Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра технологии нефтяного аппаратостроения

Материаловедение и технология конструкционных материалов

Учебно-методическое пособие к выполнению

практических занятий

Уфа 2014

Учебно-методическое пособие к выполнению практических занятий предназначено для студентов направления 131000 «Нефтегазовое дело» для изучения классификации и области применения легированных сталей, а также основ металлургического производства и обработки металлов и сплавов. Выполнение практических работ будет способствовать более глубокому усвоению теоретического материала по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Составители: Тюсенков А.С., доц., канд. техн. наук

Черепашкин С.Е., доц., канд. техн. наук

Худяков М.А., доц., канд. техн. наук

Ямщикова С.А., доц., канд. техн. наук

Рецензенты:Кравцов В.В., проф. канд. техн. наук

Бугай Д.Е., проф. д-р техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2014

Содержание

Практическое занятие № 1. Промышленные стали

Практическое занятие № 2. Основы металлургического производства

Практическое занятие № 3. Основы литейного производства

Практическое занятие № 4. Обработка металлов давлением

Практическое занятие № 5. Основы сварочного производства

Практическое занятие № 6. Основы обработки резанием

Практическое занятие № 1. Промышленные стали

Инструментальные стали

В зоне резания, на инструмент воздействуют: высокотемпературное поле (300…800 °С и выше); высокие давления (более 500 МПа); высокое истирающее воздействие стружки. Режущий инструмент находится в достаточно агрессивной физико-химической среде. Поэтому инструментальные материалы должны обладать особыми физико-механическими и технологическими свойствами. Основные из них: высокая твердость, прочность, пластичность, температуростойкость; высокое сопротивление схватываемости с обрабатываемой поверхностью и износостойкость; низкая склонность к трещинообразованию; хорошая свариваемость или способность к соединению пайкой; низкая стоимость и высокая технологичность.

Углеродистые стали, относятся к инструментальным материалам общего назначения, применяемым для изготовления ручного режущего инструмента (скорость резания до 3 м/мин). Основные марки: У9; У10; У10А; У11А; У12А. Заэвтектоидные углеродистые инструментальные стали обычно подвергают неполной закалке с целью сохранения после закалки мелкого зерна и нерастворившихся частиц вторичного цементита, обеспечивающих получение высокой твердости.

Низколегированные стали как и углеродистые, применяются для ручного режущего инструмента, но могут применяться и для инструмента, работающего со скоростями до 5 м/мин. Низколегированные инструментальные стали содержат до 5 % легирующих элементов, которые вводят в эти стали для увеличения закаливаемости, прокаливаемости, уменьшения вероятности возникновения деформаций и опасности растрескивания. Основным легирующим элементом является хром. Также добавляют марганец (1…2 %) для обеспечения минимальных изменений размеров инструментов при закалке, кремний (1…5 %), который повышает сопротивление отпуску, и вольфрам (1…5 %), увеличивающий износостойкость (ХВ4, 9ХС, ХВСГ).

Теплостойкость - способность сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость и износостойкость при длительном нагреве.

По структуре низколегированные инструментальные стали относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке и низкому отпуску, что обеспечивает им высокую твердость (62…69 HRC) и износостойкость. Однако теплостойкость этих сталей сравнима с теплостойкостью углеродистых, поэтому их применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания до температур 200…260 ^оС.

Для температурных инструментов применяют низколегированные стали Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, обрабатываемые на высокую твердость (60…64 HRC). Для предотвращения объемных изменений за счет распада мартенсита, превращений остаточного аустенита или релаксации остаточных напряжений, измерительные инструменты высокой точности подвергают закалке и обработке холодом при -50…-80 ^оС с последующим низким отпуском (120…140 ^оС).

Быстрорежущие стали относятся к классу высоколегированных сталей, предназначенных для изготовления инструментов с высокой теплостойкостью (580…640 ^оС). Высокая теплостойкость этих сталей обеспечивается введением большого количества вольфрама вместе с другими карбидообразующими элементами - молибденом, хромом, ванадием.

Быстрорежущие стали обозначаются буквой «Р» - rapid, после которой стоит число, указывающее процентное содержание вольфрама. Содержание ванадия (до 2 %) и хрома (около 4 %) в марке не указывается. Стали, дополнительно легированные молибденом, кобальтом или с повышенным содержанием ванадия, содержат в маркировке буквы (М, К, Ф) и цифры, показывающие процент введенных элементов. По эксплуатационным свойствам все быстрорежущие стали делятся на стали нормальной (Р18, Р9Ф5, Р6М3) и повышенной (Р6М5К5, Р9К5, Р10К5Ф5) производительности.

По структуре после закалки быстрорежущие стали относятся к мартенситному классу. Небольшие детали охлаждают на воздухе, крупные - в масле. После закалки в структуре быстрорежущей стали содержится порядка 30…40 % аустенита остаточного, что снижает их твердость и теплостойкость. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют трехкратный отпуск или обработку холодом с последующим однократным отпуском. При отпуске быстрорежущих сталей происходит выделение из мартенсита дисперсных карбидов и превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость).

