Производство конструкционных материалов

Вопросы, изучаемые в этой теме:

– получение чугуна;

– получение стали;

– получение меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, магния и его сплавов, титана и его сплавов;

– получение порошковых, керамических и композиционных материалов.

 

Получение чугуна. Чугуны получают путем восстановления железа из оксидов, содер­жащихся в рудах. Процесс восстановления железа ведут в до­менных печах. В зависимости от назначения и места дальнейшей пе­реработки различают чугуны передельные(примерно 80% от всего вы­пуска), предназначенные для перера­ботки в сталь, и литейные,посту­пающие на машиностроительные заводы и ис­пользуемые в качестве исходного материала для изготовления литых заготовок. Общая схема взаимосвязи металлургического и машинострои­тельного производств показана на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Связь металлургического и машиностроительного производств

 

После до­бычи руды и коксующегося угля 1 их направляют на подго­товку и переработку, которая для кокса сводится к нагрева­нию в коксовых ба­тареях 2,а для руды – к ее измельчению, обога­щению и окускованию 3.Подго­товленные таким образом исходные материалы поступают в доменную печь 4,где и происходит восста­новление железа из оксидов и его насыщение углеро­дом и другими примесями. В случае выплавки передельного чугуна последний на­правляется в сталепла­вильные печи, в которых из него получают сталь 5. Сталь разливается в слитки 6,из которых после прокатки 7получают заготовки для обработки резанием на станках 8или готовый продукт (рельсы, балки, лист, трубы), поступающий в народное хозяйство. Литейный чугун в виде чушек пе­реплавляется в плавиль­ных агрегатах литейных цехов машиностроительных за­водов 9.Из этого чугуна получают литые заготовки, большая часть из которых проходит механическую обработку на станках и в виде готовых деталей пода­ется на сборку и использу­ется в народном хозяйстве. В свою очередь, машино­строительное производство и народное хозяйство поставляют отходы металло­обработки (стружку) и лом черных металлов заводам по производству стали, завершая круговорот металла.

Сущность процесса получения чугуна заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды, науглероживании восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне, расплавлении и перегреве получившегося чугуна. Одновременно оксиды пустой породы и зола топлива связываются флюсом в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Исходными материалами для доменного производства являются руда, флюсы, топливо и огнеупоры.

Конечные продукты: 1) жидкий и твердый (чушковый) передельный чугуны, используемые для передела в сталь; 2) твердый чушковый литейный чугун, используемый для производства отливок; 3) ферросплавы (сплавы железа с марганцем или кремнием), необходимые для легирования и расплавления чугунов и сталей; 4) шлак, используемый в строительстве.

Получение стали. Сталеплавильные процессы были вызваны развитием производства чугуна, но недостаточной его механической прочностью.

Литую сталь производят различными способами – от конвертерного до электроплавки. От используемых плавильных агрегатов и процесса плавки в значительной степени зависит качество отливок.

Любой из сталеплавильных процессов, как правило, представляет собой окислительную плавку для окисления избытка углерода, кремния, марганца, фосфора, а также удаления серу и растворенных в металле газов. Немаловажной задачей является снижение серы в металле. Фосфор и сера в стали являются вредными примесями. Фосфор, растворяясь в железе вызывает хладноломкость, то есть хрупкость стали при низкой температуре. Сера при повышенном ее содержании и недостатке марганца является причиной красноломкости, при котором в процессах обработки стали давлением металл в результате ослабления связей между зернами уже при температуре 1150…1175 способен рассыпаться в порошок.

Сырьем для про­изводства стали является передельный чугун, выплав­ляемый в доменных печах, лом и ферросплавы.

Мартеновской плавкой получают углеродистые и разнообразные марки легированных сталей. Наиболее качественную, чаще всего легированную, сталь получают в кислых мартеновских печах. Мартеновские печи позволяют получать большие объемы стали одина­кового состава, но они малопроизводительны и в них нельзя получать высоко­легированные стали в связи с большим угаром и трудностью растворения фер­росплавов (это связано с невы­соким перегревом расплава стали).

Кислородно-конвертерный способ выплавки сталисчита­ется более про­грессивным, так как он обеспечивает высокий перегрев расплава.

В кислородном конвертере выплавляют углеродистые и низколегированные конструкционные и инструментальные стали с содержанием легирующих элементов около 2…3 %.

Рис. 2.2. Схема кислородного конвертера: 1 – медная водоохлаждаемая фурма; 2 – стальной сварной кожух; 3 – огнеупорная футеровка; 4 – цапфы

 

Кислородный конвертер (рис. 2.2) – сосуд грушевидной формы, имеющий стальной кожух 2,футерованный внутри огне­упорным материалом 3.Конвертер устанавливается на цапфах 4,что позволяет поворачивать его вокруг горизонтальной оси при загрузке шихты и сливе стали. Медная водоохлаждаемая фурма 1 служит для подачи в конвертер технически чистого кислорода.

Исходными материалами для производства стали в кисло­родных конверторах являются: жидкий чугун, стальной лом, из­весть и небольшое количество железной руды. Для загрузки кон­вертер наклоняют, а затем поворачивают в вертикальное поло­жение, вводят водоохлаждаемую фурму и подают кислород под давлением (0,9...1,4) МПа. Окисление примесей в кислородном конвертере начинается с первой минуты, протекает очень быстро, сопровождается пере­мешиванием расплава и выделением большого количества тепла. Температура расплавленного металла в зоне действия кислорода достигает 2500 °С, что позволяет перерабатывать значительное количество металлолома. Химический состав металла по ходу плавки контролируют автоматически с помощью ЭВМ. Готовая сталь должна иметь температуру 1580 – 1650 °С. Благодаря высокой температуре стали в конце процесса выплавки после раскисления можно вводит ферросплавы, что позволяет полу­чать легированные стали.

