Реферат: Изучение теории и технологии выплавки шарикоподшипниковой стали марки ШХ4

--PAGE_BREAK--2. Анализ способов выплавки шарикоподшипниковых сталей  на Украине, в СНГ и за рубежом.
2.1 Общая характеристика способов выплавки.
Наиболее распространёнными способами производства шарикоподшипниковых сталей являются: основной мартеновский, кислый мартеновский и электродуговой. Последний, по данным С.С. Штейнберга, был признан наиболее совершенным. Полагали, что в электропечи может быть выплавлен первосортный металл даже из относительно загрязнённых 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 СНГ 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 отечественной 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 отечественной промышленности при выплавке стали в открытых дуговых электропечах, явилось внепечное вакуумирование в ковше, в установках циркуляционного или порционного вакуумирования, вакуум-шлаковой обработки (УВСШ).

За рубежом 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.
2.2 Выплавка в мартеновских печах.
Весьма ограниченный объём производства кислых мартеновских сталей типа ШХ15 (в т.ч. и ШХ4) в СНГ и за рубежом 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 SKFв Хеллефорсе. Выплавку ведут в кислых мартеновских печах ёмкостью 30-120т. 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.

В СНГ 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%Sи до 0,017%P.

Окончательное раскисление поводят в печи силикокальцием (1,26кг/т) и кусковым алюминием (0,4 кг/т), 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,  до3% SiO2, до0.5% FeO, до1.5% TiO2.

2.3 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 (0,5 кт/т стали). 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 количестве 0,5 кг/т в ковш и 0,5 кг/т в ковш.

Высокоглинозёмистым 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-глинозёмистыми 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 зёрен корунда.
2.4 Специальные способы выплавки.

Выплавка смешением в ковше жидких расплавов.
Особенностью той 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.

1)    Выплавка в вакуумных индукционных печах на свежей шихте.

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

3)    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.
Электрошлаковый переплав.
Подшипниковая сталь явилась одним из первых объектов, на которых была опробована, а затем успешно внедрена технология ЭШП. При прохождении электрического тока через слой жидкого шлака в нём выделяется тепло, оплавляющее конец электрода, погруженного в шлак. Состав шлака подбирают таким образом, чтобы он обладал высоким рафинирующим действием и высоким электросопротивлением. Расплавленный металл, проходя через шлак, рафинируется, в нём снижается содержание кислородных включений и серы. Попадая в водоохлаждаемый кристаллизатор очищенный металл быстро и направленно кристаллизуется, что предотвращает образование дефектов слитка.

Особенностями слитков электрошлакового переплава являются высокая плотность, отсутствие крупных неметаллических включений, равномерное распределение мелких включений, отсутствие внутренних и поверхностных раскатанных загрязнений, усадочных дефектов, повышенная пластичность при горячей механической обработке.

При ЭШП степень десульфурации составляет 80%. Содержание сульфидных и оксидных включений уменьшается в 1,5-2 раза.[1] Этот процесс является достаточно дорогостоящим, поэтому сталь, выплавленную таким образом целесообразно использовать только в тех случаях, когда производимые подшипники используются в особо ответственных изделиях и агрегатах (самолёты, атомные реакторы и т.п.).
3. Аналитический обзор литературы по вопросу технологии, способов выплавки и разливки

    шарикоподшипниковой стали за последние годы.
Подшипниковые стали выплавляют ещё с начала 20-го века (первой была сталь шх15, широко используемая и в настоящее время), и за это время в этой области было произведено множество исследований и экспериментов, направленных как на поиск закономерностей влияния химического состава, содержания и типа неметаллических включений, микро- и макроструктуры, так и на выявление зависимости качества готовых подшипников от способа их производства.

Среди металлургов и работников подшипниковой промышленности нет единого мнения о долевом влиянии технологических, конструктивных и металлургических факторов на долговечность подшипников, поскольку в большинстве исследований вопросы повышения качества подшипниковой стали решались в основном с точки зрения удовлетворения требований существующих стандартов без достаточной проверки связи между этими требованиями и долговечностью подшипников. Расхождение во мнениях объясняется тем, что испытание подшипников – это многофакторный эксперимент и очень трудно выделить влияние одного из действующих факторов.[8]

Разные исследователи по-разному оценивают уровень влияния различных факторов на качество подшипников.

Так, например, в совместной работе Первого государственного подшипникового завода (ПГПЗ) и запорожского машиностроительного института было установлено, что долговечность L90подшипников типа 76210 шведской фирмы СКФ в 6 раз превосходит аналогичный показатель отечественных, австрийских и итальянских подшипников.

