Химический состав и назначение стали марки ШХ 4

Разработка технологии электрошлакового переплава сплава марки ШХ4

 

Содержание

 

Введение

Химический состав и назначение стали марки ШХ4

Требования к металлу открытой выплавки

3 Анализ технологии открытой плавки

Общая характеристика способов выплавки

3.2 Выплавка в мартеновских печах

3.3 Выплавка в электродуговых печах

3.4 Специальные способы выплавки

Технология ЭШП стали марки ШХ 4

Требования к расходуемым материалам плавки

Требования к исходному металлу для ЭШП

4.1.2 Требования к расходуемым электродам для ЭШП

Требования к флюсу

Подготовка расходуемых электродов для ЭШП

Подготовка электрошлаковой установки к переплаву

Проведение плавки

Охлаждение слитков ЭШП

Контроль качества слитков

Техника безопасности

Расчет геометрических размеров электрода и кристаллизатора

Расчет геометрических размеров слитка

Расчет теплового баланса печи ЭШП

Расчет электрических параметров ЭШП

Расчет материального баланса плавки

Требования к дальнейшему переделу

Заключение

Библиографический список

Введение

 

Эксплуатационные свойства большинства машин и механизмов (станков, автомобилей, авиационных двигателей, прокатных станов, точных приборов и др.) в значительной степени зависят от точности, долговечности и надёжности подшипников качения - одного из важнейших и наиболее распространённых элементов этих устройств.

Качество подшипников качения определяется их конструкцией, технологией изготовления и качеством используемого металла. Решение задач по улучшению качества производимых сталей и сплавов было достигнуто применением электрошлакового переплава (ЭШП), который в настоящее время получил широкое распространение.

Преимущества ЭШП по сравнению с обычными методами выплавки и разливки:

ЭШП обеспечивает получение слитков с осевой или радиально-осевой плотной структурой, без ликвационных и усадочных дефектов.

содержание неметаллических включений кислородного происхождения, так же, как и содержание кислорода, снижается в 2-3 раза. Неметаллические включения и избыточные фазы имеют мелкодисперсный характер и равномерно распределены по высоте и сечению слитка.

ЭШП способствует выравниванию свойств в продольных и поперечных образцах.

электрошлаковый металл обладает более высоким уровнем технологической пластичности при температурах деформации.

улучшается обрабатываемость изделий и их эксплуатационные свойства.

ЭШП имеет следующие преимущества перед другим распространенным способом вторичного рафинирующего переплава - вакуумным дуговым переплавом (ВДП):

возможность использования более простого электрооборудования;

улучшение условий получения слитков квадратного, прямоугольного сечения, а также фасонных отливок, так как шлаковая ванна является менее концентрированным источником тепла, чем электрическая дуга;

возможность избирательного рафинирования переплавляемого металла от тех или иных примесей, а при необходимости - модифицирования, в результате изменения состава шлака;

возможность применения значительно более простого механического оборудования;

улучшение качества стали, легированных азотом и марганцем.

Сталь электрошлаковый переплав

Химический состав и назначение стали марки ШХ 4

 

Таблица 1 - Химический состав стали марки ШХ 4 (ГОСТ 801-78)

В процентах

Элемент	С	Si	Mn	Cr	S	P	Ni	Cu	Ni+Cu
					не более
Содержание	0,95 1,05	0,15 0,30	0,15 0,30	0,35 0,50	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50

 

 

Номенклатура подшипниковых марок стали достаточно широка. Это объясняется разнообразием требований к эксплуатационным свойствам подшипников со стороны традиционных, а также новых отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Наиболее распространённые подшипниковые высокоуглеродистые стали можно классифицировать следующим образом:

Стали для подшипников, работающих в обычных условиях (хромистая, хромистая с добавкой молибдена, хромомарганцевокремнистая, хромомарганцевая с добавкой молибдена).

Стали для подшипников, работающих в агрессивных средах и при повышенной температуре (коррозионно-стойкая, теплостойкая) [1].

К первым относятся стали марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4, ШХ6, ШХ9 и т.д. В результате проведенной в 1960 г. унификации две последние марки были заменены сталью ШХ15. Названия аналогичных марок в других странах 52100, 100C6, SKF-24, SUJ2 и т.д.

Ко вторым относят стали марок 95Х18-Ш (где буква «Ш» указывает на то, что сталь выплавлена методом электрошлакового переплава, а вакуумно-дуговой переплав стали электрошлакового переплава обозначается «ШД»), 11Х18М-ШД, ЭИ760, ЭИ347 (8Х4В9Ф2), 8Х4М4ВФ1-Ш, 8DCV40, M50, Z80WDCV6, 80MoCrV4216 и др.

