Какие свойства придает сера стали
Влияние углерода, серы и фосфора на качество стали
Определение углерода, серы и фосфора в стали для металлургов, литейщиков и машиностроителей имеет первоочередную важность. Это позволяет получить качественную продукцию и исключить неисправимый брак. Государственные стандарты регламентируют содержание примесей в стали и методы определения их содержания.
Углерод в стали
Углерод — полиморфный неметаллический элемент, который способен растворяться в железе в жидком и твердом состоянии с образованием твердых растворов — феррита и аустенита. Кроме этого, он создает с железом химическое соединение — цементит (Fe3C), и может быть представлен в высокоуглеродистых сталях в виде графита.
В зависимости от содержания углерода стали классифицируются на:
- низкоуглеродистые (до 0,3% С);
- среднеуглеродистые (0,3-0,6% С);
- высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Содержание углерода оказывает влияние на структуру стали, количество и соотношение фаз, поэтому определяет показатели твердости и пластичности металла. При повышении содержания углерода происходит снижение ударной вязкости, и повышается порог хладноломкости. Увеличение концентрации C приводит к изменению и электрических свойств: растет сопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.
С ростом углерода происходит ухудшение литейных свойств, обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Обработка резанием низкоуглеродистых сталей также затрудняется.
Сера в стали
Сера — вредная примесь, основными источниками которой служат передельный чугун и руда, используемые при выплавке стали. Она способна растворяться в жидком железе, а в процессе кристаллизации образует FeS. Сульфид железа образует с железом эвтектику с низкой температурой плавления, которая располагается по границам зерен. При технологическом нагреве до температуры обработки металла давлением она оплавляется, а при деформировании становится причиной надрывов и трещин. Это явление называется красноломкостью, так как сталь при температуре 900-1000℃ становится ярко-красного цвета.
Повышение содержания серы нелинейно влияет на порог хладноломкости: сначала происходит его повышение, а при повышении содержания MnS он понижается. Негативное влияние сера оказывает на свариваемость и коррозионную стойкость.
Фосфор в стали
Фосфор относится к вредным примесям стали, источником которой служат шихтовые материалы, в основном — чугун. Он способен в значительных количествах растворяться в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки. Одновременно с этим происходит увеличение временного сопротивления и предела текучести, уменьшение пластичности и вязкости. Увеличение содержания фосфора становится причиной повышения порога хладноломкости и уменьшения работы развития трещины.
Фосфор в значительной мере подвержен ликвации, что приводит к резкому снижению вязкости в центральной части слитка. В настоящее время технологии глубокой очистки стали от фосфора не существует.
Сера является вредной примесью. Образуя с железом химическое соединение
FeS и реагируя с железом оно образует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 оС. Эвтектика образуется даже при очень малых количествах серы. Кристаллизуясь из жидкости, эвтектика располагается по границам зерен, при нагреве стали до температур прокатки или ковки (1000-1200о) эвтектика расплавляется , нарушая связь между зернами.
В местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление называется красностойкостью
FeS + Mn = Mn + Fe
Т.е. марганец уменьшает красноломкость
Сернистые соединения сильно снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность.
Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P.
Оптико-эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:
- спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
- интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.
Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:
- Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
- Анализ носит неразрушающий характер.
- Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
- Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
- Высокая чувствительность и точность.
- Экспрессность.
- Возможность проведения сертификационного анализа.
Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:
- путем прокачки инертным газом;
- вакуумированием.
Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.
Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом
В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:
- Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
- Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.
Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.
Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:
- Насос с блоком питания.
- Баллон с газом для компенсации потерь.
- Дополнительный фильтрующий элемент.
Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы — замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.
Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования
Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.
Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.
Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы — наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.
Универсальные настольные и стационарные спектрометры Искролайн 100/300 — отличные образцы приборов, в которых для удаление кислорода реализована система вакуумирования. Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.
Теоретические основы металлургического производства
15.1 Роль фосфора в сталеплавильных процессах
В рудах фосфор всегда сопутствует железу, иногда в больших количествах. В доменной плавке фосфор практически полностью восстанавливается и переходит в чугун. В зависимости от содержания фосфора чугуны принято подразделять на малофосфористые, содержащие не более 0,15 – 0,2% P, и высокофосфористые, в которых содержание фосфора может достигать 2 – 2,5%.
Отрицательное влияние фосфора на свойства стали проявляется уже при содержании его более 0,005 – 0,010%. Отрицательное воздействие фосфора на свойства стали связано в первую очередь с тем, что он имеет неограниченную растворимость в жидком железе, но плохо растворяется в твердом железе, особенно в аустените. При кристаллизации и дальнейшем охлаждении стали избыточное количество фосфора выделяется из пересыщенного раствора в виде фосфидов, температура плавления которых ниже температуры кристаллизации металла. Фосфидные включения хорошо смачивают металл и располагаются преимущественно по границам зерен литой стали. Это приводит к уменьшению пластичности металла, особенно ударной вязкости при низких температурах (хладноломкость стали). По этой причине особенно строгие требования к содержанию фосфора предъявляются в сталях, предназначенных для работы в условиях крайнего Севера.