В то же время совместными исследованиями ВНИШ и УкрНИИспецстали по испытанию подшипников, изготовленных из металла  шведской фирмы СКФ и отечественного производства по существующей на подшипниковых заводах технологии, установлено, что долговечность (L90) подшипников типа 76210 из шведской стали выше, чем из отечественной (завода «Днепроспецсталь»), всего на 30-45%.

Исследование подшипников после стендовых испытаний позволило сделать вывод, что качество металла отечественного производства и шведской фирмы СКФ по многим показателям одинаково.

Анализ результатов испытаний подшипников позволил сделать вывод, что влияние конструктивных параметров и технологических факторов (чистота поверхности, точность сборки, гранность тел качения и т.д.) значительно выше, чем влияние металлургического качества металла, в том числе природы и количества неметаллических включений. Высказанное положение может быть также подтверждено результатами испытаний долговечности различных типов подшипников, приведенных В.П. Жевтуновым (ВНИПП) на Всесоюзной конференции по подшипниковым сталям в г. Запорожье (1974г.).[8]

По мнению А. Кравчика (Польша), основным критерием оценки качества материала подшипников является усталостная контактная прочность, которая отражает стойкость материала против возникновения поверхностного выкрошивания “питтинг”на рабочих поверхностях подшипников. Механизм возникновения этих выкрошиваний является предметом противоречивых гипотез. По вопросу же о причинах, вызывающих наступление усталостного износа в случае усталости качения, как и при других видах усталостной прочности, вредное влияние оказывают разного рода неоднородности и несплошности материала, которые, выполняя роль концентраторов напряжений, вызывают их неравномерное распределение в соседних микрообластях, что ведёт к ускоренному разрушению материала.[9] Т.е. более важным он считает качество металла, из которого изготовлен подшипник.

Наряду с технологией выплавки одним из важнейших  факторов, влияющих на макроструктуру и степень чистоты стали, является масса слитка. Разливку изложницы производят только сифонным способом. Масса слитка сталей ШХ15 и ШХ4 колеблется от 0,6 до 5,2 т, а сталей типа ШХ15СГ – от0,6 до3,8 т. По данным других источников, во всех странах используют слитки массой 2-5 т. Увеличение массы слитков до 5-6 т, вызванное стремлением интенсифицировать процесс разливки при увеличении ёмкости печей, ухудшает макроструктуру стали, степень её загрязнения. Очень малая масса слитка (0,5-1,0 т) не позволяет полностью устранить дендритную ликвацию и выровнять химическую неоднородность вследствие недостаточного обжатия при получении крупных заготовок.[1]

Очень перспективным направлением в этом плане является внедрение машин непрерывного литья заготовок. В этом случае, особенно при использовании метода «плавка на плавку», т.е. в случае, если сталеплавильные агрегаты имеют большую ёмкость и производительность, на предприятии можно ожидать существенного увеличения производительности, особенно за счёт уменьшения потерь с литниками и уменьшения количества дефектов в заготовках.

Существенного улучшения технико-экономических показателей производства можно добиться путём широкого применения и дальнейшего совершенствования методов и средств неразрушающего контроля качества заготовок и готовых изделий.

Одним из существенных элементов современной прогрессивной технологи производства подшипниковых сталей является широкое применение неразрушающих испытаний, которые придают выходному контролю высокую надёжность и обеспечивают полную и непрерывную информацию о качестве продукции в процессе её изготовления. Благодаря этому появляется возможность своевременно корректировать технологические процессы и поддерживать на заданном уровне показатели качества.

Основная область применения неразрушающих испытаний качества проката подшипниковых сталей – проверка макроструктуры, дефектов поверхности и изменений химического состава в поверхностных слоях.

Проверка качества этими методами носит в настоящее время дополнительный характер. И внедрение неразрушающих методов контроля в качестве основных, а также разработка более эффективных и прогрессивных технологий контроля, является в настоящее время одним из основных путей совершенствования производства подшипниковой стали как за рубежом, так и на Украине. Так в проект новых ГОСТов на подшипниковую сталь уже включены ультразвуковые методы контроля.

В настоящее время проводятся работы по создания критериев оценки качества при автоматизированном 100-%-ном неразрушающем контроле качества поверхности калиброванной стали.[8]

Следует также упомянуть высокие технико-экономические показатели, получаемые предприятиями при внедрении вакуумшлакового рафинирования металла. В стали, обработанной на промышленной УВСШ (установка рафинирования в столбе шлака), содержание кислорода ниже, чем в металле, обработанном синтетическим шлаком, в 2 раза (до 0,002% и менее), серы – в 2 раза (до 0,003% и менее), водорода в 1-1,5 раза (до 2,5-3,0см3/100г). Количество неметаллических включений после обработки шлаком рационального состава на УВСШ снижается в 3-5 раз по сравнению с металлом, обработанным по другим технологиям.