Кроме перечисленных, широко применяют низкоуглеродистые цементируемые стали и ограниченно - сплавы с особыми физическими свойствами.

Выбор стали для конкретного подшипника диктуется его размерами и условиями эксплуатации.

Эксплуатация подшипников при температуре более 100 оС требует специальной термической обработки деталей, обеспечивающей стабильность размеров, но сопровождающейся снижением твёрдости, а также сопротивления контактной усталости стали.

В связи с внедрением прогрессивной технологии термической обработки деталей железнодорожных подшипников качения - поверхностной закалки при глубинном индукционном нагреве - разработана сталь ШХ4 с регламентированной прокаливаемостью. По составу она отличается от стали ШХ15 пониженным содержанием элементов, влияющих на прокаливаемость стали, - марганца, кремния и хрома.

По составу и свойствам эту сталь можно отнести к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения [2].

Проблема недостаточной прокаливаемости и теплостойкости изделий из хромистой и хромомарганцевокремнистой сталей в ряде стран решена путём создания их модификаций, содержащих небольшие добавки молибдена, ванадия (на немецких предприятиях сортамент выплавляемой стали содержит марку X90CrMoV18, содержащую некоторое его количество) и вольфрама.

В некоторых странах с целью экономии импортируемого хрома разработано несколько модификаций подшипниковой стали, в которых его снижение компенсируется небольшими добавками молибдена с повышенным содержанием марганца [1].

Высокое содержание углерода в подшипниковых сталях обуславливает их высокую прочность после термической обработки и стойкость против истирания поверхностная твёрдость определяется концентрацией углерода в мартенсите, поэтому она одинакова для всех подшипниковых сталей.

Твёрдость внутренних слоёв металла зависит от глубины прокаливаемости, которая в свою очередь зависит от содержания хрома. Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали, поэтому, чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома (0,4-1,65 %) применяется сталь для их изготовления.

Кроме того, высокая твёрдость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Хром увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву и придаёт ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (>1,65 %) трудно получить однородную структуру, поэтому содержание хрома в подшипниковых сталях обычно не превышает 1,65 %.

Марганец, как и хром, увеличивает твёрдость и сопротивляемость стали истиранию. Но одновременно он способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость подшипниковой стали оказывает кремний. Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее раскислена сталь, поэтому присутствие этих элементов в подшипниковой стали всех марок желательно не более 0,35 % Si и 0,4 % Mn. Исключение составляют стали для изготовления деталей крупных подшипников типа ШХ15СГ. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке.

Вредными примесями для подшипниковой стали являются фосфор, медь и никель. Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость и уменьшает прочность на изгиб, что в свою очередь увеличивает чувствительность стали к динамическим нагрузкам и склонность изделий к появлению закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле ограничивают. Медь, хотя и увеличивает твёрдость, предел прочности и прокаливаемость стали, является нежелательной примесью, так как с повышением содержания меди при горячей механической обработке увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов.

Содержание никеля ограничивают в связи с тем, что его присутствие снижает твёрдость стали.

Для сопротивляемости стали выкрошиванию уменьшают примеси таких цветных металлов, как олово, свинец, мышьяк. Отрицательное воздействие на свойства стали оказывают также газы: кислород образует неметаллические включения, водород увеличивает поражённость флокенами, а азот снижает сопротивляемость выкрошиванию.

Влияние серы на свойства шарикоподшипниковой стали неоднозначно.

Отрицательное влияние сказывается в снижении устойчивости против истирания и усталостном разрушении при выходе на рабочую поверхность сульфидов.

Однако образование сульфидной оболочки вокруг сульфидных включений при достаточном содержании серы уменьшает влияние этих включений на концентрацию напряжений и вследствие этого повышает сопротивление усталости. С увеличением отношения концентрации серы к концентрации кислорода стойкость подшипников возрастает. Этому способствуют и улучшение качества поверхности вследствие того, что сера улучшает обрабатываемость стали [2].

В большинстве случаев подшипники качения работают при малых динамических нагрузках, что позволяет изготавливать их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска.

В некоторых областях применения подшипников от них требуется повышенная динамическая прочность, что заставляет применять высокоотпущенные стали с поверхностной закалкой или цементируемые стали.

