Основные конструкционные материалы, их свойства и области применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Раздел 1. Основные конструкционные материалы, их свойства и области применения

1. Классификация конструкционных материалов, области их применения. Основные механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов.

Металлические материалы. К ним относятся все металлы и их сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам: 1. Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе - стали и чугуны; 2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.; 3. Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина; 4. Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.

Неметаллические материалы. Среди них также можно выделить несколько групп: 1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений - полимеров, как правило, с наполнителями; 2. Керамические материалы (керамика). Основой этих материалов являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.; 3. Металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как пластичность и вязкость; 4. Стекло. Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO2; 5. Резина. Это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавлением серы и других элементов; 6. Дерево. Сложная органическая ткань древесных растений. магний сплав алюминий металл

Композиционные материалы. Они представляют собой композиции, полученные искусственным путем из двух и более разнородных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате композиция существенно отличается по свойствам от составляющих компонентов, т.е. получаемый материал имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов могут входить как металлические, так и неметаллические составляющие.

Из металла делают каркасы зданий, возводят мосты, устраивают инженерную инфраструктуру, строят башни телевизионных антенн, подъемные краны, создают вертикальный лифтовой транспорт зданий и многое другое.

Детали из пластмасс гигиеничны, имеют хороший внешний вид, гладкую поверхность различных цветов, допускают декоративные покрытия. Важными преимуществами по сравнению с металлами являются легкость формообразования, отсутствие коррозии и меньшая стоимость (в среднем втрое).

Широко используется дерево как конструкционный материал и сегодня. Но область его применения сузилась, в основном оно используется для строительства частных домов - коттеджей.

Для возведения стен широко используются керамический и силикатный кирпич и камни.

Наряду с кирпичом керамическим обыкновенным в группу стеновых керамических материалов входят различные виды более эффективных керамических материалов (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни), а также крупноразмерные стеновые кирпичные блоки и панели заводского изготовления.

Силикатный кирпич, силикатные камни, в том числе пустотные, газосиликатные стеновые блоки, являются наиболее близкими функциональными аналогами керамических стеновых материалов: керамического кирпича, камня, крупноформатного блока.

Бетон широко применяют во всех странах для возведения различных конструкций, начиная от жилых зданий заканчивая огромными развлекательными комплексами. По уровню технических и экономических показателей бетон и железобетон по-прежнему остаются основными конструкционными материалами, занимая приоритетные места в общей структуре мирового производства строительной продукции.

Существуют следующие свойства металлов: физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные.

Физические свойства: к ним относятся цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства.

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислоты, щелочи и т.д. (т.н. химическая активность металлов).

Технологические свойства - эти свойства характеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. К ним относятся: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства (жидкотекучесть, ликвация, усадка).

Эксплуатационные свойства - эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины. Одним из главных является износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу. Сюда же относится: хладостойкость, антифрикционность, жаропрочность, жаростойкость и др.

Механические свойства - они характеризуются способностью металла сопротивляться воздействию внешних сил. К основным механическим свойствам металлов относят прочность, твердость, упругость, пластичность, ударную вязкость. Прочность - способность металла сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. Большое значение имеет удельная прочность, ее находят отношением предела прочности к плотности металла. Для стали прочность выше, чем для алюминия, а удельная прочность ниже. Твердость - это способность металла сопротивляться поверхностной деформации под действием более твердого тела. Упругость - способность металла возвращаться к первоначальной форме после прекращения действия сил. Пластичность - свойство металла изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом. Ударная вязкость - способность металла сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки. Кроме указанных механических свойств можно назвать усталость (выносливость), ползучесть и др. Характеристики прочности и пластичности металлов обычно определяют при испытаниях на статическое растяжение. При этом испытуемый образец закрепляют в захватах разрывной машины и деформируют при плавно возрастающей (статической) нагрузке.

2. Чугуны. Классификация, маркировка, области применения

Чугун - сплав железа с углеродом, с содержанием C от 2,14% до 6,67%, остальное железо. Чугуны используются для производства сталей, а также изготовления деталей и изделий методом литья. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности и износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. В зависимости от того, в какой форме присутствует C в этих сплавах, различают: белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe3 C). Применяется ограниченно для изготовления прокатных валков, тормозных колодок, вагонных колес, рам и других деталей, работающих в условиях износа.

