3. Сталь различных способов производства. Чистая сталь

В металлургии применяют различные способы производства стали. В зависимости от принятого способа изготовления стали различаются по свойствам. Однако не следует думать, что именно способ производства непосредственно определяет эту разницу. В зависимости от способа производства стали отличаются по содержанию примесей (влияние которых мы рассмотрели раньше), чем и обусловлено различие в их свойствах.

Как известно, сталь производят (выплавляют) в различных печах.

В соответствии с этим подразделяют сталь на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конвертерную и электросталь.

В бессемеровском конвертере жидкий чугун продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Этот способ очень производителен, но при нем сера и фосфор не удаляются в достаточной степени, а металл насыщается газами, особенно азотом.

Бессемеровский металл вследствие повышенного содержания газов, в первую очередь азота, отличается от мартеновского большей прочностью, но меньшей пластичностью, склонностью к старению, большей загрязненностью неметаллическими включениями. Вследствие того что качество бессемеровского металла невысокое, этот процесс отжил и на смену ему пришел кислородно-конвертерный способ, отличающийся тем, что вместо воздуха используют технически чистый кислород с очень малым загрязнением азотом (продувка обычно производится сверху под углом к зеркалу расплавленного металла). В результате этого содержание азота в металле оказывается низким. Такой металл называется конвертерным, и по свойствам он практически не отличается от мартеновского.

Хотя в Советском Союзе основную массу металла обычного качества еще изготавливают в мартеновских печах, все-таки, исходя из технико-экономических соображений, целесообразно большинство сталей производить конвертерным способом и он постепенно вытесняет мартеновский способ производства стали. В табл. 16 приведены показатели разных способов производства стали.

Таблица 16. (см. скан) Сравнение сталей (спокойных), полученных различными способами

При мартеновском и конвертерном способах производства подбором соответствующих шлаков и режимов ведения плавки можно удалить в значительной степени серу и частично фосфор. Шлаки, при помощи которых расплавленный металл очищается от примесей, состоят из основных и кислых оксидов. В зависимости от состава шлаков футеровка печи должна быть или основная (магнезит или хромомагнезит), или кислая (динас), чтобы избежать реакции между футеровкой и шлаком. Если шлак имеет основную реакцию то он удаляет из

металла большую часть фосфора и часть серы. Значит, при сравнительно не очень чистой исхрдной шихте металл в основной мартеновской печи получается достаточно чистым по сере и фосфору, хотя и более насыщенным кислородом. При кислом процессе в шлаке имеется избыток кремнистой кислоты при наличии которой сера и фосфор из металла не удаляются, но насыщение металла кислородом происходит в меньшей степени. Поэтому для кислого мартеновского процесса требуются чистые по сере и фосфору исходные материалы (т. е. более дорогие), и если это обеспечено, то металл получается лучшего качества, так как содержит меньше кислорода.

Мартеновская сталь в большинстве случаев производится основным процессом и лишь для некоторых назначений, когда требуется большая чистота по неметаллическим включениям (оксидам) и меньшая насыщенность кислородом, изготавливается более дорогая кислая мартеновская сталь. Поскольку сера и фосфор при кислом процессе не удаляются, требуется более чистая по этим элементам шихта.

Удаление из металла серы, фосфора и кислорода достигается в наибольшей степени при плавке в электропечах (дуговых или индукционных). Будучи более дорогой, электросталь является и более качественной; поэтому этим способом изготавливают преимущественно легированные и высоколегированные стали, жаропрочные сплавы, инструментальные стали и т. д.

Так как практически полное отсутствие газов и связанное с этим улучшение свойств достигаются при плавке в электрических индукционных печах в вакууме, то стали и сплавы для наиболее ответственных назначений производятся этим способом.

Установки для вакуум-плавки сложны. Практически такие же результаты по содержанию газов и наличию неметаллических включений имеет сталь, выплавленная в обычных условиях, но затем (после заливки в ковш) помещенная в вакуум. Этот способ (сталь, вакуумированная в ковше) дешевле, чем выплавка в вакууме.

В зависимости от способа раскисления сталь бывает спокойной (раскисленной марганцем, кремнием и алюминием) и кипящей (раскисленной только марганцем). Следовательно, по химическому составу кипящая сталь отличается от спокойной: первая почти не содержит кремния вторая содержит его нормальное количество Так как кипящая сталь, как хуже раскисленная, содержит больше кислорода, то она уступает по качеству спокойной.

Промежуточное положение по качеству занимает так называемая полуспокойная сталь — раскисленная марганцем и алюминием, которую применяют вместо кипящей и спокойной стали (табл. 17).