Нагрузка, воспринимаемая подшипником качения, передаётся через тела качения - шарики или ролики, разделённые сепаратором. В точках соприкосновения тел качения с кольцами возникают контактные напряжения, вызывающие локальные деформации, в результате которых образуются контактные площадки, в общем случае имеющие форму эллипса, в частных же случаях - это круг или полоска. Давления на контактной площадке, испытываемые деталями подшипника при работе, очень велики и доходят обычно до 200 МПа, а у тяжелонагруженных подшипников - до 4000 МПа [1].

Повышение суммы легирующих в подшипниковых сталях до 5 % и выше может быть оправдано только в случаях особых эксплуатационных условий (коррозионная среда, повышенные рабочие температуры и др.), так как оно приводит к увеличению расходов на обрабатываемость и снижению долговечности по сравнению с теми же показателями традиционных подшипниковых сталей.

Изменение содержания составляющих сталь легирующих элементов оказывает различное влияние на свойства подшипников. Добавка молибдена оказывает положительное влияние на долговечность подшипников.

Многими авторами было доказано благоприятное влияние повышенного содержания серы (до 0,15 %) на долговечность и обрабатываемость подшипниковых сталей, хотя стали с таким содержанием серы пока не применяются.

В подшипниковых сталях, полученных по обычной технологии, содержится около 0,005 % О2, 0,01…0,02 % N2, 0,0001...0,0005 % Н2. Кислород находится в виде окислов и его количество зависит от технологии раскисления. При вакуумировании содержание кислорода уменьшается до 0,002 %, а при ВДП - до 0,001 %.

Водород отрицательно влияет на качество стали ввиду того, что снижение растворимости его при снижении температуры металла вызывает повышенные локальные давления в металле, приводящие к образованию флокенов.

При исследовании подшипниковых сталей установлено отрицательное влияние повышенных содержаний азота и суммы азота и кислорода на долговечность подшипников.

Микропористость может приводить к образованию питтинга и снижению долговечности подшипника.

Неметаллические включения в подшипниковых сталях являются концентраторами напряжений и могут в некоторых случаях являться причиной появления микротрещин, образующихся от повышенной концентрации мозаичных напряжений, резкого охлаждения при закалке и др. В общем же случае стараются, чтобы неметаллические включения имели глобулярную форму.

Наиболее пагубное воздействие на качество подшипников оказывают включения оксидов и нитридов алюминия.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям по содержанию вредных включений стали, произведённые методами ЭШП и ВДП.

Подшипниковая сталь ШХ4 идет на изготовление крупногабаритных колец шарико- и роликоподшипников со стенками толщиной более 15 мм; ролики диаметром более 30 мм (колец железнодорожных подшипников). Прокаливается на большую глубину. Сталь обладает высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К стали предъявляются высокие требования по содержанию неметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также карбидная неоднородность. Поэтому к стали данной марки предъявляются достаточно жёсткие требования: выплавка стали производится в дуговой сталеплавильной печи на углеродистой шихте с полным окислением по суженым внутризаводским пределам химического состава стали, назначать на ЭШП металл с предельным содержанием элементов химического состава, кроме случаев, предусмотренных суженных пределов нельзя.

Данная марка работает в сильнонагруженных условиях, поэтому должна обладать высокой прочностью, пластичностью. С целью достижения этих и других свойств стали её назначают на ЭШП. На данном этапе необходимо:

увеличить плотность металла;

уменьшить содержание газов (водорода, кислорода), т.к. сталь является флокеночувствительной;

уменьшить анизотропию свойств, т.к. изначально основные свойства были получены при выплавке стали в ДСП.

 

2 Требования к металлу открытой выплавки

 

Данная сталь нашла широкое применение в промышленности и годовой объём производства её достаточно велик, выплавляют данную марку стали в электродуговых печах. В данном случае целесообразно проводить полный цикл выплавки стали в ДСП. На ЭШП металл отправляется, так как то разливка стали на МНЛЗ не дает необходимой плотности слитка, чистоты по неметаллическим включениям и равномерного их распределения.

 

3 Анализ технологии открытой плавки

 

Общая характеристика способов выплавки

 

Наиболее распространёнными способами производства шарикоподшипниковых сталей являются: основной мартеновский, кислый мартеновский и электродуговой. Последний был признан наиболее совершенным. Так как в электропечи может быть выплавлен первосортный металл даже из относительно загрязненных серой и фосфором материалов.

Поэтому на заводах, на которых исходные материалы загрязнены серой и фосфором выше нормы, единственным агрегатом для выплавки первосортной стали была признана электропечь.

Там же, где возможно получение чистых по сере и фосфору чугунов, равноценным агрегатом была признана кислая мартеновская печь.

В настоящее время в странах почти 90 % подшипниковой стали массового назначения выплавляется в электродуговых печах и около 10 % в кислых мартеновских печах.