Эффективность использования способа вакуумирования стали с обработкой в столбе шлака определяется соотношением дополнительных затрат в металлургии, связанных с внедрением способа. И экономического эффекта от замены у потребителей металла обычной выплавки металлом, выплавленным с вакуумшлаковой обработкой.

Непосредственно на металлургическом заводе экономический эффект может быть получен за счёт увеличения производительности печей, доплат за качество металла, а также за счёт сокращения или устранения противофлокенной обработки проката. Народно-хозяйственный эффект же выразится главным образом в увеличении долговечности подшипников.

Сравнивая данные о стоимости внепечной обработки стали при использовании различных способов рафинирования (рисунок 2), можно сделать вывод о том. Что при достижении проектной производительности УВСШ удорожание металла не будет значительно превышать стоимость обработки на установках  RH и DHи будет значительно ниже, чем при использовании способа ASEA-SKF (слив металла в ковш, вакуумная дегазация, электромагнитное перемешивание, дополнительный подогрев металла дугой и слив). В то же время способ ВСШ, как ни один из известных способов внепечной обработки, позволяет за короткое время комплексно решать  проблему рафинирования стали, осуществляя её десульфурацию, раскисление, дегазацию и очищение от неметаллических включений. При соответствующем конструктивном оформлении установка ВСШ не сложнее в работе, чем установки типа RH и DH, а тепловые потери металла могут быть такими же, как на установках указанного типа.

Использование способа ВСШ для обработки конструкционных сталей других марок также может быть весьма эффективно, так как именно на этих сталях важно провести весь комплекс рафинирования металла от серы, газов и неметаллических включений, позволяющий значительно повысить механические и служебные свойства сталей, уменьшить металлоёмкость деталей машин и конструкций. Реализация процесса обработки стали в вакууме в столбе шлака позволит достигнуть качественно нового уровня свойств металла.
<img width=«438» height=«268» src=«ref-1_329892907-22011.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">

<img width=«339» height=«312» src=«ref-1_329914918-23561.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">

Рисунок 2 – Изменение затрат на вакуумную обработку в зависимости от количества обрабатываемого металла и применяемых способов обработки: 1-6 – способы вакуумирования: 1 – при обычной разливке, 2 – в ковше, 3- RH и DH, 4 – Финкл, 5 – ASEA-SKF, 6 – ВСШ

             Следует отметить, что возможности способа вакуумшлакового рафинирования не ограничиваются только стандартным вариантом обработки. Большие преимущества могут быть получены также при совмещении данного способа рафинирования с горизонтальными и радиальными МНЛЗ, с модифицированием металла редкоземельными и щелочноземельными металлами, при работе установки ВСШ в комплексе со сталеплавильными агрегатами (конвертор, САНД), обладающими повышенной производительностью. Снабжение установки приспособлением для подогрева металла в процессе или после обработки позволит вывести вакуумшлаковое рафинирование по эффективности на один уровень с дорогостоящим способом ASEA-SKF при значительно меньших затратах. [10]

Многие исследования, проводимые в настоящее время, направлены уже даже не на совершенствование существующих технологий, а на разработку совершенно новых. Так в Японии находит ограниченное применение труднообрабатываемая жаропрочная быстрорежущая сталь SKH4A (18%W, 4%Cr, 1%Vn, 10%Co). [1] В США в последние годы создан новый жаропрочный материал для подшипников из нитрида кремния, долговечность которого на 300-800% выше долговечности обычных подшипниковых материалов, работающих в условиях высоких температур и в коррозионных средах. Исследования, выполненные в Америке, показали, что нитрид кремния, спрессованный в горячем состоянии, обеспечивает долговечность 5,7 вместо 1,8 млн. циклов в случае быстрорежущей инструментальной стали вакуумного переплава. Подшипник из нитрида кремния успешно работал при 9000С и скорости вращения вала 30 000 об/мин.[7]

В конечном итоге, в настоящее время очень важным для подшипниковой промышленности является максимальное объединение усилий учёных и технологов различных отраслей: химиков, физиков, металлургов, конструкторов, и в первую очередь экономистов, как нашего государства, так и других стран для обеспечения неуклонного роста производства и дальнейшего развития технологии производства недорогих, и самое главное высококачественных и долговечных подшипников, как металлических, так и на основе композиционных материалов, и, в будущем, создания практически вечных подшипников, срок службы которых будет измеряться не десятками лет, а столетиями.
    продолжение
--PAGE_BREAK--