Серыми называют чугуны, у которых весь углерод или часть его присутствует в свободном состоянии в форме графита. В зависимости от формы графита различают просто серый углерод (графит пластинчатой формы), высокопрочный чугун (графит сферической формы) и ковкий (хлопьевидной формы) - просто серый чугун маркируется буквами CЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2. Применяются для изготовления корпусов редукторов, картеров двигателей, поршней цилиндров, станин станков, зубчатых колес, гильз двигателей.

Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ и двузначным числом. Показывающим минимальное значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2. Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечнопрессовое оборудование, коленчатые валы и другие детали, работающие при высоких циклических нагрузках в условиях изнашивания.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и двумя числами, первое из которых минимальный предел прочности при растяжении, а второе относительное удлинение в %. Из ковкого чугуна изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки, в том числе клапаны, муфты, колен валы и др.



3. Стали. Классификация по способу производства, качеству. Их маркировка, области применения

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конверторным способом.

По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества, (массовое содержание серы и фосфора не более 0,045% каждого). Стали обыкновенного качества подразделяются на спокойные (полностью раскисленные), кипящие (не полностью раскисленные) и полуспокойные (занимающие промежуточное положение). Согласно ГОСТу, эти стали обозначаются буквами СП, ПС, КП. Потребителю с металлургических заводов сталь обыкновенного качества предлагается в виде проката: металлоконструкции балки, металлические прутки, стальные ленты, профилированные листы, металлоконструкции уголки, трубы, швеллеры и т.д.

качественную (не более 0,035% каждого) БСт3, используют для изготовления деталей машин и механизмов, деталей кузовов автомобилей, шестерней, валов, осей, пружин высококачественную (не более 0,025% каждого) ВСт3сп, такие стали используются в особо ответственных узлах, а стоимость их в несколько раз выше, чем обычных.

особовысококачественную (не более 0,015% S и 0,025% Р), получаемую при рафинирующих переплавах, 30ХГС-Ш, применяют такие легированные стали в уникальных случаях -- в деталях атомных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической отрасли и некоторых других.

Качественные, высококачественные и особовысококачественные стали маркируют следующим образом. Содержание углерода указывают в начале марки цифрой, соответствующей его содержанию в сотых долях процента, и в десятых долях % для сталей, имеющих более 0,7% С (инструментальные стали). Например, Сталь 10 (0,1% С), Сталь 50 (0,5% С), У10 (У - означает, что инструментальная, 1% С).

4. Стали. Классификация по химическому составу, назначению. Их маркировка, области применения

По химическому составу классификацию проводят, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:

Содержание углерода не влияет на степень легирования. Если доля Mn превышает 1%, а Si- 0,9%, они также признаются легирующими добавками

Содержание углерода указывают в начале марки цифрой, соответствующей его содержанию в сотых долях процента, и в десятых долях % для сталей, имеющих более 0,7% С (инструментальные стали). Например, Сталь 10 (0,1% С), Сталь 50 (0,5% С), У10 (У - означает, что инструментальная, 1% С).

Легирующие элементы обозначаются русскими буквами, например Н - никель; Г - марганец; Х - хром; и т.д. Если после буквы нет цифры, то сталь содержит около 1% легирующего элемента, если стоит цифра, то она указывает содержание легирующего элемента в процентах.

Низколегированные стали благодаря повышенным прочностным характеристикам позволяют существенно экономить денежные средства при строительстве крупногабаритных сооружений и машин. Например, в судостроительстве благодаря использованию материала удаётся уменьшить толщину применяемого металла.

Легированные стали с добавками хрома широко используются для производства изделий, которые устойчивы к воздействия молочной и уксусной кислоты, а также следующих деталей работающих под значительным давлением:

1. Поршневые пальцы, карданные крестовины и другие изделия предназначенные для эксплуатации в условиях повышенного износа.

2. Кулачковые муфты, плунжеры и шлицевые валики.

3. Шестерни коробок передач и червячные валы, а также другие изделия для работы на малых и средних скоростях.



Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. д. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие -- только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.

По химическим свойствам конструкционные стали подразделяются на коррозионно-стойкие, кислотостойкие, окалиностойкие и др. В зависимости от химической стойкости эти группы сталей выпускаются конструкционные и специального назначения.

К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок Ст0, Ст1 и т. д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т. д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).

Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К инструментальным углеродистым и легированным сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемости, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.

Специальные легированные стали и сплавы -- это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие стали и др. Эту группу составляют высоколегированные стали и сплавы, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и др. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионностойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие -- в зависимости от требуемой температуры -- 9 … 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).