В современных конвертерах за один цикл выплавляется свы­ше 350 т стали. Продолжи­тельность цикла не превышает 1 ч.

Электродуговые печи обеспечивают низкий угар леги­рую­щих элемен­тов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения (инструментальных; нержавеющих, жаропрочных и т. д.).

В электропечах выплавляют все марки сталей и специальных сплавов однако основной областью применения является получение высококачественных легированных сталей и сплавов, особенно с низким содержанием углерода.

Особенности процесса получения стали в электропечах определяются способом преобразования электроэнергии в теплоту и химическим составом металлической части шихты. Существуют дуговые и индукционные печи.

Разливка стали на слитки. После завершения плавки жидкую сталь из печи выливают в ковши и подают на разливку. Разливка стали является завершающей операцией получения конечной продукции в виде стальных слитков. Разливку стали осуществляют как в изложницы – специальные формы, отливаемые обычно из чугуна, так и непрерывным способом – на машинах непрерывного литья заготовок, называемых также установками непрерывной разливки стали (УНРС).

Слитки, получаемые в изложницах, отличаются неравномерностью структуры и состава по сечению. Слитки, получаемые на УНРС, не имеют усадочных раковин, бо­лее од­нородны по химическому составу, однако на их поверхности часто образуются трещины, связанные с перепадом температур по се­чению и большими уси­лиями вытяжки слитка из кристаллизатора.

Получение цветных металлов подробно рассмотрено в [1, 3].

Получение порошковых материалов. В машиностроении широко применя­ются изделия из металлических порошков, полученных путем прессования и последующего спекания. Такой способ получили название порошковой металлургии. Методами порошковой металлургии изготавливают изделия самой разнооб­разной формы, в том числе и такие, кото­рые невозможно получить отливкой из труднообрабатываемых материалов. Су­щественную роль в порошковой метал­лургии играют технологические процессы получения качественных исходных компо­нентов, то есть порошков. Для разных областей машиностроения требуются порошки с широким спектром свойств. В ходе раз­вития порошковой металлургии было предложено и реализовано много способов получения порошков Чаще всего порошки получают механическим измельчением твер­дых материалов, то есть дроблением, размолом или распылением. Другим способом является получение порошков в результат химических реакций и физических процессов, протекающих между твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Получение композиционных материалов. Способы получения композиционных материалов включают сле­дующие стадии: получение исходных компонентов (волокон, жгу­тов, лент, тканей, листов); подготовку исходных компонентов (нанесение покрытий); получение промежуточных полуфабрикатов (сборку исходных компонентов); получение плотных полуфабрикатов и изделий (полимеризацию, спекание); отделку, нанесение по­крытий.

Волокна получают механическими способами, например волоче­нием, разрезанием фольги, протягиванием или продавливанием материала через фильеры, растягиванием нитей и физико-химичес­кими методами – намораживанием струи расплава на вращаю­щийся барабан, кристаллизацией из расплавов и растворов, охла­ждением на нити-подложки. Исходными компонентами являются ткани и нетканые материалы из волокон, отдельные волокна и жгуты, пропитанные матричным материалом, ленты, полученные напылением матричного материала на волокна. Исходные компоненты из матрицы получают в виде гранул, порошков, фольги, лент, расплавов и полимерных составов. В случае необходимости исходные компоненты подверга­ют предварительной подготовке: отжигу, нанесению защитных и технологических покрытии и т. д. Для композиционных материалов с дисперсными армирующими элементами промежуточные полуфабрикаты получают смешивани­ем жидких или твердых матричных материалов с волокном или порошком уплотнителя. Для получения промежуточных полуфабрикатов из композици­онных материалов с волокнистым упрочнителем производят меха­ническую «сборку» материала матрицы и волокна. Для этого рав­номерно укладывают слои из фольги матрицы и волокон упрочнителя. Применяют также укладку или намотку отдельных волокон, жгутов, лент, тканей с нанесением на них материала матрицы на вращающиеся оправки. Форма промежуточных полуфабрикатов со­ответствует форме готовых изделий с учетом неплотности укладки.

Изготовление изделий из полуфабрикатов на основе пластмасс сдисперсным наполнителем производится прессованием в нагретых пресс-формах или заливкой в литейные формы. При этом совмещаются процессы образования формы и компактирования. В случае необходимости готовые изделия подвергают отделке – обрезке по контуру, удалению заусенцев, нанесению покрытий, термообработке.

Вопросы для самопроверки

1. Как классифицируют конструкционные материалы?

2. Что называют металлами, а что сплавами?

3. Перечислите основные свойства стали.

4. Что подразумевается под термином «предел выносливости»?

5. Укажите содержание углерода в углеродистых сталях.

6. Какие материалы относятся к цветным металлам?

7. Назовите исходные материалы для производства чугуна, стали.

8. Какова сущность процесса получения чугуна?

9. Сформулируйте принципиальную сущность процессов при получении стали из чугуна.

10. Назовите способы разливки стали.