Производство стали и методы исследования ее свойств

Технология выплавки металла в  вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия определяется маркой выплавляемой стали и качеством шихтовых материалов. Для плавки применяют шихтовые материалы, очищенные от масла и влаги. Для легирования используют ферросплавы и чистые металлы. Перед загрузкой шихту предварительно прокаливают. После загрузки печи включают ток и расплавление шихты ведут на максимальной мощности. При появлении первых порций жидкого металла и при наличии в шихте углерода в печь напускают аргон до давления 1,3 • 10⁴ Па для предотвращения выплесков жидкого металла в следствие бурного протекания реакции [C] + [O] = CO_газ. После полного расплавления шихты металл рафинируют  при давлении 1,3 - 0,13 Па от водорода, азота, кислорода и примесей цветных металлов. Раскисление стали происходит в основном по реакции [C] + [O] = CO_газ, равновесие которой при низких давлениях сдвигается вправо. В период рафинировки осуществляют также легирование металла. В первую очередь присаживают хром и ванадий, потом титан. Перед разливкой в металл вводят алюминий, редкоземельные металлы, кальций и магний. Для получения плотного слитка разливку проводят обычно в атмосфере аргона.

Основным недостатком вакуумных  индукционных печей является контакт  жидкого металла с огнеупорной футеровки тигля, что может приводить к загрязнению металла материалом тигля.

 

Производство стали  вакуумных дуговых печах. Вакуумные дуговые печи (ВДП) подразделяют на печи с нерасходуемым и расходуемым электродом.

Нерасходуемый электрод изготавливают из вольфрама или графита. При плавке с нерасходуемым электродом измельченная шихта загружается в водоохлаждаемый медный тигель и под действием электрической дуги расплавляется, рафинируется от вредных примесей и затем кристаллизуется в виде слитка.

Эти печи промышленного  применения не нашли, так как в  них не возможно получать слитки большой  массы. В настоящее время распространение  получили вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом.

 

Рис. 9 Схема вакуумной дуговой печи

1 – источник питания; 2 – рабочая камера; 3 – электродержатель; 4 – механизм подачи электрода; 5 – к вакуумным насосам; 6 – электрод; 7 – жидкий металл; 8 – слиток; 9 – кристаллизатор; 10 – шток для подъема поддона;   11 – поддон

 

Здесь представлена схема ВДП с расходуемым электродом. Печь состоит из рабочей камеры, медного водоохлаждаемого кристаллизатора, электрододержателя, механизма подачи электродов и системы вакуумных насосов. Расходуемый электрод крепится к электродержателю, который через вакуумное уплотнение проходит сквозь верхний торец рабочей камеры.

Электродержатель служит для провода  тока к электроду и фиксации его  в камере печи. Электродежатель с помощью гибкой подвески связан с механизмом подачи электрода. Расходуемый электрод представляет собой подлежащий переплаву исходный металл. Он может быть круглого или квадратного сечения. Как правило, расходуемые электроды содержат все необходимые легирующие элементы. Диаметр электрода выбирается таким, чтобы зазор между электродом и стенкою кристаллизатора был больше длины дуги, горящей между электродом и ванной жидкого металла. В противном случае возможен переброс электрической дуги на стенку кристаллизатора.

Кристаллизатор представляет собой  медную водоохлаждаемую трубку со стенкой толщиной от 8 до 30 мм. Кристаллизаторы бывают двух типов: глухие и сквозные. При плавки металла в сквозном кристаллизаторе можно вытягивать слиток вниз по ходу плавки. Сквозные кристаллизаторы применяют при плавке тугоплавких металлов и сплавов. При плавке стали используют глуходонные кристаллизаторы. Сверху кристаллизатор имеет фланец. Через кристаллизатор к слитку подводится ток.

Вакуумные дуговые печи работают как  на постоянном, так и на постоянном токе. При переплаве стальных электродов применяют постоянный ток. «Плюс» подается на электрод, «минус» – на слиток.

После установки расходуемого электрода  в камере печи и откачки ее до необходимого давления (около 10^-2 Па) зажигают электрическую дугу между электродом и металлической затравкой, лежащей на дне кристаллизатора. Под действием тепла электрической дуги нижний торец электрода оплавляется  и капли металла стекают в кристаллизатор, образуя жидкую металлическую ванну. По мере оплавления электрод с помощью механизма подается вниз для поддержания расстояния между электродом и металлом.

