Технология конструкционных материалов

Содержание

 

1. Производство стали

Сущность процесса

Основными исходными  материалами для производства стали  являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно  ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в  первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

.

Одновременно с железом  окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали  осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого  металла. Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора. Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора.

Второй этап – кипение  металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур. При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, удаляется сера.

Третий этап – раскисление  стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление  осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

Диффузионное раскисление  осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака.

В зависимости от степени  раскисления выплавляют стали: спокойные, кипящие, полуспокойные.

Спокойная сталь - это  сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали  находится в связанном с элементом-раскислителем  состоянии. При разливки такой стали  газы не выделяются, и она застывает спокойно.

Кипящая сталь - это сталь, частично раскисленная марганцем. При  разливке в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков  оксида углерода, образующихся по реакции: [C] + [O] = {CO}.

Полуспокойная сталь - это  сталь, по степени раскисленности занимающая промежуточное место между кипящей и спокойной.

Полуспокойную сталь раскисляют частично в печи (марганцем) и затем в  ковше (кремнем, алюминием).

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы: Ni, Co, Mo, Cu, не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы: Si, Mn, Al, Cr, V, Ti, вводят в конце плавки в ковш.

Производство  стали в мартеновских печах.

Мартеновский процесс. Шихта мартеновских печей подразделяется на металлическую часть (чугун, стальной лом, раскислители и легирующие добавки) и неметаллическую (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Чугун, применяемый либо в жидком состоянии, либо в виде чушек, служит основным источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности процесса, экономических условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей и легирующих добавок, в М. п. используют Ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель). Железная руда и мартеновский агломерат применяются в М. п. в качестве окислителей, а также в качестве флюса, способствующего ускоренному формированию активного шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислительных реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.

В мартеновском процессе тепла, выделяющегося  в результате химических реакций  окисления примесей металлической  ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно подаётся тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служат природный газ, мазут, коксовый и доменный газы. Для обеспечения полного сгорания топлива воздух на горение подаётся в количестве, несколько большем теоретически необходимого. Это создаёт избыток кислорода в продуктах сгорания, в которых присутствуют также газообразные окислы CO2 и H2O, частично диссоциирующие при высокой температуре. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну для интенсификации окислительных процессов). FeO, Fe2O3, CaO, SiO2, MnO, P2O5 и другие окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передаёт кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передаёт тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный химический состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определённом количестве.

В мартеновском периоде плавки различаются обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твёрдого чугуна, плавление, кипение, раскисление и легирование, выпуск. Заправка печи преследует цель поддержания в рабочем состоянии всех элементов кладки плавильного пространства. Для этого в момент выпуска плавки на подину и стенки по мере их освобождения от шлака заправочной машиной забрасывают огнеупорные материалы (дроблёный обожжённый доломит, магнезитовый порошок и другие). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности (бугры, ямы). Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твёрдые шихтовые материалы подаются к печи в спец. коробах — Мульдах (ёмкостью до 3,3 м3). Продолжительность завалки в зависимости от ёмкости печи колеблется от 1 до 3 ч. Для дополнительного подогрева всего стального лома перед заливкой в печь чугуна производятся прогрев шихты, продолжительность которого может достигать 1,5 ч. Заливка чугуна длится 20—60 мин. Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1—5 ч. В печь в этот период подаётся максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, содержащиеся в чугуне, окисляются (в шлак частично переходят и окислы железа). Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём спуска в шлаковые чаши) некоторое количество шлака. В период плавления обеспечивается удаление из металла также основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, который сталь должна иметь перед выпуском плавки; температура металла относительно невысока. Поэтому главное назначение следующих периодов плавки, называемых доводкой, состоит в том, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла, доведение его до заданного химического состава. В связи с этим период кипения — наиболее ответственный период мартеновской плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворённого в жидком металле углерода. Образующиеся в результате этой реакции пузырьки окиси углерода вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают впечатление кипения ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками железной руды и других флюсов, либо продувкой ванны кислородом и сжатым воздухом. Состав шлака, обеспечивающий оптимальный нагрев металла и удаление из него нежелательных примесей (в частности серы), регулируется добавками извести, руды и других флюсующих материалов. Выделяющиеся пузырьки окиси углерода играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая нижние слои металла (менее нагретые) с верхними (более нагретыми), они ускоряют процесс нагрева всего объёма металла. Кроме того, они захватывают по пути вверх некоторое количество других газов и неметаллических частиц, присутствие которых в готовой стали ухудшает её качество. Период кипения иногда условно разделяют на 2 части — период рудного кипения, когда в печь вводят добавки руды (кислород), извести, флюсов, и период чистого кипения, когда окисление растворенного в металле углерода продолжается без каких-либо добавок, за счёт растворённого в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения происходит окончательное доведение металла до требуемых температуры и химического состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от выплавляемой марки стали. Начиная с момента полного расплавления ванны и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль температуры металла. Общая продолжительность периода кипения 1—2,5 ч. Раскисление и легирование — завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают или прожигают струей газообразного кислорода сталевыпускное отверстие; металл по жёлобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш (на больших печах плавку выпускают в 2 или 3 ковша). Общая продолжительность выпуска до 20 мин. После выпуска плавки и необходимого осмотра отверстие вновь заделывают огнеупорными материалами. Из ковша металл разливают в изложницы или на установках непрерывной разливки стали. 

