Технология выплавки нержавеющей стали

5

Рисунок 2.1 – Влияние отношения Cr/Ni на магнитную проницаемость стали.

Рисунок 2.2 – Влияние соотношения -фаз на пластичность стали.

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.

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.

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.

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.