Рафинирование металла от вредных  примесей происходит во время прохождения жидких капель металла через электрическую дугу и с поверхности расплава в кристаллизаторе.

Одним из преимуществ  вакуумного дугового переплава является отсутствие контакта жидкого металла с керамическими материалами. Основной недостаток – ограниченное время пребывания металла в жидком состоянии, что существенно снижает рафинирующие возможности вакуума.

 

Плазменно-дуговая плавка. Плазменная плавка специальных сталей и сплавов является одним из важных способов получения металла высокого качества. В плазменных печах источником энергии является низкотемпературная плазма (Т = 10⁵ К). Плазмой называется ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. Степень ионизации низкотемпературной плазмы близка к 1 %. Низкотемпературная плазма получается при введении в дуговой электрический разряд газообразного вещества. В этом случае газ ионизируется и образуется плазма. В металлургии в качестве плазмообразующего газа чаще всего применяют аргон.

Для плавки стали применяют два  типа агрегатов: печи с огнеупорной  футеровкой и медным водоохлаждаемым кристаллизатором.

 

Рис. 10 Плазменные печи с огнеупорной футеровкой

Плазменные печи с  огнеупорной футеровкой во многом похожи на дуговые сталеплавильные печи. В отличие от дуговых сталеплавильных печей в плазменной печи вместо графитовых электродов устанавливают один (4) или три плазматрона, что зависит от размеров печи. В печах постоянного тока анодом служит ванна жидкого металла, ток к которой подводится через подовой электрод (6). 

Металлургические возможности  плазменных печей с нейтральной  атмосферой очень широки и металл можно раскислять, десульфурировать, рафинировать от газов и неметаллических включений, легировать азотом.

 

Рис. 11 Плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором

Схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором. Переплавляемая заготовка с помощью механизма подачи через уплотнение подается в герметичную камеру. Оплавление заготовки осуществляется двумя плазматронами. Формирование слитка происходит в кристаллизаторе. По мере наплавления слиток вытягивается из кристаллизатора.

Слитки полученные этим способом, имеют высококачественную поверхность.

 

Основные технико-эксплуатационные свойства сталей

 

У стали можно выделить различные  виды свойства, изменение которых  приводит к образованию тех или иных марок стали. Изменяя свойства стали и применяя различные виды обработки, образуется тот или иной вид стали.

Одно из важных свойств стали - полиморфизм, который присущ и стали, и железу. Его используют для получения необходимой структуры при обработке стали. Полиморфизм - это способность кристаллической решетки металла менять свое строение при нагреве или охлаждении. Так при закалке стали образуется мартенсит, который пересыщен твердым раствором углерода. Такая сталь теряет свою пластичность, но при этом приобретает высокую твердость. Таким образом, если сочетать закалку с последующим нагревом, то можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.

Благодаря различным способам обработки, таким как термическая (закалка, отжиг), химико-термическая (цементизация, азотирование) и термо-механическая (прокатка, ковка) обработка, можно добиться сочетания необходимых свойств стали.

Плотность стали - (7,7-7,9)×10³ кг/м³ или  приблизительно 7,8×10³ кг/м³. Плотность вещества - это отношение массы тела к его объему (плотность стали равна массе единицы объема данного вида стали). Удельный вес стали - (7,7-7,9) г/cм³ или приблизительно 7,8 г/cм³. Удельный вес вещества, т.е. стали, есть отношение силы тяжести однородного тела из данного вещества к объему тела. Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела.

Очень важно свойство всех металлов - это температура плавления, при  которой твердое вещество переходит в жидкое состояние. Температура плавления стали - 1300-1400 ^oC. Сталь достаточно тугоплавкий металл. Для сравнения температура плавления свинца 328 ^oC, он относится к легкоплавким металлам.

Также к важным свойствам стали  относятся: 
- Удельная теплоемкость стали при 20°C - 0,11 кал/град;  
- Удельная теплоемкость плавления стали - 49 кал/град;  
- Коэффициент теплопроводности стали - 39ккал/м×час×град.

Коэффициент линейного расширения стали (при температуре около 20°C) : 
- сталь 3 (марка 20) - 11,9 (1/град); 
- сталь нержавеющая - 11,0 (1/град).

