Камский государственный политехнический институт

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Курс лекций, методические указания

и контрольные задания для студентов заочного

факультета технических специальностей

Набережные Челны, 2005

УДК 669.017. (075.8.).

Технология конструкционных материалов: Курс лекций, методические указания

и контрольные задания для студентов заочного факультета технических специальностей / Составители: Волков Д.А., Шутова Л.А.. Наб. Челны: КамПИ, 2005.

Курс лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов» составлен в соответствии с государственным стандартом по подготовке специалистов технического профиля. Приведены методические указания по выполнению контрольной работы.

Работа подготовлена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» и предназначена для студентов машиностроительных и автомеханических специальностей.

Ил.: 40

Рецензент: д.т.н., проф. Шибаков В.Г.

Печатается в соответствии с решением научно-методического совета Камского государственного политехнического института

ã Камский государственный

политехнический институт

2005 г.

Введение

Технология конструкционных материалов – дисциплина, которая изучает способы получения металлов и сплавов, методы изготовления и обработки заготовок с целью экономичного подтверждения технологического процесса.

Задачи дисциплины: научить определять основные материалов, знать классификацию и правильно производить выбор материалов с учетом эксплуатации изделия, знать способы повышения свойств путем термической и д. способов обработки, знать основные технологические и технико-экономические характеристики оборудования, оснастки и инструмента.

Теоретической основой данного курса являются соответствующие разделы дисциплин «Химия», «Физика», «Черчение». Используются знания законов протекания химических реакций, законов агрегатного состояния веществ, умение читать чертежи и т.д.

Основные разделы дисциплины:

1. Свойства конструкционных материалов.

2. Основы металлургического производства.

3. Технология литейного производства.

4. Технология изготовления заготовок методом обработки материалов давлением.

5. Технология сварочного производства.

6. Технология обработки металлов резанием.

7. Специальные виды обработки.

8. Технология изготовления изделий из неметаллических материалов.

Каждый студент заочной формы обучения по курсу «Технология конструкционных материалов» выполняет контрольную работу по теме: «Разработка технологического процесса формообразования заготовок пластическим деформированием».

Классификация материалов

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором доля углерода не превышает 2,14%. В стали всегда присутствуют постоянные примеси: этот кремний Si £0,37%; марганец Mn £0,8%; сера S £0,07%; фосфор P£0,07% и скрытые примеси: кислород О₂ – в виде окислов FeO, MnO; азот N – в виде нитридов; водород Н₂ – флокен. Оксиды и нитриды, находящиеся в стали ухудшают ее качество, а соответственно снижают свойства готовых изделий, поэтому эти примеси контролируют в соответствии с нормативными документами и ограничивают технологической документацией . Степень загрязненности оценивают по балльной системе (от 0 до 5). Чем выше балл, тем больше количество и размеры включений.

Флокен – неисправимый брак и в этом случае металл отправляют на переработку.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором доля углерода от 2,14% до 6,67%. В чугуне всегда присутствуют постоянные примеси: Si £3%; марганец Mn £5%; сера S £0,5%; фосфор P£0,5%.

Ферросплавы – это сплавы железа с одним или несколькими химическими элементами.

Цветные металлы и сплавы

Медь

маркировка	М1	М2	М3	М0	М00
содержание меди	99,9%	99,8%	99,7%	99,99%	99,999%

Сплавы на основе меди:

Латунь – сплав меди с цинком. Маркировка: Л 70, Л 85 – т.е. содержание меди в латуни 70%, остальное – цинк. Для придания специальных свойств латуни в их состав вводят дополнительно химические элементы, о чем указывают в маркировке: ЛС 59-1 – содержание меди 59%, свинца – 1%, остальное – цинк; ЛО 60-2 – содержание меди 60%, олова – 2%, остальное – цинк.

Бронза – сплав меди с одним или несколькими химическими элементами, среди которых может быть и цинк, но в качестве второго и последнего химического элемента. Маркировка: Бр Б2 – бериллиевая бронза, содержание бериллия – 2%, остальное – медь; Бр АЖ 9-4 – содержание алюминия – 9%, железа – 4%, остальное – медь; Бр ОЦС 9-1-1– содержание олова – 9%,цинка – 1%, свинца – 1%, остальное – медь.

Мельхиор – сплав меди с никелем.

Алюминий

маркировка	А 90	А 95	А 99	А 999
содержание алюминия	99,90%	99,95%	99,99%	99,999%

Сплавы на основе алюминия:

Дюралюминий – Al + Mg(5-8%) + примеси (Cu, Si). Маркировка: Д1, Д16 – где цифра – порядковый номер сплава.

