Способы получения стальных изделий
В статье представлен краткий обзор процесса выплавки стали, его составляющие и типы.
Основы технологии получения стали. Сталь требуемого химического состава получают из передельного чугуна и соответствующих шихтовых материалов при различных способах ведения плавки, окисляя и удаляя примеси чугуна: Si, Р, S и др.
Исходными материалами для выплавки стали, кроме передельного чугуна, являются: стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы. Получают сталь в конвертерах, мартенах, электропечах.
Конвертерный способ получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун, находящийся в конвертере, продувается воздух, обогащенный кислородом. Так как в процессе окисления стали получается металл, насыщенный закисью железа, то для улучшения его свойств в расплавленную сталь вводят раскислители Si, Мn, А1 и др.
Конвертер представляет собой печь грушевидной формы, вращающуюся во круг горизонтальной оси. При заполнении печи расплавленным чугуном конвертер находится в наклонном положении. Затем при помощи поворотного механизма его переводят в вертикальное положение и через отверстие в днище продувают воздух или кислород. Образующаяся вначале закись железа FeO, растворяясь в металле, вступает в реакцию с кремнием, марганцем, углеродом и фосфором, образуя Si02, МnО и фосфорные соединения, связываемые шлаком и СО, который, сгорая, удаляется с газом.
В зависимости от состава исходного сырья и футеровки различают два вида конвертерного способа получения стали: кислый (бессемеровский) и основный (томасовский). При бессемеровском способе конвертер футеруют кислым огнеупором (динасом), при томасовском — основным (обожженным доломитом). В качестве флюса вводят известь.
Мартеновский способ получения стали заключается в выплавке ее на поду пламенной печи из передельного чугуна и стального лома с добавкой руды и флюсов. Как и конвертерный, мартеновский способ выплавки стали может быть кислым и основным.
Мартеновская печь представляет собой агрегат, нагреваемый сгорающим газообразным или жидким топливом, на поду которого находится расплавленный металл. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, для дутья применяют кислород.
Кислородно-конвертерный способ имеет преимущество перед мартеновским. Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой кислорода обеспечивает высокое качество стали.
Конвертерная и мартеновская стали могут быть кипящими и спокойными. Кипящая сталь менее однородна, чем спокойная, подвергающаяся перед отливкой в изложницы раскислению А1 или Si. Поэтому из кипящей стали не изготовляют ответственные сварные конструкции, а также конструкции, работающие в условиях повышенных температур, и др. Кипящая сталь хорошо поддается обработке под давлением.
Электровыплавка стали состоит из окисления примесей чугуна и раскисления стали от закиси железа. Фосфор и сера при этом почти целиком переходят в шлаки. Для полного раскисления закиси железа в конце процесса вводят ферросилиций, а также легирующие примеси для получения особых сортов сталей.
Современные электропечи бывают дуговые и индукционные. Сталь разливают обычно в металлические формы, называемые изложницами, двумя способами — сифонной разливкой, при которой металл поступает в изложницы снизу через центральный литник, и заливкой сверху.
В последнее время применяют непрерывную разливку стали. При этом сталь попадает в охлаждаемую изложницу с временным дном (кристаллизатором) из куска металла. Жидкий металл при непрерывной заливке затвердевает в кристаллизаторе у стенок и дна, образуя слиток, состоящий из корочки металла и жидкой внутренней части, непрерывно движущийся вниз, в зону вторичного охлаждения. Затвердевший слиток разрезают на куски, поступающие в прокатные станы. При непрерывной разливке стали повышается выход металла, увеличивается производительность труда, не требуется изложниц, исключается необходимость в крупных обжимных станах, блюмингах и слябингах.
Огромное значение для качества металлов имеет их чистота и структура слитка. Один из наиболее эффективных способов рафинирования стали — электрошлаковый переплав (ЭШП) электродов в водоохлаждаемой металлической изложнице (кристаллизаторе) — разработан под руководством академика Б. Е. Патона. Этот способ получения чистой стали заключается в следующем.
В охлаждаемой проточной водой металлической изложнице расплавляется твердый флюс, в который подается электрод. Электрическая цепь замыкается через электрод, расплавленный шлак и поддон кристаллизатора. Источником тепла служит в этом процессе электрическое сопротивление шлаковой ванны. Капли, открывающиеся от оплавляемого конца электрода, проходят через шлак, образуя слиток чистой стали весом до 40 т. Таким способом изготовляют около ста марок стали, обладающих высокими и специальными свойствами (кислотостойкая, жаропрочная и др.).
