Материалы, применяемые для легирования стали.

Сталь, содержащую до 2,5% разных легирующих примесей, принято считать низколегированном; 2,5—10% - среднелегированной; 10% и более— высоколегированной. Основными легирующими элементами в стали являются хром, никель, марганец, кремний, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, ниобии, кобальт, медь, бор и др. Из перечисленных элементов наибольшее значение при производстве легированных сталей для фасонных отливок имеют никель, хром, марганец, кремний, молибден, титан, алюминий и ванадий. Для правильного ведения плавки легированных сталей необходимо знать степень растворимости элементов в жидком железе и их влияния на свойства расплава. В табл. 59 приведены данные о характере растворимости различных элементов в жидком железе при температурах сталеплавильных процессов. Растворяемые в жидкой стали легирующие элементы оказывают заметное влияние не только на ее свойства в затвердевшем состоянии, но и изменяют также свойства жидкого расплава (термодинамические характеристики и др., температуру ликвидус — солидус, литейные свойства и др.).

Сами же легирующие элементы, входя в раствор, теряют свои индивидуальные свойства.

Различные легирующие элементы в зависимости от их концен­трации, атомного веса и распределения между жидкой и твердой фазами при плавлении или затвердевании понижают в том или иной степени температуру плавления стали. Во время плавки легированных сталей в одних случаях можно не учитывать теп­ловой эффект смешения вследствие его малости (например, при смешении марганца с железом), в других случаях (например, при добавке кремния в расплавленное железо) следует его учитывать так как выделяется большое количество теплоты. Некоторые легирующие элементы вступают во взаимодействие с другими элементами или примесями. Так, титан, алюминий и некоторые другие элементы вступают в жидком расплаве во взаимодействие с кислородом, азотом, серой и другими элементами, и только та часть их, которая не вступает во взаимодействие, может оказать легирующее влияние По этой причине при выплавке легированных сталей особенно важна термодинамическая оценка физико-химических процессов происходящих в расплаве. Многие легирующие добавки вводят в расплав в виде сплавов, это следует иметь в виду при учете теплового эффекта. Отметим, что при введении в расплав значительного количества кремния или фер­росилиция происходит значительное повышение его температуры даже при значительных тепловых потерях расплавом (в окружающее пространство, через футеровку и т. д.). В зависимости от условий плавки различны потери легирующих. При переплаве стали в вакууме окисления элементов не происходит, но содержание сравнительно легко испаряющихся элементов, таких как марганец, свинец, цинк, может уменьшиться. При переплаве в среде защитного инертного газа в стали сохраняется большинство легирующих элементов, однако и при этом в результате испарения теряется какое-то их количество.

Растворимость элементов в жидком железе при температурах сталеплавильных процессов

Таблица 59

* образуют с железом химические соединения; ** - полная смешиваемость при более высоких температурах

13. Описать технологию плавки чугуна в индукционной печи промышленной частоты, более подробно изложить: а) модификаторы, применяемые для модифицирования серого чугуна; б) методы модифицирования

Технология плавки в индукционных тигельных печах промышленной частоты. При составлении шихты при плавке в индукционных тигельных печах, например, для синтетического чугуна необходимо определить количество карбюризатора. Оно зависит от очень многих факторов – содержания углерода, кремния и других элементов в металлической части шихты (стружке, ломе, возвратах производства), состояния шихты, температуры металла, рода карбюризатора и т.п.; поэтому количество карбюризатора, в конечном счете, уточняется в зависимости от конкретных условий плавки.

При введении плавки в индукционных печах промышленной частоты следует придерживаться определенной последовательности в загрузке шихты и при эксплуатации печи.

Плавку чугуна в тигельной печи следует вести с «болотом» сохраняя остаток жидкого металла и печи, или пусковым слитком, отлитым из чугуна предыдущих плавок по форме, соответствующей форме тигля, он меньшего диаметра и массой около 50 % от общей емкости тигля.

