Процесс выплавки стали

1. Какие электрические печи применяют для выплавки стали? Кратко опишите их

В настоящее время для выплавки стали широко применяют электропечи. Основными достоинствами электропечей являются:

1. Возможность быстрого нагрева металла, что позволяет вводить в печь большое количество легирующих добавок;

2. Возможность создать окислительную, восстановительную, нейтральную или вакуумную атмосферу, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений;

3. Возможность плавно и точно регулировать температуру металла. Поэтому электропечи используют для выплавки высоколегированных, конструкционных, специальных сталей и сплавов.

Плавильные печи бывают:

1. Дуговыми;

2. Индукционными.

Основное количество электростали выплавляют в дуговых печах. Доля стали, выплавляемой в индукционных печах, в общем объеме выплавки невелика.

Дуговая плавильная печь

Дуговая электропечь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Плавку стали ведут в рабочем пространстве печи, ограниченным куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Она может быть основной (магнезитовой, магнезитохромитовой) или кислой (динасовой). В съемном своде расположены три цилиндрических электрода из графитизированной массы, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх или вниз, автоматически регулируя длину дуги. Печь питается трехфазным переменным током.

Шихтовые материалы загружают на под печи сверху в открываемое рабочее пространство. После их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев шихты осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Для управления ходом плавки в печи имеются рабочее окно и отверстие для выпуска по желобу готовой стали (летка). С помощью поворотного механизма печь может наклоняться в сторону сталевыпускного отверстия или рабочего окна. Вместимость дуговых печей может составлять 0,5 — 400 т. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных — с кислой.

В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:

· без окисления примесей методом переплава шихты из легированных отходов;

· с окислением примесей на углеродистой шихте.

Индукционная плавильная печь

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого находится тигель с металлической шихтой. Через индуктор от генератора высокой частоты проходит переменный ток повышенной частоты. Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель может быть изготовлен из кислых и основных огнеупоров. Емкость тигля составляет до 25 т.

В соответствии с заданным химическим составом металла при загрузке тщательно подбирают состав шихты. Необходимое для этого количество ферросплавов загружают на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, а также для защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислой печи после расплавления и удаления шлака наводят новый шлак с высоким содержанием SiO2. Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи. В печах с кислой футеровкой выплавляют конструкционные стали, легированные другими элементами.

В печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия.

Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми. Основными их них являются:

· отсутствие электрической дуги, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;

· наличие электродинамических сил, которые перемешивают металл в печи, способствует выравниванию химического состава, всплыванию неметаллических включений;

· небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создать любую атмосферу или вакуум.

К недостаткам этих печей можно отнести:

· недостаточная температура шлака для протекания металлургических процессов между металлом и шлаком;

· малая стойкость футеровки, что приводит к частым ремонтам и остановкам.

Поэтому в индукционных печах выплавляют сталь из легированных отходов методом переплава или методом сплавления чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов.

2. Что называют дислокацией в кристаллических веществах? Объясните влияние количества дислокаций на механические свойства металлов. Какие есть способы увеличения дислокаций?

Дислокация — это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций — краевые и винтовые.

Линейное несовершенство кристаллической решетки, которое в двух измерениях имеет размеры порядка атомных, а в третьем — значительно больший размер.

Наличие определенного небольшого числа дислокаций в кристаллах металла делает его более мягким в сравнении с металлом без дислокаций. Но при увеличении плотности дислокаций прочность и жесткость металла увеличиваются. Это объясняется тем, что увеличение плотности дислокаций ведет к образованию как параллельных друг другу дислокаций, так и дислокаций в разных плоскостях и направлениях. Таким образом, дислокации мешают перемещению друг друга и прочность повышается. Аналогично, прочность повышается при наличии других дефектов, мешающих перемещению дислокаций: например, в случае со сталью роль таких дефектов играет небольшое количество атомов углерода.

Собственно, сопротивление металлов пластическим деформациям растет с увеличением плотности с дислокаций,

с = У (L)/V,

где L — длины дислокаций, пропорционально

G*?с,

где G — модуль сдвига.

Если сильно увеличить плотность дислокаций, то по той причине, что скопления дислокаций являются концентраторами внутренних напряжений, в металле появятся микроскопические трещины. Это приведет к снижению его прочности.

От числа, характера расположения и подвижностей дислокаций в кристаллах зависят механические и многие физические свойства монои поликристаллов. Из-за наличия дислокаций прочность реальных кристаллов во много раз меньше, чем идеальных. В то же время значительное увеличение плотности дислокаций в металлических материалах приводит к повышению их прочностных характеристик после обработки давлением. Пластическая деформация осуществляется, главным образом, в результате движения дислокаций.

Дислокационные механизмы упрочнения реализуются в кристаллических материалах. В их основе лежат процессы размножения дислокаций, изменения их плотности и торможения.

Варианты упрочнения, реализуемые на основе дислокационных механизмов:

1. Твердорастворное упрочнение.

2. Дисперсионное упрочнение.

3. Дисперсное упрочнение.

4. Получение сверхмелкого зерна (зернограничное упрочнение)

5. Упрочнение сплавов путем образования прочной межзёренной сетки при их кристаллизации.