5. Алюминий и его сплавы. Классификация, маркировка, области применения

Алюминий - легкий металл (p=2,7 г/см 3), обладает высокими теплопроводностью и электропроводностью. Температура плавления - 6600 C. Окисляется и пленка окислов - 0,2 мкм, препятствует дальнейшему окислению. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные.

К деформируемым, упрочняемым термической обработкой относят дуралюмины, содержащие Cu, Mg, Mn (Д1, Д16 и др.), авиали, содержащие Mg, Si (АВ2 и др.); высокопрочные алюминиевые сплавы, содержащие Cu, Mg, Mn, Zn (В93, В95 и др.); ковочные алюминиевые сплавы, содержащие Cu, Mg, Mn, Si; (АК4, АК6), а также жаропрочные алюминиевые сплавы, в которые в качестве добавок вводят Fe, N, Ti, Zn. Эти сплавы хорошо отрабатываются ковкой штамповкой, прокаткой и используются в машиностроении, самолетостроении, транспортном и пищевом машиностроении.

К деформируемым не упрочняемым термической обработкой относят сплавы типа АМг и АМц сплавы Al с Mg и Al с Mn. Эти сплавы обрабатываются давлением, свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость и применяются для строительных конструкций, изготовления топливных баков, трубопроводов и т.д.

Литейные алюминиевые сплавы имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть, малую усадку при затвердевании, высокие механические свойства, хорошую обрабатываемость резанием. Наибольшие применение имеют силумины - сплав Al с Si и добавками Cu, Mn, Mg. Силумины используют для изготовления блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпусов компрессоров и т.д. Литейные алюминиевые сплавы маркируют буквами АЛ, а цифра, как и у всех алюминиевых сплавов порядковый номер в ГОСТе (АЛ5).

Алюминий также применяют для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых методом порошковой металлургии (прессование и последующие спекание) изготовляют детали машин.

6. Магний и его сплавы. Классификация, маркировка, области применения

Магний - металл светло-серого цвета с температурой плавления 650^оС, имеет плотность 1,74 г/см³, легко воспламеняется на воздухе.

Технический магний выпускается трех марок: МГ90, МГ95 и МГ96, содержащих 99,90, 99,95 и 99,96 % Мg, соответственно; обладает низкими механическими свойствами и используется в основном в пиротехнике и химической промышленности.

Магниевые сплавы различаются технологией изготовления. В соответствии с этим, для всех составов с магнием принята следующая классификация:

литейные сплавы магния, которые отличаются высокими литейными свойствами;

деформируемые сплавы, легко поддающиеся механической обработке ковкой прессовкой

Химический состав добавок подобран таким образом, чтобы минимизировать последующую обработку литейных сплавов и увеличить способность к обработке у деформируемых.

Внутри каждой из групп материалы разделяются по своим свойствам, способу литья, методам обработки (прессование, ковка, штамповка и прокат).

Отечественная промышленность маркирует магниевые сплавы на основе двухбуквенной маркировки с дополнительными цифрами:

· литейные -- МЛ1 - МЛ20;

· деформируемые -- МА1 - МА19;

· жаропрочные магниевые сплавы ВМЛ1 - ВМЛ2.

Литейные сплавы производятся в большинстве на основе системы Mg - Al - Zn, которая представляет собой твердый раствор алюминия и цинка в магнии. Наилучшими литейными свойствами обладают такие виды растворов, как марки МЛ4 - МЛ6. Данные сплавы обладают высокой текучестью, малой усадкой и не склонны к образованию раковин. Такие характеристики позволяют применять указанные марки при точном литье заготовок любых форм и габаритов.

Жаропрочные сплавы, к которым относятся также марки МЛ9 - МЛ14, способны длительное время выдерживать температуру до 350 ?С и кратковременно до 400 ?С. В основе состава система Mg - Zn с добавкой циркония. Кроме жаропрочности, данные сплавы хорошо выдерживают статические и усталостные нагрузки.

Деформированные сплавы производят на основе систем Mg - Al, Mg - Zn, Mg - Mn. Алюминий и цинк способствуют повышению пластичности и позволяют производить с отливками такие действия давлением, как ковка, прессовка, штамповка, а также холодная и горячая прокатка.

Как и литейные, деформируемые дополнительно легируют редкоземельными металлами, однако здесь нашли также и другие материалы. К ним можно отнести кадмий и серебро, которые повышают прочность при одновременном увеличении пластичности.

Марки МА11 -- МА12 деформируемых магниевых сплавов относятся к жаростойким материалам, как и аналогичные литейные.

