Влияние серы на качество колесной электростали

Содержание

1. Влияние серы на качество колесной электростали……………………...5

2. Основные теоретические положения процесса десульфурации стали…………………………………………………………………….……...9

3. Технологические особенности десульфурации колесной электростали в агрегате внепечной обрабоки……………………………………….….15

4. Выводы и рекомендации о технологии внепечной десульфурации колесной электростали.……..………………………………………………21

5. Литература ………………………………………………………………..22

Влияние серы на качество колесной электростали

В мировой практике производства цельнокатаных колес используют углеродистые стали, содержащие углерод в широком интервале концен­траций от 0,4 до 0,8 %, и с содержанием серы 0,20 - 0,25 %, что связано с работой колес в различных условиях эксплуатации и использованием их при тяжелых грузовых и скоростных пассажирских перевозках. [1] Химический состав колесной стали по ГОСТу 10791-2011 приведен в таблице 1.1. Для колес из низкоуглердистых сталей повышены требования к чис­тоте стали по эндогенным включениям. Загрязненность сульфидами для колес 1-ой категории уменьшена в 7 раз с 3,5 балла до 0,5 балла, а суммар­ная загрязненность оксидами - более чем в 6 раз до уровня 1,5 балла. Для колес второй категории загрязненность сульфидами уменьшена соответст­венно в 2 раза. Ужесточаются также требования к оценке и уровню значений удар­ной вязкости в колесах или к характеристике, оценивающей не только кон­струкционную прочность, но и склонность стали к хрупкому разрушению.

Таблица 1.1 Химический состав колесной стали, ГОСТ 10791-2011 [10]

Сера является вредной примесью, снижающей механическую прочность и свариваемость стали, а также ухудшающей ее электротехнические, антикоррозионные и другие свойства. Отрицательное влияние серы на свойства стали обычно сказывается уже при содержании 0,01—0,015% (в некоторых случаях — при более низком).

Ухудшение механических и некоторых других свойств колесной стали при повышенном содержании серы объясняется следующим: сера имеет практически неограниченную растворимость в жидком железе, а в твердом железе растворяется плохо, выделением сульфидов, нарушающих сплошность защитных оксидных пленок на поверхностном слое, объясняется также снижение антикоррозионных свойств обычной и нержавеющей сталей при повышенном содержании в них серы.

Сера в жидкой стали обладает неограниченной растворимостью и очень малой растворимостью в твердом состоянии [4]. Как видно из рисунка 1.1, где приведен «железный» угол диаграммы состояния Fe—S, для малых концентраций серы, предельная растворимость S в железе при 1365° С составляет 0,05%, а при 1000° С 0,013%. В альфа-железе растворимость серы ничтожна.

Рисунок 1.1 Железный угол диаграммы Fe-S

При температуре горячей обработки металла давлением (850—1200° С) сера в стали вызывает понижение технологической пластичности стали, называемое «красноломкостью» (потеря пластичности при температуре красного каления). Красноломкость проявляется в образовании рванин и трещин во время обработки давлением. Причиной возникновения красноломкости является оплавление оксисульфидов и сульфидов по границам зерен, вызывающее разрушение металла в процессе обработки давлением [3]. Как видно из диаграммы, приведенной на рисунке, это может происходить при содержании серы в стали более 0,01%, т. е. тогда, когда оно выше предела растворимости в гама-железе.

Явление красноломкости может быть существенно ослаблено путем введения в металл элементов, обладающих большим сродством к сере, чем железо, и образующих тугоплавкие сульфиды, выделяющиеся во время кристаллизации стали в виде твердых включений. Из распространенных примесей такими свойствами обладают марганец и алюминий.

Введение в металл марганца и других примесей позволяет уменьшить вредное влияние серы на свойства колесной стали, но не устраняет его, так как выделяющиеся твердые сульфиды в основном фиксируются в металле в виде неметаллических включений [5]. Кроме того, добавки в кипящую сталь марганца в больших количествах и тем более других более сильных раскислителей невозможны. По-этому получение возможно низкого содержания серы в готовом металле является одной из важных задач сталеплавильного производства.

Отрицательное влияние серы на свойства стали сказывается и в том, что при высокой концентрации ее плохо завариваются во время обработки давлением усадочные пустоты слитка, которые обычно являются местом скопления неметаллических включений, особенно сульфидов. Это скопление (ликвация) серы получает тем большее развитие, чем больше слиток (больше продолжительность затвердевания). Поэтому при постоянстве других условий чем больше масса слитков, тем меньше должно быть содержание серы в стали. В противном случае неизбежно увеличение головной обрези от слитков при прокатке. При постоянстве массы слитка уменьшением содержания серы в стали можно обеспечить увеличение выхода годного благодаря сокращению головной обрези.

В слитках кипящей стали закрытые пустоты во время прокатки завариваются при содержаниях серы до 0,1% [1]. Но при кристаллизации кипящей стали происходит сильная ликвация серы, приводящая к повышению ее содержания в местах максимального скопления в четыре-пять раз. Поэтому для обеспечения минимальной обрези от головной части слитков кипящей стали необходимо иметь в готовой стали <0,02%S. При таком содержании серы также уменьшаются поверхностные дефекты, вызванные красноломкостью, а также повышается пластичность в холодном состоянии.

Таким образом, низкое содержание серы является важнейшим показателем высокого качества спокойной и кипящей стали.

При производстве не только колесной, а любой стали одной из основных задач является десульфурация металла, так как содержание серы в исходной шихте, как правило, выше, чем требуется готовой стали, и удаление ее из металла протекает с большим трудом, хотя сера в сталеплавильных процессах может образовать различные соединения, способные переходить и в газовую, и в шлаковую фазы.