Строительные материалы .ру

Структура

В целях желательного изменения структуры и получения более высоких или специально заданных свойств изделия из металлов и сплавов подвергают термической (тепловой) обработке. Такая обработка заключается в изменении структуры сплава путем его предварительного нагрева до заранее определенных температур, некоторой выдержке при этих температурах и последующего охлаждения по заданному режиму.
При увеличении скорости нагревания или охлаждения процессы превращения в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов не успевают завершиться полностью, вследствие чего образуются новые структуры (мартенсит, троостит, сорбит) со свойствами, отличающимися от свойств тех структур, которые получились ранее.
При медленном охлаждении сталь получается в равновесном состоянии, характеризующемся наличием в ее структуре перлита (грубодисперсной смеси цементита с ферритом при размере зерен цементита более Ю-12см), указывающего на полное превращение (распад) аустенита.
При резком охлаждении стали происходит частичный распад аустенита, заключающийся в перестройке кристаллической решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную, но без выделения атомов углерода из образовавшейся решетки a-Fe. Структуру стали, соответствующую этой стадии распада аустенита, называют мартенситовой; в ней мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, имеющий игольчатое строение.
При быстром охлаждении происходит более полный распад аустенита, обусловленный диффузионными процессами; при этом углерод выделяется из решетки a-Fe и образует цементит Fe3C в виде мельчайших кристалликов. Структуру стали, соответствующую этой стадии распада аустенита, называют трооститной. Троостит представляет собой высокодисперсную смесь цементита с ферритом с величиной кристаллов Fe3C в поперечнике 10 в -6 степени ...10 в -7 степени см. При средних степенях охлаждения аустенита получают структуру мелкодисперсного перлита, иначе называемого сорбитом, представляющего собой более грубодисперсную смесь цементита с ферритом с размером зерен Fe3C 10 в -5 степени...10 в -4 степени  см.
Сталь в состоянии мартенсита имеет высокую твердость (НВ 600...650) и большую хрупкость (ударная вязкость понижается почти до нуля). Это является следствием искажения кристаллической решетки a-Fe, вызванного присутствием в ней углерода в количестве, в десятки раз превышающем нормальную растворимость в твердом состоянии. Механические свойства роостита и сорбита зависят от содержания в стали углерода.

Литье металла

Литье широко применяют в производстве различного вида изделий или заготовок из металла. Литые детали изготовляют путем отливки расплавленного металла в формы. Примерно 4/5 всех отливок получают в разовых песчаных формах и 1/5 — специальными видами литья. Чугун плавится в вагранках, которые обеспечивают расплавление жидкого чугуна при минимальном угаре и экономном расходе топлива.
Получение стальной отливки значительно сложнее, чем чугунной, так как у стали большая усадка (стали— 2%, чугуна—1%), необходима высокая температура (до 1600 °С), выше растворимость газов, что способствует пузыристости стальной отливки. Для получения стальной отливки следует пользоваться только полностью раскисленным металлом и применять последующую термическую обработку. Отливку можно производить также из цветных металлов.
Литье деталей в песчаных формах имеет существенные недостатки, а именно: форма изготовляется только на одну отливку, точность отливки недостаточна.
Для массового производства точных отливок успешно используют специальные виды литья, обеспечивающие повышенную точность, а в ряде случаев не требующие последующей механической обработки. Имеется более чем 50 способов специальных видов литья, основными из которых являются: литье в металлические формы (кокильное литье), литье под давлением, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы (корковое литье) и др.
Литье в металлические формы обеспечивает многократную оборачиваемость форм (100...50 000 раз) и высокую производительность. Формы изготовляют из чугуна, стали и других сплавов. Металл заполняет формы под действием силы тяжести.
Литье под давлением, осуществляемое в металлических формах, чаще всего применяют для цветных металлов. Металл заполняет формы под давлением, создаваемым поршневой системой.
Центробежное литье, осуществляемое путем заливки жидкого металла во вращающуюся форму (250...1500 мин-1) с последующим охлаждением, чаще всего применяют для изделий, имеющих форму тел вращения (труб, втулок и т. п.). Особенностями этого метода являются большая плотность отливок и возможность получения тонких стенок.
Литье по выплавляемым моделям (прецизионное) рекомендуется производить при изготовлении мелких деталей сложной формы и с высокой степенью точности.
При корковом литье подогретая металлическая модель обсыпается специальной смесью песка и пульвербакелитовой смолы.

При спекании этой смеси на модели образуется корка прочностью до 7,5 МПа. Две приготовленные таким образом полуформы соединяются и образуют литейную форму для отливки изделия. Особенностями этого вида литья являются высокая точность и возможность автоматизации процесса отливки.

Штамповка металла

Штамповкой изготовляют значительное количество строительных конструкций. Это процесс деформации металла в штампах, при котором обеспечиваются однородность и точность ковочных поверхностей, не требующих дополнительной обработки. Различают объемную и листовую штамповку.
При объемной штамповке предварительно нагретую заготовку деформируют в замкнутой полости штампа на молотах, прессах или горизонтально-ковочных машинах.
Для строительных конструкций, толщина стенок которых мало отличается от толщины исходных заготовок, используют листовую штамповку, которая состоит в деформации в холодном состоянии листовой исходной заготовки в штампе, имеющем матрицы с прижимным кольцом и пуансон . Металл для штамповок должен обладать высокой пластичностью, чаще это малоуглеродистые или легированные стали. В отдельных случаях возможно совмещение штамповки и сварки, что обеспечивает возможность получения конструкций сложной формы.
Для облегчения массы конструкций и экономии металла производят тонкостенные штампованные строительные профили из специальной высокопластичной, антикоррозионной листовой стали толщиной 2...3 мм. В конструкциях эти профили сваривают точечной или электродуговой сваркой.