Быстрорежущие стали широко применяются в промышленности для изготовления инструментов работающих со скоростями резания 20…100 м/мин. Различают: стали обычной производительности (до 20 м/мин) (марки: Р9; Р12; Р18; Р6М5; Р9К10); стали повышенной производительности (до 70 м/мин) (марки: Р6М5К5; 10Р6М5Ф3; Р10К5Ф5) и порошковые стали (до 100 м/мин) (марки: Р6М5К5М; Р6М5К5ОМ; 10Р6М5К5Ф3ОМ). Для порошковых сталей: окончание «М» - мелкая структура; окончание «ОМ» - особо мелкая структура. С 1980 г. в промышленности применяются быстрорежущие стали с интерметаллидным упрочнением, марок В11М7К23; В4М12К23 и др. Эти стали, применяются, в основном, для точения, фрезерования и строгания труднообрабатываемых материалов. По сравнению со сталью Р18 их стойкость выше: при обработке титановых сплавов - в 20…35 раз; при обработке аустенитных и нержавеющих сталей - в 8…15 раз; при обработке чугунов - в 3…4 раза.

Металлокерамические твердые сплавы состоят из тонко измельченных карбидов тугоплавких металлов (вольфрам, титан, тантал), соединенных связкой - кобальтом. Благодаря наличию карбидов тугоплавких металлов сплавы имеют высокую температуростойкость, твердость и износостойкость. Поэтому допускается скорость резания 100…150 м/мин. Существует четыре вида твердых сплавов: вольфрамовые; вольфрамо-титановые; вольфрамо-титано-танталовые и безвольфрамовые.

В группу вольфрамовых твердых сплавов входят: ВК3; ВК3М; ВК4; ВК6 ОМ; ВК6М; ВК8; ВК10 0М; ВК10М; ВК15 (В - карбид вольфрама, К - кобальт, число после «К» - процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама, М - мелкозернистый, ОМ - особомелкозернистый). При увеличении содержания карбида вольфрама твердость сплавов увеличивается. По сравнению с другими вольфрамосодержащими твердыми сплавами они характеризуются наибольшими: пределом прочности на изгиб и вязкостью; но наименьшими: температуростойкостью и твердостью. Поэтому вольфрамовые твердые сплавы рекомендуются для обработки чугуна, цветных сплавов и труднообрабатываемых материалов с небольшими скоростями резания.

В группу вольфрамотитановых твердых сплавов входят: Т30К4; Т15К6; Т14К8; Т5К10; Т5К12 (Т - карбид титана, число после «Т» - процентное содержание карбида титана, К - кобальт, число после «К» - процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама). Эти сплавы характеризуются наибольшими: твердостью, температуростойкостью и износостойкостью; но менее прочны, чем сплавы группы «ВК». Поэтому они рекомендуются для обработки сталей. В группу вольфрамотитанотанталовых твердых сплавов входят: ТТ7К12; ТТ8К6; ТТ30К4; ТТ20К9 (ТТ - карбиды титана и тантала, число после «ТТ» суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, К - кобальт, число после «К» - процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама.). Эти сплавы, по своим показателям, занимают промежуточное место между сплавами групп «ВК» и «ТК». Поэтому они очень эффективны при черновой обработке сталей и чугунов, при строгании и фрезеровании.

В группу безвольфрамовых твердых сплавов входят: КНТ-16 и ТН-20 (Т-карбид титана, Н-никель, КН - карбонитрид титана, число - суммарное процентное содержание никеля и молибдена, остальное - карбид титана или карбонитрид титана). Эти сплавы рекомендуются для получистового и чистового точения и фрезерования чугуна, углеродистых сталей и цветных сплавов.

Минералокерамика - инструментальный материал на основе окиси алюминия, обладающий большими, чем у твердых сплавов, твердостью и температуростойкостью, но меньшей ударной вязкостью. Поэтому их используют только для чистовой обточки и расточки деталей из высокопрочных чугунов, закаленных сталей и для резания неметаллических материалов со скоростями до 200 м/мин. Различают: оксидную (белую), оксидно-карбидную, оксидно-нитридную керамику и керметы. Оксидная керамика полностью состоит из окиси алюминия (марки: ВО13; ВШ-75). Её рекомендуют для чистового и получистового точения нетермообработанных сталей, серых и ковких чугунов твердостью менее НВ 400. Оксидно-карбидная керамика, кроме окиси алюминия, имеет в своем составе легирующие добавки карбидов хрома, титана, вольфрама и молибдена (В3, ВОК60, ВОК63). Её рекомендуют для чистового и получистового точения и фрезерования закаленных сталей, отбеленных и серых чугунов, нержавеющих сталей. Оксидно-нитридная керамика состоит из нитридов кремния и тугоплавких материалов, включая и окись алюминия (силинит-Р, ОНТ-20). Эта керамика позволяет заменить вольфрамосодержащие твердые сплавы при получистовом и чистовом точении различных материалов. При точении закаленных сталей качество обработки соизмеримо со шлифованием. Керметы состоят из окиси алюминия, химически связанной металлами (железо, никель, титан, цирконий, хром или молибден) (В3, В4). Керметы рекомендуются для получистового и чистового точения хромоникельмолибденовых сталей твердостью HRC 50…55 со скоростью резания 110…200 м/мин.