Сплавы МА14 и МА19 характерны тем, что не допускают применение сварки при дальнейшем применении, в отличие от большинства остальных составов.

Применение магниевых сплавов в промышленности и технике связано с высокими техническими характеристиками в качестве замены стальных и алюминиевых деталей с учетом требуемых механических свойств.

Наиболее широкое использование магниевые сплавы получили в авиации, в основном, благодаря легкости (на 20-30% легче алюминия) и высокой прочности. Магний используется для изготовления деталей шасси - стоек, дисков колес, а также различных конструктивных элементов конструкции. Корпуса приборов и механизмов также выполнены из данного материала.

Немалая доля конструкционных материалов из сплавов магния используется в автомобильной промышленности. В основном это детали двигателя (картер, поддон), трансмиссии и иные конструктивные элементы.

Из магния изготавливают диски колес. И, хотя они имеют значительно более высокую стоимость, чем традиционные, выигрыш от уменьшения неподрессоренной массе ходовой части автомобиля заметно улучшает динамический характеристики, облегчает работу подвески, делая вождение автомобиля комфортнее и безопаснее.

7. Медь и её сплавы. Классификация, маркировка, области применения

Технически чистая медь обладает высокой пластичностью, коррозийной стойкостью, электро и теплопроводностью. Плотность 8,97 г/см3, Тпл-10830С. Около 50 % всей меди применяют в электропромышленности в качестве линий электропередач и контактов.

Медные сплавы подразделяют на бронзы и латуни.

Латунями называют сплавы меди с цинком (до 50%) с небольшими добавками других легирующих элементов. Латуни применяют для изготовления машин обработкой давлением, резанием, литьем (радиаторные трубки, детали приборов, корпуса сварочных горелок). Маркируется буквой Л и последующим числом, показывающим содержание меди в %. При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы легирующих элементов (ЛО-62-2).

Бронзы - сплавы с другими элементами название бронз дают по основным легирующим элементам: оловянистые, свинцовистые, берилевые и т.д. Бронзы применяют для изготовления подшипников скольжения, корпусов вентилей, клапанов, золотников; штамповкой, литьем, ковкой, обработкой резанием, Бронзы маркируются буквами Бр, за которыми следуют буквы и цифры, легирующих элементов в % (Бр05Ц5С5).

Сплавы меди с Ni называют: мельхиоры, куниали, нейзильберы.

8. Титан и его сплавы. Классификация, маркировка, области применения

Титан относится к группе тугоплавких, легких металлов. Тпл-1668 0С, плотность-4,5 г/см3. Чем выше содержание примесей в Ti, тем выше его прочность и ниже пластичность. Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но обработка резанием затруднена. Для получения сплавов с заданными механическими свойствами титан легируют Al, Mn, V, Мо и др. Сплавы титана маркируют буквами ВТ, ОТ, ПТ а цифра показывает порядковый номер в ГОСТе (ВТ1, ОТ4, ПТ17). Из титановых сплавов делают обшивку фюзеляжей, крыльев сверхзвуковых самолетов, корпусные детали подводных лодок, лонжероны и др. детали.



Раздел 2. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

1. Структура металлургического производства. Основная продукция металлургического производства

В схему современного металлургического производства входят:

- шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

- горно-обогатительные комбинаты, где подготавливают руды к плавке, т.е. обогащают их;

- коксохимические заводы или цехи, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов;

- энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, а также очистки газов металлургических производств;

- доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;

- заводы для производства ферросплавов;

- сталеплавильные заводы и цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали;

- прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в заготовки - листы, прутки, трубы, балки, рельсы и т.д.

Основной продукцией черной металлургии являются:

- чугуны: передельный, используемый для производства стали; литейный, используемый для производства фасонных отливок;

- железорудные металлизованные окатыши, используемые для выплавки стали;

- ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.), используемые для производства сталей, а также входящие в состав покрытия электродов для ручной дуговой сварки и флюсов для полуавтоматической и автоматической сварки как шлакообразующие и легирующие компоненты;

- стальные слитки для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков), а также листов, труб и т.д.;

- кузнечные слитки, используемые для производства крупных кованых заготовок деталей машин (валов, роторов, турбин, дисков и т.д.) называемых поковками.

Основная продукция цветной металлургии:

- слитки для изготовления заготовок на машиностроительных заводах;

- лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

- слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники и других специальных отраслей машиностроения.

Для получения металлов применяют пирометаллургический, электрометаллургический, гидрометаллургический, химикометаллургический и другие способы.

