Способы повышения качества стали. Раскисление стали

Вариант 9

 

1 Способы повышения качества стали. Раскисление стали.

 

Улучшить качество металла можно уменьшением  в нём вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют: обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах и т. д.

Вакуумная дегазация проводится для уменьшения содержания в металле газов вследствие снижения их растворимости в жидкой стали при пониженном давлении и неметаллических включений.

Вакуумирование стали проводят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу.

Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами создают разрежение до остаточного давления 0,267…0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Улучшаются прочность и пластичность стали.

Вакуумирование в ковше эффективно проводить до раскисления сильными раскислителями – кремнием и алюминием. Углерод металла реагирует с кислородом, окись углерода откачивается, а с ней откачиваются азот и водород. В результате металл раскисляется без образования неметаллических включений и дегазируется.

При вакуумировании струи металла при переливе из ковша в ковш пустой ковш устанавливают в вакуумной камере, откачивают воздух. Подают к камере второй ковш с металлом. Металл из верхнего ковша через воронку переливают в нижний, при этом вакуум в камере не нарушается. Попадая в разреженное пространство, струя распадается на мелкие капли. Дегазация в вакууме раздробленной струи более эффективна по сравнению с вакуумированием металла в ковше.

Для высококачественных и некоторых высоколегированных сталей применяют отливку слитков в вакууме. Используют камеру, состоящую из двух частей. В нижнюю помещают просушенную изложницу, в верхней части на плиту герметично устанавливают промежуточный ковш.  Откачивают из камеры воздух, в промежуточный ковш наливают металл и начинают разливку. Степень дегазации зависит от остаточного давления. Газы удаляются не только из слитка, но и из  струи металла, протекающей в вакууме. Значительное снижение содержания водорода (до 60...70 %) обеспечивает получение стали, нечувствительной к флокенам, что упрощает процесс производства крупных поковок. Слитки, полученные таким способом, характеризуются повышенными механическими свойствами, но стоимость их значительно повышается.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочных сталей.

Схема электрошлакового переплава представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема электрошлакового переплава

Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в слегка конусном водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2до температуры свыше 1700 ºC и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и  образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. По мере  формирования слитка  либо опускают поддон, либо  поднимают электрод. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения массой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений.

Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом. Катод изготовляют механической обработкой слитка, выплавляемого в электропечах или установках ЭШП.

Схема вакуумно-дугового переплава представлена на рис.  10.

Рис. 10. Схема вакуумно-дугового переплава

Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Применяется для изготовления  деталей турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Раскисление стали

При выплавке стали в открытых сталеплавильных агрегатах к концу плавки металл в значительной мере насыщается кислородом. Для того чтобы исключить влияние этого кислорода на последующее окисление примесей, сталь раскисляют. Для этого в металл вводят элементы раскислители, соединяющиеся с кислородом значительно легче, чем углерод и железо. В качестве раскислителей наибольшее распространение получили кремний, марганец и алюминий. По степени раскисленности стали подразделяют на спокойные, кипящие и полуспокойные.

Спокойная сталь — это сталь полностью раскисленная. При последующей разливке в изложницы эта сталь кристаллизуется спокойно, без видимого бурления.

Кипящая сталь — это сталь практически не раскисленная. В ней осталось определенное содержание кислорода. Поэтому при разливке по изложницам в слитке такой стали начинает протекать реакция, в результате которой образуются пузырьки газа СО. Эти пузырьки вырываются на поверхность, создают видимость кипения. Процесс застывания кипящей стали в изложницах протекает с бурлением.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью.

 

 

 

2 Пластическая деформация металлов. Явление паклена, аллотропия металлов.

2.1 Основные сведения из теории  сплавов. Понятие о химическом соединении.

 

Деформацией называют процесс изменения формы и размеров тела под действием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (остаточную). Упругой называют такую, при которой после снятия нагрузок тело восстанавливает свою первоначальную форму. Эта деформация (далее "деформация" - "Д") сопровождается изменением расстояний между атомами в кристаллической решетке в пределах ее параметра. Пластической деформацией называют такую, при которой после снятия внешней нагрузки тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры. "Д" сопровождается смещением одной части кристалла по отношению к другой на расстоянии, значительно превышающем расстояние между атомами в кристаллической решетке. Пластической "Д" всегда предшествует упругая "Д". Таким образом, общая пластическая деформация в момент действия нагрузки всегда состоит из упругой и пластической "Д". Упругая "Д" после снятия нагрузки исчезает. "Д" имеет важное практическое значение поскольку процессы обработки металлов давлением основаны на деформации заготовок. "Д" сопровождается не только изменением формы и размеров тела. Одновременно с этим в металле появляется внутреннее напряжение и происходит изменение его механических и физико-химических свойств.