При резании металлов применяют: синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (композиты). Алмаз обладает наибольшей, из всех известных материалов, твердостью, малыми коэффициентами линейного расширения и трения. Но, он обладает низкой: прочностью на изгиб и ударной вязкостью. При 750 °С алмаз растворяется в железе, что препятствует его применению при обработке сплавов, содержащих железо. Балласы (АБС) применяются для обработки деталей из стеклопластика со скоростями резания 350…450 м/мин. Карбонадо (АСПК) применяется для обработки алюминиевых и медных сплавов.

Композиты: синтетический материал, по твердости, не уступающий алмазу, превосходящий его по температуростойкости, и инертный к железу. Выпускаются следующие марки: композит 01 (эльбор-Р); композит 02 (белбор); композит 05 и 5И (исмит); композит 09 (ПТНБ-ИК); композит 10 (гексагонит-р). Основная область применения композитов: чистовое и тонкое точения и фрезерования закаленных сталей, со скоростями резания 60…120 м/мин; серых и высокопрочных чугунов - 400-1200 м/мин; твердые сплавы (группы «ВК») - 8…12 м/мин.

Жаропрочные стали

Жаропрочность - способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению под действием приложенных сил при высоких (более 0,3 Т_пл) температурах. Критериями жаропрочности являются пределы ползучести и длительной прочности. Для обеспечения жаропрочности необходимо замедлить диффузию, ограничить подвижность дислокаций. Подвижность дислокаций существенно снижается в многофазной структуре с дисперсными частицами упрочняющих фаз.

Ползучесть - медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести.

Предел ползучести - это напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре.

Предел длительной прочности - это напряжение, вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время.

Жаростойкость - способность материалов сопротивляться газовой коррозии (не окисляться) при высокой температуре в течение длительного времени. Для повышения жаростойкости в сталь вводят хром, алюминий или кремний, которые, находясь в твердом растворе, образуют на поверхности стали защитные пленки оксидов.

Для деталей различных высокотемпературных установок, печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25 и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7А, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие еще и жаропрочностью.

Различают жаропрочные стали перлитного, аустенитного и мартенситного классов.

Жаропрочные стали перлитного класса (12Х1МФ, 15Х11МФ) предназначены для работы при температурах до 580 ^оС. Температура отпуска должна быть выше рабочей температуры, поэтому оптимальной термообработкой для этих сталей является закалка или нормализация с последующим высоким отпуском при температурах 640-750 ^оС.

Различают две группы мартенситных сталей: стали с содержанием 10…12 % хрома, добавками Mo, V, Nb, W и низким (0,10…0,15 %) содержанием углерода и стали с повышенным содержанием углерода (до 0,4 %), хромом (5…10 %) и кремнием (2…3 %) - сильхромы.

Мартенситные стали первой группы (40X10C2M, 15X5M) предназначены для изделий, работающих при 450…600 ^оС в атмосфере пара, топочных газов. Типовым режимом термической обработки этих сталей является закалка или нормализация с 950…1100 ^оС и отпуск при 600…740 ^оС. Полученная структура (смесь легированного феррита и мелких карбидов) обеспечивает высокую жаропрочность.

Из мартенситных сталей изготовляют диски, лопатки, бандажи и крепежные детали паровых турбин.

Стали второй группы (сильхромы) обладают высокой жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Типовой режим термической обработки - закалка 1050…1100 ^оС и отпуск при 720…780 ^оС. Сильхромы используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 600…650 ^оС, при более высоких рабочих температурах применяют аустенитные стали.

Аустенитные стали (12X18H10T, 10Х11Н20Т3Р, 45X14H14B2M) по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и применяются при температурах выше 600…650 ^оС. Для получения устойчивой аустенитной структуры их легируют хромом, никелем или марганцем, а для образования карбидных или промежуточных (интерметаллидных) фаз вводят молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам. Содержание углерода в этих сталях составляет обычно 0,1…0,4 %.

Нимоники - жаропрочные сплавы на основе никеля для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих при повышенных температураx (до 850 ^оС).

Износостойкие стали

Износостойкость - это способность материала оказывать сопротивление изнашиванию (процессу постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения).

Износостойкие стали используют для работы в условиях абразивного трения.

Подшипниковые стали применяются для изготовления подшипников качения, храповых механизмов, пальцев различных машин. Наиболее частой причиной отказа подшипников являются излом, разрушение тел качения (шариков, роликов) и рабочих поверхностей колец, а также усталостное выкрашивание рабочих поверхностей элементов подшипников. Предел контактной выносливости характеризует сопротивление материала усталостному изнашиванию и определяется в процессе испытаний на контактную усталость.

Основным легирующим элементом шарикоподшипниковых сталей является хром, приблизительное содержание которого (в десятых долях процента) указывается числом, следующим за буквами «ШХ» в марке стали.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0,95…1,05 % С, 1,3…1,65 % Cr), а для больших сечений - хромомарганцевокремнистую сталь ШХ15СГ (0,95…1,05 % С, 1,2…1,5 % Cr, 0,4…0,65 % Si, 3…1,65 % Mn). После неполной закалки в масло и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с дисперсными равномерно распределенными карбидами, что определяет высокую износостойкость и твердость 62…65 HRC.

Для изготовления деталей подшипников, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют стали 20Х2Р4А и 18ХГТ.

Высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л (1,1 % С; 13 % Mn; литейная) применяется для изготовления деталей, устойчивых к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок, но без абразивного износа (траки гусениц танков и тракторов, детали камнедробилок, черпаки экскаваторов, крестовики железнодорожных путей и другие). Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью сильно упрочняться в условиях ударных воздействий, что связано с деформационным упрочнением аустенита и образованием е-мартенсита. Из-за наклепа сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали в основном получают литьем.