При повышенном содержании фосфора ухудшается свариваемость стали. Это приводит к плохому завариванию пустот в слитках и заготовках при обработке давлением, увеличению головной обрези слитков и расслоению металла в готовом прокате.
Фосфор, совместно с серой и кислородом, повышает анизотропию прочностных свойств проката. Низкая прочность металла в поперечном направлении в сравнении с прочностью в продольном нежелательна для сталей, предназначенных для изготовления сосудов высокого давления, трубопроводов и др.
Сталь с высоким содержанием фосфора обладает также так называемой синеломкостью, т.е. хрупкостью при температурах 500 – 600оС.
Повышенное содержание фосфора характерно для некоторых конструк-ционных сталей, предназначенных для обработки резанием на станках-автоматах (автоматные стали). Обычно они применяются для изготовления болтов, гаек и других деталей не ответственного назначения. Примером может служить сталь А12 состава, % мас.: 0,08 – 0,16 C; 0,6 – 0,9 Mn; 0,15 – 0,35 Si; 0,08 – 0,2 S; до 0,15 P. При обработке резанием такие стали не образуют стружки в виде длинных спиралей, а обрабатываемая поверхность получается более чистой.
При производстве тонких листов методом горячей пакетной прокатки в стали также предусматривается повышенное содержание фосфора (до 0,045 – 0,050%). Это уменьшает свариваемость листов при прокатке и увеличивает выход годной продукции.
15.1 Роль фосфора в сталеплавильных процессах
Влияние серы на свойства сталей
Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.
Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.
Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красно
ломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре
красного
каления стали.
Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).
Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.
Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Источник
выплавка сталь двухванная печь
Сера (S) является вредной примесью. Попадает в сталь из чугуна и топлива.
Содержание серы:
S – 0,035 – 0,06% (0,018% S – качественная сталь). Сера образует с железом соединение FeS. Это соединение образуют с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления – Тпл = 988?С.
Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000-1200?С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины.
Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Тпл = 1620?С:
FeS + Mn > MnS + Fe.
Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис.3).
Рисунок 3. Влияние серы на вязкие свойства стали
Также сера снижает пластичность – д, ш%.
Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.
Раствор серы в железе. При растворении серы в металле выделяется тепло:
l/2S2(r) >[S],
ДGє= -72 000-10,25 T,
что является показателем определенных связей между серой и железом в растворе. Несмотря на относительно низкую температуру испарения (445 °С), сера в элементарном виде в газовую фазу практически не переходит, что также свидетельствует о сильных связях серы с железом. Об этом же свидетельствует значительное отрицательное отклонение раствора серы в чистом железе от закона Генри. На диаграмме состояния сплавов Fe-S при 50ат.% S наблюдается максимум, характерный для образования химического соединения (в данном случае FeS), поэтому предполагается наличие сильной ионной связи между ионами Fe2+ и S2-. Косвенным свидетельством образования достаточно прочных группировок Fe-S является также наблюдаемое значительное повышение вязкости железа при увеличении в нем содержания серы. Серу, растворенную в жидком металле, обычно обозначают [S]. Принято считать, что процесс перехода серы из металла в шлак происходит на границе со шлаком:
[Fe2+] + [S2-] – (Fe2+) + (S2-) или
Fеж+[S]- (Fе2+) + (82-).
Можно также представить процесс как взаимодействие на поверхности контакта металл–шлак с образованием ионов серы в шлаке и атомов кислорода в металле: [S] + (О2-) = (S2-) +
+ [О]. Иногда это выражение суммируют с уравнением распределения кислорода между металлом и шлаком:
(Ре2+) + (02~) = Fеж+[0],
Реж + [S] = (Fe2+) + (S2-)
[S] + (О2-) = (S2-) + [О].
Для упрощения процесс перехода серы из металла в шлак часто условно обозначают
[S] -»(S).
Влияние серы на качество стали. Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной в твердом. Предельная растворимость серы в -Fе при 1365 єС составляет 0,05 %, а при 1000 °С — 0,013%. В -Fе растворимость серы снижается до 0,002-0,003 % при комнатной температуре. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются застывающие в последнюю очередь сульфиды железа. Железо и сульфид железа образуют низкоплавкую эвтектику (температура плавления 988 °С), которая в присутствии кислорода из-за образования оксисульфидов плавится при еще более низких температурах.