Как в случае выплавки в электропечи, так и в случае мартеновской плавки возможно применение обработки металла в ковше синтетическими известково-глинозёмистыми шлаками.

Другим направлением, по которому совершенствовалось качество подшипниковой стали, являлась технология рафинирующих переплавов - вакуумно-дугового, электрошлакового, плазменного и электроннолучевого. Рафинирующие переплавы являются очень эффективными: благодаря принципиальному изменению процесса кристаллизации стали увеличилась плотность слитка, снизилось общее содержание газов, примесей, неметаллических включений и уменьшились размеры последних в слитке.

Новым направлением, развиваемым в последние годы в промышленности при выплавке стали в открытых дуговых электропечах, явилось внепечное вакуумирование в ковше, в установках циркуляционного или порционного вакуумирования, вакуум-шлаковой обработки (УВСШ).

Совершенствование процесса производства стали для подшипников массового и, частично, специального применения пошло по пути внепечного вакуумирования. Сталь для особо ответственных подшипников выплавляют методами вакуумной индукционной выплавки, вакуумно-дугового переплава, электроннолучевой плавки, плазменного и электрошлакового переплава.

 

Выплавка в мартеновских печах

 

Весьма ограниченный объём производства кислых мартеновских сталей типа ШХ4 объясняется особенностями её производства: топливо и шихтовые материалы при кислом процессе должны иметь низкое содержание серы и фосфора, так как эти элементы при выплавке не удаляются из стали.

При отсутствии чистых руд возможен вариант, когда сначала выплавляют специальную заготовку в основных мартеновских печах, а затем переплавляют её в кислых. Несмотря на высокие эксплуатационные свойства получаемой стали, этот процесс является экономически не выгодным.

В кислой печи шарикоподшипниковую сталь можно выплавлять активным или кремневосстановительным процессом. Если по мере расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак насыщается кремнезёмом вследствие окисления кремния, восстанавливающегося из подины. Вязкость шлака увеличивается, а скорость перехода кислорода из атмосферы печи через шлак снижается. На определённой стадии плавки начинает превалировать процесс восстановления кремния, увеличивается его концентрация в металле. Этот процесс называют кремневосстановительным.

Таким способом производят подшипниковую сталь на заводах фирмы SKF в Хеллефорсе. Выплавку ведут в кислых мартеновских печах ёмкостью 30…120 т.

Футеровку этих печей выполняют из чистых силикатных материалов, содержащих около 97 % SiO2. шихту составляют из жидкого чугуна (50 %), губчатого железа (30 %), и отходов подшипниковой стали (20 %). Содержание серы и фосфора в стальной ванне после расплавления низкое, что объясняется, прежде всего, очень высокой чистотой добываемой железной руды, из которой изготавливаются губчатое железо и чугун. Окисление осуществляется кислородом. Ни в печь до выпуска, ни в ковш во время выпуска не добавляются ни силикокальций, ни алюминий.

Выплавку шарикоподшипниковых сталей в кислых мартеновских электропечах осуществляют активным процессом в печах ёмкостью 90 т.

Активный процесс характеризуется тем, что руду, известь (или известняк) вводят по ходу плавки. Это повышает жидкоподвижность шлака, ограничивает восстановление кремния и увеличивает его окислительную способность. Происходит интенсивное кипение, содержание кремния не превышает 0,10…0,12 %. В качестве шихтовых материалов используются чистый по сере и фосфору чугун, специальная шихтовая болванка и до 10 % от садки собственные отходы шариковой стали.

Специальная болванка выплавляется в основных мартеновских печах. В материале её содержится до 0,015 % S и до 0,017 % P.

Окончательное раскисление поводят в печи силикокальцием и кусковым алюминием, присадку раскислителей заканчивают до появления шлака.

В последние годы находит применение также активный процесс с последующей обработкой металла в ковше синтетическим известково- глинозёмистым шлаком следующего состава: 52…55 % CaO, 38…42 % Al2O3, до 3 % SiO2, до 0,5 % FeO, до 1,5 % TiO2.

 

3.3 Выплавка в электродуговых печах

 

Подшипниковую сталь выплавляют по двум технологическим схемам - с обработкой печным шлаком и с обработкой металла в ковше высокоглинозёмистым синтетическим шлаком, получаемым в отдельной печи.