Очень важно знать предел прочности  стали при растяжении, так как исходя из этих показателей сталь может применяться в той ил иной сфере промышленности. Так сталь для конструкций должна иметь предел прочности не менее 38-42 (кГ/мм²). Сталь кремнехромомарганцовистая имеет предел прочности - 155 (кГ/мм²), сталь машиноподелочная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм²), сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм²).

На область применения того или  иного вида или марки стали  влияет такое свойство стали как  величина допускаемых напряжений стали. Так, сталь легированная конструкционная  в машиностроении должна иметь допускаемое напряжение от 10-40 и выше, а сталь углеродистая конструкционная в машиностроении 16-25.

Модули упругости  стали и коэффициент Пуассона:

Наименование стали	Модуль Юнга, кГ/мм2	Модуль сдвига, кГ/мм2	Коэффициент Пуассона
Стали легированные  Стали углеродистые	21000  20000-21000	8100  8100	0,25-0,30  0,24-0,28

 
Величины допускаемых  напряжений стали (кГ/мм²):

Наименование стали	Допускаемое напряжение
	на растяжение	на сжатие
Сталь легированная конструкционная в машиностроении	10-40 и выше	10-40 и выше
Сталь (ст. 3)	14	14
Сталь углеродистая конструкционная в машиностроении	16-25	16-25

 

Свойства некоторых  электротехнических сталей

Марка стали	Начальная магнитная  проницаемость, гс/эрсm	Максимальная магнитная  проницаемость, гс/эрсm	Коэрци- тивная сила, эрсm	Индукция при 25 эрсm , гс	Удельное электрическое  сопротивление, ом*мм2/м
Э 31  Э 41  Э 42  Э 45  Э 310	250  300  400  600  1000	5500  6000  7500  10000  30000	0,55  0,45  0,4  0,25  0,12	15200  14900  14900  14600  17800	0,52  0,6  0,6  0,62  0,5

 

Наряду со своими неоспоримыми свойствами сталь как строительный материал имеет и недостатки, которые серьезно ограничивают область ее применения, а в ряде случаев делают его совсем невозможным. Большим минусом является, например, подверженность атмосферным воздействиям. Было бы излишним объяснять, что такое коррозия. Ежегодно коррозия, против которой нет единого рецепта, наносит огромный ущерб; в мире безвозвратно исчезает, как бы растворяясь в воздухе, несколько миллионов тонн стали. Стальная конструкция, оставленная без всякого покрытия, даже при самых благоприятных условиях эксплуатации за короткое время превратится в изъеденный ржавчиной скелет, готовый рухнуть в любой момент. Стальные конструкции требуют постоянной заботы, их необходимо регулярно покрывать антикоррозионными составами в течение всего срока эксплуатации. Но, к сожалению, это еще не все. Сталь подвержена воздействию высоких температур. Сравнительно большой коэффициент температурного расширения, с одной стороны, и высокий модуль упругости, с другой стороны, при высоких температурах и ограничении свободных деформаций становятся причиной возникновения значительных внутренних напряжений в элементах стальных конструкций. Но это еще полбеды. При температуре свыше 200 градусов Цельсия прочность материала резко уменьшается, и при роковом стечении обстоятельств могут последовать весьма печальные события. Пожар в здании со стальной конструкцией - такая ситуация, которой лучше не допускать. Не случайно противопожарные меры в небоскребах напоминают меры, которые принимаются конструкторами самолетов или обитаемых космических кораблей.

 

Механические свойства

 

Марка стали	Предел прочности (временное  сопротив- ление) σв,   МПа	Предел текучести σт, МПа			Относи- тельное удлине- ние коротких образцов δ5, %		Изгиб на 180 o при диаметре оправки d
		толщина образца s, мм
		до 20	20...40	40...100	до 20	20...40	40...100	до 20
Ст0	310	-	-	-	23	22	20	d=2s
ВСт2пс  ВСт2сп	340...440	230	220	210	32	31	29	d=0 (без оправки)
ВСт3кп  ВСт3пс  ВСт3сп  ВСт3Гпс	370...470  380...490  380...500	240  250  250	230  240  240	220  230  230	27  26  26	26  25  25	24  23  23	d=0,5s
ВСт4кп  ВСт4пс  ВСт4Гсп	410...520  420...540	260  270	250  260	240  250	25  24	24  23	22  21	d=2s
ВСт5пс  ВСт5сп  ВСт5Гпс	500...640  460...600	290  290	280  280	270  270	20  20	19  19	17  17	d=3s