Антифрикционные сплавы

Антифрикционность - способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали.

Антифрикционные сплавы предназначены для заливки подшипников скольжения, которые обладают бесшумностью работы и устойчивостью к вибрациям. Они должны иметь низкий коэффициент трения, быть достаточно пластичными и обеспечивать малую скорость изнашивания сопряженной детали - стального или чугунного вала.

Металлические материалы для подшипников скольжения по своей структуре подразделяются на две группы: сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями и сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К первой группе относятся баббиты (основа олово или свинец), а также бронзы и латуни. Мягкая матрица в них предотвращает усиление трения и обеспечивает хорошую прирабатываемость, а твердые включения, на которые опирается вал, дают высокую износостойкость.

Баббиты представляют собой антифрикционные материалы на основе олова или свинца. Основными требованиями к ним являются низкий коэффициент трения, хорошая пластичность.

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы. Недостатком баббитов является низкая прочность, поэтому их применяют только для покрытия тонким слоем (до 1мм) опоры скольжения (вкладыши подшипников скольжения). Из-за высокого содержания дорогостоящего олова оловянистые баббиты используют для подшипников ответственного назначения - дизелей, паровых турбин и других подшипников особо нагруженных машин. Сплавы типа Б16 используют для подшипников средней нагруженности, а дешевые свинцово-кальциевые баббиты типа БК2 используют для менее ответственных подшипников.

К антифрикционным сплавам относятся свинцово-оловянный баббит БН и кальциевый баббит БК2.

Б88 - марка оловянистого баббита. Число 88 обозначает среднее содержание основного компонента (олова) в процентах.

Медь вводят в состав оловянистых баббитов с целью устранения ликвации по плотности. Медь с оловом образуют химическое соединение Cu₃Sn, которое кристаллизуется в первую очередь, образуя разветвленные дендриты, на которых задерживаются имеющие низкую плотность кристаллы в-фазы (SnSb).

К сплавам второй группы относятся: свинцовистая бронза (БрС30 - наплавка на стальную ленту), алюминиевые сплавы с оловом (АО9-2 - монометаллические вкладыши). Эти сплавы имеют высокую теплопроводность, что позволяет применять их при больших скоростях скольжения. К сплавам этой группы относятся и серые чугуны. Роль мягкой составляющей в чугунах играет графит.

Практическое занятие № 2. Основы металлургического производства

Металлургия - это важнейшая отрасль промышленности и наука о получении металлов из руд. В природе в чистом виде встречаются лишь немногие металлы, например, золото, серебро, платина, ртуть и др. Основная же масса металлов содержится в земной коре в виде соединений с другими химическими элементами, и задачей металлургов является выделение металлов из этих соединений.

Особую роль в современном производстве играют черные металлы, на долю которых в мировом производстве металлов приходится более 90 %, а объем их производства является одним из основных показателей уровня промышленного развития страны.

Материалы для производства металлов и сплавов

Для осуществления металлургических процессов необходимы руда, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. металлургия руда сталь

Руда - горная порода, из которой технически возможно и экономически целесообразно в данных конкретных условиях извлекать металлы и их соединения. Руды могут быть простыми, т.е. содержащими один металл, или полиметаллическими, содержащими несколько металлов. Помимо соединений, содержащих металл, в руде имеется еще и пустая порода, которая не содержит извлекаемых металлов или их соединений. Руды с большим содержанием пустой породы называют бедными. Использование бедных руд ведет к большим непроизводственным расходам топлива и электрической энергии, снижает производительность, увеличивает объем плавильного устройства и соответственно его стоимость. Бедные руды подвергают обогащению, т.е. удалению из руды части пустой породы, что приводит к получению концентрата с повышенным содержанием ценного компонента.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для взаимодействия с пустой породой и золой с образованием легкоплавкого соединения - шлака, который, как правило, должен иметь значительно меньшую плотность, меньшую температуру плавления, чем у извлекаемого металла (или его соединения) и высокую жидкотекучесть. Такой шлак располагается в плавильных печах на поверхности жидкого металла и отделяется от него в процессе плавки тем или иным способом. Во время плавки шлак служит для защиты расплавленного металла от контакта его поверхности с печными газами и воздухом и для удаления вредных примесей. По химическому составу флюсы делятся на основные и кислые. К основным флюсам относятся известняк СаСОз и доломит СаСО₃ + МgСО₃. К кислым относятся породы, содержащие кремнезем. Выбор флюса зависит от состава пустой породы.

В металлургических печах используют в качестве топлива кокс, природный газ, реже мазут. Важнейшим видом твердого топлива является кокс - твердая пористая масса, получаемая сухой перегонкой коксующихся сортов каменного угля при температуре 1000…1100 °С.

Огнеупорные материалы предназначены для облицовки (футеровки) рабочего пространства металлургических устройств в местах, подвергающихся действию высоких температур. Огнеупорные материалы делят на кислые, основные и нейтральные. Кислые - в основном динас, содержащий большое количество кислотного окисла - SiO₂ . Основные - магнезит (MgCO₃) и доломит (СаСО₃+ МgСО₃), состоящие из основных окислов (СаО, MgO). Нейтральные - хромит, хромомагнезит, шамот, содержащие большое количество Аl₂О₃ и Cr₂O₃.

