4. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите
структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишете пре-
вращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз)
для сплава, содержащего 1,1% С. Какова структура этого сплава при
комнатной температуре и как такой сплав называется?
Вычертим диаграмму состояния железо — карбид железа (цементит)
(рис.1). Укажем структурные составляющие во всех областях диаграммы и опишем превращения происходящие при кристаллизации сплавов.
Диаграмма состояния железо — карбид железа показывает фазовый со- став и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цемен- тита (6,67% С).
Точка А (1539°С) на диаграмме отвечает температуре плавления чистого, железа, а точка D (
1550°С) —температуре плавления цементита Fe
3
C. Точ- ки N (1401°С) и G (910°С) соответствуют аллотропическому превращению α- железа ↔ γ-железо. Точка Е характеризует предельную растворимость уг- лерода в γ -железе при 1130°С (2,0% С).
Процесс кристаллизации сплавов (первичная кристаллизация) начина- ется по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линия ликвидус). Конец затвердевания соответствует температурам, образующим линию солидус AHIECF.
Верхний левый угол диаграммы указывает превращения, связанные с аллотропическим превращением α↔γ(δ) при высоких температурах
(железо имеет две аллотропических или полиморфных модификации и , отличающихся строением объемноцентрированной кубической решетки).
При температурах, отвечающих линии ВС, из жидкого сплава кри- сталлизуется аустенит (аустенитом называется твердый раствор внедрения углерода в -железе), а линии CD — цементит. В точке С при 1130° С и кон- центрации углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, образуя эвтектику. Она называется ледебуритом.
Сплавы, содержащие от 0,5 до 2,0% С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE. После окончательного затвердевания (ниже линии солидус IE) сплавы полу- чают однофазную структуру — аустенит.
При кристаллизации доэвтектичеасих сплавов, содержащих от 2,0 до
4,3% С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих ли- нии ликвидус ВС, сначала выделяются кристаллы аустенита, а при 1130°
С (линия
ЕС) сплавы окончательно затвердевают с образованием эвтекти- ки — ледебурита.
Следовательно, доэвтектические сплавы после затвердевания име- ют структуру аустенит + ледебурит.
Заэвтектические сплавы, содержащие от 4,3 до 6,67% С, начинают за- твердевать по достижении температур, отвечающих линии
CD. Первона- чально из жидкой фазы выделяются кристаллы цементита, а по достижении
1130° С (линия
CF)
, сплавы окончательно затвердевают с образованием эв- тектики — ледебурита.
После затвердевания сплавы получают структуру: кристаллы цементи- та + ледебурит. Этот цементит,
образующийся из жидкой фазы, называют
первичным цементитом. Сплавы, содержащие до 2,0% С, называют сталью, сплавы, содержа- щие более 2,6% С, — чугуном.
Рассмотрим теперь превращения, протекающие в твердом состоянии
(вторичная кристаллизация). Эти превращения связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS на диаграмме при охлаждении соответствует температурам начала превращения γ→α
. Ниже линии
GS из аустенита выделяется феррит.
Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, приня- то обозначать
Ar3при охлаждении и
Ас3при нагреве (конец растворения феррита).
Линия
ES показывает изменение растворимости углерода в аустените с изменением температуры и при охлаждении соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита.
Цементит, выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кри- сталлизующегося из жидкой фазы, называют
вторичным цементитом. Критические точки, образующие линию
ES, обозначают
Аст. Точка S, лежащая при 723° С и концентрации углерода 0,8%, показы- вает минимальную температуру равновесного существования аустенита.
По достижении 723° С происходит распад аустенита с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную смесь, которая получила название
перлита Таким образом, перлит представляет механическую смесь двух фаз: феррита и цементита.
Температуру фазового равновесия (723°С, линия
PSK)аустенит↔пер- лит (феррит + цементит) обозначают
Аr1(при охлаждении) и
Ас1(при нагре- ве).
Точка
Р характеризует предельную растворимость углерода в α-железе при звтектоидной температуре 723° С; она составляет 0,025% С.
