Лекции Т К М 2013 1

отсосать воздух и выделяющиеся из стали газы. В такой же камере можно установить изложницу и после заполнения ее сталью обработать вакуумом.

Пути уменьшения прибыльной части слитка. После заполнения изложницы сталью начинается кристаллизация – переход из жидкого в твердое состояние.

При затвердевании сталь уменьшается в объеме приблизительно на 8%. При остывании в изложнице в первую очередь затвердевают наружные слои слитка,

образуется корка, и в этом замкнутом объеме продолжается дальнейшая кристаллизация. Жидкий металл, находящийся внутри постепенно нарастающей корки, тоже охлаждается, объем его уменьшается, и под коркой образуется пустота – так называемая усадочная раковина.

Верхняя часть слитка, затвердевающая в последнюю очередь, содержащая усадочную раковину и питающая нижележащую часть слитка во время затвердевания и усадки, называется прибылью. Прибыль является дефектной частью слитка и идет в отход.

Глубина усадочной раковины зависит от формы слитка, способа разливки и скорости наполнения верхней части слитка. При сифонной разливке более горячий металл оказывается в нижней части слитка и застывает позднее, чем в верхней, поэтому усадочная раковина получается более глубокой, чем при разливке сверху, когда верхняя часть слитка питается более горячим металлом и застывает позже, чем нижняя.

Существует несколько способов сосредоточения усадочной раковины в самой верхней части слитка и ее уменьшения.

В изложнице, расширяющейся кверху, охлаждение большой массы металла,

находящейся вверху, происходит медленнее; металл, стекая вниз, питает усадочную раковину, уменьшая ее.

В результате замедленного охлаждения сталь в надставке долго находится в жидком состоянии и, стекая вниз, питает усадочную раковину. Таким образом, не устраняя усадки, этот способ позволяет «вывести» усадочную раковину за пределы слитка и сосредоточить ее в надставке.

Для уменьшения усадочной раковины применяют обогрев прибыльной части слитка коксовым газом или электродугой.

При разливке сверху применяют замедление заливки к концу заполнения изложницы, при этом питание жидким металлом верхней части слитка продолжается дольше, что приводит к уменьшению усадочной раковины.

При разливке снизу применяют следующий способ: заполнив изложницу сталью, прекращают подачу металла в центровой литник, а после образования корки на слитке вновь открывают стопор ковша и подают в литник сталь. При такой разливке «с допрессовкой» слиток питается жидким металлом,

поступающим в изложницы под ферростатическим давлением, определяемым высотой столба. Однако при этом способе возможно загрязнение донной части слитка остывшими и загрязненными порциями металла из сифонных путей.

В настоящее время сталь разливается преимущественно в расширяющиеся кверху изложницы с прибыльными надставками.

Слиток кипящей стали в отличие от рассмотренных выше условий кристаллизации спокойной стали не имеет усадочной раковины; она скомпенсирована объемом многочисленных пузырей.

Строение стального слитка. При соприкосновении жидкой стали с относительно холодными стенками изложницы возникает корковый слой,

состоящий из мелких неориентированных кристаллов. Изложница, разогреваясь,

расширяется, а корковый слой, охлаждаясь, суживается. Поэтому между слитком и стенками изложницы образуется воздушная прослойка, плохо проводящая тепло, в результате чего скорость охлаждения жидкого металла уменьшается.

Наступают условия для образования второй кристаллизационной зоны,

состоящей из столбчатых дендритов, растущих по направлению отвода тепла

(перпендикулярно к стенкам изложницы). Это явление как бы прорастания кристаллов в толщу слитка называют транскристаллизацией. При медленном затвердевании этой зоны в первую очередь затвердевают кристаллы более

чистого металла, содержащего меньше примесей п имеющего наибольшую температуру затвердевания.

Остающаяся между дендритами жидкая фаза, называемая маточным раствором, обогащается примесями (С, S, Р и др.), что понижает ее температуру плавления. По мере роста дендритов отдача теплоты наружу замедляется,

скорость охлаждения внутреннего объема стали становится ничтожной, и в этой зоне начинается рост кристаллов одновременно во всей массе. Возникает область неориентированных зерен, свободно растущих в жидком расплаве. И нижней части слитка может образоваться конус осаждения, богатый неметаллическими включениями. В верхней части располагается усадочная раковина.

Дефекты стального слитка и способы их устранения. Стальному слитку присущи такие дефекты, как усадочная раковина, усадочные рыхлоты,

химическая неоднородность состава (ликвация), неметаллические включения,

газовые раковины, трещины, плены и др.

Усадочные раковины и усадочные рыхлоты возникают из-за различия в объеме жидкой и затвердевшей стали. Возникновение дефектов и меры уменьшения их рассмотрены выше.

Ликвация возникает из-за разности состава между твердой и жидкой фазами,

затвердевающими неодновременно. При медленном затвердевании в первую очередь затвердевают кристаллы, содержащие минимальное количество примесей

(как имеющие более высокую температуру кристаллизации), а остающаяся жидкая часть слитка обогащается примесями (С, S, Р и др.). Такая избирательная кристаллизация и приводит к ликвации – образованию в слитке областей,

неоднородных по химическому составу. Ликвация может быть микроскопической и макроскопической.