Футеровка печи должна соответствовать загружаемому флюсу (кислый флюс - кислая футеровка, основная футеровка - основной шлак). В противном случае шлак вступает в реакцию с футеровкой металлургической печи, которая быстро разрушается.

Производство чугуна

Чугунами называются сплавы железа с углеродом (более 2,14 % С), в которых обычно содержатся примеси кремния (до 4,3 %), марганца (до 2 %), серы (до 0,07 %) и фосфора (до 1,2 %).

Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, в том числе в виде агломерата и окатышей, кокс и флюсы. Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов, гидрооксидов, карбонатов и др., а также пустую породу, чаще всего кислую, в которой преобладает кремнезем. Промышленностью разрабатываются четыре основных вида железных руд: красный железняк Fe₂O₃, магнитный железняк Fe₃O₄, бурый железняк 2Fe₂O₃ 3Н₂О и Fe₂O₃ Н₂О, шпатовый железняк FeСO₃. Помимо железных руд в доменном производстве используются марганцевые, хромовые и комплексные руды. Марганцевые и хромовые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем или хромом - ферросплавов. Комплексные руды используют для выплавки природнолегированных чугунов. Основным видом топлива в доменных печах является кокс, который выполняет функцию топлива и восстановителя. Кокс содержит 82…88 % твердого углерода, 5…10 % золы, 0,5…2,0 % серы, 0,02…0,2 % фосфора. В последнее время для интенсификации доменного процесса применяется и природный газ. В качестве флюса при выплавке чугуна чаще всего используются известняк (СаСО₃) или доломитовый известняк (СаСО₃ и MgCO₃), которые образуют основной шлак.

Подготовка железных руд к плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и флюса, уменьшения стоимости чугуна и улучшения его качества. Цель этой подготовки: увеличение содержания железа в руде; уменьшение в ней вредных примесей (серы и фосфора); повышение ее однородности по крупности кусков и химическому составу. Метод подготовки руды к плавке выбирается в зависимости от состава руды и ее качества. Подготовка руды к плавке начинается с ее дробления и сортировки по крупности для получения кусков оптимальной для плавки величины. Измельченная и рассортированная руда подвергается обогащению для повышения концентрации железа за счет удаления возможно большего количества пустой породы. Обогащение руды основано на различии физических и химических свойств минералов, входящих в ее состав. К основным способам обогащения относятся промывка, гравитация, магнитная сепарация, окускование.

Промывка водой производится для удаления глинистых и песчаных примесей. Гравитационное обогащение основано на разнице в удельных весах ценного компонента и пустой породы. Магнитную сепарацию применяют для обогащения железных руд, содержащих магнитные вкрапления, которые притягиваются к магниту, отделяя их от немагнитной пустой породы. Окускование необходимо для превращения обогащенной рудной мелочи, образующейся при дроблении руды, в куски необходимых размеров. Окускование осуществляется двумя способами - агломерацией и окатыванием. При агломерации шихту, состоящую из рудной мелочи, известняка и коксовой мелочи, спекают на агломерационных машинах при температуре (1300…1500) °С, получая кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат. В процессе агломерации происходит частичное восстановление железа, удаляется до 95 % содержащейся в руде серы, а значительная часть пустой породы связывается в легкоплавкие соединения. При окатывании шихту из измельченных концентратов, флюсов и топлива увлажняют и обрабатывают во вращающихся печах или тарельчатых чашах - грануляторах, где она приобретает форму шариков - окатышей диаметром до 30 мм. Полученные окатыши имеют высокую механическую прочность, значительную пористость и хорошую восстанавливаемость.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах, в которые загружают шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, агломерата, окатышей, флюсов и кокса. В современных доменных печах загрузка материалов механизирована и автоматизирована. Срок непрерывной работы печи - 5…6 лет, производительность 12…17 тыс. тонн чугуна в сутки, периодичность выпуска чугуна - 4…6 раз в сутки. Схема доменной печи приведена на рисунке 2.1. Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным кирпичом.

В верхнюю цилиндрическую часть доменной печи (колошник 6) с помощью специального загрузочного устройства (засыпного аппарата 7) загружаются шихтовые материалы. Наличие двух конусов в засыпном аппарате обеспечивает равномерное распределение шихтовых материалов по сечению печи. В процессе работы печи шихтовые материалы постепенно опускаются из загрузочного устройства в верхнюю коническую часть печи (шахту 5), ниже которой располагается цилиндрический пояс - распар 4. Это самая широкая часть доменной печи, ниже распара находится конический пояс - заплечики 3, а затем горн 10. В верхней части горна расположены фурмы 8 - устройства, через которые в доменную печь вдувается подогретый воздух, необходимый для сжигания кокса. Фурмы распределены равномерно по окружности горна. Для поддержания высокой температуры в доменной печи и уменьшения потерь тепла, образующегося при сгорании топлива, воздух, вдуваемый в доменную печь, предварительно подогревается в специальных устройствах - воздухонагревателях до (1000…1200) °С. В горне расположены отверстия - летки для выпуска жидкого чугуна 2 и шлака 9. Толщина самой нижней части печи (лещади 1) достигает 5,5 м. И лещадь и горн контактируют с расплавленным чугуном, поэтому их выкладывают из наиболее качественного огнеупорного материала.