Разливка стали 

Из плавильных печей сталь выпускают  в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в  изложницы или кристаллизаторы  машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков.

Изложницы выполняют  с квадратным, прямоугольным, круглым  и многогранным поперечными сечениями.

Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

Спокойные и кипящие  углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5…7 тонн.

Сталь разливают в  изложницы сверху, снизу (сифоном) и  на машинах непрерывного литья.

 Применяется для  разливки углеродистых сталей.

При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (4…60) снизу.

Используют для легированных и высококачественных сталей.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Затвердевший слиток разрезают газовым резаком, на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, отсутствуют усадочные раковины.

 

2. Методы получения заготовок

Перед тем как приступить к изготовлению детали, материал, из которого она должна быть сделана, превращают в заготовки. Заготовки стараются получить такими, чтобы их форма и размеры максимально приближались к формам и размерам готовой детали. Это позволяет сократить расход материалов и электроэнергии, увеличить производительность труда.

В зависимости от характера материала, назначения детали, требуемой точности ее изготовления и т. д. заготовки получают литьем, ковкой, штамповкой, высадкой, прокаткой, волочением и другими способами.

Обобщенная классификация заготовок, пpименяемых в настоящее вpемя  в машиностpоении, пpиведена на pисунке.

Литье. Расплавленный жидкий металл заливают в специальные формы, после остывания металла и разъема (или разрушения) форм получается заготовка (отливка) заданной конфигурации и размеров.

Заготовки отливают из чугуна, стали, цветных металлов и сплавов различными способами: в песчаные, металлические и оболочковые формы, под давлением, по выплавляемым моделям, центробежным.

Литье в песчаные формы довольно распространено, так как стоимость  таких форм значительно меньше, чем  при других способах литья. Песчаные формы изготовляют из формовочной смеси, в состав которой входят песок, глина и специальные добавки.

Металл в такую форму можно  заливать только один раз, так как  после получения отливки форму  разрушают. Поэтому такой способ литья малопроизводителен и, кроме  того, дает меньшую точность по сравнению с другими способами литья заготовок.

Литье в металлические формы (кокили) более производительно, так как  оно допускает многократную заливку  металла в одну форму. При этом обеспечивается более высокий параметр шероховатости поверхности и более точные размеры заготовок.

Литье в оболочковые формы —  сравнительно новый способ литья  заготовок и деталей из черных и цветных металлов, при котором  форму изготовляют из смесей, содержащих термореактивные смолы. Формовочная  смесь наносится на поверхность подогретой металлической модели, вследствие чего термореактивная смола оплавляется и на модели образуется предварительно отвердевшая форма (корка) толщиной 5—7 мм. Затем модель со слегка отвердевшей оболочкой помещают в электропечь, где происходит окончательное отвердение формы. После этого форму снимают с модели и направляют для заливки металлом.

Простота изготовления оболочковых  форм, значительное уменьшение припусков  на механическую обработку, высокая  точность размеров отливок сложной  конфигурации (±0,2 мм на 100 мм длины) являются основными преимуществами этого способа.

Литье под давлением особенно распространено в производстве электро- и радиоаппаратуры  и других подобных изделий. Сущность этого способа состоит в том, что жидкий металл подается в металлическую форму под давлением в специальных литьевых машинах, благодаря чему он хорошо заполняет все ее полости. Литье под давлением используют для получения из цветных сплавов литых заготовок сложной формы с различными выступами, приливами и отверстиями.

Литье по выплавляемым моделям основано на использовании моделей, которые  изготовляют в металлических  пресс-формах заполнением их парафиностеариновой  смесью. Полученные таким образом  модели покрывают тонким слоем специальной  жидкой массы и мелким кварцевым песком, просушивают и прокаливают в электропечи. При этом парафиностеариновая смесь вытекает из формы, которая затем используется для получения точных металлических деталей.