Микроскопическая ликвация – это неоднородность в пределах одного зерна,

при этом затвердевающий в последнюю очередь маточный раствор располагается между растущими кристаллами. Такая дендритная и междендритная ликвация не оказывает заметного влияния на качество слитка.

Макроскопическая ликвация проявляется в том, что в различных частях слитка могут располагаться области или зоны, отличающиеся по удельному весу или химическому составу. Ликвация по удельному весу вызывает образование слоя затвердевшего металла с большим или меньшим удельным весом,

расположенного соответственно в нижней или верхней части слитка.

Ликвация наиболее опасна, если ликвационная зона насыщена такими примесями, как О2, S, Р, вызывающими значительное ухудшение механических и технологических свойств стали. Химическая неоднородность проявляется тем сильнее, чем медленнее идет охлаждение слитка и чем больше содержится в стали таких лидирующих примесей, как S, Р и С. Очевидно, что уменьшения ликвации можно добиться увеличением скорости затвердевания слитка. Кроме того; необходимо хорошо раскислять сталь, доводить до минимума содержание S

и Р, перед заливкой стали в изложницы выдержать ее в разливочном ковше для понижения температуры.

Одним из главнейших внутренних дефектов слитка являются газовые пузыри.

Они образуются вследствие выделения расплав-ленным металлом газов,

поглощенных в процессе плавки (N2, Н2, СО, СО2, СН4 и Др.). Газы могут образовываться также и в самой изложнице при взаимодействии загрязненной поверхности ее стенок с заливаемой сталью (например, восстановление растворенным в стали углеродом окислов железа из ржавчины на стенках изложницы с образованием пузырьков окиси углерода, которая проникает в жидкую сталь: C + Fe2O3 = CO + 2FeO).

Если газы успевают выделиться за время затвердевания стали в изложнице, то слиток получается плотным. Но часто они, не успев выделиться, остаются в слитке в виде пузырей, что при последующей прокатке может привести к образованию таких пороков стали, как рванины и плены.

Трещины на поверхности слитка могут быть продольными и поперечными.

Продольные трещины являются следствием неравномерного остывания слитка по сечению: остывающий в первую очередь наружный слой по мере охлаждения

стремится уменьшиться в объеме, а этому препятствует еще раскаленная сердцевина. При этом наружный слой как бы стягивает сердцевину, что приводит к возникновению растягивающих напряжений в наружных слоях и образованию продольных трещин. Уменьшить эти напряжения можно соответствующим подбором сечения слитка. Очевидно, что минимальными напряжения в поверхностном слое будут тогда, когда отношение его периметра к площади сечения будет наибольшим. В этом случае круглое сечение слитка является наиболее неблагоприятным.

Поперечные трещины возникают, когда создаются препятствия для продольной усадки слитка при его охлаждении. Это может происходить при низкой технологической дисциплине на участке разливки (недоброкачественные стаканы и пробки в разливочных ковшах, что приводит к переливу стали через верхний край изложницы; раковины и выступы на внутренней поверхности изложницы и т. д.). В таких условиях могут возникнуть продольные растягивающие напряжения в наружном слое.

Плены – наслоения на поверхности – характерны для слитков, полученных разливкой сверху. При такой разливке заплески металла, пристающие к стенкам изложницы, окисляются с поверхности и, захватываемые поднимающейся кверху жидкой сталью, не свариваются с ней. При последующей прокатке эти окисленные включения могут быть закатаны в слиток и образовать плены.

Чтобы предупредить образование плен, нужно тщательно готовить изложницы под заливку, смазывать их внутренние стенки смолой или графитом, а также принимать меры для уменьшения силы удара падающей струи металла (применяя для этого установку между разливочным ковшом и изложницей промежуточной воронки или малого ковша).

Наружные дефекты стального слитка удаляются обрубкой при помощи пневматических зубил, обдиркой на специальных станках или зачисткой поверхности огневым способом.

10. КЛАССИФИКАЦИЯ, МАРКИРОВКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

10.1. Стали

Сталь является основной продукцией черной металлургии. В Российской Федерации приняты стандарты на стали, которые устанавливают маркировку,

химический состав, способ производства и раскисления, механические свойства и правила приемки.

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2%. Основным классификационным признаком,

определяющим марку стали, является ее химический состав. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. В углеродистых сталях помимо железа и углерода, содержатся еще постоянные примеси. Эти примеси являются следствием специфических технологических особенностей металлургического производства (например, марганец, кремний вводятся в состав шихты как раскислители для удаления кислорода из металла), элементами естественного происхождения, которые в процессе плавки невозможно полностью удалить из металла (например, сера, фосфор, кислород, водород, азот) или случайного происхождения, которые входят с состав руды или шихты (например,

хром, никель, медь и др.). Содержание в стали этих примесей также зависит от способа выплавки. По способу производства различают стали конверторные,

мартеновские, электросталь и стали особых методов выплавки: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-индукционная плавка (ВИП), вакуумно-диффузионная плавка (ВДП), электронно-лучевой переплав (ЭЛП), плазменно-дуговая плавка

(ПДП). Применение особых методов выплавки позволяет получить более чистый качественный материал.

