Технология выплавки нержавеющей стали марки 12Х13

1 Назначение стали, область применения и требования, предъявляемые к ней Для успешного развития современной техники, авиации, атомной энергетики, химической, нефтяной и пищевой промышленности требуется большое количество листа, труб, лопатки паровых турбин, клапаны, болты и т. д которые по условиям эксплуатации оборудования часто должны комплексно обладать высоким уровнем таких свойств, как коррозионная стойкость в атмосфере воздуха, перегретого пара, в слабокислых и щелочных растворах, прочность, износостойкость, усталостная прочность, жаропрочность.

Коррозионно-стойкая нержавеющая сталь отличается стойкостью против электрохимической коррозии атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской.Нержавеющая сталь применяется для изготовления валов, дисков, лопаток компрессоров и газовых турбин, рабочих колс перекачивающих насосов, крепежа, болты и трубы. Изделия из нержавеющей стали предназначены для работы в агрессивных средах при обычных или высоких температурах, поэтому основным требованием, предъявляемым к нержавеющей стали, является коррозионная стойкость способность противостоять воздействию агрессивной среды при обычной температуре, а также жаростойкость сопротивление воздействию газовой среды или пара высоких температур.

Жаростойкая сталь, как правило, должна быть и жаропрочной, т.е. противостоять при высокой температуре в течении промежутка времени разрушению и ползучести.Таблица 1.1 Механические свойства и термическая обработка стали марки 12Х13 полуфабрикатРежим технической обработки Механические свойства аН, МнмкГмсм2НВМнм2кГмм2Лист Пруток Поковка Пруток поковкаОтжиг при 740-780 С Отжиг Закалка с 1000-1050 С в масле или на воздухе и отпуск 700-790 С масло, воздух39240 44145 55860- 24525 4124220 25 20- 60 60 0,889- 122-187 170-2 Влияние легирующих элементов на свойства стали Главное влияние, которое оказывают легирующие элементы на сталь, заключается в значительном повышении е коррозионной стойкости, механических свойств, главным образом предела прочности, предела текучести, твердости и в ряде случаев относительного сужения и ударной вязкости.

Особенно благоприятные результаты получаются при легировании стали двумя, тремя, а иногда большим числом легирующих элементов.

В качестве легирующих в нержавеющих сталях применяют хром, никель, марганец, кремний.Легирующие элементы вводят в сталь в виде сплавов с железом например, феррохром, ферромарганец, ферросилиций либо с железом и другим каким-либо элементом например, ферросиликохром, либо в виде одного элемента никель, металлический хром, металлический марганец.

Феррохром. Хром основной легирующий элемент для получения стали с особыми химическими свойствами. Поэтому феррохром при выплавке нержавеющих сталей является одной из главных легирующих добавок.В ряде случаев применяют металлический хром. В качестве легирующей присадки и в качестве раскислителя нередко применяют ферросиликохром.

Ферроникель, как и хром, является основным легирующим элементом при производстве хромоникелевой нержавеющей стали. Никель, как правило, вводят в завалку на нижний предел заданного состава с учетом содержания его в шихте. Гранулированный и прессованный никель, ферроникель и закись никеля вводят только в завалку на плавках с полным окислением и при выплавке переплавом с кислородом.Для корректировки химического состава плавки во время кипения и рафинирования применяют только электролитический, огневой чушковый или карбонильный никель.

Рисунок 2.1 Влияние отношения CrNi на магнитную проницаемость 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 зрен 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 кгт 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, дешвый.