Перспективы развития черной металлургии в СССР. Наклеп металла

Размещено на http://www.allbest.ru

Перспективы развития черной металлургии в СССР

Черная металлургия - это одна из важнейших базовых отраслей тяжелой индустрии. Её продукция служит основой развития машиностроения и металлообработки, строительства, а также находит широкое применение во многих других отраслях народного хозяйства. Система производств черных металлов охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива, вспомогательных материалов до выпуска проката с изделиями дальнейшего передела. В её состав входят: добыча, обогащение и агломерация железных, марганцевых и хромитовых руд; производство чугуна, доменных ферросплавов, стали и проката; производство электроферросплавов; вторичный передел черных металлов; коксование угля; производство огнеупоров; добыча вспомогательных материалов (флюсовых известняков, магнезита и др.); выпуск металлургических изделий производственного назначения.

Важнейшая роль в наращивании экономического потенциала нашей страны принадлежит черной металлургии, как одной из ведущих отраслей промышленности. Черная металлургия СССР занимает первое место в мире по объему производства чугуна, стали, готового проката, стальных труб, кокса, ферросплавов, железной, марганцевой и хромовой руд. Современная продукция черной металлургии -- это примерно 1900 марок стали и сплавов, 3500 профилеразмеров проката и тысячи других видов стальных и чугунных изделий.

Доля черных металлов в общем объеме потребления конструкционных материалов в машиностроении, строительстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства СССР составляет около 92%. В перспективе черные металлы останутся главным конструкционным материалом, с которым пока не могут конкурировать ни цветные металлы, ни пластмассы, ни другие заменители.

За годы десятой пятилетки произошли качественные изменения строящихся металлургических комплексов. Кроме значительных объемов работ и больших единичных мощностей возводимых агрегатов и установок они отличаются от предшествующих своей механовооруженностью и уровнем автоматизации.

Новое направление в отечественном сталеплавильном производстве открывает освоение технологии прямого восстановления железа, минуя стадию получения чугуна. До 1955 г. сталеплавильное производство в СССР и в основных капиталистических странах развивалось по пути преимущественной выплавки стали в мартеновских и в меньшей степени в электросталеплавильных печах.

Замена воздушного дутья, ранее применявшегося при выплавке в конверторах, кислородным и подача его сверху явились предпосылкой и для создания нового сталеплавильного процесса -- кислородно-конверторного, технически более совершенного и экономически более эффективного по сравнению с другими способами выплавки стали. Продувка чугуна технически чистым кислородом позволила резко снизить, содержание в металле азота, кислорода, водорода, а также вредных примесей и тем самым существенно улучшить качество стали.

В СССР осуществляется широкая программа строительства кислородных конверторов.

В 1971 -- 1975 гг. в СССР производство стали этим способом существенно увеличилось. За этот период были введены в эксплуатацию шесть кислородных конверторов общей мощностью 10,3 млн. т на Криворожском, Западно-Сибирском, Новолипецком металлургических заводах и Карагандинском металлургическом комбинате. При этом более 80% вновь введенных мощностей приходится на конверторы емкостью 250--300 т. В пяти наиболее развитых капиталистических странах доля конверторной стали увеличилась с 3,5% в 1960 г. до 68,6 в 1975 г.

Одним из главных направлений дальнейшего развития кислородно-конверторного производства является переход от разливки стали обычным способом (в изложницы) к разливке на машинах непрерывного литья заготовок.

Увеличение производства кислородно-конверторной стали будет осуществляться за счет модернизации и усовершенствования действующих цехов, а также ввода новых конверторов емкостью 350--400 т.

В одиннадцатой пятилетке весь прирост выплавки стали будет получен за счет преимущественного развития производства электростали и кислородно-конверторной стали, которое в 1985 г. возрастет по сравнению с 1980 г. соответственно в 1,6 и 1,3 раза. Причем в электросталеплавильном производстве предусматривается строительство новых крупнотоннажных печей емкостью 100-- 200 т.

Реконструкция и улучшение работы действующих конверторных цехов становится одним из основных направлений дальнейшего развития кислородно-конверторного производства.

