Новые методы производства и обработки стали.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4

Электроннолучевая плавка металлов. Для получения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.

Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ: электронные лучи позволяют получить высокую плотность энергии нагрева, регулировать скорость плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплава материалом тигля и применять шихту в любом виде. Перегрев расплавленного металла в сочетании с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создают эффективные условия для очистки металла от различных примесей.

Электрошлаковый переплав. Очень перспективным способом получения высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят через слой жидкого металла и рафинируются. При обработке металла шлаком и направленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на 30 – 50%, а содержание неметаллических включений – в два-три раза.

Вакуумирование стали. Для получения высококачественной стали, широко применяется вакуумная плавка. В слитке содержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке. При этом способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытой камере, из которой удаляют воздух и другие газы. Вакуумирование стали производится в ковше перед заливкой по изложницам. Лучшие результаты получаются тогда, когда сталь после вакуумирования в ковше разливают по изложницам так же в вакууме. Выплавка металла в вакууме осуществляется в закрытых индукционных печах.

Рафирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. Сущность этого метода состоит в том, что очистка стали от серы, кислорода и неметаллических включений производится при интенсивном перемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами. За счет сокращения периода рафинирования в дуговых печах, производительность которых может быть увеличена на 10 – 15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками, по качеству близка к качеству стали, выплавляемой в электрических печах.

Сталь (от нем. Stahl) — сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2, 14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Применения

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.

Классификация

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0, 25 % С), среднеуглеродистые (0, 3—0, 55 % С) и высокоуглеродистые (0, 6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

Плотность: 7700—7900 кг/м³,

Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС),

Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)),

Температура плавления: 1450—1520 °C,

Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг),

Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C. Хромоникельвольфрамовая сталь 15, 5 Вт/(м·К)

Хромистая сталь 22, 4 Вт/(м·К)

Молибденовая сталь 41, 9 Вт/(м·К)

Углеродистая сталь (марка 30) 50, 2 Вт/(м·К)

Углеродистая сталь (марка 15) 54, 4 Вт/(м·К)

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C: сталь Ст3 (марка 20) 1/°C

сталь нержавеющая 1/°C

Предел прочности стали при растяжении: сталь для конструкций 373—412 МПа

Сталь кремнехромомарганцовистая 1, 52 ГПа

Сталь машиностроительная (углеродистая) 314—785 МПа

Сталь рельсовая 690—785 МПа

Производство стали

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический.

Кислородно-конверторный способ получения стали

По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют в присутствии кислородом воздуха, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах — конверторах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Емкость конвертора 50-60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2; имеющий кислотные свойства), или доломитная масса (смесь CaO и MgO, которые получают из доломита MgCO3 • CaCO3. Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовского.

Бессемеровский способ

Бессемеровский способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300° C быстро поднимается до 1500—1600° С. Выгорания 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200° C. Около 1500° C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

Si + O2 = SiO2

2C + O2 = 2CO ↑

2Fe + O2 = 2FeO

Образующийся монооксид железа FeO, хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак:

FeO + SiO2 = FeSiO3

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конверторе идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, пробулькивает вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно разкислить с помощью различных разкислителей — ферросилиция, фероманганца или алюминия:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2

FeO + Mn = Fe + MnO

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не достаточно распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорания металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много разкислителей. Серьезным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0, 2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п..

Томасовский способ

Томасовские способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак:

4P + 5O2 = 2P2O5

P2O5 + 3CaO = Ca3(PO4)2

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 ° C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

FeS + CaO = FeO + CaS

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровский способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовские сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п.

Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенераторы нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д.

Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600—1650° C и выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счет избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конверторе, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака — за счет оксидов железа

4Fe2O3 + 6Si = 8Fe + 6SiO2

2Fe2O3 + 6Mn = 4Fe + 6MnO

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑

5Fe2O3 + 2P = 10FeO + P2O5

FeO + С = Fe + CO ↑

Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:

MnO + SiO2 = MnSiO3

3CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2

FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как и конверторы, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертора в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрева печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют розкисникы. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.

Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи — не ниже 2000° C. Это позволяет проводить плавку стали на сильно основных шлаках (которые трудно плавятся), при которых полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами — молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии — до 800 кВт / ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.

Электропечи бывают разной емкости — от 0, 5 до 180 т. Футеровку печи делают обычно основной (с CaO и MgO). Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определенной пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.

Свойства стали

Физические свойства

плотность ρ ≈ 7, 86 г / см3; коэффициент линейного теплового расширения α = 11 … 13 · 10− 6 K− 1;

коэффициент теплопроводности k = 58 Вт / (м · K);

модуль Юнга E = 210 ГПа;

модуль сдвига G = 80 ГПа;

коэффициент Пуассона ν = 0, 28 … 0, 30;

удельное сопротивление (20 ° C, 0, 37-0, 42 % углерода) = 1, 71 · 10− 7 Ом · м

⇐ Предыдущая 1 2 34