Масса «болота» должна составлять не менее 25-30% массы номинальной садки металла в тигле печи.

Плавка начинается с загрузки составляющих шихты при наличии «болота» или расплавленного пускового слитка и отключенной печи в следующей последовательности: на зеркало расплавленного металла загружают карбюризатор в количестве 60-70% от рассчитанного, затем стальной лом или стальную стружку, лом чугунный или чугунную стружку и в последнюю очередь отходы собственного производства. Все загруженные шихтовые материалы должны быть сухими. Перед загрузкой в печь кусковую металлическую шихту рекомендуется подогревать до 350-650°С, а стружку – до 150-250°С. Кусковую шихту необходимо загружать осторожно, чтобы не повредить футеровку тигля; не следует бросать тяжелые куски с большой высоты, лучше всего, если они будут соскальзывать на дно тигля.

Расплавление шихты необходимо вести форсированно, но не превышая предельно допустимого значения. После полного расплавления шихты и удаления шлака вводят в печь оставшуюся часть карбюризатора и необходимое с учетом угара количество ферросплавов и, если нужно, догружают печь возвратом собственного производства.

Металл в печи перегревается до заданной температуры, скачивается шлак в шлаковню, и измеряется температура термопарой погружения. Отбираются пробы на экспресс-анализ для определения химического состава, пробы на отбел и твердость. После полпучения результатов анализа проб производится (при необходимости) корректировка химического состава и температуры.

В случае доводки химического состава по углероду температура металла должна быть не ниже 1450 °С. В этом случае науглероживание происходит со скоростью 0,1 %/мин (при содержании кремния в чугуне 2,0%)

По окончании корректировки отбирают пробы для повторных исследований. После получения удовлетворительных результатов доводят температуру металла до 1450 °С. Выпуск металла из печи производится в хорошо приготовленные и разогретые ковши.

В случае работы печи с «болотом» при сливе плавки необходимо в тигле оставлять жидкого металла не менее 25% его емкости. На оставшийся в печи жидкий металл вновь загружается шихта в указанной выше последовательности, и процесс плавки повторяется.

Модифицирование серого чугуна. В производстве отливом из серого чугуна применяются, главным образом, графитизирующие модификаторы для измельчения графита, устранения отбела, а иногда и частично сфероидизирующие для образования графита благоприятной формы. Поэтому модифицирование СЧцелесообразно только при низком содержании углерода, кремния и других графитизирующих элементов или при повышенной концентрации элементов, препятствующих графитизации, а также при высокой термовременной обработке жидкого чугуна, быстром охлаждении, применении в шихте большого количества стали передельного чугуна.

Применяемые модификаторы весьма разнообразны по составу. Ниже приведены некоторые обозначения модификаторов:

- на основе ферросилиции: ФС75 (Si – 75%); Fe-Si-Sr (Si – 75%); Fe-Si-Mn (Si – 60-65%); Fe-Si-Zr (Si – 60-80%); и другие;

- на основе силикокальция: СК (Са – 55-65%); Si-Ca-Al (Са – 30-50%); Ai-Ca-Zr (Са – 30%) и другие;

- на основе других сплавов: Si-Zr (Si – 47-52 %, Zr – 35-40); Si-Ti (Si – 20-25 %, Ti – 20-27%); Si-Mn (Si – 47-54 %, Mn – 20-25 %); Ni-Si (Ni – 70 %, Si – 30 %); Cr-Si-Mn-Ti-Ca (Cr – 28-32 %; Si – 15-21 %; Mn – 14-16 %; Ti – 1%; Ca – 1 %); Ca-Si-Ti (Ca – 5-8 %; Si – 45-90; Ti – 9-11) и другие;

- на основе высокоуглеродистых композиций: графит черных (С – 100 %); эскалой (Si – 52 %; Ca – 9 %; Al – 1,5 %; Mg – 0,3 %; C – 25 %) и другие.

Способы ввода графитизирующих модификаторов в чугун