1 - лещадь; 2 - чугунная летка; 3 - заплечики; 4 - распар; 5 - шахта;

6 - колошник; 7 - засыпной аппарат; 8 - фурма; 9 - шлаковая летка; 10 - горн

Рисунок 2.1 - Схема доменной печи

Доменная печь работает по принципу противотока: сверху вниз опускаются шихтовые материалы, загружаемые в печь, а снизу вверх навстречу ей поднимаются горячие газы, которые образуются при взаимодействии горячего воздуха, выходящего из фурм, с углеродом кокса. Горение кокса происходит по реакции и сопровождается выделением тепла: 2С+О = 2СО₂ +Q. Максимальная температура газов около фурм достигает 2000 °С. Образовавшаяся двуокись углерода (СО₂), поднимаясь вверх, частично восстанавливается углеродом раскаленного кокса по реакции СО₂+С = 2СО - Q. По мере продвижения вверх газы отдают тепло шихтовым материалам и охлаждаются до 300…400 °С в районе колошника.

Важнейшим процессом, происходящим в доменной печи, является восстановление окислов железа. Оксиды железа, содержащиеся в руде, начинают восстанавливаться уже в верхней части шахты при температуре около 500…570 °С. Восстановление окислов железа происходит путем последовательного отщепления кислорода от высшего оксида к низшему по схеме Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > FeO > Fe. Основными восстановителями являются оксид углерода, твердый углерод кокса и сажистый углерод, отложившийся в порах руды. Восстановителем железа является также и водород, содержащийся во вдуваемом воздухе, но его роль в целом невелика. Восстановление газами называется косвенным восстановлением, а восстановление твердым углеродом - прямым. При температурах до 900 °С происходит преимущественно косвенное восстановление железа, а при более высоких температурах - прямое.

Восстановленное железо опускается в горн, проходя через слой раскаленного кокса. Происходит науглероживание железа: 3Fe+C = Fe₃C. Наряду с железом в доменной печи происходит восстановление и других компонентов шихты: марганца, кремния, фосфора, серы, хрома, никеля, титана и др.

Прямое восстановление железа

Под прямым восстановлением железа понимают способы получения губчатого железа, металлизованного сырья, литого железа или стали непосредственно из железнорудных материалов.

Существующие способы прямого восстановления железа в зависимости от физического состояния получаемого продукта можно разделить на три группы.

1 Получение губчатого железа и металлизованных окатышей, осуществляемое при относительно низких температурах (менее 1100 °С). При этом используются богатые, не содержащие вредных примесей руды или концентраты. Способы получили наибольшее распространение вследствие их высокой производительности.

2 Получение крицы (слипшаяся масса губчатого железа) с одновременным с восстановлением оксидов железа и расплавлением пустой породы с образованием шлака. При этом используются бедные руды и низкосортное твердое топливо. Способы не получили широкого распространения вследствие их низкой производительности.

3 Получение жидкой стали, осуществляемое при температуре выше точки плавления железа. При этом используются богатые пылевидные руды и концентраты. Способы применяются в полупромышленных установках и в опытных производствах.

В качестве восстановителей при получении губчатого железа используют газы и газовые смеси: СО; водород; смесь СО+Н₂; твердый углерод. При использовании твердого углерода необходимы более высокие температуры, так как скорость процесса восстановления лимитируется скоростью реакции

СО₂ + С = 2СО.

Производство стали

Сущность процесса переработки чугуна в сталь сводится к снижению содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак или газы в процессе плавки. Углерод, окисляясь, удаляется из металла в виде газа СО или СО₂, другие же примеси в виде окислов переходят в шлак. Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно и окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q (1)

Одновременно с железом окисляются кремний, марганец, фосфор, сера и др. примеси. Образующийся оксид железа при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород другим, более активным элементам, находящимся в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + Q1, (2)

5FeO + 2P =P₂O₅ + 2Fe + Q2, (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + Q3, (4)

FeO + C = CO + Fe. (5)

Для ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду, окалину, так как чем больше окислов железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах, а реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления железа, кремния, марганца, фосфора, протекающие с выделением тепла, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки). В сталеплавильной печи в процессе плавления шихты образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак, которые разделяются из-за различных плотностей. Примеси и их соединения, находящиеся в сталеплавильной печи и растворимые как в жидком металле, так и в шлаке, в соответствии с законом распределения (закон Нернста) распределяются между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры. Изменяя состав шлака путем введения в печь флюсов, требуемого состава, можно удалять из металла в шлак нежелательные примеси. Процесс окисления стали прекращают, когда содержание углерода станет равным заданному. Так как наряду с примесями окислялось и железо, в конце процесса плавки необходимо удалить из жидкой стали оксиды железа, которые снижают механические свойства готовой стали, придавая ей красноломкость, что делает сталь непригодной для прокатки, ковки, штамповки. Поэтому в конце плавки производят раскисление стали, вводя в расплав элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (кремний и марганец, вводимые в виде ферросплавов, и металлический алюминий). Восстанавливая железо, эти элементы образуют твердые окислы, всплывающие в шлак:

Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe, (6)

Mn + FeO = MnO + Fe, (7)

2Al + FeO = Al₂O₃ + 3Fe. (8)