Разливка стали

Из сталеплавильных печей сталь выпускается в специальный ковш и в нем транспортируется к литейным формам или изложницам, в которых получают слитки для прокатки или изготовления крупных поковок. В нашей стране для улучшения свойств стали (уменьшение примесей О и N) начали применять при разливке вакуумирование.
В настоящее время вместо разливки стали в изложницы применяют непрерывный метод разливки стали, который является наиболее прогрессивным, так как устраняет усадочные раковины, снижает отходы, значительно повышает производительность труда и обеспечивает получение плотных мелкозернистых отливок. Принцип непрерывной разливки стали - струя расплавленного металла поступает в кристаллизатор, представляющий собой изложницу со сквозной литейной полостью, охлаждаемой водой. После затвердевания слиток на специальном поддоне вытягивается вниз, где разрезается на нужные размеры. Начинает развиваться также и горизонтальный метод непрерывной разливки стали.

Производство стали в электрических печах

Производство стали в электрических печах — наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 270 т.
При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. В состав шихты вводят флюсы и легирующие добавки. Источником теплоты является электродуга, образующаяся между вертикально установленными угольными электродами и расплавленным металлом. Особенности производства стали в электропечах: восстановительная атмосфера, что способствует значительному сокращению угара стали и уменьшению расхода легирующих добавок; возможность достижения более высокой температуры, позволяющей получать специальные легированные стали; точное регулирование химического состава стали; более полно удаляются вредные примеси фосфора и серы.

Применение электропечей пока ограничено достаточно высокой стоимостью электроэнергии.
Начинают развиваться комбинированные способы производства стали с использованием последовательной выплавки стали в кислородных конверторах, а затем в основных мартеновских печах, где окончательно формируется сталь заданного химического состава. Для уменьшения расхода электроэнергии вначале используют для нагрева и расплавления мартеновскую печь, а для окончательной доводки стали до заданных свойств — электропечь.
Перспективным видом производства является процесс получения губчатого железа непосредственно из руд путем продувки их водородом или смесью водорода с оксидом углерода под давлением до 3 МПа с последующим отделением железа от пустой породы магнитной сепарацией. На основе этой технологии на базе руд Курской магнитной аномалии строится большой металлургический комбинат.

Конверторный способ получения стали

Конверторный способ получения стали позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 % металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3...0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне.
Особенностями конверторного способа производства стали являются: быстрота процесса, применение чугунов с минимальным содержанием фосфора и серы, трудность управления процессом, так как продолжительность плавки не превышает 15...25 мин, большой угар металла, повышенное содержание азота.
Производство стали в конверторах постепенно вытесняет ее в мартеновских печах. Емкость современных конверторов достигает 600 т. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как дополнительное использование кислорода обеспечивает   резкое   повышение   производительности   (на 25...30%), а также уменьшение содержания вредных примесей в стали, особенно азота, и увеличивает стойкость футеровки. Себестоимость конверторной стали на 3...5 % ниже мартеновской, а производительность труда
на 40 %  выше. Недостатки   способа:   повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

Выплавка стали в мартеновских печах

В мартеновских печах помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного) и подогретый воздух, обеспечивающий температуру 1800...2000 °С. Производительность печи за одну плавку (8...12 ч) до 900 т. В мартеновских печах может быть произведена переплавка металлического лома (до 60...70 %), возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали.
Для интенсификации производства стали в мартеновских печах широко применяют кислород, что обеспечивает повышение производительности печей на 25...30 %• Большую экономию топлива дает использование теплоты остывающих мартеновских печей, для чего используют принцип работы двухванных печей, при котором теплота от одной остывающей ванны направляется в соседнюю, а затем происходит изменение направления потока, теплоты.

Общие сведения о производстве стали

Сталью называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2 %. При производстве стали происходит снижение содержания углерода и примесей, присутствующих в чугуне (Мп, Si, S, Р и др.), за счет окисления кислородом воздуха и кислородом, содержащимся в руде. Снижению содержания углерода и примесей способствует закись железа FeO, которая образуется в начале плавки. Так как излишняя закись железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкой стали путем введения ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия).
Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.
В зависимости от степени законченности раскисления различают спокойную сталь (сп), т.е. наиболее раскисленную. Такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение, более качественная и дорогая; кипящую сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, в ней имеются пузырьки газа СО, которые остаются в прокате. Кипящая сталь сваривается, удовлетворительно обрабатывается, но при температуре —10 °С проявляет хрупкость. Кипящая сталь дешевле спокойной. Полуспокойная сталь  (пс) по свойствам занимает   промежуточное   положение   между  (сп) и (кп).
Выплавку   стали   осуществляют в мартеновских печах, в конвертерах и электропечах.



© 2018 Строительные материалы .ру