Силумин – Al + Si + примеси (Mg, Cu). Маркировка: АЛ2 – алюминиевый сплав, полученный методом литья (цифра указывает на порядковый номер сплава); АК17 – алюминиевый сплав, полученный методом ковки; АВ95 – высокопрочный алюминиевый сплав.

Неметаллы: пластмасса, стекло, керамика, фарфор, резина, дерево и т.д.

Рис. Полиморфное превращение чистого железа

Свойства металлов и сплавов

При выборе материала для конст­рукции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механичес­кие, физико-химические, технологичес­кие и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относят

- твердость

- про­чность (предел прочности s_в, предел текучести s_т, выносливость, ползучесть)

- пластичность (относительное удлинение e и относительное сужение y)

- ударную вяз­кость а_н

- порог хладноломкости

Специальные свойства: износостойкость, кислотостойкость, жаропрочность.

Деформация – это изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в резуль­тате процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация перехо­дит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит раз­рушение тела.

Твердость – это способность мате­риала препятствовать пластической деформации при внедрении в него более твердого тела.

Для определения твердости есть 3 метода:

- метод Бринелля НВ

- метод Роквелла НР

- метод Викерса НV

Метод Бринелля. Сущность метода заключается в вдавливании в испытываемую поверхность стального закаленного шарика при строго определенной нагрузке, а затем по размеру оставляемого отпечатка судят по величине твердости.

Рис. 4. Схема измерения твердости по Бри­неллю:D - диаметр шарика; d - диаметр отпечатка; h - глубина отпечатка

Размер шарика: 10 мм, 5 мм, 2,5 мм. Прибор имеет марку ТШ-2М.

Выбор размера шарика производится в зависимости от размера испытываемой площадки на изделии. При чем ее размер должен быть больше 3D шарика. На практике рекомендуют выбирать максимальный размер шарика. Нагрузка, с которой шарик вдавливается в испытываемую поверхность, может быть от 6,5 кг до 3000 кг. Выбор ее зависит от свойств материала, а именно для изделий из чугуна должна быть Р=30D², для цветных сплавов Р=10D², для мягких материалов (свинец, олово) Р=1D².

О величине твердости судят по величине оставленного отпечатка, который замеряют с помощью микроскопа с точностью до 0,05 мм. Твердость определяют по формуле:

где Р – нагрузка.

Недостаток метода:

1) невозможность определять твердость у твердых и сверхтвердых материалов, т.к. способ предназначен для материалов, у которых твердость £450 единиц, т.к. шарик имеет твердость порядка 500 единиц.

2) Невозможно определить твердость у тонколистового материала

3) Нельзя определить твердость у крупногабаритных изделий.

Метод Роквелла. Сущность метода заключается во внедрении в испытываемую поверхность специального индентора, и по глубине его вдавливания судят о величине твердости. Инденторы: 1. алмазный наконечник; 2. стальной шарик D=1,58 мм. Определение твердости производят на приборе ТК-2М. Значение твердости определяется по шкале прибора.

HRA, шкала А – алмаз, который вдавливается с Р=60 кг.

HRB, шкала В – шарик, Р=100 кг.

HRC, шкала С – алмаз, Р=150 кг.

Метод предназначен для определения твердости изделий в упрочненном состоянии, а также для изделий, имеющих небольшие геометрические размеры.

Недостатки: 1) Нельзя определить твердость у крупногабаритных изделий. 2) Невозможно определить твердость мелких частиц (песок, включения).

Метод Викерса. Этим методом можно определить твердость крупногабаритных изделий (макротвердость), а также различных включений и структурных составляющих металлов и сплавов (микротвердость). В конструкцию прибора входят оптическая и механическая системы. Для определения твердости в испытываемую поверхность вдавливается алмазная пирамида с углом при вершине 136°. После снятия нагрузки на испытательной площадке остается отпечаток в виде ромба. При помощи оптической системы определяют размер диагоналей ромба и определят твердость по формуле:

где d – размер диагоналей.

Нагрузка: при определении макротвердости от 0,5 до 10 кг; при определении микротвердости от 5 до 500 гр.

HV~1100 – твердость песчинок.

Производство чугуна

Для выплавки чугуна необходимо: 1) исходные материалы; 2) топливо; 3) оборудование

Промышленной рудой называют гор­ную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения

Например, в настоящее время целесо­образно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет не менее 30-60% Fe, 3-5% Сu, 0,005-0,02% Мо.