Пирометаллургический способ получения металлов, основан на том, что необходимое для осуществления выплавки металла тепло обеспечивается сжиганием топлива. Этот способ является основным для получения железа и его сплавов, меди и других металлов.

Электрометаллургический способ получения металлов осуществляется в дуговых, индукционных электрических печах или электролизом из расплавов и водных растворов химических соединений (например, получение алюминия из глинозема Al2O3).

Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании металлов из руд различными растворителями и в последующем выделении их из раствора. Выщелачивание может осуществляться как на поверхности земли, так и под землей, с помощью системы скважин (это способ получения меди, цинка, платины, золота и др).

Химико-металлургический способ объединяет химические и пирометаллургические процессы, например, титан получают путем восстановления тетрахлорида TiCl4 магнием и последующей плавкой в электродуговых печах.

2. Материалы для производства металлов и сплавов (руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы)

Рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Руда состоит из минералов, содержащих металл и его соединения, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси.

Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в ее состав, например: железные, медно-никелевые и др. В зависимости от содержания добываемого металла, руды бывают богатые и бедные. Богатые руды содержат 45-50 % металла и более. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) специально обрабатывают - обогащают. Обогащение состоит в удалении из руды части пустой породы, в результате получают концентрат - продукт с повышенным содержанием металла. Отделенную от руды пустую породу называют «хвостами».

Флюсом называется материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды, вредными примесями и золой топлива.

В качестве флюса в доменном процессе используют известняк CaCO3 и доломитизированный известняк CaCO3 + MgCO3. В сталеплавильном производстве, флюсами называют материалы, которые вводят в состав шихты для формирования в сталеплавильных агрегатах шлаков, обладающих необходимым комплексом физических и технологических свойств. В составе флюсов в основных сталеплавильных агрегатах чаще других применяются: известняк, боксит, плавиковый шпат и др.

Прореагировавший флюс называют шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем выплавляемый металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2, P2O5) и основным, если в его составе преобладают основные оксиды (CaO, MgO, FeO и т.д.).

В металлургии используется твердое, жидкое и газообразное топливо. Основным видом твердого топлива является кокс. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при 1000 оС без доступа воздуха каменного угля. В качестве жидкого топлива используют мазут (продукт перегонки нефти). Газообразным топливом является природный газ. Основные характеристики топлива: теплотворная способность (кокс - 6500-7500 Ккал/кг; мазут - 9500 - 10500 Ккал/кг; природный газ - около 8000 Ккал/кг); воспламеняемость; зольность (желательно, чтобы топливо, сгорая, не оставляло золы); содержание серы (серы должно быть минимально, т.к. сера является вредной примесью и ухудшает свойства сплава).

Для изготовления внутренней футеровки (облицовки) металлургических печей и ковшей, контактирующих с расплавленным металлом, используют огнеупорные материалы. Огнеупорные материалы применяют в виде кирпичей разных размеров и форм, а также порошков и растворов, необходимых для заполнения швов между кирпичами при кладке печей. По химическим свойствам огнеупорные материалы подразделяют: на кислые (динас) - содержат большое количество SiO2; основные (магнезит, доломит) - CaO, MgO; нейтральные (хромомагнезит, шамот) - Al2O3, Cr2O3. При выплавке в печах с кислой футеровкой, в качестве флюса, используют кварцевый песок, который дает кислый шлак, а в печах с основной футеровкой - известняк (CaCO3) или доломитизированный известняк (CaCO3+ MgCO3), которые дают основные шлаки. Если состав футеровки печи и образующегося шлака разный может произойти разрушение футеровки. Огнеупорные материалы должны выдерживать нагрузки при высоких температурах, а также химическое воздействие шлака и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения при воздействии высоких температур. Химическая стойкость огнеупорных материалов определяется способностью их противостоять разъедающему действию соприкасающихся с ними материалов, главным образом шлаков.

Огнеупорность материала определяют стандартным методом: образец (обычно в виде усеченной трехгранной пирамидки) помещают в печь. По мере нагрева образец постепенно начинает деформироваться (без нагрузки, под действием собственной тяжести) и при определенной температуре (названа температурой огнеупорности) склоненная вершина образца касается основания печи. В зависимости от температуры огнеупорности изделия называют огнеупорными (1580-1770 оС), высокоогнеупорными (1770-2000 оС), высшей огнеупорности (>2000 °С).