Линия
PQ показывает изменение растворимости углерода в α-железе в зависимости от температуры и соответствует при охлаждении началу выде- ления из феррита избыточного цементита. Следовательно, сплавы, лежащие левее точки Q, состоят только из феррита, а сплавы, концентрация которых лежит в пределах от Q до
Р, имеют двухфазную структуру: феррит и избы- точный цементит, выделяющийся из твердого раствора при понижении тем- пературы. Цементит, образующийся из феррита, называют
третичным це-ментитом. Сплавы, имеющие концентрацию углерода от 0,025 (точка Р) до 0,8%
(точка
S), называют
доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру фер- рита, выделяющегося из аустенита в области температур
Ar3 и
Аr1и перлита, образующегося ,из аустенита по достижении температуры
Аr1(723° С линия
РS).
Сталь, содержащая 0,8% С, называется
эвтектоидной. Она имеет в структуре только эвтектоид — перлит.
Стали, содержащие от 0,8 до 2,0 9/о С, называются
заэвтекто- идными. Они
имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, выде- лившегося из аустенита при температурах ниже линии
ES, и перлита, обра- зовавшегося в результате распада аустенита по достижении эвтектоидной температуры 723° С
(PSK). В доэвтектических чугунах при понижении, температуры вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените, указываемого линией
SE, Происходит частичный распад аустенита: как пер- вичных кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в ледебурит. Этот распад заключается, как мы указывали, в выделении кристаллов вторичного цементита и в уменьшении в связи с этим содержания углерода в аустените.
По достижении температуры, соответствующей линии
PSK (723° С), аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% С), пре- вращается в перлит. Таким образом, доэтектические чугуны после оконча- тельного охлаждения имеют структуру: перлит, ледебурит (перлит + цемен- тит) и вторичный цементит.
Эвтектический чугун (4,3% С) при температурах ниже 723° С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).
Заэвтектический чугун при температурах ниже 723° С состоит из пер- вичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
Рис. 1. Диаграмма состояния железо-карбид железа и кривая нагревания для сплава, содержащего 1,1 % С.
Сплав с содержанием 1,1% С является заэвтектоидной сталью. Рассмот- рим превращения, протекающие при нагревании заэвтектоидных сталей. Для построения кривой нагревания на диаграмме состояния железо-карбид желе- за (рис. 1) проведем ординату для данного сплава и отметим на ней характер- ные точки. Исходная структура выбранного сплава – вторичный цементит + перлит. Вариантность (или степень свободы) исходной системы:
С=К+n-Ф=2+1-2=1, где К – число компонентов, образующих систему (в данном случае железо и углерод); n – число внешних факторов (одна темпе- ратура); Ф – число фаз, находящихся в равновесии (две – цементит + пер- лит).
При нагреве данного сплава до точки Ас
1
(температуры фазового рав- новесия – 723
о
С), когда свободная энергия аустенита становится меньше сво- бодной энергии перлитно-цементитной смеси, происходит превращение пер- лита (эвтектоидная механическая смесь феррита - раствора углерода в - железе и цементита-Fe
3
C) в аустенит.
При наличии трех фаз – перлита, цементита и аустенита С =2+1-3=0; на кривой нагревания наблюдается остановка. При дальнейшем повышении температуры перлит окончательно превращается в аустенит. Степень свобо- ды системы опять становится равной единице (С =2+1—2=1), т.к. число фаз становится равно двум – цементит + аустенит.
При нагреве до точки, лежащей на линии
SЕ система становится одно- фазной - аустенит (С=1), на кривой нагревания отмечается перелом.
При нагреве до точки, лежащей на линии
JЕ появляется жидкая фаза.
Система становится двухфазной (аустенит+жидкая фаза) и С=1, на кривой нагревания опять наблюдается перелом.
При дальнейшем нагревании аустенит растворяется и система становит- ся однофазной – жидкий сплав (С=2).
Для определения
состава фаз и количественного соотношения фаз на ординате для сплава, содержащего 1,1% С, через точку соответствующую температуре 1400
о
С проведем коноду (горизонталь). Состав жидкого сплава определится точкой
в≈2,0%С, а аустенита (твердой фазы) –
а≈ 0,75%
С.
Для определения
количественного соотношения фаз пользуются так называемым правилом, рычага
. Согласно этому правилу, для определения количественного соотношения фаз через данную температурную точку проводят коноду (горизонталь). Отрезки коноды между заданной точкой и точками,
определяющими состав фаз, обратно пропорциональны ко- личеству этих фаз.
