иногда в виде закиси никеля. Шлакообразующие материалы — шамотный бой, известь— добавляют в завалку или во время плавления шихты.

Подрезку шихты кислородом для ускорения плавления и предупреждения зависания или образования мостов можно начинать, как только на подине образуется лужица жидкого металла, а шихта разогреется докрасна. Однако наряду с сокращением удельного расхода электроэнергии при этом одновременно возрастает угар хрома. С целью уменьшения угара хрома и связанных с этим неприятных последствий (получение густых, с трудом поддающихся раскислению шлаков; повышенные потери хрома в шлаке; повышенный расход раскислителей) продувку ванны кислородом начинают лишь после расплавления 70—80% шихты. Умелая и своевременная подрезка шихты кислородом позволяет сократить продолжительность периода плавления на 15—20% и расход электроэнергии на 20—25%.

После расплавления и отбора пробы для химического анализа ванну продувают кислородом в течение 20—30 мин. При этом окисляется 2—3% Cr, так что содержание его в металле снижается, например, с 12 до 9%. Металл нагревается до 1800—1850° С. Повышение температуры ванны создает условия для окисления углерода.

Чем выше содержание хрома в металле и ниже требуемое содержание углерода, тем выше должна быть температура конца продувки, тем труднее добиться обезуглероживания металла. В отличие от этого увеличенное содержание углерода в шихте не осложняет хода продувки: чем оно выше, тем при менее высоких температурах начинается окисление углерода. О начале процесса окисления углерода судят по появлению светящегося пламени, выбивающегося из печи; это догорает окись углерода. Расход кислорода в окислительный период плавки обычно составляет 10—15 м3/т. He более 1/6 части этого количества расходуется непосредственно на окисление углерода. Остальной кислород затрачивается на окисление железа, хрома, кремния, титана, марганца. В табл. 19 приведен состав металла в конце периода плавления и после продувки ванны кислородом.

Если необходимо получить нержавеющую сталь с пониженным содержанием углерода, приходится сокращать долю высокохромистых отходов в шихте; так, если предельное содержание углерода в готовой стали 0,06%, максимальное расчетное содержание хрома в шихте не должно быть выше 7%, а количество отходов нержавеющей стали — не более 30%. При таких соотношениях хрома и углерода удается окислять углерод до низких значений при температуре, не превышающей 1800—1850° С. При недостатке хромистых отходов содержание хрома в шихте может быть повышено за счет добавки в шихту относительно дешевого углеродистого феррохрома.

После окончания продувки металла кислородом в печь присаживают металлический марганец или силикомарганец и в 2—3 приема загружают мульдами или из лотков предварительно подогретый до 700—800° С феррохром. Первые порции феррохрома быстро растворяются благодаря высокой температуре металла после продувки. Иногда для охлаждения ванны после продувки загружают часть отходов нержавеющей стали. Одновременно с легированием начинают раскисление шлака с целью восстановления содержащихся в нем окислов хрома молотым ферросилицием или силикохромом. При использовании силикохрома наряду с раскислением шлака и металл вводится хром, благодаря чему сокращается количество более дорогого низкоуглеродистого феррохрома, которое нужно добавить в ванну.

Восстановление окислов хрома, железа и марганца кремнием протекает тем полнее, чем выше основность шлака. Если по ходу раскисления известь не добавляется, то основность шлака не превышает 0,6—0,8. Состав шлака после раскисления приведен в табл. 20.

Степень извлечения хрома из отходов не превышает 85%. Если повысить основность шлака до 1,5—2,0, содержание хрома в шлаке снижается до 3—4%, а степень извлечения его из отходов повышается до 95%. Применение порошкообразного алюминия и силикокальция для раскисления шлака также позволяет увеличить извлечение хрома из шлака, так как раскислительная способность алюминия и кальция очень велика.

Перед введением в сталь ферротитана шлак полностью удаляют из печи. Это делают для того, чтобы уменьшить угар титана и предотвратить чрезмерное восстановление кремния титаном. Затем в печь присаживают подогретый ферротитан и наводят новый шлак из извести и плавикового шпата. Иногда ферротитан вводят после того, как в печи сформируется новый известково-глиноземистый шлак из извести и алюминиевого порошка, присаженных после скачивания шлака. Количество добавляемого ферротитана определяют в зависимости от содержания углерода в металле после расплавления. Если, например, содержание углерода в стали оказалось равным 0,08%, можно ожидать, что к концу плавки оно повысится до 0,09%, так что содержание титана в готовой стали не должно быть меньше: % Ti = (0,09—0,02)5 = 0,35%. Верхний предел содержания титана в нержавеющей стали 0,7—0,8%, однако стараются, чтобы содержание титана было ближе к нижнему пределу, в данном случае к 0,35%. Переход титана из ферротитана в сталь составляет 50—55%, а если металл легируют брикетами порошкообразного металлического титана или титановой губкой, то еще меньше. После загрузки ферротитана плавку выдерживают в печи 6— 8 мин и выпускают в ковш.

При выплавке нержавеющей стали в ванну присаживают большое количество ферросплавов. Распределение этих добавок в объеме ванны зависит от интенсивности перемешивания. Особенно важную роль приобретает перемешивание металла при выплавке высоколегированной стали в большегрузных печах. В печах малой емкости перемешивание осуществляется механическим способом при помощи гребков. В печах емкостью 100 г и более однородного состава ванны добиваются с помощью электромагнитного перемешивания.

При выплавке нержавеющей стали в печах емкостью 100 г шихту, содержащую много мелкой обрези и стружки, заваливают в два приема. К продувке ванны кислородом приступают, когда расплавлено 80—90% шихты. Кислород подают в жидкий металл одновременно двумя футерованными дюймовыми трубками. Сталевар должен непрерывно перемещать конец трубки, чтобы избежать местного перегрева ванны и срыва подины. Через 10—15 мин после начала интенсивного горения углерода печь отключают и далее продувку ведут без подвода электрической энергии. Для эффективного окисления углерода необходимо, чтобы давление кислорода в магистрали не опускалось ниже 10 ат, а расход составлял не менее 50 м3/мин. При таком расходе кислорода продолжительность продувки в 100-т электропечи составляет 35—40 мин.

После окончания продувки сталь легируют хромом и приступают к раскислению шлака. Степень извлечения хрома здесь несколько ниже, чем при выплавке нержавеющей стали в печах меньшего размера. Это объясняется тем, что в большегрузной печи наиболее удаленные от рабочего окна участки ванны раскисляются слабо, так как загрузка большого количества раскислителей мульдами не позволяет распределить их равномерно по всей поверхности шлака.

Так как скачивание шлака в условиях большегрузной плавки — операция очень трудоемкая и продолжительная, в печи остается много шлака. Это приводит к повышенному угару титана и значительному восстановлению кремния из шлака. Содержание титана, кремния и хрома в большегрузных плавках сильно колеблется от плавки к плавке. Тем не менее по качеству нержавеющая сталь, выплавленная в печах емкостью 100 г, существенно не отличается от металла, полученного в печах малой и средней емкости. Однако выплавка столь высоколегированной стали в крупных печах требует от сталевара особых навыков и внимания.