Рисунок 1.5. Схематическая диаграмма растяжений

Величина и характер деформации зависят от пластических свойств металла. Пластичность металлов примерно может быть оценена относительным удлинением и относительным сужением при испытании образцов на растяжение. К характеристикам пластичности металлов относится также ударная вязкость, показывающая работу разрушения при изгибании надрезанного образца, отнесенную к его площади сечения в месте надреза. Представление о упругих и пластических свойствах различных металлов дают диаграммы условной (рис. 1.5, а) и действительных напряжений и деформаций (рис. 1.5, б). Диаграммы условных и действительных напряжений и деформаций обычно строятся на основании данных, полученных при испытании изразцов на растяжение. В диаграммах условного напряжения по оси ординат откладывается условное напряжение, по оси абсцисс относительное удлинение (рис. 1.5, а). Условное напряжение определяется отношением усилия, действующего в данный момент, к первоначальной площади поперечного сечения образца. По диаграмме условного напряжения можно определить границу пропорциональности, предел текучести (физический и условный) и временное сопротивление разрыву. Широкое распространение получили диаграммы действительного напряжения в координатах. Настоящее напряжение S - относительное сужение площади поперечного сечения образца (рис. 1.5, б). Настоящее напряжение S является усилиями, отнесенными к площади поперечного сечения образца в данный момент испытания. На диаграмме действительного напряжения точка Sв характеризует напряжение, соответствующее началу образования шейки, а точка Sk - напряжение в момент разрыва. Касательная к кривой в точке Sв отсекает на оси ординат отрезок, близкий по величине временному сопротивлению разрыву, т.е. S0 = 6в Действительная деформация выражается относительным сужением или относительным удлинением, выраженным через относительное сужение. Кривая на диаграмме действительного напряжения (рис. 1.5, б) характеризует способность материала сопротивляться пластической деформации растяжением. Кривые действительного напряжения часто называют кривыми укрепления, поскольку действительное напряжение является пределом текучести материала, которое получает при укреплении при растяжении. При обработке давлением пользуются в основном диаграммой действительного напряжения, поскольку она точнее отражает действительные свойства металлов. Чем больше разница между пределом прочности и пределом текучести, тем пластичнее металл. В хрупких материалах величина предела текучести приближается к пределу прочности, поэтому они разрушаются почти без пластической деформации. Так разрушается чугун, стекло, фарфор, горные породы и др. Следует отметить, что при нагреве металла до высоких температур значение предела текучести почти совпадает со значением предела прочности.

Наклепом называют упрочнение металла и изменение его свойств под влиянием пластической деформации в холодном состоянии. Основные изменения свойств металла происходят из-за искажения кристаллической решетки, в результате вытягивания в направлении деформации (волочения проволоки, штамповки листов, изгиба, деформации арматуры и т. п.). В строительстве для повышения предела текучести арматуры железобетонных конструкций пользуются наклепом, для чего ее скручивают или вытягивают в холодном состоянии. Наряду с повышением прочности наклепанного металла происходит снижение пластических свойств (уменьшаются Относительное удлинение и ударная вязкость).

Явление наклепа неустойчиво. В металле, упрочненном наклепом, даже при комнатной температуре очень медленно, но самопроизвольно начинают протекать процессы, приводящие к снятию искажений в решетке и форме зерен. Для ускорения этих процессов повышают температуру.

АЛЛОТРОПИЯ МЕТАЛЛОВ

Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов. В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ.

Среди металлов, которые встречаются в природе в больших количествах , 28 имеют аллотропные формы при атмосферном давлении: литий, бериллий, натрий, кальций, скандий, титан, марганец, железо, кобальт, стронций, иттрий, цирконий, олово, лантан, церий, празеодим, ниодим, самарий, гадолиний, тербий, диспрозий, иттербий, гафний, таллий, торий, протактиний, уран. Также важны аллотропные формы ряда металлов, образующиеся при их технологической обработке: титана при 882˚C, железа при 912˚C и 1394˚C, кобальта при 422˚C, циркония при 863˚C, олова при 13˚C и уранапри 668˚C и 776˚C.

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911 -1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку. В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов – изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости в углероде (характерно для железа). Различные аллотропические формы одного и того же металла принято обозначать строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой α, следующую — β и т. д.