Технология выплавки нержавеющей стали

метки: Нержавеющий, Сварка, Сталь, Плавка, Метод, Металл, Рафинирование, Сплавление

1 Назначение стали, область применения и требования,

Для успешного развития современной техники, авиации, атомной энергетики, химической, нефтяной и пищевой промышленности требуется большое количество листа, труб, лопатки паровых турбин, клапаны, болты и т. д., которые по условиям эксплуатации оборудования часто должны комплексно обладать высоким уровнем таких свойств, как коррозионная стойкость в атмосфере воздуха, перегретого пара, в слабокислых и щелочных растворах, прочность, износостойкость, усталостная прочность, жаропрочность.

Коррозионно-стойкая (нержавеющая) сталь отличается стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской).

Нержавеющая сталь применяется для изготовления валов, дисков, лопаток компрессоров и газовых турбин, рабочих колёс перекачивающих насосов, крепежа, болты и трубы.

Изделия из нержавеющей стали предназначены для работы в агрессивных средах при обычных или высоких температурах, поэтому основным требованием, предъявляемым к нержавеющей стали, является коррозионная стойкость (способность противостоять воздействию агрессивной среды при обычной температуре), а также жаростойкость (сопротивление воздействию газовой среды или пара высоких температур).

Жаростойкая сталь, как правило, должна быть и жаропрочной, т.е. противостоять при высокой температуре в течении промежутка времени разрушению и ползучести.

Таблица 1.1 Механические свойства и термическая обработка стали марки 12Х13

2 Влияние легирующих элементов на свойства стали

Главное влияние, которое оказывают легирующие элементы на сталь, заключается в значительном повышении её коррозионной стойкости, механических свойств, главным образом предела прочности, предела текучести, твердости и в ряде случаев относительного сужения и ударной вязкости. Особенно благоприятные результаты получаются при легировании стали двумя, тремя, а иногда большим числом легирующих элементов.

В качестве легирующих в нержавеющих сталях при­меняют хром, никель, марганец, кремний.

Легирующие элементы вводят в сталь в виде спла­вов с железом (например, феррохром, ферромарганец, ферросилиций) либо с железом и другим каким-либо элементом (например, ферросиликохром), либо в виде одного элемента (никель, металлический хром, метал­лический марганец).

Феррохром . Хром —основной легирующий элемент для получения стали с особыми химическими свойства­ми. Поэтому феррохром при выплавке нержавеющих сталей является одной из главных легирующих добавок. В ряде случаев применяют металлический хром. В ка­честве легирующей присадки и в качестве раскислителя нередко применяют ферросиликохром.

Легированные стали

... хром настолько улучшает его свойства, что он удовлетворительно куется и в производстве заменяет сталь. На рис.1(см.приложение) приведена структурная диаграмма отожженной хромовой стали в зависимости от содержания углерода и хрома. Концентрация легированного ...

Ферроникель,как и хром, является основным легирующим элементом при производстве хромоникелевой нержаве­ющей стали. Никель, как правило, вводят в завалку на нижний предел заданного состава с учетом содержания его в шихте. Гранулированный и прессованный никель, ферроникель и закись никеля вводят только в завалку на плавках с полным окислением и при выплавке пере­плавом с кислородом. Для корректировки химического состава плавки во время кипения и рафинирования применяют только электролитический, огневой (чушко­вый) или карбонильный никель.

Ферромарганец , или металлический марганец, при­саживают в период плавления или рафинировки. При выплавке хромоникелевой нержавеющей стали ферро­марганец употребляют в небольших количествах и главным образом малоуглеродистый.

Ферросилиций . Кремний в количестве до 0,2—0,3% остается в стали после раскисления и считается посто­янной примесью, свыше 0,3—0,7% он является уже легирующим элементом. Ферросилиций для легирова­ния металла кремнием вводят за 10—20 мин до выпуска. При выплавке нержавеющей стали для легирования металла применяют только 75%-ный ферросилиций.

Силикокальций применяют в виде порошка для рас­кисления шлака в течение всего периода рафинирова­ния. Кусковой силикокальций фракции не более 50 мм разрешается присаживать в шлак при выплавке нержа­веющих сталей с повышенным кремнием и в ковш под струю металла при выплавке сталей различного назна­чения.

Алюминий для окончательного раскисления вводят в металл за 2 —3 мин до выпуска. Куски алюминия на шомполе погружают как можно глубже в металл и вы­держивают там в спокойном состоянии до полного рас­творения.