Примерами наиболее часто применяемых огнеупоров являются:

- кварцевый песок: из него изготовляют, так называемый, динасовый кирпич. Содержит 93-95 % SiO2. Огнеупорность 1690-1720 оС. Применяют для футеровки мартеновских и электросталеплавильных печей;

- магнезитовый металлургический порошок: из него изготовляют магнезитовый кирпич 86-90 % MgO. Огнеупорность 2000 оС. Применяется для тех же целей;

- шамот: шамотный кирпич 50-60 % SiO2 и 30-42 % Al2O3. Огнеупорность 1580-1790 оС. Применяют для футеровки доменных печей, воздухонагревателей, разливочных ковшей.

Сталеплавильное производство потребляет также некоторое количество относительно дорогих, но обладающих особыми свойствами огнеупорных материалов на основе циркона ZrO2, карборунда SiC, глинозема (корунда), карбидов циркония, нитрита бора и др. Их используют в тех случаях, когда требуется особая стойкость (например, при изготовлении сталеразливочных стаканов, труб для транспортировки жидкого металла, при обработке вакуумом и др.).



3. Производство чугуна. Исходное сырье. Сущность процесса. Применяемое оборудование. Продукция доменного производства

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.

Исходными материалами доменной плавки являются железные руды, топливо (кокс) и флюс (известняк). Железная руда - это горная порода, содержащая железо в количестве, выгодном для переработки. Железо в рудах находится в виде оксидов (Fe2О3, Fе304, FeCO2 и др.). В составе руды имеется пустая порода (глина, песок), содержится фосфор.

По типу рудного минерала железные руды разделяют на:

- красный железняк (гематит) - содержит 55-60 % железа в основном в виде Fe2O3 (безводная окись железа), наиболее распространен в мире;

- магнитный железняк (магнетит) - содержит до 65 % Fe в основном в виде Fe3O4 (закись железа). Это наиболее богатые железные руды, обладают хорошо выраженными магнитными свойствами, но восстанавливаются труднее других руд, т.к являются плотными горными породами;

- бурый железняк (лимонит) - содержит гидраты оксидов железа (2Fe2O3 • 3H2O) и (Fe2O3 • H2O) c содержанием железа 37-55 %. Гидратная влага, легко удаляется при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению;

- марганцевая руда - применяется для выплавки ферросплавов с 10-82 % Mn, а также передельных чугунов, содержащих до 1% Mn. В рудах содержится не более 22 - 45 % Mn;

- шпатовый железняк (сидерит) - содержит железо (30 - 40 %) в виде карбоната FeСO3.

В состав пустой породы входят SiO2, Al2O3, MgO.

Руда, используемая для плавки в доменных печах, должна удовлетворять следующим основным требованиям: содержать максимальное количество железа; содержать минимальное количество вредных примесей S и P; легко восстанавливаться; иметь достаточную пористость; иметь надлежащий химический состав пустой породы; легко обогащаться.

Первое требование очевидно, так как увеличение количества руды, загружаемой в доменную печь, повышает стоимость чугуна. Второе требование вызывается тем, что сера и фосфор отрицательно влияют на качество чугуна: сера сообщает ему красноломкость, а фосфор - хладноломкость.

Сера попадает в чугун, а затем в сталь. В доменную печь сера может попадать с разными материалами. В руде и флюсе она находится в виде пирита (FeS2), иногда в виде сульфатов (CaSO4, BaSO4 и др.). В коксе сера присутствует в свободном состоянии в твердых растворах с углеродистой массой. Сера нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe - FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 оС. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается. Это явление называется красноломкостью. Сера является вредной примесью и ее содержание строго ограничивают.

Руды, из которых выплавляется чугун, являются основным источником фосфора. Фосфор является вредной примесью. Фосфор снижает вязкость при пониженных температурах, т.е. вызывает хладноломкость. Обычно фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Восстановимость руды определяется количеством тепла, необходимого для восстановления из нее железа, а это зависит от природы оксидов железа, входящих в руду. Чем плотнее руда и менее пориста, тем труднее она восстановима.

Пористость руды уменьшает расход топлива, так как при наличии каналов внутри руды газы приходят в соприкосновение с большей площадью поверхности, и процесс восстановления протекает быстрее. Пористость таких руд, как бурый и шпатовый железняк, значительно возрастает при нагреве. Образование каналов связано с удалением гидратной влаги и образующегося углекислого газа.