Заключительным этапом всех стадий металлургического передела является прокатное производство. В девятой пятилетке на развитие производства, проката направлялось 27% капиталовложений, в десятой и одиннадцатой пятилетках этот показатель увеличился.

Для удовлетворения потребностей народного хозяйства страны в металлопрокате, увеличивается производство листовой стали, расширяется производство экономичных профилей металлопроката. Прогрессивной тенденцией в развитии производства тонколистовой холоднокатаной стали явился переход к строительству пятиклетьевых непрерывных станов высокой производительности, предназначенных для прокатки полос толщиной 0,4--2 мм и шириной 700--1500 мм в рулонах массой до 45 т.

Важным техническим шагом вперед в прокатном производстве является изменение соотношения долей проката, полученного из слитков, обжатой и непрерывной заготовки.

Опишите процессы, протекающие при нагреве наклепанного металла и укажите, как при этом меняются его физические и механические свойства

Наклепом называется изменение свойств металла в результате холодной пластической деформации.

С увеличением степени пластической деформации повышается прочность и твердость, т.е. происходит упрочнение металла, его нагартовка.

Наряду с этим понижается пластичность и вязкость металла, т.е. происходит его охрупчивание.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию. В свою очередь, при возврате различают отдых и полигонизацию.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизация -- это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равновесные зерна.

В зависимости от температуры нагрева и выдержки различают три стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Первичная рекристаллизация начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой (рис. 1.2, а-в). Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия:

предварительная деформация наклепанного металла должна быть больше критической;

температура нагрева должна превысить критическое значение, составляющее некоторую долю от температуры плавления металла:

ТРЕК = аТПЛ.

Коэффициент а уменьшается при увеличении степени деформации т.е. металл после холодного деформирования е = 90 % будет рекристаллизовываться при более низкой температуре, чем такой же металл после деформирования е = 20%.

На стадии первичной рекристаллизации зарождение и рост новых зерен происходят одновременно. Зерна растут путем движения большеугловых границ через наклепанный металл. В таком зерне плотность дислокаций и других дефектов минимальна, в наклепанном металле -- максимальна.

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 1.2, в). Первичная рекристаллизация полностью снимет наклеп, созданный при пластическом деформировании, металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла

Особое значение имеет рост крупных зерен при нагреве деформированного металла, когда его деформация близка к критической. При критической деформации еще не формируется ячеистая дислокационная структура, способная создать зародыши рекристаллизации, что способствовало бы формированию мелкозернистой структуры. Неоднородность деформации зерен, различия энергии упругих искажений являются движущей силой укрупнения зерен за счет менее устойчивых мелких зерен.

Собирательная рекристаллизация представляет самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации. Чем крупнее зерна, тем меньше суммарная поверхность границ зерен и тем меньше запас избыточной поверхностной энергии (по сравнению с объемом зерен).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем совсем исчезают, другие -- становятся более крупными, поглощая соседние зерна (рис. 1.2, г). С повышением температуры рост зерен ускоряется.

Собирательная рекристаллизация тормозится, когда зерна становятся многогранниками с плоскими гранями, а углы между соседними гранями составляют 120°

Вторичная рекристаллизация представляет собой стадию неравномерного роста одних зерен по сравнению с другими. В результате формируется конгломерат зерен-гигантов, соседствующих с зернами-карликами. Механические свойства подобной разнозернистой структуры хуже, чем однородной структуры рекристаллизованного металла. Вторичной рекристаллизации соответствуют высокие температуры нагрева наклепанного металла.

Описанный процесс рекристаллизации типичен для скоростей нагрева в обычных термических печах, и для завершения той или иной стадии рекристаллизации требуются выдержки порядка нескольких часов.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации, а также от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают.

Рекристаллизация многофазных сплавов представляет более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых рекристаллизованных зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры объемные соотношения между фазами. Особое значение имеют размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами. Чем ближе друг к другу расположены частицы второй фазы, тем труднее перемещаться границе нового зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация. Это проявляется в повышении температуры рекристаллизации и увеличении времени для завершения первичной рекристаллизации многофазно сплава по сравнению с однофазным. Близость частиц второй фазы обеспечивается при достаточно высоком их содержании в сплаве.

При горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5 - 10 мкм) проявляется сверхпластичное состояние металла. При низких скоростях деформирования (10~5 -- 10~4с-1) металл течет равномерно, не упрочняясь: относительные удлинения достигают 102 -- 103 %.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность

Процессы, основанные на использовании мелкозернистой структуры, широко применяются в промышленности. При малых скоростях деформирования металл способен деформироваться без разрушения на десятки процентов.

Опишите основные дефекты, которые могут возникнуть в стали при закалке, и меры их предупреждения

Закалка осуществляется только для металлов и сплавов, имеющих фазовые превращения в твердом состоянии. Для закалки основными параметрами являются температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения - по диаграммам изотермического распада аустенита.

Выделяют следующие дефекты закалки:

Коробление, закалочные трещины, изменение формы изделия - эти дефекты являются следствием возникновения внутренних напряжений I рода. Способ предупреждения: медленное охлаждение деталей в области температур мартенситного превращения;

Неполная закалка - после такой закалки получается недостаточная прочность. Этот дефект образуется либо в результате недогрева перед закалкой, либо в результате охлаждения со скоростью, меньшей критической. Этот дефект устраняется повторной закалкой с правильным режимом;

Перегрев - закалка с завышенной температуры. В результате получается крупноигольчатый мартенсит, изделия обладают повышенной хрупкостью;

Мягкие пятна на поверхности детали (т.е. участок с пониженной твердостью) - результат образования при закалке на поверхности детали паровой рубашки, уменьшающей скорость охлаждения. Дефект исправляют повторной закалкой;

Окисление и обезуглероживание поверхности изделия - этот дефект возникает в результате взаимодействия печной атмосферы с поверхностными слоями детали при нагреве. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Напишите и расшифруйте несколько марок серых, ковких и высокопрочных чугунов. Укажите их свойства и область применения

Марки серых чугунов. Различают следующие марки чугуна: СЧ-00, СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 35-56, СЧ 38-60. Буквы СЧ обозначают серый чугун; первое число указывает минимально допустимый предел прочности при растяжении в кг/мм^2, а второе число - минимально допустимый предел прочности при изгибе в кг/мм^2 для данной марки чугуна. Серый чугун широко применяют в машиностроении. Чугуны до СЧ18-36 используют для неответственных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насосов, фундаментные плиты, строительные колонны и т.д. Чугуны, начиная с СЧ21-40 используют для изготовления станин мощных станков, деталей металлургического оборудования, зубчатых колес и т.д.

Ковкий чугун. Термин «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья. В ковком чугуне графит находится в форме хлопьев. Ковкие чугуны согласно ГОСТ 1215--79 маркируются двумя буквами (КЧ -- ковкий чугун) и двумя группами цифр. Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (7в, МПа / 10, цифры после тире -- относительному удлинению при растяжении. Чугуны марок КЧЗО--6, КЧЗЗ--8, КЧ35--10, КЧ37--12, имеющие повышенное значение удлинения при растяжении, относятся к ферритным, а марок КЧ45--7, КЧ50--5, КЧ55--4, КЧ60--3, КЧ65--3, КЧ70--2, КЧ80--1.5 -- к перлитным чугунам.

Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных (до 50 мм) деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, -- фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей --от нескольких граммов до нескольких тонн.

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкими присадками (0,1...0,5 °о магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,2...0,3 °о церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,02...0,03 %.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы (феррит, перлит) и включений графита шаровидной формы.

Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 7293--85 состоят из букв «ВЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ста, МПа / 10: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 -- ферритные чугуны; ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ 100--перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей -- цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Опишите технологию термической обработки алюминиевого сплава АЛ7. Укажите его свойства и область применения

Большинство алюминиевых сплавов подвергают термической обработке, которая позволяет повысить их механические свойства (предел прочности на растяжение и предел текучести), снять внутренние напряжения в отливках и при этом стабилизировать размеры литых деталей, а также улучшить обрабатываемость резанием. Применяют следующие виды термической обработки: продолжительную выдержку при высокой температуре с последующей закалкой (гомогенизация), отпуск (искусственное старение), отжиг.