Термическая обработка стали. Термическая обработка стали заключается в улучшении ее физико-механических свойств, основанных на изменении структуры при помощи нагрева и охлаждения.
Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию.
Закалкой называют термическую обработку, при которой сталь нагревают выше верхней критической точки на 30-50° С (доэвтек-тоидные стали) или выше нижней критической точки на 30-50° С (заэвтектоидные стали) с последующим быстрым охлаждением в воде, масле или другой среде. Цель закалки — повысить твердость стали. Если требуется только поверхностная твердость, применяют высокочастотную закалку, которая состоит в нагреве поверхности металлических деталей током высокой частоты с последующим ее быстрым охлаждением.
В зависимости от скорости охлаждения (что зависит от охлаждающей среды) закаленная углеродистая сталь имеет мартенситную, троститную и сорбитную структуры. Самую высокую твердость имеет закаленная сталь с мартенситной структурой, несколько ниже — с трооститной и еще ниже — с сорбитной.
После закалки сталь подвергают отпуску, цель которого — уменьшить внутренние напряжения, полученные в результате закалки.
Процесс отжига заключается в нагреве стальных изделий до температуры на 20-30° С выше верхней критической точки, выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением в той же печи.
Отжиг имеет целью снизить твердость стали, улучшить обрабатываемость ее на станках, повысить вязкость и пластичность. Нормализация стали — разновидность отжига, заключающаяся в нагреве ее до температуры на 30-50° С выше верхней критической точки с охлаждением на воздухе.
Нормализация создает мелкозернистую и однородную структуру стали, повышает ее твердость и прочность, но уменьшает пластичность.
Цементация — насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве до 850-900° С в специальной среде. Глубина цементационного слоя достигает 1,5-2 мм. С целью повышения прочности цементационного слоя изделия подвергают в дальнейшем термической обработке — закалке и отпуску. Задача цементации — получить твердую поверхность при вязкой сердцевине.
Упругая и пластическая деформация стали. Сталь под воздействием внешних усилий изменяет свою первоначальную форму (деформируется), приобретая новые свойства. Деформация стального образца будет упругой, если после удаления внешних усилий он принимает первоначальную форму, и пластической, или остаточной, если форма его при тех же условиях не восстанавливается. При этом в местах деформации сталь упрочняется, но теряет пластичность.
Одним из видов упрочнения стали под воздействием внешних сил в холодном состоянии является наклеп. Повышение прочности наклепанной стали объясняется образованием уплотненных поверхностей сдвига, а также дроблением кристаллов, повышающих сопротивление деформации стали. При дальнейшем повышении деформирующих усилий, превышающих предел прочности, сталь разрушается. Наклеп используют для улучшения свойств сталей с пониженным пределом текучести; отжигом наклеп ликвидируется.
Изменение свойств металла во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающих замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной, называется старением металла.
В обычной углеродистой стали процесс старения происходит медленно и выявляется лишь в таких сооружениях, как мостовые фермы через 70-100 лет. Добавляя в металлический сплав алюминий, ванадий, титан, хром и другие вещества, процесс старения можно замедлить.
Изготовление стальных изделий давлением. Для изготовления стальных изделий давлением используют способность металла изменять форму при пластических деформациях. При этом изменяется не только форма металла, но и его структура, а значит, и свойства.
Форму металла изменяют прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой, прессованием, гибкой, взрывом.
Подготовка стальных слитков к изготовлению сортовой стали заключается в предварительном нагревании их в методических печах или нагревательных колодцах.
Прокатка основана на пластическом свойстве стали изменять свою форму без разрушения под действием внешнего давления. Применяют горячую и холодную прокатку. Углеродистые стали прокатывают в интервале температур 800-1200° С на прокатных станах между вращающимися валками.
Из сталей различного качества и состава изготовляют профили, являющиеся элементами сварных или клепаных строительных конструкций.
В строительных конструкциях наибольшее применение имеют листовая, сортовая, фасонная стали.
К числу сортовых сталей относят круглую, квадратную, полосовую широкополосную, тонколистовую, толстолистовую, волнистую, угловую, двутавровую, швеллер, периодического профиля (арматурная сталь) и др..
Прокаткой и штамповкой изготовляют также специальные профили; применяемые для оборудования подвижного транспорта оконные профили для промышленного строительства и др. Для строительной промышленности особое значение имеет изготовление рациональных облегченных профилей .