6. Деформационное упрочнение.

3. Опишите процесс азотирования стали. Укажите его достоинства и область применения

выплавка сталь азотирование кристаллический Азотирование стали впервые предложено акад. Н. П. Чижевским. Процесс азотирования стальных деталей заключается в поверхностном насыщении азотом в среде аммиака (NH3) при температурах нагрева 500−700° С в течение 20−90 ч. Глубина азотированного слоя допускается в пределах 0,2−0,8 мм.

Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, предела усталости, сопротивления коррозии и жаропрочности.

Азотированию могут подвергаться детали из углеродистой низко-легированной и легированной сталей, а также чугун.

Детали из углеродистой и низколегированной стали азотируют для увеличения сопротивления коррозии. Твердость азотированной. поверхности у них не превышает HV 250−300.

Азотирование может быть низкотемпературным (500−600?С) или высокотемпературным (600−1200?С). Термическая диссоциация аммиака представляет собой ионизационный процесс, сопровождающийся образованием ионов в рабочем пространстве печи. Азотированию подвергаются стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, а также чугуны и другие сплавы. В результате азотирования сталь приобретает высокую твердость на поверхности, не изменяющуюся при нагреве до 400−450?С; высокую износостойкость и низкую склонность к задирам; высокий предел выносливости; высокую кавитационную стойкость; хорошую сопротивляемость коррозии в атмосфере, пресной воде и паре Технологический процесс изготовления деталей при применении азотирования состоит из следующих этапов:

1) предварительная термическая обработка заготовки;

2) механическая обработка детали, включая шлифование;

3) защита мест, не подлежащих азотированию (покрытие тонким слоем олова гальваническим способом);

4) азотирование;

5) окончательное шлифование или доводка в соответствии с заданными допусками.

Легированные стали с содержанием хрома, никеля, алюминия и молибдена после азотирования имеют поверхностную твердость HV 850−1200 (рис. 37). Это достигается за счет образования мелкодисперсных нитридов на поверхности детали (химических соединений азота с элементами AlN, GrN, Cr2N, MoN).

Достоинство азотированного слоя — сохранение высокой твердости при нагреве до высоких температур.

Эта особенность азотированного слоя расширяет область применения азотирования и дает хорошие результаты в борьбе с износом деталей, работающих при повышенных температурах.

Снижение хрупкости азотированного слоя позволяет применять азотирование при изготовлении деталей, имеющих острые кромки и вырезы, а также нешлифуемых деталей. Так, например, в станкостроении для шпинделей, опор качения и ходовых винтов используют стали 40Х, 40ХФА, 18ХГТ, а для гильз, накладных направляющих планок, ходовых винтов пар качения — стали 40ХФА, 20ХЗВА, 20ХЗМВФ.

4. Опишите сущность модифицирования чугунов. Укажите свойства модифицированных чугунов, их маркировку и область применения

Применяемые способы сфероидизирующей обработки условно можно разделить на четыре группы: модифицирование в форме, модифицирование в специальной реакционной камере, модифицирование в ковше и обработка чугуна модифицирующей проволокой.

Чугуны — это наиболее широко применяемый материал для литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Температура плавления чугунов значительно ниже, чем у стали на 300−400°С, что облегчает процесс литья.

Чугун с графитом как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатывается резанием (образованием ломкой стружки) и получают более чистую поверхность, чем сталь (кроме автоматных). Чугуны имеют повышенное содержание углерода (2,2 — 4%) и кремния (0,8 — 2%) — элементов соответствующих графитизации. Однако в марках чугуна химический состав не указывается. Структура и свойства чугунов зависят главным образом от условий получения отливки (температура жидкого металла, введение модификаторов, и особенно значительно, от условий охлаждения при литье). Поэтому, при одинаковом химическом составе, чугун может иметь сильно отличающуюся структуру и свойства (например, белый или серый чугун).

Ферритно-перлитные СЧ18; СМ20 — станины станков и механизмов, поршни, цилиндры.

Перлитные СЧ25, СЧ30, СЧ35 — детали, работающие на износ (тормозные барабаны, цилиндры, шестерни).

Серый чугун — в структуре серых чугунов присутствует графит пластической формы. Отливки из этого чугуна получают в земляных и металлических формах, кокилях. С увеличением толщины отливки и, следовательно, с замедлением охлаждения и при повышенном содержании кремния образуется больше графита и его пластины крупнее, а в металлической основе возрастает количество феррита. Однако их механические свойства (особенно пластичность) ниже, чем у других чугунов с графитом. Серый чугун используют для менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок.

Ферритные: СЧ10, СЧ15 — используют детали неответственного назначения (крышки, шкивы и т. п.).

Ковкий чугун — имеет в структуре графит хлоповидной формы и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность. Все ковкие чугуны содержат меньше кремния. Ковкие чугуны используются более целесообразно использовать для тонкостенных деталей.

Ферритные КЧ 35−10; КЧ 37−2 — фланцы, муфты.

Ферритно-перлитные КЧ 45−7 — задний мост, картер автомобиля, ступицы.