В процессе продолжительной выдержки при высокой температуре основная масса включений переходит в твердый раствор, а оставшаяся часть сфероидизируется (округляется). При сфероидизации улучшаются пластические свойства сплава. Последующая закалка фиксирует однородную структуру, что повышает прочность и пластичность отливок. Для сплавов Ал7 применяется только данный вид термической обработки.

Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, сплав склонен к хрупкому разрушению.

Сплав алюминия с медью АЛ7, пройдя термическую обработку, приобретает высокие механические свойства и хорошо поддается резанию.

Такой сплав имеет несколько пониженные коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность.

Выберите и обоснуйте марки сплавов для: а) азотируемой шестерни; б) постоянного магнита небольшой мощности; в) седла клапана в двигателях внутреннего сгорания

Азотируемая шестерня. Для азотируемой шестерни используется сплав марки: 38Х2МЮА
Заменители: 38Х2ЮА, 38ХВФЮ, 20Х3МВФ. 38Х2Ю
Применение: азотируемые детали: шестерни, валики, пальцы, втулки и т.д., работающие при температурах до 450 град.

Химический состав в % материала 38Х2МЮА

ГОСТ 4543 - 71

Температура критических точек материала 38Х2МЮА.

Технологические свойства материала 38Х2МЮА.

Механические свойства при Т=20oС материала 38Х2МЮА .

Физические свойства материала 38Х2МЮА.

Зарубежные аналоги материала 38Х2МЮА

Указаны как точные, так и ближайшие аналоги.

Постоянный магнит небольшой мощности.

Для магнита небольшой мощности используется сплав ЮНД4 ГОСТ17809-72

Тип кристаллической структуры: равноосная.

Магнитная анизотропия: отсутствует.

Режимы термической обработки: охлаждение с температуры 1250оС со скоростью 180 - 300оС/мин.

Седла клапана в двигателях внутреннего сгорания. Для седла клапана в двигателях внутреннего сгорания используется сплав марки

БрАЖ9-4.

Классификация: бронза безоловянная, обрабатываемая давлением

Дополнение: алюминиевая бронза. Высокие механические свойства, хорошие антифрикционные свойства, коррозионно стойкая.

Химический состав в % материала БрАЖ9-4

ГОСТ 18175 - 78

Литейно-технологические свойства материала БрАЖ9-4 .

Механические свойства при Т=20oС материала БрАЖ9-4 .

Физические свойства материала БрАЖ9-4 .

Коэффициент трения материала БрАЖ9-4 .

Заключение

Черная металлургия - это одна из важнейших базовых отраслей тяжелой индустрии. Её продукция служит основой развития машиностроения и металлообработки, строительства, а также находит широкое применение во многих других отраслях народного хозяйства.

Главное направление развития черной металлургии в перспективе - улучшение качества и увеличение выпуска более эффективных видов продукции. Это будет достигнуто благодаря:

опережающему росту сырьевой базы, повышению содержания железа, марганца и хрома в концентратах, освоению технологии обогащения окисленных железных кварцитов; изменению пропорций между способами выплавки стали в пользу кислородно-конвертерного и электросталеплавильного переделов при абсолютном сокращении мартеновского способа;

совершенствованию структуры прокатного производства путем опережающего роста выпуска холоднопрокатного листа, проката с упрочняющей термической обработкой, фасонных и высокоточных профилей проката, экономичных и специальных видов стальных труб, в том числе многослойных труб для газопроводов;

применению прогрессивных технологий, особенно в связи с прямым восстановлением железа из руд, развитием порошковой металлургии, специальных переплавов и внепечной обработки стали, непрерывной разливки стали;

более полному использованию лома черных металлов и металлосодержащих отходов.

Выпуск готового проката будет увеличивается без роста производства чугуна. Намечено улучшить структуру металлопродукции путем производства листового проката, проката из низколегированной стали и с упрочняющей обработкой. Планируется расширить производство труб для нефте- и газопроводов.

Список используемой литературы

металлургия наклепанный металл дефект сталь

Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976.

Лившиц Б.Г. Металлография. - М.: Металлургия, 1990

Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

Полухин П.И. Технология металлов. - М.: Высш. шк., 1966. - 438 с.

Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение, 1985.

Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. М.: Машиностроение, 1981.

Размещено на Allbest.ru