Теоретические основы металлургического производства
  14.1 Роль серы в сталеплавильных процессах

Сера является одной из наиболее вредных примесей стали, снижающих механическую прочность, пластичность и свариваемость металла, его эксплуатационные свойства и др. Ниже будут рассмотрены лишь отдельные примеры негативного влияния серы на качество металла.

Сера обладает неограниченной растворимость в жидком железе. Имеются данные, согласно которым в железе может растворяться до 38% серы при содержании ее в чистом сульфиде FeS равном 36,5%. При переходе металла из жидкого состояния в твердое растворимость серы в нем резко уменьшается и продолжает уменьшаться при охлаждении твердого металла от температуры кристаллизации до комнатных температур. Так, например, в -Fe при 1365оС сера растворяется в количестве ~ 0,055%, в -Fe при 910оС ~ 0,015%, а при комнатной температуре 0,001 – 0,002%. Таким образом, при затвердевании и охлаждении металла практически все количество содержащейся в расплаве серы выделяется из пересыщенного раствора в виде сульфида железа FeS или оксисульфидной эвтектики.

Из диаграммы состояния системы Fe-S следует, что температура плавления чистого сульфида железа равна 1190оС, а оксисульфидный расплав имеет эвтектику с температурой затвердевания ~ 985оС, что значительно ниже температуры плавления металла. Поэтому при кристаллизации стали включения сульфида железа и оксисульфидов выделяются в жидком виде. Хорошо смачивая металл, неметаллические включения в виде тонких пленок располагаются на границах зерен литого металла, занимая большую площадь.

При температурах более 1000оС (температура красного каления) эти включения находятся в жидком или пластичном состоянии, что ослабляет связь между зернами металла и его способность к горячей пластической деформации. Это явление называют красноломкостью стали. Красноломкость вызывает: образование горячих трещин на поверхности слитков, литых заготовок и изделий; появление рванин, трещин и других поверхностных дефектов при прокатке; плохое сваривание внутренних пустот металла при прокатке, в результате чего головная обрезь от слитков увеличивается при повышении концентрации серы и др.

В настоящее время явление красноломкости устраняется введением в сталь марганца. При соотношении [%Mn]/[%S] = 20 – 22 и более сера выделяется из пересыщенного раствора в виде сульфидов марганца MnS, имеющих высокую температуру плавления.

Согласно классификации Симса включения сульфида марганца в литой стали принято подразделять на три группы. Внешний вид включений MnS на поверхности не травленого шлифа показан на рисунок 14.1.

Включения сульфидов марганца в литом металле

Рисунок 14.1 – Включения сульфидов марганца в литом металле: а – сульфиды марганца I типа; б – сульфиды марганца II типа; в – сульфиды марганца III типа

Сульфиды марганца I типа наблюдаются в слабо раскисленной стали ([O] > 0,02%). Они представляют собой глобулярные включения оксисульфидов размером до 100 мкм, беспорядочно распределенные по поверхности шлифа.

Сульфиды марганца II типа наблюдаются при содержании кислорода в стали менее 0,01%. Это однородные эвтектические сульфиды, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек, а также сульфиды, выделяющиеся в виде плоских кристаллов а конце процесса кристаллизации.

Сульфиды марганца III встречаются при концентрации кислорода в стали менее 0,01% и высоком содержании углерода, кремния, алюминия и др. Это включения с четко выраженными ребрами, углами и плоскостями. Они характеризуются кажущейся однородностью, но в действительности эти сульфиды содержат оксидные вкрапления.

В настоящее время для раскисления металла широко используется алюминий. При этом сульфиды марганца в литом металле представлены преимущественно включениями II и III типов. Особенность этих включений заключается в их склонности к изменению формы и размеров при горячей пластической деформации металла, в результате чего сульфидные включения в прокате имеют вид длинных строчек, вытянутых в направлении прокатки. Это особенно характерно для стали с содержанием марганца 1 – 1,5% и более.

Образцы для определения механических свойств металла могут быть вырезаны вдоль направления прокатки (продольный образец), поперек (поперечный образец) и перпендикулярно поверхности проката (вертикальный образец). При этом в зависимости от ориентации образца относительно направления прокатки в сечении, где происходит его разрушение, форма сульфидных включений и занимаемая ими площадь оказывается различной. Площадь, которую занимают сульфидные включения в сечении разрушения образца, увеличивается при переходе от продольных образцов к поперечным и от поперечных образцов к вертикальным (рисунок 14.2).

В сравнении с металлом прочность сульфидных включений очень мала и в первом грубом приближении их можно рассматривать как трещины, ослабляющие сечение образца. В связи с этим наиболее высокие значения механических характеристик металла будут установлены при испытании продольных образцов. При переходе к поперечным и вертикальным образцам механические свойства металла будут ухудшаться.

Форма сульфидных включений в сечении образцов, вырезанных из проката вдоль направления прокатки, поперек и перпендикулярно поверхности проката

Рисунок 14.2 – Форма сульфидных включений в сечении образцов, вырезанных из проката вдоль направления прокатки, поперек и перпендикулярно поверхности проката

Зависимость механических характеристик металла от взаимной ориентации сульфидных включений и направления действия разрушающей нагрузки (или от ориентации образца относительно направления прокатки) получила название анизотропии механических свойств стали. Особенно сильное воздействие анизотропия оказывает на пластические свойства металла – относительное удлинение, относительное сужение и особенно ударную вязкость.

Явление анизотропии устраняется путем снижения концентрации серы в стали до низкого уровня. В качестве примера на рисунке 14.3 показано влияние содержания серы на соотношение значений ударной вязкости стали, которые получены при испытании поперечных, продольных и вертикальных образцов, вырезанных из бесшовных труб. Из приведенных данных видно, что для устранения анизотропии механических характеристик стали концентрация серы в ней не должна превышать 0,003 – 0,004%.

Влияние содержания серы на соотношение ударной вязкости стали

Рисунок 14.3 – Влияние содержания серы на соотношение ударной вязкости стали на поперечных (aq), продольных (al) и вертикальных (ah) образцах, вырезанных из бесшовных труб

Другим способом устранения анизотропии является модифицирование сульфидных включений в результате обработки щелочноземельными и редкоземельными металлами. В этих случаях достаточно изотропный металл может быть получен при содержании серы 0,010 – 0,016%.

В отдельных случаях повышенное содержание серы в стали является желательным. Примером могут служить автоматные стали, в которые сера вводится для получения хрупкой стружки. Например, сталь А12 содержит, % мас: 0,08 – 0,16 C; 0,6 – 0.9 Mn; 0,15 – 0,35 Si; 0,08 – 0,2 S; не более 0,15 P.

  14.1 Роль серы в сталеплавильных процессах
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