Для данного сплавапри температуре
t1 = 1400
о
С отношение весового количества твердой фазы к количеству жидкой фазы обратно про- порционально соответствующим отрезкам прямой
а t1 в: Итак, количественное соотношение жидкой и твердой фаз ≈ 3.
5. Опишите способы внепечной обработки стали для повышения ее качества. Отметьте факторы, способствующие улучшению качества стали в каждом способе. Первоначально все процессы по доводке стали до нужного химического со- става (операции легирования, раскисления, рафинирования, модифицирова- ния) и температуры выполняли непосредственно в сталеплавильном агрегате.
Это приводило к увеличению времени плавки (соответственно снижению производительности агрегата) и большому угару легирующих элементов (ко- торые могут быть очень дорогими). Постепенно вышеуказанные операции стали переносить в сталеразливочный ковш и специальные агрегаты.
Данные процессы получили название внепечной обработки стали или ковше- вой металлургии.
Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов ХХ ве- ка, главным образом для повышения производительности дуговых сталепла- вильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафиниро- вания из этих агрегатов в ковш.
Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют не только существенно улучшить качество ста- ли (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), но и получить сталь с принципиально новыми свойствами.
Подвергать внепечной обработке можно сталь, выплавленную любым спосо- бом. Таким образом, внепечная обработка стали позволяет:
• увеличить производительность основного сталеплавильного агрегата за счет выноса операций раскисления, рафинирования и легирования в аг- регат внепечной обработки;
• повысить качество металла за счет удаления вредных газовых приме- сей и неметаллических включений;
• повысить эффективность процессов раскисления и десульфурации;
• обеспечить более точное соблюдение химического состава металла;
• получать металл с принципиально новыми свойствами;
• обеспечить необходимую температуру металла перед разливкой;
• уменьшить угар дорогих легирующих элементов.
Металлургические процессы, обеспечивающие получение указанных резуль- татов,
протекают эффективнее при внепечной обработке, чем в сталепла- вильных печах благодаря ряду особенностей:
• создание наиболее благоприятных термодинамических условий для развития данного процесса, в частности наводка шлака, обеспечиваю- щего более глубокую десульфурацию;
• увеличение скорости взаимодействия с газовой фазой или шлаком вследствие дробления металла на порции (капли) с развитой контакт- ной поверхностью;
• повышение интенсивности массопереноса в металле вследствие его дробления на порции (капли) и, следовательно, увеличение градиента концентраций растворённых в нём элементов.
Методы внепечной обработки стали могут быть условно разделены на про- стые (обработка одним способом) и комбинированные (обработка металла несколькими способами одновременно). К простым методам относятся:
1. обработка металла вакуумом;
2. продувка инертным газом;
3. обработка металла синтетическим шлаком, жидкими и твёрдыми шла- ковыми смесями;
4. введение реагентов вглубь металла.
Основными недостатками перечисленных простых способов обработки ме- талла являются: необходимость перегрева жидкого металла в плавильном аг- регате для компенсации падения температуры металла при обработке в ков- ше и ограниченность воздействия на металл.
Лучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при ис- пользовании комбинированных или комплексных способов, когда в одном или нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществляется ряд операций. Выбор необходимого оборудования определяется той или иной технологией обработки металла.
Внепечная обработка металла комбинированными методами может произво- диться:
• в обычном сталеразливочном ковше;
• в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или га- зопорошковой струи снизу через смонтированные в днище устройства;
• в установке ковш-печь с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки;
• в агрегате типа конвертера с продувкой металла кислородом, аргоном;
• в агрегате типа конвертера, снабжённом оборудованием для вакууми- рования расплава и т. д.
Рассмотрим различные способы внепечной обработки стали в отдельности.
Продувка стали инертным газом в ковше Продувку металла инертным газом осуществляют или отдельно в сталераз-
ливочном ковше или применяют как операцию, сопутствующую другим про- цессам. В качестве инертного газа используют в основном аргон, реже азот.
При продувке массу металла пронизывают тысячи пузырей инертного газа, каждый из которых представляет собой миниатюрную вакуумную камеру, поскольку парциальные давления водорода и азота в таком пузыре равны ну- лю. Внутрь таких пузырей вовлекаются вредные газовые примеси, а к их по- верхности прилипают неметаллические включения, которые выносятся на поверхность металла. Также при продувке инертным газом происходит ин- тенсивное перемешивание металла и усреднение его состава. Если требуется понизить содержание углерода в металле, то к инертному газу можно доба- вить кислород.
Продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла
(газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому продувку инертным газом часто используют для регулирования температуры металла в ковше.
Продувку металла осуществляют путем ввода инертного газа различными способами в нижнюю часть ковша (рис. 58).
Рис. 58. Способы продувки металла в ковше: а – через погружаемую фурму;
б – через пористый блок; в – через пористые швы в днище; г – через шибер- ный затвор; д – через боковую стенку ковша; е – способ SAB
Расход инертного газа поддерживают в пределах 0,5…2,5 м
3
/т в зависимости от необходимой степени обработки. Совмещение продувки инертным газом с выдержкой в условиях разрежения (вакуумированием) позволяет уменьшить расход инертного газа. Применение синтетического шлака при продувке инертным газом способствует более эффективному удалению из металла вредных примесей и неметаллических включений.
Обработка синтетическими шлаками Для интенсификации и повышения полноты перехода в шлак серы, фосфора и кислорода применяют перемешивание металла с жидким синтетическим шлаком (рис. 59).
Рис. 59. Технологическая схема обработки стали жидкими синтетическими шлаками: 1 – дуговая электропечь для выплавки синтетического шлака; 2 – заливка синтетического шлака в сталеразливочный ковш; 3 – выпуск стали
Для снижения содержания серы в металле и его раскисления
применяют из- вестково-глиноземистый шлак, для дефосфорации — известково- железистый, а для снижения содержания кислорода и оксидных включений
— кислый.
Обработку ведут в ковше во время выпуска металла из сталеплавильного аг- регата, одновременно из шлакового ковша подавая струю жидкого шлака на струю жидкой стали. Синтетический шлак предварительно выплавляют и нагревают до температуры 1600 °С в электродуговой печи и перед обработ- кой металла выпускают в шлаковый ковш.
Расход синтетического шлака не превышает 6 % от массы металла. Такое ко- личество шлака позволяет стабилизировать его состав и свойства и поддер-
живать их постоянными от плавки к плавке. Продолжительность обработки стали синтетическим шлаком ограничивается лишь длительностью выпуска металла из агрегата в ковш.
Возможно и совмещение обработки синтетическим шлаком с продувкой инертным газом или вакуумированием.
Агрегат «печь-ковш»
Наиболее эффективным приемом внепечной обработки стали является ком- плексная обработка расплава в сталеразливочном ковше с применением мощного высокотемпературного источника локального нагрева, который обеспечивает непрерывную компенсацию тепловых потерь. Агрегаты, обес- печивающие нагрев и перемешивание стали в ковше, ее рафинирование и корректировку химического состава, получили название «печь-ковш» (от ан- глийского ladle-furnace (LD).
Печь-ковш представляет собой установку, состоящую из крышки для ковша с отверстиями, через которые установлены три электрода. Под крышку поме- щается сталеразливочный ковш с металлом после выпуска из сталеплавиль- ной печи. Кроме того, в состав установки «печь-ковш» обычно также входят средства для перемешивания металла инертным газом, система подачи фер- росплавов и материалов для рафинирования стали в ковше.
В настоящее время непрерывный ввод различных веществ (углерода, раскис- лителей, модификаторов) проводят с применением порошковой проволоки, имеющей в своем сечении круг или прямоугольник, стальная оболочка кото- рой обычно завальцована. Такая проволока большой длины поставляется в катушках на металлической или деревянной раме.
Ввод порошковой проволоки в расплав осуществляется по направляющей трубе с помощью специального трайбаппарата, состоящего из подающего и разматывающего устройств. Схема установки «печь-ковш» производства фирмы SMS Mevac приведена на рис. 60.
Рис. 60. Схема установки «печь-ковш»: 1 — ковш; 2 — крышка-свод; 3 — трайб-аппарат для подачи проволоки; 4- электроды; 5 — фурма для вдувания порошка силико- кальция в струе аргона; 6 — устройство для подачи сыпучих ферросплавов и флюсов; 7 — пористая пробка для подачи аргона
Одним из энергосберегающих способов при обработке стали на печи ковш является подача аргона через полые электроды. Данная технология позволяет сократить расход электроэнергии и угар электродов.
Скачать 1.47 Mb.