Волочение — это протягивание холодного металла через глазок протяжного стана. Холодное волочение снижает вязкость металла и его пластичность. Для повышения пластичности тянутый металл подвергают отжигу, а для снятия окалины травят серной кислотой с последующей промывкой в щелочном растворе.
Волочением получают калиброванные и некалиброванные металлические стержни и проволоку с круглой или другой формой сечения, которые служат готовыми деталями в строительстве и машиностроении или материалом для изготовления арматуры, гвоздей, болтов, шурупов и др.
Ковка — это придание требуемой формы стальному слитку или заготовке из проката деформированием нагретого металла. Ковкой также изменяют структуру металла, улучшая его свойства.
Штамповка производится в формах-штампах, что обеспечивает точное соблюдение размеров изделия.
Источник
Способы получения металлических изделий. Назначение и виды термообработки
Прокат — самый распростр. деш. с-б пр-ва м. изделий. Заключается в обжатии м-ла между вращающимися валками, при этом заготовка уменьшается в сечении, вытягивается и приобретает форму, соответствующую валкам. Прокатывают м-л в холодном и горячем состоянии. Хол-ый прокат применяют для металлов, обладающих высокой пластичностью (свинец, олово), или для получения тончайших стальных листов. Большинство стальных изделий прокатывают в горячем состоянии при 900. 1250°С. Производят за нес-ко последов.приемов путем пропуска его через ряд валков с уменьшающимся зазором. С-бом прокатки получают бол-во стальных строительных изделий: балки, рельсы, листовую и прутковую сталь, арматуру трубы.
Ковка — пр-с деформации м-ла под действ.повторяющихся ударов молота или пресса. Бывает: свободная, когда м-л при ударе молота свободно растекается во все стороны, и штампованная, когда м-л, растекаясь под ударами молота, заполняет формы штампов, а избыток его вытекает в спец. канавку и отрезается. Позволяет получить и-лия оч. точных р-ров.
Волочение за-тся в протягивании м. заготовки ч-з отверст., сеч.к-го мен. сеч. Заготовки( м. обжимается, а профиль его строго соответ. форме отве-ия. В кач-ве заготовки испол. предварительно прокатанный или прессованный пруток или трубу. В. м. произ. обычно в х-ном состоянии, при этом получают из-лия точных профилей с чист. и гладкой пов-тью.( тонкостенные изделия (трубки), круглые, квадратные, шестиугольные прутки небол. площади сечения (до 10 мм2). Прив. в м. поя-тся наклеп — упрочнение м. в рез-те пластической деформации. Н. повыш. твердость стали, но снижает пластичность и вязкость..
Холодное профилирование м. — п-с деформир. лист.или кругл. стали на прокатных станах. Из лист.стали получают гнутые профили с различ. конфигурацией в поперечнике, они экономич. про-лей горяч. прокатки — за счет сокращения толщины профиля до 2 мм.
Закалка- вид терм. обр-тки, заключ. в нагрев. стали до Т выше критич. точки, выдержке и послед. охлаждении. (не является окончательной операцией терм. обработки).Чтобы умен. хрупкость и напряжения, вызв. закалкой, м. после закалки обязательно подвергают отпуску.
Закалка ТВЧ (поверхностная закалка) на некот. (заданную) глубину закал-тся только поверх.слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной ( повышение твердости, износостойкости и предела выносливости изделия, сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки).
Отпуск-нагрев. до более низк. темп. и более быстр. охлажд. стали.(Низкий темп 150-250° С, средний 300-500° С, высокий выше 500° С).
Отжиг-(сталей и чугунов)- нагрев до опред. темп. выдержка и послед. медл. охлаж. Цели — сниж. твёрдости для повыш. обрабатываемости, улучш. структуры и достиж. больш. однород. м., снятие внутр. напряжений.
Нормализация- (стали) нагрев её выше верхней критич. точки, выдержке при этой темп. и послед. охлаж. на спокойном воздухе. Цель — придание м. однород. мелкозернистой структуры (повыш. его мех.свойств (пластичности и удар. вязкости)).
Источник
Производство стали
Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.
Особенности процесса производства стали
В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.
Выплавка стали в электропечи
Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:
- Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
- Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
- Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.
Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:
- Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
- Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.
При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.
Способы производства стали
Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:
- Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
- Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
- Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.
Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.
Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.
Мартеновский способ
Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.
Схема мартеновской печи
Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:
- Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
- Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
- На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.
При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.
В кислородных конвертерах
Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:
- Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
- Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
- Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
- При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
- В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
- На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
- Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.
Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.
В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей
Источник
