Сталь – железо, с содержанием углерода до 2%, содержащее мало вредных примесей (P, S, Si) c возможным наличием легирующих добавок. В качестве легирующих добавок используются различные элементы, изменяющие свойства стали.
Методы передела чугуна в сталь.
Суть передела чугуна в сталь является в удалении лишнего углерода, удалении вредных примесей и раскислении полученной стали (удалении оксида железа).
2.2.1 Кислородно-конверторный метод передела чугуна в сталь. Кислородный конвертор представляет собой кувшинообразный сосуд, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом, обшитый снаружи стальным листом и способный наклоняться с помощью поворотного механизма. Конвертор имеет летку для выпуска стали и шлака и горловину, через которую загружают шихту и опускают медную водоохлаждаемую фурму для вдувания кислорода. Исходным сырьем служит передельный чугун, стальной скрап (металлолом), флюсы.
Перед началом процесса конвертор наклоняют, заливают расплавленный чугун, засыпают скрап и флюсы. Затем его переводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают вдувать кислород. Железо чугуна при температуре плавления реагирует с кислородом (горит), образуя оксид железа с выделением большого количества тепла, которого достаточно для поддержания шихты в расплавленном состоянии. Оксид железа растворяется в шихте и реагирует с избытком углеродом чугуна, окисляя его до СО. Вредные примеси (S, P) окисляются до оксидов и, реагируя с флюсами, превращаются в нерастворимый в стали шлак. Через 30 – 50 минут дутье кислорода прекращают, фурму поднимают и проводят раскисление, т.е. удаляют образовавшийся избыток FeO, который существенно ухудшает качество стали. Раскисление проводят, добавляя ферромарганец, ферросилициум, а потом – алюминий. В зависимости от технологии раскисления различают сталь «спокойную» и «кипящую». При изготовлении «кипящей» стали, дутье кислорода прекращают раньше, и удаление углерода происходит за счет накопившегося FeO. Выделяющиеся при этом пузырьки СО создают впечатление, что сталь кипит. Раскисление проводят в изложнице, куда добавляют ферросилициум. “Кипящая” сталь дешевле, более пластична и легко поддается механической обработке, однако легко корродирует и не обладает хорошей прочностью. Производительность конвертора достигает 250-350 тонн стали за 30-50 минут.
O2 Fe + O2 FeO + Q FeO + C Fe + CO
FeO + Mn(Si, Al) Fe + MnO(SiO2, Al2O3)
Флюсы
S(P) + O2 SO2(P2O5) Шлак
2.2.2 Мартеновский способ производства стали.
Источником тепла служит газ, сжигаемый в печи, в присутствии воздуха, обогащенного кислородом. Для снижения затрат топлива применяется утилизация тепла с помощью регенераторов. Сырьем является чугун и стальной скрап. Окислителем служит железная руда. Данным методом можно как переделывать чугун в сталь, так и передалывать сталь в другие виды стали, можно получать также высоколегированные стали. Производительность метода - до 950 тонн стали за 8-16 часов. Мартеновский метод является технологически устаревшим, т.к. строительство печей требует больших капиталовложений, тратится большое количество топлива, а производительность значительно ниже, чем при кислородно-конверторном методе.
Методы передела стали.
Передел стали можно производить тремя методами - мартеновским, электро-дуговым и электро-индукционным.
2.2.3 Электро-дуговой метод
Этот метод основан на нагреве и поддержании в расплавленном состоянии шихты за счет тепла электрической дуги, возникающей между угольными электродами и шихтой. Сырьем служит стальной скрап(~90%) и передельный чугун(~10%). Окислителем служит железная руда. Емкость дуговой печи достигает 200 - 300 тонн. Данным методом можно получать любые виды жаростойкой и легированной стали, за исключением низкоуглеродистой (в системе находится углерод электродов). К недостатку метода относятся высокие затраты электроэнергии на разогрев и расплавление шихты. Для снижения затрат электропечи устанавливают рядом кислородными конверторами и переделу подвергают только - что полученную расплавленную сталь.