В зависимости от применяемой шихты по обоим технологическим вариантам выплавка может производиться методом переплава или на свежей шихте. При выплавке стали методом переплава с обработкой печным шлаком используются от 70 до 100 % отходов подшипниковых сталей. Окончательное раскисление проводят печным кусковым алюминием путём присадки его в печь за 5 минут до выпуска. При выплавке на свежей шихте с обработкой печным шлаком используют углеродистый лом (74…77 %), чугун (18…21 %), и отходы подшипниковой стали (4,5 %). Окончательное раскисление металла производят первичным алюминием в ковше.

Высокоглиноземистым синтетическим шлаком может обрабатываться сталь, выплавленная, как на свежей шихте, так и методом переплава. Физико-химические процессы, протекающие в ковше при взаимодействии жидкой стали с жидкими известково-глиноземистыми синтетическими шлаками, в основном сводятся к тому, что при сливе жидкого металла с достаточно большой высоты в ковш происходит их интенсивное перемешивание и взаимное эмульгирование.

Поверхность контакта металла и шлака при их взаимном эмульгировании чрезвычайно увеличена по сравнению с обычным способом рафинирования металла в печи.

В последние годы исследования направлены на снижение основности рафинировочного шлака. Применение шлаков пониженной основности, полукислых и кислых шлаков продиктовано стремлением приблизить состав включений в основной электродуговой стали к составу их в кислой мартеновской или кислой индукционной сталях.

При таких процессах должно снижаться число крупных глобулярных включений, но повышаться число сульфидных и, возможно, силикатных включений. При рафинировании стали кислыми шлаками превалирующим видом кислородных включений становятся тонкие строчки мелких зерен корунда.

 

Специальные способы выплавки

 

Выплавка смешением в ковше жидких расплавов

Особенностью этой технологии является одновременное комплексное использование трёх металлургических агрегатов: основной мартеновской печи, в которой выплавляют железоуглеродистый полупродукт; дуговой электропечи для выплавки жидкой лигатуры; шлакоплавильной электропечи для выплавки синтетического шлака.

Получение стали осуществляется путём смешения в сталеразливочном ковше железоуглеродистого полуфабриката и жидкой лигатуры в процессе рафинирования расплавов синтетическим шлаком и продувкой аргоном.

Предпосылки повышения качества и эксплуатационных свойств стали, полученной по технологии смешения с продувкой металла в ковше аргоном по сравнению с обычной электросталью, основаны на следующих теоретических положениях и экспериментально установленных фактах:

а) улучшаются условия раскисления и легирования стали в ковше;

б) в процессе раскисления участвуют не только алюминий и кремний, но и углерод, образующий газообразные продукты реакций и обладающий при выбранной технологии смешения раскислительной способностью на порядок выше кремния;

в) равномерно распределены легирующие элементы в объёме ковша;

г) в качестве объекта раскисления использован железоуглеродистый расплав требуемой и легко регулируемой окисленности.

Вакуумная плавка, переплав и вакуумная дегазация стали

Применяется несколько разновидностей вакуумной обработки подшипниковой стали.

) Выплавка в вакуумных индукционных печах на свежей шихте.

) Выплавка в электродуговых печах с последующей внепечной вакуумной обработкой в ковше или на специальных установках, этот процесс называют вакуумированием или вакуумной дегазацией.

) Переплав электродов в вакуумных дуговых печах. Электродами являются прокатанные заготовки, предварительно полученные в электродуговых или электрошлаковых печах.

Общие особенности вакуумной обработки заключаются в следующем: жидкий металл предохраняется от окислительного воздействия атмосферного кислорода; вследствие снижения давления в печи уменьшается растворимость азота и водорода, они выделяются из жидкого металла и откачиваются; вследствие повышения раскислительной способности углерода уменьшается содержание кислорода в металле и, как следствие, снижается содержание неметаллических включений в результате восстановления их углеродом и частично в результате термической диссоциации; также снижается содержание примесей некоторых цветных металлов (олово, мышьяк, свинец, висмут и др.), обладающих высокой упругостью пара; повышается химическая однородность стали.

Для внепечного вакуумирования подшипниковой стали всех марок в основном применяют следующие наиболее производительные способы:

циркуляционный (RH) - производительность одной установки около 400 тыс. т в год;

порционный (DH) - производительность около 200 тыс. т в год;

вакуумирование в ковше-печи ASEA-SKF (с дуговым подогревом и электромагнитным перемешиванием) - производительность около 200 тыс. т в год.

Все перечисленные установки могут работать в комплексе с любыми сталеплавильными агрегатами - электродуговой, мартеновской, конверторной печами. Вакуум создаётся высокопроизводительными пароэжекторными насосами.

Разливка стали при всех указанных способах производится в слитки или на установках непрерывной разливки стали.