Таким образом, процесс переработки чугуна в сталь сводится к окислению углерода и других примесей и заканчивается раскислением стали. Это осуществляется в несколько этапов: Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. В этот период происходит интенсивное окисление железа и окисление примесей кремния, марганца и фосфора. Для удаления фосфора - одной из вредных примесей в печи необходимо иметь невысокую температуру, значительное содержание окиси железа и основной шлак, содержащий СаО, поэтому плавку ведут в печи с основной футеровкой. Фосфорный ангидрит (реакция 3) в присутствии окиси железа и извести образует нерастворимое соединение 4СаОР₂О₅, переходящее в шлак. Фосфористый шлак с поверхности расплавленного металла убирают и наводят новый шлак со свежими добавками СаО. Второй этап - «кипение» стали начинается при повышении температуры металла (реакции 2, 3, 4 протекают с выделением тепла), когда интенсивно окисляется углерод. Выделяющиеся пузырьки СО интенсивно перемешивают жидкий металл, вызывая «кипение» ванны. В этот период уменьшается содержание углерода, выравнивается температура металла, частично удаляются неметаллические включения и газы, растворенные в жидком металле, что приводит к повышению качества стали. Это основной этап в процессе плавки стали. На этом этапе создаются условия для удаления серы, (высокая температура; невысокое содержание окиси железа и достаточное количество СаО). При высоких температурах сульфид железа, взаимодействует с СаО с образованием соединения СаS, которое не растворяется в стали, и переходит в шлак:

FeS + СаО = СаS + FeО.(9)

Третий этап - раскисление стали начинается после прекращения «кипения» стали. Он необходим для удаления растворенного в расплавленном металле кислорода. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим (реакции (6) - (8) и диффузионным с помощью шлака, рассматриваемым при плавке стали в электродуговой печи. В зависимости от степени раскисления выплавляют спокойную, кипящую и полуспокойную сталь. Спокойная сталь - сталь полностью раскислена в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью, ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка. Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей сталью. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице.

Первый промышленный способ получения жидкой стали, предложенный в 1855 году и названный по имени его изобретателя - Г. Бессемера, заключался в продувке жидкого чугуна воздухом в специальном устройстве - конвертере. Плавка стали в нем осуществлялась за счет тепла химических реакций. В бессемеровских конверторах перерабатывали чугуны с повышенным содержанием кремния. Для переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора несколькими годами позже стали применять томасовские конвертеры, которые отличались от бессемеровских только футеровкой. Производительность конверторов была очень высокой, но при продувке воздухом металл насыщался азотом и водородом, вследствие чего сталь отличалась пониженными механическими свойствами (особенно пониженной пластичностью и вязкостью) и была мало пригодна для изготовления деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. В 1863 г. появились первые мартеновские печи, в которых плавка стали осуществлялась в отражательных печах. Мартеновским способом можно было получать сталь высокого качества, кроме того, он решил проблему переработки стального лома. До середины прошлого столетия параллельно работали три способа производства стали: кислые и основные конвертеры и мартеновские печи. В середине прошлого столетия были предложены кислородные конвертеры, в которых продувка стали осуществлялась техническим кислородом. Кислородный конвертер имел очень высокую производительность, а качество стали приближалось к качеству мартеновской стали. Это привело к тому, что кислородные конвертеры вытеснили из сталеплавильной отрасли и воздушные конвертеры и мартеновские печи. Производство мартеновской стали постепенно сокращается, строительства новых мартеновских печей не происходит, а существующие, после выработки ими ресурса, заменяются кислородными конвертерами. В настоящее время доля мартеновской стали в структуре производства стали составляет незначительный процент.

Кислородный конвертер (рисунок 2.2) - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный внутри огнеупорным материалом. Конвертер устанавливается на цапфах, что позволяет поворачивать его вокруг горизонтальной оси при загрузке шихты и сливе стали.

1 - конвертер; 2 - водоохлаждаемая фурма; 3 - цапфы

Рисунок 2.2 - Схема кислородного конвертера

Исходными материалами для производства стали в кислородных конверторах являются жидкий чугун с содержанием углерода 3,5…4,5 % и стальной лом (до 25 % по весу от металлической части шихты), а также известь, необходимая для наведения основного шлака, и железная руда. Для увеличения жидкотекучести шлака в конвертер загружают плавиковый шпат и боксит. Для загрузки конвертер 1 наклоняют, загружают стальной лом и заливают жидкий чугун. Конвертер поворачивают в вертикальное положение, вводят водоохлаждаемую фурму 2, через которую подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Расход кислорода - 2…5 м³ на 1 т металла. Одновременно с началом подачи кислорода в конвертер загружают материалы, необходимые для наведения шлака. Окисление примесей в кислородном конвертере начинается с первой минуты, протекает очень быстро, сопровождается перемешиванием расплава и выделением большого количества тепла. Температура расплавленного металла в зоне действия кислорода достигает 2500 °С, что позволяет перерабатывать значительное количество металлолома. В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация значительно выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Это приводит к тому, что окисление кремния, марганца, углерода, фосфора происходит как непосредственно кислородом, поступающим в конвертер, так и закисью железа на границе металл - шлак. Наличие в конвертере шлака с большим содержанием СаО и FeО создает условия для удаления фосфора в начале продувки ванны кислородом, когда температура металла невысока. Удаление серы из металла в шлак происходит частично, так как высокое содержание в шлаке закиси железа затрудняет ее удаление. Во время продувки осуществляется автоматический контроль химического состава металла. Когда содержание углерода достигнет заданного для выплавляемой марки стали, продувку прекращают, и сталь сливают. При выпуске стали ее раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием.