Химический состав пустой породы может в сильной степени влиять на условия ее расплавления. Так, пустая порода известкового состава требует для расплавления меньше топлива, чем пустая порода кремнистого состав. При большом содержании кремнезема для получения легкоплавкого шлака необходимо увеличить в шихте содержание известняка. Это приводит к повышенному выходу шлака, увеличению расхода кокса и снижению производительности печи. Оптимальным составом пустой породы является такой, при котором содержание кислых и основных оксидов одинаково. Обогатимость железной руды определяется возможностью и трудоемкостью повышения содержания в ней железа. Современные способы обогащения позволяют получать рудный концентрат с содержанием железа 64 - 70 %.

Твердое топливо (кокс) - это основное топливо в доменной печи и основной источник серы (0,5 - 2 %). Оно должно быть кусковатым и достаточно пористым, чтобы обеспечить хорошее проникновение воздуха и газа через столб плавильных материалов, а также обладать достаточной прочностью и сопротивлением к истиранию. Теплотворная способность кокса 6700 - 8000 Ккал/кг, температура воспламенения 700 оС. Кокс способен выдержать в доменной печи, не разрушаясь, давление столба вышележащих слоев руды, топлива и флюсов высотой до 31 м. Пористость кокса составляет 50 %. Зола и сера являются нежелательными примесями в коксе. Зола уменьшает содержание углерода, увеличивает количество известняка и шлака и уменьшает прочность кокса. Зольность кокса достигает 15 %. Крупность кусков кокса должна быть не меньше чем 25 мм. В целях экономии часть кокса заменяют природным газом.

Флюс (известняк) применяется для перевода в шлак пустой породы, вредных примесей, а также для удаления золы и серы.

Для повышения производительности печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна руду подвергают специальной подготовке. Цель подготовки состоит в увеличении содержания железа в шихте и уменьшения в ней вредных примесей - серы и фосфора, повышения ее однородности по кусковатости и химическому составу.

Продуктами доменной плавки являются:

1) передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90 % общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8-4,4 % углерода, 0,3-1,2 % кремния, 0,2-1,0 % марганца, 0,15-0,20 % фосфора, 0,03-0,07 % серы;

2) литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок. Литейный чугун мягок, серого цвета. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии в виде графита. В связи с тем, что кремний способствует выделению углерода в виде графита, в литейном чугуне содержание Si доходит до 3,7 %, количество марганца, способствующего выделению углерода в виде цементита Fe3C, допускается до 1,3 %;

3) ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Ферромарганец и ферросилиций используют для раскисления и легирования стали;

4) побочные продукты доменной плавки - шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, брусчатку (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды). Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.



4. Производство стали. Исходное сырье. Сущность процесса. Металлургические агрегаты для производства стали

Сталью принято называть сплав железа с углеродом, с содержание углерода до 2,14 %.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Основные исходные материалы, необходимые для выплавки называют металлошихтой. Основными источниками стального лома являются отходы различных производств, при этом различают: лом, образующийся на металлургических заводах (оборотный лом); лом, образующийся на заводах, потребляющих металлопрокат и другую металлургическую продукцию при изготовлении своей продукции (это стружка, обрезь металла и т. п.); амортизационный лом (отслужившие свой срок станки, машины, рельсы, предметы быта из черных металлов и т. п.).

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

Ведущую роль в сталеплавильном процессе играет кислород, а реакция окисления углерода является основной реакцией при производстве стали.

Кислородно-конвертерный процесс - выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму (получил название ЛД-процесс). В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы, футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома, шлакообразующих элементов и слива шлака. В конфигурации кожуха и внутреннего рабочего объема конвертера можно выделить три части: суживающуюся верхнюю часть (горловину), цилиндрическую часть и днище.

Вместимость конвертера - 130-350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360o для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Производство стали в электропечах имеет следующие преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) позволяет легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) дает возможность получать высокую температуру металла,

в) появляется возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Плавильные электропечи, по принципу действия, различают на дуговые и индукционные.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержанием углерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

Дуговые печи наиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.). Принцип действия индукционной печи заключается в том, что под действием переменного тока, подводимого к первичной катушке (индуктору) , во вторичном кольце (расплавляемый металл, находящийся в тигле индуктируется ток, энергия которого создает высокую температуру. Благодаря этому шихта расплавляется быстро и процесс плавки ускоряется.