Руда состоит из минералов, содер­жащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных при­месей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде ок­сидов Fе304, Fе2О3; гидроксидов Fе₂О₃xН₂О, карбонатов FеСО₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, Аl₂О₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fе₃0₄ (55-60% Fe), красный железняк Fе₂О₃ (55-60% Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fе₂0₃-ЗН₂0 и Fе₂О₃-Н₂О (37-55% Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10-82% Мn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% Мn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов.

Хромовые руды используют для про­изводства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов. Хромовые руды со­держат хромит (FeO • Сr₂О₃), магнохромит.

Комплексныеруды используют для выплавки природно-легированных чугу­нов. Это железомарганцевые руды (до 20% Мn), хромоникелевые руды (37-47% Fe, до 2% Cr, до 1% Ni), железованадиевые руды (до 0,17-0,35% V).

Шихта: железная руда + шлакообразующие соединения (известняк СаСО₃) и раскислители (ферросилициум, ферромарганец)

Топливом для доменной плавки слу­жит кокс, который получают из каменного угля. При высокотемпературной обработке каменного угля сгорают легковоспламеняемые компоненты, уменьшается содержание влаги и через 14-18 часов конечным продуктом является кокс; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом. Куски кокса должны иметь размеры 25-60 мм. Кокс должен об­ладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием ших­товых материалов.

В качестве оборудования для выплавки чугуна применяется доменная печь.

Подготовка руд к доменной плавке

Осуществляется для повышения производительности доменной печи, сни­жения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготов­ки - увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и хи­мическому составу.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Куски руды дробят и сортируют в дробилках и классификаторах.

Обогащение руды. В результате руда освобождается от пустой породы. Промывка руды водой позволяет отделить плот­ные составляющие руды от песка, глины. Гравитация (от­садка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на ко­тором лежит руда: пустая порода вы­тесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. Магнитная сепарация основана на раз­личии магнитных свойств железосодер­жащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подверга­ют действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Окускование производят для перера­ботки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы не­обходимых размеров. Применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40-50%), извест­няка (15-20%), возврата мелкого аг­ломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при тем­пературе 1300-1500°С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбона­ты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат.

При скатывании шихту из измель­ченных концентратов, флюса, топлива увлажняют, и при обработке во враща­ющихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200-1350°С на об­жиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом ко­личестве входит в их состав.

Выплавка чугуна

Сущность про­цесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи. В доменную печь загружают кокс и выполняют его горение. В процессе горения кокса протекают следующие реакции:

С_кокс + О₂ ®СО₂

СО₂ + С ® 2СО – восстановитель железа и железной руды

По мере горения кокса в доменную печь загружают шихту, которая подвергается расплавлению и претерпевает следующие превращения, в результате которых восстанавливается железо.

Т=400-500 С

Fe₂O₃ + CО ® Fe₃O₄ + СО₂

Fe₃O₄ + CО ® FeO + СО_{2 +} C®CO

FeO + CО ® Fe + СО₂

Завершающая стадия: получение сплава железа с углеродом

Т=1000-1100 С

Fe + СО ®Fe₃C + CO₂

Так же присутствуют: Si ≤3%, Mn ≤5%, S ≤0,5%, P ≤0,5%. Выплавленный чугун частично используется для изготовления изделий (прессы, станины станков) - литей­ный, а основная часть (около 80%) используется для передела на сталь – передельный.

Рис.6 Устройство доменной печи

Доменная печь имеет сталь­ной кожух, выложенный внутри огне­упорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошни­ка находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (оф­люсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонет­ки 9 подъемника, которые передвигают­ся по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что пред­отвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые матери­алы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подают­ся новые порции шихты в таком ко­личестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные пе­чи имеют полезный объем 2000-5000 м³. Полезная высота доменной печи достигает 35 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через кото­рые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения по­терь теплоты и снижения расхода кок­са. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которо­го имеются камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кир­пичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгора­ния к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагре­вают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000-1200° С и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее пространство. Доменная печь имеет несколько воздухе нагревателей: в то время как в одни насадках нагревается, в других насадках отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются

В результате сплавления оксидов Аl₂Оз, CaO, MgO, пустой породы руды, флюсов и золы топлива образуется шлак. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чу­гуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи каждые 3-4 ч, а шлак - через 1-1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 - отверстие в кладке, рас­положенное несколько выше лещади, а шлак - через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспор­тируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жид­ком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затверде­вает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Процесс выплаки стали

Основными материалами для про­изводства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Со­держание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл.).