2.2.4 Электро-индукционный метод
Этот метод основывается на нагреве и поддержании в расплавленном состоянии шихты внутри тигля, за счет вихревых токов (токи Фуко), возникающих в металле шихты, при пропускании тока высокой частоты по медной обмотке индуктора. Данным методом можно получать стали любого заданного состава, однако метод дорог (высокие затраты электроэнергии) и предназначен в основном для получения специальных высоколегированных сталей.
III. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Различают пластическую и упругую деформацию тел, связанную с воздействием физических нагрузок. Под упругой деформацией понимают такую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки. Пластическая деформация не исчезает после того, как снята нагрузка.
Различают следующие методы обработки металлов давлением: прокат, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка.
3.1.Обработка металлов прокатом.
Прокат - метод обработки металлов давлением, при котором заготовка принимает нужные форму и размеры при пропускании ее между двумя вращающимися валами (валками), причем зазор между валами меньше толщины исходной заготовки. Для облегчения процесса обжатия заготовки нагревают.
Процесс проката производят на прокатных станах, которые состоят из 3-х основных частей: а) двигатель с редуктором. Редуктор - устройство для передачи вращательного момента с одного вала (например - вала двигателя), на другой вал с изменением частоты вращения и сохранением общей мощности; б) передаточный механизм - служит для передачи и распределения вращающего момента на валы рабочей машины и распределения между ними; в) рабочая машина, состоящая из рабочих клетей, где собственно и происходит обжатие заготовки.
Прокатные станы классифицируются:
- по виду производимой продукции. Например, станы, выпускающие квадратные заготовки (блюмы) называются блюмингами, а прямоугольные заготовки (слябы) - слябингами;
- по виду и направлению движения валов;
- по количеству и расположению рабочих клетей в рабочей машине.
Перечень получаемых прокатом изделий, с указанием формы и размеров изделий называется сортаментом проката. В зависимости от вида различают сортовой, листовой, трубный, периодический и специальный прокат.
Прокат относится к самым мощным видам обработки металлов давлением, более 80% получаемой стали подвергается прокату для получения заготовок. Следует отметить, что изделия, полученные прокатом, имеют внутренние напряжения из-за деформации кристаллической решетки в ходе обжатия. Для устранения напряжений, которые могут привести к неожиданному разрушению изделия, применяется термическая обработка. Термическая обработка - есть нагрев и охлаждение изделия по заданному режиму, с целью придания его кристаллической структуре заданных свойств.
Достоинства проката.
1.Высокая производительность.
2.Очень широкая номенклатура изделий (вплоть до шариков для шарикоподшипников).
3.Метод поддается автоматизации.
4.В основном используется неквалифицированная рабочая сила.
Недостатки проката.
1.Высокая капиталоемкость и материалоемкость.
2.Энергоемкость.
3.Поверхность изделия требует механической обработки (недостаточно точная и чистая).
4.Требуется термическая обработка изделий.
Вывод: метод выгоден для крупносерийного производства заготовок, само производство обладает высокой конкурентоспособностью. Следовательно, организация прокатного производства, ввиду высокой капиталоемкости и низкой, но в то же время гарантированной прибыли, рентабельно при отсутствии конкурентов.
3.2.Волочение.
Суть метода заключается в протягивании заготовки через отверстие инструмента под названием волока, диаметр которого меньше диаметра исходной заготовки; при этом диаметр заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Волочение проводят в холодном состоянии, через несколько последовательно расположенных волок. Данным методом получают проволоку, калиброванные (с точным диаметром) прутки и тонкостенные трубы диаметром 0,002 - 5 мм. Исходным сырьем служит катанная (полученная прокатом) проволока, прутья (арматура) и тонкостенные трубы.
К волоке, как инструменту, предъявляются следующие требования:
-теплопроводность,
-твердость,
-сопротивление изгибу и удару.
В соответствии с требованиями, материал для изготовления волок - специальная инструментальная сталь, металлокерамика, технические алмазы. Следовательно, стоимость волоки весьма значительна.