5. Разливка металла. Способы разливки, их достоинства и недостатки

Из плавильных печей сталь выпускают в сталеразливочный ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Ковши для разливки стали чаще всего делаются стопорными. Сталь разливается через отверстие в огнеупорном стакане, вставленном в днище ковша. Выпуск стали приостанавливается стопором, который представляет собой стальной стержень, защищенный от действия металла и шлака огнеупорными трубками с укрепленной снизу специальной пробкой, закрывающей отверстие в стакане, предназначенном для выпуска стали. Пробки и стаканы изготавливаются из шамота, графита и магнезита. Стопор соединен с рычажным механизмом, служащим для поднятия и опускания его при открытии и закрытии отверстия во время разливки стали. Кожух ковша изготавливается из стали. По окружности ковш опоясывается стальным кольцом с цапфами, служащими для захвата крюками мостового разливочного крана. Футеруют ковш шамотным кирпичом. Перед заполнением жидким металлом ковши сушат и нагревают до 700 - 800 0С.

Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок непрерывной разливки стали (УНРС). В изложницах или кристаллизаторах УНРС сталь затвердевает, и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша. Перед заливкой стенки изложниц очищают металлическими щетками и скребками, подогревают до температуры 80 - 100 оС и смазывают смазкой, содержащей каменноугольную смолу или графит. Разливочный ковш транспортируется мостовым краном к подготовленным под заливку изложницам и устанавливается над каждой из них. Изложницы, открытые снизу, устанавливаются перед заливкой на толстые чугунные плиты - поддоны и по периметру обмазываются огнеупорным материалом. После установки разливочного ковша над изложницей открывается стопорное устройство ковша, и струя жидкого металла заполняет изложницу. Сталь падает с большой высоты, брызги металла застывают на стенках изложницы образуя окисные плены, которые ухудшают поверхность слитка. Окисные плены не свариваются с телом слитка даже при прокатке, поэтому необходимо зачищать поверхность заготовки для улучшения ее качества, что является трудоемкой операцией. При данном способе разливки отсутствует расход металла на литниковую систему, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы. Данный способ разливки является основным при производстве крупных кузнечных слитков.

При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (2 - 40). Изложницы устанавливаются на поддоне, в центре которого располагается центровой литник, футерованный огнеупорными трубкам, соединённый каналами с изложницами. Жидкая сталь из ковша поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу. Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно, сокращается продолжительность разливки. Однако при сифонной разливке повышается трудоемкость подготовки оснастки и изложниц, увеличивается расход огнеупоров, появляется необходимость расхода металла на литники (до 1,5 % от массы разливаемой стали), увеличивается перегрев металла, перед разливкой, до более высокой температуры, так как при течении металла по каналам литниковой системы металл охлаждается. Кроме того, размывание металлом огнеупоров центрального литника и каналов сифонных кирпичей приводит к образованию большего количества неметаллических включений в теле слитка, чем при разливке сверху. Однако, оценивая сравнительную экономичность обоих способов, следует иметь в виду, что дополнительные затраты на сифонную разливку полностью окупаются уменьшением стоимости зачистки поверхности слитков от окисных плен. Способ используют для получения слитков из легированных и высоколегированных, используемых в прокатном производстве.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна - кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток.

Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку - стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тянущих роликов, постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тянущих роликов, затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из фурм. Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газокислородным резаком, на куски заданной длины. Установки непрерывной разливки стали могут иметь один, два, три, четыре и более кристаллизаторов.

Вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке в слитках непрерывной разливки отсутствуют усадочные раковины, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, достаточно хорошую поверхность. Непрерывная разливка стали позволяет получать полупродукт прокатки: блюм (заготовка квадратного сечения 150х150 … 400х400 мм) - используется для получения сортового проката, сляб (заготовка прямоугольного сечения 150х500 … 300х2000 мм) - используется для получения листового проката и круглые заготовки, необходимые для производства прошивных труб. Выход годного металла может достигать 96 - 98 % от массы разливаемой стали.

Основным узлом установки УНРС является кристаллизатор. Его функция заключается в том, чтобы отвести тепло от расплавленного металла к охладителю и сформировать на поверхности образующейся заготовки надежную корку, выдерживающую давление металла после выхода заготовки из кристаллизатора. Материал кристаллизатора должен быть достаточно теплопроводным и жаропрочным, химически неактивным по отношению к расплаву, достаточно твердым и износостойким, выдерживать длительные термосмены в диапазоне рабочих температур разливки, обладать стабильностью свойств. В качестве материалов кристаллизаторов используют сплав меди с серебром, сплавы Cu+Cr, Cu+Zr, Cu+Cr+Zr и дисперсионно-твердеющие бронзы, такие как хромистая, бериллиевая, кобальтобериллиевая, хромоциркониевая.