Высокопрочный чугун — имеет графит шаровидной формы, что в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы. Прочные свойства этих чугунов наиболее высокие, отступают в прочности углеродистым конструкционным стилям, подверженным термической обработке, но пластичность высокопрочных чугунов ниже, чем у стали и у ковкого чугуна. Использование в промышленности высокопрочных чугунов, главным образом для массивных отливок из-за повышенных механических свойств возрастает за счет серых чугунов.

Ферритный: ВЧ 50−70 — траверсы прессов, фланцы, цилиндры, шестерни.

Перлитный: ВЧ 80−2 — цилиндры, поршни.

Отбельный чугун — имеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твёрдости (HB 450−500) ледебурит и персит. Отбельный чугун используют в ограниченных пределах для деталей простой формы, получающих твёрдую поверхность при литье.

Используют прокатные балки, рабочие части различного оборудования, колёса неответственного назначения.

Белый чугун — имеет структуру персита и цементита по всему сечению и, как правило, доэвтектический. При высокой износостойкости и твёрдости, но плохой обрабатываемости резанием белые чугуны имеют сильно сниженные механические свойства и почти не применяются.

5. Опишите технологию термической обработки алюминиевого сплава АЛ7. Укажите его свойства и область применения

Термическая обработка сплава АЛ7 проводится по двум режимам.

Режим Т4: нагрев при температуре 515±5°С, выдержка 10−15 ч, охлаждение в воде при 80 — 100 °C. Этот режим обеспечивает получение повышенной прочности и пластичности.

Режим Т5: закалка та же, старение при температуре 150 °C в течение 2−4 ч, охлаждение на воздухе. Этот режим обеспечивает повышение пределов прочности и текучести при снижении относительного удлинения по сравнению с режимом Т4.

Микроструктура сплава в литом состоянии состоит из зерен б-твердого раствора, по границам которых располагается эвтектика б+CuAl2. При нагреве под закалку фаза CuАl2 полностью переходит в твердый раствор и в структуре термообработанного сплава выявляются зерна твердого раствора различной окраски после травления шлифа в зависимости от их ориентировки. Пережог сплава АЛ7 при термической обработке вызывает выплавление эвтектики б+CuАl2, которая кристаллизуется по границам зерен или в виде округлых включений внутри их. Зерна твердого раствора укрупняются Сплав алюминия с медью АЛ7 — высокотехнологичный материал, после термоупрочнения сравним по свойствам с низкоуглеродистыми сталями. Плохо сопротивляется коррозии, из-за чего используется с защитным покрытием.

Сплав АЛ7 применяется: для изготовления фасонных отливок средненагруженных деталей, небольших по размеру; отливок деталей металлургического машиностроения (деталей небольших размеров, несущих высокую статическую и ударную нагрузку).

Упрочняется по растворному типу, а также за счёт дисперсных выделений фазы CuAl₂. Сплав АЛ7 имеет повышенную усадку (1,4%), склонен к образованию горячих трещин и поэтому не рекомендуется для литья в кокиль.

Достоинства: Удовлетворительные литейные свойства и хорошая обрабатываемость резанием.

Недостатки: Низкие литейные свойства препятствуют применению его для сложных и больших деталей. Не следует применять сплав при температурах выше 200 °C.

6. Выберите и обоснуйте марки сплавов для:

а) стального сварного изделия;

б) штампа для холодной штамповки.

Решение:

Для случая а) подойдет сталь 20 сваривается без ограничений; кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС. Сталь 20 обладает высокой вязкостью (KCU = 110 — 157 Дж/см² при +20°С). Структура стали низкоуглеродистый сорбит перлит + феррит.

Для изготовления конструкций, от которых требуются более высокие механические свойства, можно применить несколько марок конструкционной низколегированной стали. Для этих целей подойдут стали 09Г2, 10Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 09Г2Т.

Рассмотрим сталь 09Г2С.

Назначение этой марки стали — различные детали и элементы сварных металлоконструкций, работающих при температуре от -70 до +425°С. Сталь сваривается без ограничений. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС.

Таблица 1 — Химический состав в% стали 09Г2С

Таблица 2 — Механические свойства стали 09Г2С

Случай б): Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала). Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий работы применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливающиеся) стали — чаще всего сталь Х (ШХ15).

Широкое применение для холодных штампов и других инструментов, деформирующих металл в холодном или относительно невысоко нагретом состоянии (накатанные плашки и ролики, фильеры для волочения и др.), получили высокохромистые стали (12% Сг при 1 — 1,5% С), обладающие высокой износоустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке и некоторыми другими особыми свойствами.

Состав 12%-ных хромистых инструментальных сталей приведен в табл. 1 Все высокохромистые штамповые стали содержат в среднем 12% Сг и высокий процент углерода. Это приводит к образованию большого количества хромистых карбидов (Сr7С3). Так, в отожженных сталях Х12М и Х12Ф1 присутствует 15 — 17% карбидной фазы М7С3, а в стали X12 этой фазы 25 — 30% (так как в этой стали почти в два раза больше углерода).

выплавка сталь азотирование кристаллический Табл 1. Состав сталей для штампов холодного формирования % (ГОСТ 5950 — 73)