Таблица 17. (см. скан) Сравнение сталей, раскисленных разными способами

Наконец, следует иметь в виду, что состав слитка неоднородный. В верхней и в средней части слитка содержится больше примесей — серы, фосфора, углерода (явление это носит название зональной ликвации). Поэтому металл из верхней части слитка будет отличаться от металла из нижней части и оба они будут отличаться от среднего состава. В отдельных случаях это отклонение от среднего состава может быть очень значительным. В кипящей стали зональная ликвация больше, чем в спокойной. Чем крупнее слиток, тем сильнее выражена зональная ликвация.

Стали, кроме обычных примесей, могут содержать различные случайные. Например, в скрап (лом) попадают куски легированных хромоникелевых сталей. Поэтому выплавленная скрап-процессом сталь обычно содержит в некотором количестве

элементы, которыми обычно легируют сталь (хром, никель и др.). Некоторые, руды содержат трудноудаляемые примеси. Например, руды Керченского месторождения содержат мышьяк, и выплавленная на этих рудах сталь будет содержать этот элемент до 0,1-0,15 %. Наоборот, некоторые руды практически не имеют загрязнений другими элементами и металл, полученный из этих руд (Магнитогорский и Кузнецкий и в особенности Череповецкий комбинаты), очень чистый.

Таким образом, сталь одной и той же марки может отличаться по примесям, учитываемым, а часто и не учитываемым ГОСТами и техническими условиями, а это может сильно влиять на свойства. Особенно сильно влияют примеси внедрения (водород, азот, кислород и углерод), а также типичные примеси, загрязняющие металл— сера и фосфор. Безусловно, вредны примеси цветных металлов, особенно легкоплавкие (см. с. 170).

Борьбу за чистую и, следовательно, надежную (вязкую) сталь проводят с помощью разных способов выплавки и обработки жидкой стали, о чем говорилось выше, и, обобщая сказанное, можно сделать следующие выводы.

Вакуумные процессы (в печи, в ковше и т. д.) в основном направлены на удаление кислорода и их применяют как бы в помощь к обычным приемам раскисления. Шлаковые процессы (электрошлаковый переплав, обработка синтетическими шлаками) глубоко очищают металл от серы.

Фосфор, примеси цветных металлов удаляются металлургическими приемами лишь частично и при этом не достигается высокая степень очистки металла от этих примесей. Высокая чистота металла по этим элементам получается при использовании высокочистой шихты (например, железо прямого восстановления).

В будущем возможно изменение традиционной схемы металлургического производства стали: руда-чугун (из доменной печи) - сталь (из мартеновской печи) на следующую: руда металлизованные окатыши (железо прямого восстановления) сталь (электропечь) чистая сталь (сталь, рафинированная путем вторичного переплава или вакуумированная в ковше). Недавно пущенный в строй Оскольский металлургический комбинат предусматривает производство чистой стали по этой технологии.

Содержание загрязняющих примесей при выражении их в процентах (по массе) невелико и поэтому не сигнализирует об опасности ухудшения при этом качества стали. Кроме того, влияние оказывает не содержание элемента в процентах (по массе) (что определяется количеством нейтронов и протонов в ядре), а атомное. Многие загрязняющие металл элементы имеют малую атомную массу.

Удобно оценивать степень загрязнения стали и в так называемых единицах что показывает число атомов примесей, приходящихся на 1 миллион атомов железа.

В табл. 18 приведено типичное содержание примесей в в стали, полученной массовыми способами производства, а в табл. 19 их содержание в стали с применением современных методов очистки.

Таблица 18. (см. скан) Содержание примесей (типичное) в стали обычных способов производства,

Выражение химического состава стали в позволяет суммировать содержание примеси. Такая цифра показывает общую степень загрязненности стали, т. е. какое количество атомов всех примесей приходится на 1 миллион атомов основного металла (железа).

Таблица 19. (см. скан) Содержание примесей (типичное) в рафинированной стали, анм

Просуммировав таким образом содержание примесей, видно, что самой «грязной» является бессемеровская сталь значительно (в 3 раза) чище мартеновская и кислородно-конвертерная сталь и еще чище электросталь Рафинирующие переплавы приводят к дальнейшему очищению стали (до а если использовать при приготовлении стали высокочистую шихту, то общую чистоту можно довести примерно до

Таким образом, свойства стали зависят от способа ее производства, так как от последнего зависят содержание разных примесей в металле и их распределение. Это обстоятельство в ряде случаев может иметь важное значение и должно быть соответствующим образом учтено.