Раскисление стали алюминием можно производить и в ковше. В этом случае куски алюминия с отверстия­ми по центру насаживают на шомполы диаметром 25 мм; шомполы с алюминием до выпуска плавки за­крепляют на борту так, чтобы нижний кусок был на расстоянии не более 0,5 м от дна ковша. Алюминий применяют для окончательного раскисления металла почти всех марок, кроме легированных титаном. Для раскисления сталей обычно применяют алюминий, со­держащий до 8% примесей, а для легирования—алю­миний, содержащий не менее 98% А1.

Медь повышает пластичность стали в холодном состоянии, сопротивляемость стали атмосферной коррозии. При 0,3% меди в стали образуются участки сплава с низкой температурой плавления. Этот сплав отлагается по границам зёрен и вызывают красноломкость металла при ковке и прокатке.

Сера вызывает красноломкость стали, понижает механические свойства, увеличивает склонность к ржавлению и истиранию, снижает способность стали к глубокой вытяжке (штамповке).

Фосфор вызывает хладноломкость стали, но также повышает коррозионную стойкость стали.

3 Обзор существующих способов производства стали

В настоящее время нержавеющую сталь марки 12Х13 выплавляют главным образом в электродуговых печах с основной футеровкой.

Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии

... что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, ... +28,5° С. Это легкоплавкий металл. Самым тугоплавким металлом является вольфрам W. Его температура ... определить характеристики механических свойств. Выполнены работы по обеспечению принципа подобия при ... -устойчивый Ножевые изделия, хирургические инструменты Нержавеющая сталь 85,1% Fe 13,7% Cr 0,3% C ...

При выплавке в дуговых печах используют разные методы:

Выплавка нержавеющей стали методом полного окисления

Первоначальный технологический процесс выплавки стали 12Х13 был аналогичен процессу плавок прочих легированных марок сталей. Он предусматривал прове­дение полного окисления примесей и рафинирования ванны под белым шлаком. Основные положения этой технологии были разработаны в довоенное время для плавки стали в небольших печах (5—6-т).

Шихту состав­ляли из чистого углеродистого лома, никеля и передель­ного чугуна из расчета получения в первой пробе 0,7— 0,8% С, 0,6—0,7% Мn и 13,0—14,0% Ni. Окислительный период проводили до получения в металле не более 0,04—0,05%, после чего шлак начисто скачивали. Со­держание марганца в процессе кипения ванны поддер­живалось не менее 0,20% систематическими присадками ферромарганца. Общая продолжительность окислитель­ного периода составляла около 2 ч. После скачивания шлака давали металлический марганец, сухой речной песок для образования под электродами тонкой пленки шлака для предохранения металла от науглероживания, а затем известь и плавиковый шпат. Через 8—10 мин от включения печи давали около 1 кг/т А1, после 30—40 мин жидкоподвижный шлак раскисленым 75%-ным ферросилицием до получения го металла. Кокс в период рафинирования безуглеродистым феррохром марки ФХ 005 в несколько приемов в хорошо нагретый металл. Рас­плавление феррохрома длилось 1,5—2 ч. После расплав­ления феррохрома продолжали раскисление ванны молотым ферросилицием до получения светлого рассыпа­ющегося в порошок шлака.

Основным недостат­ком этого метода была необходимость сильного нагрева металла перед присадкой феррохрома, а затем продол­жительное плавление его и вновь нагревание ванны до необходимой при выпуске температуры. Это приводило к сильному износу футеровки печи и особенно свода, который в то время выкладывался только из динасового кирпича и на плавке сильно оплавлялся.

Оплавление свода сказывалось на шлаках, они стано­вились кислыми, что требовало больших присадок из­вести. Образовывалось большое количество шлака, что в свою очередь затягивало расплавление феррохрома и расстраивало нормальный ход рафинирования.

Чрезмерно большое количество присаживаемой во время рафинирования извести способствовало поглоще­нию металлом водорода. В результате сталь получалась насыщенной газом, слитки были свищеватыми и не всег­да могли быть пригодными для дальнейшего передела Были случаи, когда на плавке происходило проедание металлом подины или откосов и печь аварийно выходила из строя. Вследствие этих недостатков выплавка стали 12Х13 (с 1962 г 12Х13 по ГОСТу 5632—61) с пол­ным окислением не нашла широкого распространения.