Состав чугуна и стали, %

Материал	С	Si	Mn	Р	S
Чугун Сталь	2,14-6,67 ≤2,14	≤3 ≤0,37	≤5 ≤0,8	≤0,5 ≤0,07	≤0,5 ≤0,07

Поэтому сущностью любого метал­лургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Примеси отличаются по своим фи­зико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавиль­ном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

Про­цессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла не­высока; интенсивно происходят окис­ление железа, образование оксида же­леза и окисление примесей Si, P, Mn. Наиболее важная задача этого процесса - удаление фосфора (одной из вредных примесей в стали). Для этого необходимо про­ведение плавки в основной печи, в ко­торой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Выделяющий­ся фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FеO)₃xР₂О₅. Оксид кальция СаО—более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид Р₂О₅, переводя его в шлак:

Реакция образования фосфорного ан­гидрида протекает с выделением тепло­ты, поэтому для удаления фосфора из металла необходимы невысокие тем­пературы ванны металла и шлака. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фос­фора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО.

Второй этап - «кипение» металличес­кой ванны - начинается по мере ее прогрева до более высоких, чем на первом этапе, температур. При повыше­нии температуры металла более интенсивно протекает реакция окис­ления углерода, происходящая с погло­щением теплоты.

Образующийся в металле оксид же­леза реагирует с углеродом, а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вы­зывая «кипение» ванны. При «кипении» уменьшается содержание углерода в ме­талле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частич­но удаляются неметаллические включе­ния, прилипающие к всплывающим пу­зырькам СО, а также газы, проника­ющие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «кипения» ванны явля­ется основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS], который растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шла­ке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке: (FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO)

Эта же реакция протекает на границе металл-шлак между сульфидом же­леза в стали [FeS] и (СаО) в шлаке: [FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO)

Образующееся соединение (CaS) рас­творимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап (завершающий) - раскисление стали заключается в восстанов­лении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повыше­ние содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механичес­кие свойства стали, особенно при высо­ких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диф­фузионным.

Осаждающее раскисление осуществ­ляют введением в жидкую сталь рас­творимых раскислителей (ферромарган­ца, ферросилиция, алюминия), содер­жащих элементы Mn, Si, A1 и др., которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления вос­станавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO₂, Аl₂О₃ и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осущест­вляют раскислением шлака. Ферромар­ганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде за­гружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид желе­за, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределе­ния оксид железа, растворенный в ста­ли, начнет переходить в шлак. Об­разующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и по­вышает ее качество.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, ки­пящие и полуспокойные стали.

Спокойная сталь получается при пол­ном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продол­жается в изложнице при затвердевании слитка благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции FeO+C=Fe+CO оксид углерода выделяется из стали, способствуя удале­нию из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая сталь не содер­жит неметаллических включений -про­дуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет проме­жуточную раскисленность между спо­койной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодейст­вию оксида железа и углерода, содер­жащихся в стали.

Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, срод­ство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Мо, Си), при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с оста­льной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду боль­ше, чем у железа (Si, Mn, A1,Cr,V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредст­венно в ковш.

Основной способ выплавки стали из чугуна – кислородно-конверторныйспособ. Это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Этим способом производится порядка 40% выплавляемой стали в стране.

Кислородный конвертер - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кир­пичом. Вместимость конвертера 130-350 т жидкого чугуна. В процессе ра­боты конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360° для заливки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислород­но-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит (Аl₂О₃), плавиковый шпат (CaF₂), которые при­меняют для разжижения шлака.

Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалоч­ных машин загружают скрап, заливают чугун при тем­пературе 1250-1400° С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение, внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа и расход 4 м³/мин. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода про­никают в металл, вызывают его цир­куляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при вза­имодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400° С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Об­разующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит ра­зогрев ванны металла теплотой, вы­деляющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком состоянии.

Si + O₂ ® SiO₂

Mn + O₂ ® MnO₂ шлак

P + O₂ ® P₂O₅

S + O₂ ® SO₂;C + O₂ ® CO₂

Подачу кислорода заканчивают, ког­да содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш.

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим ме­тодом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак.

Рис.7 Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

В кислородных конвертерах выплав­ляют конструкционные стали с различ­ным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легко-окисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколе­гируемые (до 2-3% легирующих элементов) стали. Легирующие элементы водят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вво­дят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вмести­мостью 130-300 т заканчивается через 25-30 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах.

