Исследование, анализ и выбор оптимального режима химико-термической обработки образцов из стали 20 (Аналитический обзор научно-исследовательской работы)

Введение

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами, из которых наиболее обычными являются марганец, кремний, фосфор и сера. В зависимости от химического состава шихтовых материалов — руды, кокса и известняка, а также технологии доменного процесса чугун может содержать 3— 4,5% углерода, 0,15—2,5% или более марганца, до 0,2% серы, 0,025—2,5% фосфора и 0,5— 4,0% кремния. В процессе передела чугуна в сталь упомянутые выше компоненты чугуна должны быть либо почти полностью удалены из металла, либо их содержание должно быть существенно снижено.

Современные процессы производства стали, втом числе и конвертерные процессы, в зависимости от характера протекающих в них реакций можно разделить на кислые и основные процессы. Углерод, марганец и кремний можно относительно легко удалить как в кислом, так и в основном процессе, но удаление фосфора и серы требует особых условий и может быть осуществлено только в основном процессе. Основной процесс характеризуется использованием извести для образования основного шлака, в котором фосфор и сера связаны с известью в прочные соединения, благодаря чему становится возможным рафинирование металла от серы и фосфора.

Состав огнеупоров для футеровки печей должен соответствовать составу шлака. В противном случае шлак будет взаимодействовать с футеровкой и нейтрализоваться, быстро разрушая последнюю.

Окисление является основой процесса передела чугуна в сталь. Любой сталеплавильный процесс прежде всего должен обеспечить поступление в ванну требуемого количества кислорода для рафинирования металла. Кислород взаимодействует с подлежащими удалению примесями (за исключением серы), однако при этом неизбежно окисляется и некоторое количество железа. Продукты окисления переходят в шлак или в виде газов удаляются из ванны. Сера не удаляется в результате прямого взаимодействия с кислородом. Степень удаления серы, или десульфурации, зависит от степени основности шлака и температуры. По мере уменьшения содержания примесей в чугуне температура плавления металла возрастает, поэтому для поддержания ванны в жидком состоянии необходимо обеспечить достаточный приток тепла в ванну.

1.1 ПЕРВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕДЕЛА ЧУГУНА В СТАЛЬ

1.1.1 Древние способы

Весьма вероятно, что большая часть стали в древние времена получалась в результате частичного науглероживания мягкого сварочного железа.

Как известно, сварочное железо после нагрева с последующим резким охлаждением в какой-либо жидкости не изменяет своей твердости, так как содержание углерода в нем слишком мало. Если же увеличить содержание углерода одним из описанных ниже способов, поверхность и кромки куска сварочного железа после нагрева и закалки станут более твердыми. Науглероживание поверхности сварочного железа производилось посредством нагрева его в кузнечном горне в окружении раскаленного угля, предохранявшего железо от окисления. Науглероженный поверхностный слой металла после закалки в соответствующей жидкости приобретает большую твердость. Напротив, внутренние слои металла, например холодного оружия или инструмента, остаются сравнительно мягкими. Несомненно, что частично сталь могли получать и при неполном обезуглероживании крицы в ланкаширском, валлийском и других подобных процессах.

Другой метод, применявшийся в странах Востока для получения известной дамасской стали, состоял в том, что пачки кусков мягкого железа и высокоуглеродистой стали, сложенных перемежающимися слоями, нагревали и проковывали. Прокованные полосы связывали в пучки и снова ковали. Слоистость металла, возникающая в результате неполной диффузии углерода из углеродистой стали в мягкое железо, вызывает на поверхности своеобразные «водяные» узоры, являющиеся характерной особенностью дамасской стали.

Трудно сказать, как и где был изобретен первый процесс получения стали. Археологические находки говорят о том, что уже за 1000 лет до н. э. людям был знаком способ получения твердой поверхности изделий путем цементации и закалки стали. Так, например, в одном из древних городов Цейлона было найдено долото с закаленным концом. Предполагают, что оно было изготовлено за 500 лет до н. э.

Письменные указания относительно стальных бритв, хирургических инструментов, напильников, долот, резцов, для обработки камня и т. п. встречаются уже за несколько сот лет до н. э. Так называемая сталь «вутц» производится в Индии на протяжении многих веков. Имеются различные описания метода получения углеродистой стали, но в основном они сводятся к тому, что первый этап производства заключается в нагреве чистой руды с углерод-содержящим материалом, например древесным углем или мелко наколотой древесиной, в закрытом тигле. В результате выдержки при высокой температуре в течение нескольких часов руда восстанавливается до железа, которое затем науглероживается избыточным углеродом шихты и расплавляется благодаря понижению температуры плавления. После остывания тигель разбивали и извлекали из него небольшой кусок высокоуглеродистой стали.