Физико-химические процессы получения стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

ГККП Высшая техническая школа, города Кокшетау

РЕФЕРАТ

по предмету: Технологические процессы машиностроительного производства

на тему: Физико-химические процессы получения стали

Выполнила:

Шаймерденова Б.

Кокшетау, 2013 год

Производство стали.

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, с содержанием углерода до 2%. При производстве стали происходит снижение содержания углерода и примесей, присутствующих в чугуне (Mn, 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:

И далее:

Так как излишняя закись железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкой стали путем введения ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия) по следующим схемам:

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком. В зависимости от степени законченности раскисления различают спокойную сталь (си), 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.

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 двух ванных печей, при котором теплота от одной остывающей ванны направляется в соседнюю, а затем происходит изменение направления потока, теплоты.

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.

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 40% выше). Недостатки способа: повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов. 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 электрической плавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера.

Прокатка - самый распространенный вид горячей обработки стали, до 90% всей выплавляемой стали перерабатывают этим методом. При прокатке металл обжимают между двумя валиками прокатного стана, вращающимися в разные стороны, в результате происходит обжатие заготовки и увеличение ее длины и ширины. После такой обработки можно получить прокат различной формы и размеров. Если необходима значительная деформация сечения, то повторяют прокатку изделия до 10-15 раз, а во избежание холостых пробегов слитка применяют дополнительные валки, обеспечивающие прокатку и при обратном ходе слитка. Станы, в которых при обратном направлении движения валков заготовка движется в обратном направлении, называют реверсивными. Наиболее совершенными станами являются непрерывные, в которых рабочие клети с обжимными валками устанавливают последовательно одну за другой и прокатываемая полоса попадает из одной клети в другую.

На станах прокатывают также арматурную сталь, применяемую при производстве железобетона.

Волочением называют процесс протягивания прутка или проволоки через отверстие в волоке (матрице), размеры поперечного сечения которого меньше размеров исходной заготовки. Волочение проводят на волочильных станах для получения тонкой и тончайшей проволоки, калибрования прутков и труб круглого и фасонного сечения из стали и цветных металлов.

Прессование - процесс, в результате которого металл выдавливают через круглое или фасонное очко в матрице. Форма и размеры очка определяют форму и сечение прессуемого изделия - прутков, труб и фасонных профилей из цветных металлов и их сплавов, а также сталей. Прессование производят на гидравлических или механических прессах.

Ковка металла заключается в обжатии заготовки между верхним и нижним бойками, с применением разнообразного кузнечного инструмента.

Различают свободную ковку (металл течет в стороны) и ковку в штампах (металл принудительно должен заполнять полость штампа). При ковке происходит изменение микроструктуры металла с образованием измельченного зерна или волокнистой структуры. В строительстве ковку применяют для изготовления болтов, тяжей, анкеров, хомутов, скоб, башмаков, бугелей и т. п.

Путем ковки пневматическими клепальными молотками или машинами производят неразъемное соединение отдельных листов и фасонных профилей (клепка).

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 высоко пластичной, антикоррозионной листовой стали толщиной 2-3 мм. В конструкциях эти профили сваривают точечной или электродуговой сваркой. Литье широко применяют в производстве различного вида изделий или заготовок из металла. Литые детали изготовляют путем отливки расплавленного металла в формы. Примерно 4/s всех отливок получают в разовых песчаных формах и Vs - 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 (100-50000 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) 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 полу-формы соединяются и образуют литейную форму для отливки изделия. Особенностями этого вида литья являются высокая точность и возможность автоматизации процесса отливки. Основным сырьем для получения стали служат переделанный чугун, лом черных металлов и отходы производства. Существует несколько способов получения стали: конверторный, мартеновский и электрическая плавка.

Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлического приемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава. Марки конверторной стали обозначают начальными буквами Б и Т, что значит бессемеровская и томасовская сталь.

Мартеновский способ вызван к жизни необходимостью перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых материалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.

Плавка стали в электропечах дает возможность получать высококачественные стали. Сущность процесса заключается в очищении стали от шлаков и примесей в виде серы и фосфора.

Сера и фосфор в стали являются вредными примесями. Сера снижает литейные свойства, препятствует выходу газов из жидкой стали, вызывает ломкость. Фосфор снижает пластичность и вызывает хладноломкость (хрупкость) стали. Кремний повышает упругость и вязкость стали, марганец повышает износоустойчивость.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме углерода, содержат до 0,35% кремния, 0,8% марганца, 0,06% серы, 0,07% фосфора. Легированными называют такие стали, в состав которых специально введены легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт и др.) для сообщения стали требуемых свойств.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами. По способу выплавки различают сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Углеродистые стали обыкновенного качества содержат до 0,65-0,70% углерода и обозначаются буквами Ст и цифрой, которая является условным номером стали, например: Ст 2, Ст 3 и т. д.

Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода и тем она прочнее и тверже.

Качественные углеродистые стали обозначают только цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 15 содержится 0,15% углерода, в стали марки 20,-0,20% углерода.

Углеродистые инструментальные стали содержат от 0,65 до 1,35% углерода. Они более прочные, твердые, но менее вязкие.

Углеродистые инструментальные стали делятся на две группы: качественные и высококачественные. железоуглеродистый сплав металл

Углеродистые инструментальные качественные стали обозначают буквой «У» и цифрой, указывающей на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, в стали марки У8 содержится 0,8% углерода, а стали марки У13-1,3% углерода. В марке углеродистой инструментальной высококачественной стали ставят букву «А», например У9А, У13А.

Легированные стали обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за ними буквы русского алфавита указывают на легирующие элементы, входящие в состав данной стали. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: X - хром, Н - никель, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, К - кобальт, П - фосфор, Т - титан, Ф - ванадий, М - молибден, Ю - алюминий. Если легирующего элемента содержится меньше 1%, то цифра после буквы не ставится. Например, марка стали 12ХН3, в составе которой находится 0,12% углерода, около 1% хрома и 3% никеля. Если в конце марки стоит буква «А», то это значит, что сталь относится к группе высококачественных, содержащих минимальное количество вредных примесей - серы и фосфора. Высоколегированные стали с особыми свойствами выделены в отдельные группы и обозначаются буквой в начале марки, например: Ж - хромистые нержавеющие, Я - хромоникелевые нержавеющие, Р - быстрорежущие, Ш - шарикоподшипниковые, Е - магнитные. Так, марка ШХ15 обозначает хромистую шарикоподшипниковую сталь.

Размещено на Allbest.ru