Рис.8 Схема дуговой плавильной печи

В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов: на шихте из легированных отходов (ме­тодом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали, марганца и кремния и низкое содер­жание фосфора. По сути это переплав. Однако в процессе плавки примеси (алюминий, титан, кремний, марганец, хром) окисляются. Кроме этого, шихта может содержать оксиды. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического со­става. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют леги­рованные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте при­меняют для производства конструкци­онных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом (90%), чушковый пере­дельный чугун (до 10%), электродный бой или кокс для науглероживания металлов и известь (2-3%). Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием электродов пла­вится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кис­лородом воздуха? оксидами шихты и окалины окисляются железо, крем­ний, фосфор, марганец, частично уг­лерод. Оксид кальция из извести и ок­сида железа образует основной железис­тый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После нагрева металла и шлака до температуры 1500-1540°С в печь за­гружают руду и известь и проводят период «кипения» металла; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше за­данного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Затем при­ступают к удалению серы и раскислению металла, доведению химического состава до заданного.

Для определения химического состава металла берут пробы и при необ­ходимости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химического состава металла, после чего выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием и выпускают металл из печи в ковш.

Индукционная тигельная плавильная печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 с металлической шихтой. Через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-2000 Гц). Ток создает перемен­ный магнитный поток, пронизывая кус­ки металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи (Фуко), нагре­вающие металл 1 до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель изготовляют из огнеупоров. Вместимость тигля 60 кг-25 т. Для уменьшения потерь теплоты печь имеет съемный свод 2.

Рис.9 Схема индукционной тигельной плавильной печи

Индукционные печи имеют преиму­щества перед дуговыми: в них отсут­ствует электрическая дуга, что позволя­ет выплавлять сталь с низким содер­жанием углерода, газов и малым уга­ром элементов; при плавке в металле возникают электродинамические силы, которые перемешивают металл в печи и способствуют выравниванию хими­ческого состава, всплыванию неметал­лических включений; небольшие раз­меры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создавать любую атмосферу или вакуум. Однако эти печи имеют малую стойкость футеров­ки, и температура шлака в них недо­статочна для протекания металлурги­ческих процессов между металлом и шлаком. Эти преимущества и недо­статки печей обусловливают возмож­ности плавки в них; в индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом пере­плава или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

При загрузке тщательно подбирают химический состав шихты в соответст­вии с заданным, а необходимое коли­чество ферросплавов для получения заданного химического состава металла 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, защиты его от насыщения газами.

Рис.11 Разливка стали в изложницы

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкая сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна - кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4. Тянущими валками 5 из кристаллизатора вы­тягивается затвердевающий слиток, сердцевина которого еще жидкая. Скорость вытя­гивания слитка из кристаллизатора за­висит от его сечения.

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Затем затвердевший слиток попадает в зону 7 резки, где его разрезают газовым резаком 8 на куски заданной длины. Вследствие направленного затвердева­ния и непрерывного питания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадоч­ные раковины. Выход годных заготовок может достигать 96-98% массы раз­ливаемой стали.

Рис.12 Схема машины непре­рывного литья заготовок (МНЛЗ)

По способу раскисления

КП – означает, что сталь кипящая – остаточное содержание кислорода ≈0,02%;

ПС – означает, что сталь полуспокойная – остаточное содержание кислорода ≈0,008%;

СП – означает, что сталь спокойная – остаточное содержание кислорода ≈0,002%.

Пример: Ст.3 КП; Ст.4 СП.

По категориям прочности

1 категория – гарантируется твердость и прочность

2 категория – гарантируется 1 категория + пластичность (ε, ψ)

3 категория – 2 категория + ударная вязкость (а_Н) при +20С

4 категория – 3 категория + (а_Н) при -20С

5 категория – 4 категория + (а_Н) при -20С после механического старения

Пример: Ст.3 ПС 4 – углеродистая, С ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,8%, Si ≤ 0,37%, S, P ≤ 0,07%, О₂^остат ≈0,008%, остальное – железо, 4 категория прочности.

По свойствам

группа А – сталь поставляемая с гарантированными механическими свойствами.

группа Б – с гарантированным химическим составом.

группа В – сталь поставляемая с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

По видам продукции

- сортовая сталь (круг, квадрат и т.д.)

- лист

- проволока

- спец.профиль

- отливки

- поковки

По качеству

1) сталь обыкновенного качества (S, P ≤0,07%.)

2) сталь качественная (S, P ≤0,035%.