Технология материалов. Лекции

Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.

При плавки стали  в дуговых печах различают  окислительный и восстановительный периоды.

Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак. Реакция окисления такие же, как и при основном мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение первой половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный фосфористый шлак в количестве 60 – 70% удаляют из печи. 

Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Для интенсивного кипения ванны в печь забрасывают необходимое количество железной руды или окалины и шлакообразующих веществ.

Во время кипения  ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения  удаляются. При этом отбирают пробы  металла для быстрого определения  в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения его состава. Основность шлака поддерживается равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.

После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле  в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.

В восстановительный  период плавки раскисляют металл, переводят  максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла до заданного и  подготовляют его к выпуску из печи. 

Восстановительный период плавки в основных дуговых  печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под  белым (известковым) слоем шлаком, а  при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.

Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы шлака имеют темный цвет.

Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плапикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия к концу восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке содержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно удалять серу из металла.

Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые  добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.

Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процесса происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести и плавикого шпата. При высоких температурах протекает реакция

CaO + 3C = CaC2 + CO.

Образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную  и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования  карбидного шлака печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55 –65% СаО  и 0,3 – 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.

При выплавке стали  методом переплава, в печь не загружают  железную руду; условия для кипения  ванны отсутствуют. Шихта состоит  из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку  его нельзя будет удалить в шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15% мягкого железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V), которые переходят из шлака в металл.

Устройство и работа индукционных печей. Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более. 

В немагнитном каркасе  имеются индуктор и огнеупорный плавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора к индуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава шихты. Обычно в индукционных печах используется ток частотой 500 – 2500 гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0 – 1,4 квт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.

В индукционных печах  сталь выплавляют методом переплава шихты. Угар легирующих при этом получается очень небольшим. Шлак образуется при загрузке шлакообразующих компонентов на поверхность расплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак не обладает магнитной проницаемости и в нем не индуцируется ток. Для выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторону сливного носка.

В индукционных печах  нет углерода, поэтому металл не науглероживается. Под действием  электромагнитных сил металл циркулирует, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла.   

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния.

Новые методы производства и обработки стали.

Электроннолучевая плавка металлов. Для получения особо  чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии  свободных электронов, получивших ускорение  в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.

Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ: электронные  лучи позволяют получить высокую  плотность энергии нагрева, регулировать скорость плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплава материалом тигля и применять шихту в любом виде. Перегрев расплавленного металла в сочетании с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создают эффективные условия для очистки металла от различных примесей.

Электрошлаковый переплав. Очень перспективным способом получения  высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли  металла, образующиеся при переплаве  заготовки, проходят через слой жидкого  металла и рафинируются. При обработке  металла шлаком и направленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на 30 – 50%, а содержание неметаллических включений – в два-три раза.

Вакуумирование стали. Для получения высококачественной стали, широко применяется вакуумная  плавка. В слитке содержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке. При этом способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытой камере, из которой удаляют воздух и другие газы. Вакуумирование стали производится в ковше перед заливкой по изложницам. Лучшие результаты получаются тогда, когда сталь после вакуумирования в ковше разливают по изложницам так же в вакууме. Выплавка металла в вакууме осуществляется в закрытых индукционных печах.

Рафирование стали  в ковше жидкими синтетическими шлаками. Сущность этого метода состоит  в том, что очистка стали от серы, кислорода и неметаллических  включений производится при интенсивном  перемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами. За счет сокращения периода рафинирования в дуговых печах, производительность которых может быть увеличена на 10 – 15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками, по качеству близка к качеству стали, выплавляемой в электрических печах.     

7. Понятия кристаллизации сплавов.Первичная и вторичная.

На диаграмме изображены процессы первичной и вторичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов. Вначале рассмотрим процессы первичной кристаллизации. Для большей наглядности выделим отдельно часть диаграммы, охватывающую процессы первичной кристаллизации. Эти процессы на диаграмме характеризуются кривыми ACD и AECF. Линия ACD - это линия ликвидуса; она изображает температуры, при которых начинается затвердевание железоуглеродистых сплавов. Линия AECF - это линия солидуса; она соответствует температурам, при которых процесс кристаллизации заканчивается. Линия АЕ относится к стали, а линия ECF - к чугунам. Точка А показывает температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Точка Е характеризует максимальное количество углерода, которое может быть растворено в железе при высоких температурах. Точка С показывает состав эвтектики; она соответствует содержанию в сплаве 4,3% углерода. Температура образования эвтектики 1130°. Линия ECF называется эвтектической, так как в любой точке этой линии происходит образование эвтектики. Рассмотрение линий ликвидуса и солидуса позволяет сделать следующие выводы о процессах первичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов:

1) процесс кристаллизации  любой стали, в отличие от  чистого железа, протекает в интервале температур;

2) с повышением  содержания в стали углерода  температура начала и конца ее затвердевания понижается;

3) наиболее низкая  температура конца кристаллизации стали 1130°;

4) все чугуны, кроме  содержащего 4,3% углерода, также затвердевают  в интервале температу

5) температура конца  затвердевания всех чугунов одинакова  и равна 1130° (к концу процесса  кристаллизации в чугуне всегда  остается жидкий сплав эвтектического  состава, содержащий 4,3%) углерода).

Изменение формы  кристаллов в твердом состоянии  называют «вторичной кристаллизацией».

8. Режим термической обработки стали 

          Режим термической обработки  включает в себя следующие  составляющие: скорость нагрева,  температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.

          Скорость нагрева выбирается в зависимости от теплопроводности стали (химического состава)  и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин. Заготовки или детали простой формы по той же причине можно греть быстрее, чем сложной.

          Температура нагрева зависит  от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может быть определенна по диаграмме Fe3C, для легированных приводится в справочниках. Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.

Продолжительность выдержки зависит главным образом от размеров деталей и условий нагрева. При нагреве деталей в газовых или электрических печах выдержка обычно назначается из расчета 1,5-2 мин. на 1мм максимальной толщины детали (при условии что детали в печи не соприкасаются друг с другом). При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высоки, продолжительность выдержки берется

10-15 сек. на 1мм  толщины.

          Скорость охлаждения обычно задают  охлаждающей средой (охлаждение  в печи, на воздухе, в масле,  в воде, в специальных средах).

          Режим термической обработки  удобно задавать графиком в  координатах температура-время (см.рис.9).