Выплавка нержавеющей стали методом частичного окисления

Желание избежать длительного периода окисления привело к разработке метода частичного окисления. Сущ­ность метода состоит в изготовлении низкоуглеродистого мягкого железа в самой электропечи в процессе плавки. Для этого в качестве шихты использовали низкоуглеро­дистое железо, содержащее 0,10—0,15% С.

Электрометаллургия. устройство печей

... 45° для выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на ... потери тепла. Ос новные части футеровки – подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигает несколь­ких тысяч градусов. Хотя ... Диаметр от­верстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые раз­рушают электрод ...

Завалку начинали с загрузкой на подину извести (1,5—2% от массы шихты), поверх которой заваливали никель и шихтовое углеродистое железо.

За 15—20 мин до полного расплавления давали порцию железной руды (1,5—2% от массы шихты) и отби­рали пробу металла на углерод. После полного расплавлеиия давали еще одну-две порции руды в зависимости от содержания углерода. По достижении содержания 0,03—0,04% С окислительный шлак скачивали начисто. Далее плавку вели под глиноземистым или известковым шлаком. Выбор характера шлака зависел от содержания серы в исходной шихте и от требований к содержанию серы в готовой стали. Металл раскисляли 75%-ным фер­росилицием через 25—30 мин от начала рафинирования. В хорошо нагретый и раскисленный металл давали по­догретый до 800—900° С феррохром марки ФХ005 в два-три приема. Через 1—1,5 ч от конца дачи феррохрома при достижении нужной температуры скачивали около 75% шлака. Средняя продолжительность плавки составляла 6 часов.

Метод частичного окисления давал возможность по­лучать нержавеющую сталь в 95% всех плавок с содер­жанием углерода в готовом металле не выше 0,12%. Ме­талл получался вполне удовлетворительного качества. Угар хрома был минимальным и составлял всего 2—4%.

В течение примерно двух лет метод частичного окис­ления был основным методом производства нержавею­щей стали. Были выполнены сотни плавок. Вначале метод не подвергался изменениям и осваивался таким, каким он был разработан при проведении опытных плавок. Че­рез некоторое время в изложенную выше технологию вне­сены были изменения: 1) большая часть мягкого железа была заменена отходами хромоникелевых сталей с низ­ким содержанием углерода; 2) масса плавки была повы­шена; 3) после скачивания окислительного шлака в ме­талл добавляли 10—12% нагретых до красна отходов стали 12Х13 для экономии легирующих материалов.

Выплавка нержавеющей стали методом сплавления

Метод сплавления был разработан в 1947—1948 гг. Он был одним из вариантов, позволяющих выплавлять нержавеющую сталь в больших 30-т электропечах. Глав­ным отличием его было то, что в качестве основного ших­тового материала использовали предварительно выплав­ленное в электропечах и прокатанное на блюмы мягкое железо, содержащее не более 0,05% С; 0,010% Р и 0.020% S.

При организации выплавки нержавеющей стали ме­тодом сплавления были опробованы три варианта завал­ки и расплавления. Переход от одного варианта к друго­му обусловливался величиной получаемых по расплавле­нии содержаний углерода.

В первом варианте расположение материалов было следующее: на подину печи давали известь и плавиковый шпат, затем в центр печи заваливали мульдой никель и мягкое железо; по откосам укладывали феррохром марки ФХ006. В первой же плавке содержание углерода по расплавлении всей шихты оказалось 0,19% при рас­четном 0,07%. Рост содержания углерода можно объяс­нить науглероживающим влиянием электродов, качество которых в то время было еще низким.

Для устранения этого явления было решено дать в завалку хромистую руду, а во время плавления приса­живать небольшими порциями железную руду. Завалку в этом варианте располагали так: на подину давали 400—500 кг извести, 200—-250 кг плавикового шпата и 100 кг кварцевого песка. Затем заваливали никель, а на него 400 кг хромистой руды. Далее укладывали блюмы мягкого железа и по откосам печи феррохром. Во время расплавления в образовавшиеся колодцы под электроды давали порциями по 7—15 кг железную руду в количест­ве 600—700 кг на плавку. В плавках, выплавленных по этому методу, содержание углерода по расплавлении по­лучилось 0,11—0,12%. Это содержание углерода удава­лось удержать до выпуска металла из печи. Однако в хо­де плавок было установлено, что хромистая руда играет незначительную роль в окислении углерода ванны и со­хранении в ней хрома.

Технико-экономическая характеристика отдельных способов производства стали

... автоматизации производства, внедрения новых прогрессивных способов работы, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей плавки и качества готовой продукции. Украина сегодня занимает 7 место в мире по производству стали. Способы производства стали и ...