Марганец и кремний, являющиеся технологическими добавками, повышают прочностные характеристики сталей. Марганец к тому же устраняет вредное

воздействие серы на свойства стали (красноломкость), переводя серу в тугоплавкое соединение MnS.

Сера и фосфор являются вредными примесями в стали, попадая в неѐ из руды. Сера придает стали красноломкость, свойство давать трещины при горячей обработке давлением в области высоких температур (850 – 1150С). Фосфор сообщает стали хладноломкость, т.е. способность охрупчиваться при пониженных температурах, что делает невозможным применение изделий из такой стали в районах с холодным климатом.

Вредными примесями в стали являются кислород и водород. Кислород образует окислы, которые снижают прочностные свойства стали, а водород может образовывать трещинки-надрывы, называемые флокенами.

По назначению стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционными называются стали,

применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Стали,

применяемые в конструкциях и сооружениях, называются строительными. Четкой границы по химическому составу между строительной и машиностроительной стали нет. Конструкционная сталь должна обладать высокой прочностью,

пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: обрабатываемостью, штампуемостью, свариваемостью, т.е. сталь должна легко обрабатываться резанием, давлением и хорошо свариваться.

Углеродистые конструкционные стали вплавляются мартеновским и конверторным способами.

Бессемеровская сталь по сравнению с мартеновской содержит повешенное количество растворенных азота и фосфора и при одинаковом содержании углерода имеет более высокую прочность и твердость и пониженную пластичность. Сталь,

полученная в конверторах с кислородным дутьем и основной футеровкой,

приближается по свойствам к мартеновской.

По ГОСТ все металлы и сплавы получили условные обозначения, т. е. марки,

состоящие из букв и цифр, либо из комбинации букв и цифр.

Существуют два класса углеродистых сталей: обыкновенного качества общего назначения (ГОСТ 380 – 94) и качественные конструкционные стали

(ГОСТ 1050 – 88). В зависимости от условий раскисления в процессе плавки эти стали, в свою очередь, делятся на три группы: спокойные (сп), получаемые полным раскислением металла марганцем, кремнием и алюминием в печи, а затем в ковше;

кипящие (кп), раскисленные только марганцем; полуспокойные (пс) стали представляют сталь промежуточного типа, эти стали раскисленны марганцем и кремнием или марганцем и алюминием.

10.2. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества общего

назначения

Стали обыкновенного качества общего назначения содержат 0,5% углерода и выплавляются в конверторах и больших мартеновских печах. К процессу выплавки этих сталей не предъявляют высоких требований.

Стали обыкновенного качества наиболее дешевые и используются для изготовления металлоконструкций и деталей машин общего назначения; из них изготовляют горячекатаный сортовой, фасонный и широкополосный листовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы, а также поковки,

работающие при относительно невысоких напряжениях; они широко используются для строительных, сварных, клепанных и болтовых конструкций (балки, фермы конструкции подъемных кранов; корпуса сосудов и аппаратов, каркасы котлов,

драги и др.), а также малоответственных деталей машин (оси, валы, шестерни,

втулки, валики, болты, гайки и т.д.).

В зависимости от назначения и гарантируемых ГОСТом свойств эти стали делятся на три группы: А, Б и В.

Группа А – с гарантируемыми механическими свойствами.

Сталь группы А маркируется буквами Ст. и цифрами 0,1,2,3…7.

Таблица 1

Чем больше число, тем выше прочность и ниже пластичность. Эти стали используются в состоянии поставки без последующей горячей обработки давлением или термической обработки, т.к. их химический состав, определяющий режим обработки, может сильно колебаться.

Группа Б – с гарантируемым химическим составом. Они обозначаются буквами М – мартеновская, Б – бессемеровская и К – конверторная, а далее следуют буквы Ст и цифры. Чем больше цифра, тем выше содержание в стали углерода.

При одной и той же марке бессемеровские стали содержат углерода меньше,

чем мартеновские и конверторные, имеют повышенную прочность и пониженную пластичность вследствие большого содержания N, P, S.

Группа В представляет собой стали повышенного качества, которые выплавляются мартеновским и конверторным способом и поставляются с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. В

обозначение марки данной стали входит буква В (ВМСт1, ВМСт2, ВКСт3, ВКСт4

и т.д.), при этом состав стали соответствует аналогичной марке МСт1, МСт2 и т.д.,

а механические свойства приведены в таблице 1. Стали повышенного качества имеют, главным образом, специализированное назначение (мосто – и

судостроение, сельскохозяйственные машины и т. д.).

Сталь марок Ст1, Ст2,Ст3, Ст4 всех групп изготовляется кипящая,

полуспокойная и спокойная, марок Ст5, Ст6, Ст7 – полуспокойная и спокойная. К