Кислородный конвертер имеет высокую производительность (в 10…15 раз выше производительности мартеновской печи той же емкости), высокое качество стали (по содержанию азота - на уровне мартеновской), позволяет перерабатывать до 40 % металлолома без дополнительной затраты топлива.

В кислородном конвертере выплавляют углеродистые стали и низколегированные стали. Выплавка высоколегированных сталей в кислородных конверторах имеет ряд трудностей, поэтому производство их осуществляют в электропечах.

Производство стали в электрических печах имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами выплавки стали. В электропечах можно быстро нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этих печах можно выплавлять стали и сплавы любого состава, более полно раскислять металл. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных и специальных сталей ответственного назначения. Для плавки стали используются электроплавильные печи двух типов - дуговые и индукционные.

Дуговая электропечь (рисунок 2.3) имеет стальной кожух 3, выложенный изнутри огнеупорным материалом. Печь работает на трехфазном переменном токе и имеет три цилиндрических электрода 2 из графитизированной массы, которые подключаются к силовой высоковольтной сети через понижающий трансформатор. Расход электроэнергии на тонну готовой стали зависит от характера загружаемой шихты и составляет от 300 до 1500 кВт/ч.

1 - съемный свод; 2 - электроды; 3 - стальной кожух; 4 - рабочее окно;

5 - механизм наклона печи; 6 - сливной желоб

Рисунок 2.3 - Схема и внешний вид электродуговой печи

По характеру футеровки дуговые электропечи могут быть основными и кислыми. В промышленной практике наибольшее распространение получили печи с основной футеровкой, так как в них возможно практически полное удаление серы и фосфора. Печи с кислой футеровкой используются, главным образом, для производства стального фасонного литья из шихтовых материалов с низким содержанием серы и фосфора, так в кислых печах нет условий для их удаления.

Процесс выплавки стали в основной электропечи протекает в следующей последовательности: Съемный свод 1 убирают и в печь загружают шихту: стальной лом (до 90 %), чушковой передельный чугун (до 10 %), электродный бой или кокс для науглероживания металла, железную руду или окалину для окисления примесей и известь. Свод ставят на печь, опускают электроды и включают ток. Шихта под действием тепла, выделяемого электрической дугой, плавится. В этот период частично окисляются железо, кремний и фосфор. В конце расплавления образуется фосфористый шлак (преимущественно в виде фосфата железа), который скачивают во избежание обратного перехода фосфора в металл. Окисление примесей в жидком металле продолжается под новым шлаком, который наводят, загружая в печь известь и плавиковый шпат (СаF₂). Загрузка в печь небольшого количества железной руды приводит к окислению углерода, повышению температуры и интенсивному кипению стали, что способствует удалению растворенных в металле газов и неметаллических включений, а также выравниванию температуры и химического состава стали. Когда содержание углерода в стали станет равным заданному, окисление углерода прекращают, окислительный шлак удаляют из печи и начинают проводить заключительную стадию плавки.

Это восстановительный период плавки, проведение которого возможно только в электрических дуговых печах, так как только в этих печах создаются условия для наведения горячего высокоосновного шлака, позволяющего практически полностью удалить серу и раскислить сталь. Изменяя состав шлака путем введения на его поверхность необходимых компонентов, производят диффузионное раскисление металла. В этот период создаются необходимые условия, которых нет ни в какой другой сталеплавильной печи, для практически полного удаления серы, что объясняется высоким содержанием СаО в шлаке, низким содержанием FеО и высокой температурой металла. В этот же период в металл вводят и необходимые добавки легирующих элементов, после чего приступают к выпуску стали.

Индукционная тигельная плавильная печь состоит из индуктора 1 (рисунок 2.4), внутри которого находится тигель 2 с металлической шихтой. Индуктор имеет вид соленоида и выполняется из профилированной медной трубки, по которой циркулирует холодная вода. При прохождении через индуктор переменного тока промышленной или повышенной частоты создается переменное электромагнитное поле, которое наводит в металле, находящемся в тигле, вихревые токи (токи Фуко), разогревающие и расплавляющие шихту.

1 - индуктор; 2 - тигель

Рисунок 4 - Схема индукционной тигельной плавильной печи

По сравнению с дуговыми электропечами индукционные печи имеют ряд преимуществ: отсутствие электродов и электрической дуги дает возможность полной изоляции металла от атмосферы и в связи с этим возможность ведения плавки в специально создаваемой газовой атмосфере или в вакууме, возможность получения сталей с очень низким содержанием углерода и малым угаром элементов. Плавка характеризуется высоким электрическим КПД, точным регулированием температуры. Однако шлак индукционной печи по сравнению со шлаком дуговой печи имеет более низкую температуру, которая недостаточна для протекания металлургических процессов между шлаком и металлом, что не позволяет удалять из расплава вредные примеси. Эти преимущества и недостатки печей обуславливают возможности плавки в них. В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы методом переплава шихты с минимальным содержанием серы и фосфора.

...