Переход хромистой руды в шлак по расплавлении ван­ны приводил к высокому содержанию окислов хрома в нем, что сильно затрудняло ведение плавки. Поэтому в дальнейшем был применен третий вариант, заключав­шийся в том, что и в завалку, ив период расплавления да­вали железную руду.

Порядок завалки шихтовых материалов был следую­щий: на подину давали 400 кг извести, 200 кг плавико­вого шпата, 100 кг кварцевого песка. Затем заваливали весь никель, поверх которого загружали 4—5 т мягкого железа. Далее присаживали железную руду в количест­ве 1500 кг под каждый электрод по одной мульде. По­верх руды загружали остальную часть мягкого железа, а по откосам укладывали феррохром марки ФХ004.

Этот метод обеспечил получение стали с содержанием углерода до 0,12% в 89% плавок. Ввиду того что в за­валку и во время плавления давали железную руду, зна­чительно повысился угар хрома, который колебался в пределах 15 — 20%, а на некоторых плавках доходил до 24%. Раскисление шлака молотым ферросилицием не­сколько уменьшало угар, но все же он оставался высо­ким. Это является одной из причин того, что от метода сплавления перешли к другому, более экономичному.

Таким образом, метод сплавления по третьему вари­анту на определенном этапе освоения выплавки нержа­веющей стали позволил получить металл с необходимым содержанием углерода и удовлетворительного качества. Средняя продолжительность плавки — 6 ч 40 мин.

Выплавка нержавеющей стали методом смешения

Сущность этого метода заключается в том, что вод­ной электропечи выплавляют мягкое железо с никелем, а в другой сплавляют отходы нержавеющей стали 12Х13 или при их отсутствии мягкое железо с ферро­хромом. Затем обе плавки смешивают в одном ковше.

Технология этого метода была разработана и осуще­ствлена на уральском заводе. Электропечи, выплавляю­щие равные части плавки, были условно названы Л и Б. В печи А выплавляли хромистую часть плавки, а в печи Б никелевую. Расчет шихты производили таким образом, чтобы феррохром и никель, загружаемые в разные печи, обеспечили необходимый состав металла после смешения. При расчете учитывали угар хрома 5%, титана 50%; ус­вояемость никеля брали 97%. Завалка в печах А ц Б составляла 14—15 т.

После доводки шлака металл раскисля­ли порошком 75%-пого ферросилиция до спокойной про­бы в стаканчике. Далее брали пробы на химический ана-1из и производили тщательную соответствующую кор­ректировку.

При совпадений фактических содержаний элементов с расчетными плавку подготавливали к выпуску. Первой выпускали в ковш плавку из печи А, а на нее плавку из печи Б. Такой порядок выпуска плавок гарантировал надлежащее смешение металла и его однородность. Сле­дует отметить, что в период освоения этой технологии были трудности с обеспечением в готовом металле необ­ходимого содержания углерода.

Проанализировав известные способы выплавки нержавеющей стали марки 12Х13, отметим, что каждый из рассмотренных способов имеет как преимущества, так и недостатки. Поэтому целесообразно проводить выплавку нержавеющей стали марки 12Х13 в электродуговой печи методом частичного окисления. Этот способ хорошо зарекомендовал себя, как простой в организации технологии производства сданной марки стали и, сравнительно, дешёвый.

Разработка технологического процесса кислородной вырезки отверстий ...

... Назначение режимов резки, особенности кислородной резки, контроль резки кислородный резка сварочный сталь Основными показателями режима кислородной резки являются: ... металлы, а также нержавеющие стали обрабатываются плазменной резкой. Перед сваркой особо ... распространено в местах залегания железных руд и руд цветных ... изготовления; безопасность сборочно-сварочных работ. Любая сборочная операция не ...

I — дуговая печь; 2 — бортовой автомобиль; 3 — контейнер для электродов; 4 — мостовой кран общего назначения 20/5т; 5 — передаточная телемска; 6 — электрод; 7 — печная корзина грейферного типа; 8 — телемска со взвешивающим устройством; 9 — завалочный кран; 10 — центробежная заправочная машина; 11 — двухкамерная нагревательная печь; 12 -мульдозавалочная машина; J3 -устройство для монтажа шиберных затворов; 14 — стенд для сушки разливочных ковшей; 15 —разливочный ковш; 16— МНЛЗ; 17—мостовой разливочный кран

Рисунок — Аппаратурно-технологическая схема производства стали.