Межзеренные прослойки (обычно на микрошлифе они имеют вид нитей) фазы, богатой серой, при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются, и сталь теряет свои свойства, происходит разрушение металла (красноломкость)1. Красноломкость особенно сильно проявляется в литой стали (в виде рванин и трещин), так как сульфиды и оксисульфиды в этом случае скапливаются по границам первичных зерен. Если сталь хотя бы однократно подвергалась горячей деформации, то вследствие измельчения зерна и образования при деформации новых зерен красноломкость проявляется в гораздо меньшей степени. Однако и в этом случае стремятся получить в стали минимальное содержание серы, так как вредное влияние серы на механические свойства (в частности, на ударную вязкость) заметно, особенно в направлении, поперечном оси прокатки или ковки.
Углеродистая сталь приобретает ярко-красный цвет при температуре 900–1000 єС (цвет каления). Причиной красноломкости может быть также повышенное (более 0,4– 0,5 %) содержание меди; при высоких температурах могут образовываться местные скопления структурно-свободной меди, в результате чего при деформации металла могут возникнуть поверхностные надрывы и трещины.
В катаных или кованых изделиях сульфидные включения обычно вытянуты в виде строчек в направлении горячей пластической деформации, что нарушает сплошность структуры проката или поковки, поэтому в тех случаях, когда нагрузка направлена поперек оси деформации, т. е. перпендикулярно строчкам, стальная матрица разрывается по границам раздела с сульфидами; соответственно снижается пластичность стали в поперечных образцах. Это особенно важно учитывать при изготовлении изделий, подвергающихся знакопеременным нагрузкам или нагрузкам в поперечном (относительно оси прокатки) направлении (трубы для газопроводов высокого давления, резервуары, конструкции для платформ морского бурения и пр.). Степень анизотропии свойств уменьшается по мере снижения содержания серы (рис. 4); при снижении содержания серы < 0,003 % степень анизотропии приближается к 1.
Рис. 4. Влияние концентрации серы в стальных бесшовных трубах на относительную ударную вязкость КСОТН, т. е. отношение ударной вязкости на поперечных образцах к ударной вязкости на продольных (Г) и ударной вязкости на вертикальных образцах к ударной вязкости на продольных образцах (2)
Сульфиды отрицательно влияют на результаты испытаний поперечных образцов при пониженных температурах, заметно повышая порог хладноломкости, что, например, особенно важно при разработке технологии производства труб большого диаметра для газопроводов Крайнего Севера. Помимо максимального снижения содержания серы для получения стали с особыми вязкими свойствами принимают специальные меры с целью получить сульфиды в глобулярной форме (а не в виде строчек). Для этого сталь обрабатывают ЩЗМ (кальцием, барием) и РЗМ (лантаном, церием, иттрием и др.).
Для ряда конструкционных сталей основные нагрузки приходятся на продольное, а не на поперечное направление. Для этих сталей такого низкого (< 0,003 %) содержания серы не требуется. Для ряда марок стали, в частности в автомобилестроении, машиностроении, особые требования предъявляют к обрабатываемости стали на станках-автоматах. Для обеспечения высокой обрабатываемости содержание серы регламентировано до 0,02-0,08 %.
Источники серы. К основным источникам относится шихта, и прежде всего чугун. В зависимости от содержания серы обычные передельные чугуны делят на три категории: 1-<0,030%8, II-<0,050 %S, III-< 0,07 % S. Некоторое количество серы может содержаться в стальном ломе и особенно в замасленной стальной стружке. Какое-то количество серы переходит в металл из топлива (при отоплении печи сернистым мазутом или коксовым газом, полученным при коксовании сернистых углей).
Активность серы в жидкой стали зависит от состава расплава. Такие примеси, как углерод, кремний, повышают активность серы в жидком расплаве (рис. 4). В связи с этим десульфурация чугуна, содержащего большое количество углерода и кремния, при прочих равных условиях происходит легче, чем десульфурация обычной стали.
Сера является поверхностно-активным элементом, в результате чего на поверхности раздела фаз концент рации серы выше, чем в объеме раствора, поэтому наибольший эффект дают такие методы ведения плавки, которые обеспечивают увеличение поверхности контакта металла с десуль-фурирующей фазой (искусственное перемешивание металла со шлаком, вдувание в металл тонкоизмельченных порошкообразных реагентов и т.д.). Приходится, однако, учитывать, что некоторые другие примеси металла также поверхностно-активны. Если в металле присутствует несколько поверхностно-активных примесей, то между ними происходит как бы «борьба за поверхность». В металле, например, всегда содержится какое-то количество кислорода. Кислород также поверхностно-активен, поэтому в тех случаях, когда в металле много кислорода (металл окислен), на поверхности контакта металла с десульфури-рующей фазой присутствует много кислорода и реакция десульфурации идет с трудом. Если содержание кислорода в металле снизить до определенного уровня (< 0,01 %), то адсорбция серы становится большей, чем адсорбция кислорода, и скорость, и степень удаления серы из металла резко возрастают (рис. 5).
Рис. 5. Влияние компонентов расплава на активность серы в жидкой стали
Источник