Получение стали в электропечах.

Сталь плавится в дуговых и индукционных электропечах. В дуговых электропечах сталь варится за счет теплоты от электри­ческой дуги, возникающей между электродами или между электродами и металлом. Температура в печи достигает 3000 °С.

Рис. 3.4. Электропечь

1-графитовые электроды;

2-ок­но загрузочное;

3- расплавляемый металл;

4 - приспособление для канала печи;

5- желоб; 6—элект­рическая дуга;

7 — кожух

.

В дуговых электропечах (рис. 3.4) сталь плавится 3...6 ч в зависимости от сорта получаемой стали. плавится в дуговых и индукционных электропечах. В дуговых электропечах сталь варится за счет теплоты от электри­ческой дуги, возникающей между электродами или между электродами и металлом. Температура в печи достигает 3000 °С. В дуговых электропечах (рис. 3.4) сталь плавится 3...6 ч в зависимости от сорта получаемой стали.

Высокое качество стали, получаемой в дуговой печи, объясняется сильным нагревом металла и длительной выдержкой стали в печи, что позволяет ей освободиться от газов и вредных примесей (серы, фосфора). В дуго­вых печах получают специальные стали, содержащие ту­гоплавкие элементы (вольфрам, молибден). Наиболее часто электроплавку применяют для получения легиро­ванных сталей, содержащих никель, хром и другие спе­циальные элементы, так как эти ценные элементы не выгорают в электропечах и положительно влияют на свойства стали.

Плавка в индукционных электропечах более прогрес­сивна по сравнению с плавкой в дуговых печах. В индук­ционных печах металл нагревается за счет возникновения в нем индукционного тока от индуктора- трубчатой спирали, размещенной по периметру печи.

Перспективным методом резкого улучшения качества выплавляемых металлов является вакуумирование жид­кой стали- кратковременная выдержка ее при пони­женном атмосферном давлении. Сущность этого метода заключается в следующем. Многотонный ковш, запол­ненный жидкой сталью, только что слитой из печи, ста­вят в камеру-колодец. Колодец закрывают плотной крышкой и включают насосы, откачивающие воздух. Че­рез несколько минут в колодце понижается давление, от чего жидкая сталь начинает бурлить, из нее выходят вредные газы, всплывают примеси.

Вакуумная обработка жидкой стали позволяет полу­чить сталь высокого качества.

Классификация, маркировка и характеристика сталей.

Применяемые в машиностроении и пожарной технике стали по химическому составу и подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали содержат в своем составе железо, углерод и небольшое количество обычных примесей (марганец, кремний, фосфор, серу).

Легированные стали содержат еще и специально введенные при плавке легирующие элементы: хром, ни­кель, вольфрам и др. К легирующим примесям относят­ся и обычные примеси - марганец и кремний, если их вводят в сталь в повышенных количествах (более 1 %). Названия сталям принято давать по входящим легирую­щим элементам: никелевая, хромистая, хромоникелевая и т. д.

В зависимости от области применения стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные. По качеству бывают обыкновенные, качественные и высококачественные.

Качество стали оп­ределяется ее чистотой (малое содержание - вредных примесей, шлака) и отсутствием дефектов (газовые ра­ковины, трещины), что зависит от процесса выплавки, разливки и последующей обработки стали на металлур­гических заводах.

Углеродистые стали. В углеродистых сталях содер­жится 0.05... 1,4% углерода, 0,25...0,75 марганца, 0,03...0,5 кремния, до 0,05 фосфора и 0,055 % серы. Для ответственных деталей содержание серы понижается до 0,02..,0,03 %.

При небольшом содержании углерода сталь мягкая, вязкая, хорошо куется и сваривается. С увеличением со­держания углерода повышаются твердость и прочности стали, улучшаются ее литейные свойства, но вместе с тем повышается хрупкость, ухудшаются свариваемость и ковкость.

Марганец повышает прочность и износостойкость ста­ли и уменьшает вредное влияние серы. Кремний способствует получению более однородной и плотной структуры. Фосфор является вредной примесью, так как придает стали хрупкость, а в холодном состоянии - хладнолом­кость. Сера- вредная примесь, так как делает сталь хрупкой в горячем состоянии.

Конструкционные углеродистые или машинострои­тельные стали содержат 0,05. 0,55 % углерода. Они бы­вают обыкновенного качества и качественные.

Марки конструкционных сталей обыкновенного каче­ства по стандарту обозначают буквами Ст (сокращенное слово «сталь»), после которых ставят цифры 0, 1, 2, 3 и до 7. С увеличением номера возрастают предел прочности и содержание углерода в стали, уменьшается ее пластичность.

Из конструкционных сталей обыкновенного качества изготовляют сортовой и листовой прокат, заклепки, бол­ты, проволоки, трубы и детали машин. В пожарной тех­нике из стали СтЗ и Ст4 делают крюки штурмовых по­жарных лестниц, насадные пожарные багры, из стали Ст4 - вал электродымососа, скобы, упоры, башмаки ручных пожарных лестниц; из стали Ст5 и Ст7- пожар­ные ломы и т. д.

Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяются по стандарту на марки. Марки сталей обозначают двухзначным числом, указывающим на сред­нее содержание углерода в сотых долях процента. На­пример, марка стали Ст08 обозначает углеродистую ка­чественную сталь с содержанием 0,08 % углерода, Ст15 - сталь с содержанием 0,15 % углерода. Качественные углеродистые стали отличаются от сталей обыкновенного качества более высокими механи­ческими свойствами, меньшим содержанием вредных примесей, а поэтому более высокой стойкостью.

В пожарной технике из качественных конструкцион­ных углеродистых сталей изготовляют металлические части ручных пожарных лестниц (Ст30); валы пожарных насосов, валики коробок отбора мощности, распредели­тельные валы двигателей пожарных автомобилей (Ст40); пожарные крюки и рабочие части цельнометаллических пожарных багров (Ст40 и Ст45); шатуны двигателей пожарных автомобилей (Ст40А); ведущий, ведомый и промежуточный валы редуктора пожарных автомоби­лей и т. д.

Из листовой качественной углеродистой стали изго­товлен корпус пенного огнетушителя ОХИ-10.

Инструментальные углеродистые стали содержат 0,7... 1,4% углерода Инструментальные углеродистые стали обозначают буквой У и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, марка У12А обозначает углеродистую сталь с содержанием 1,2 % углерода. Буква А в конце марки стали указывает на высокое качество стали. Инструмен­тальные стали применяют при изготовлении ударных, ре­жущих и измерительных инструментов. Ударные инстру­менты должны обладать высокой твердостью и вяз­костью, износостойкостью. Режущие инструменты должны иметь большую, чем у ударных инструментов, твердость, малую вязкость и хорошие режущие свойства при повышенных температурах нагрева.

В пожарной технике из инструментальной стали У7 изготовляют пожарные топоры.

Легированные стали в зависимости от марки и назна­чения содержат до:1,5 % углерода, 68 никеля, 27 хрома, 20 вольфрама, 6 молибдена, 2,6 ванадия, 14 марганца, 20 % кремния и другие элементы. Входящие в состав стали легирующие элементы оказывают различное влия­ние на свойства стали. Так, хром повышает твердость, прочность, сопротивление коррозии, обеспечивает устой­чивость магнитных свойств. Вольфрам повышает проч­ность, твердость, препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Молиб­ден измельчает зерно, повышает упругость увеличивает предел прочности на растяжение, повышает антикорро­зионные свойства. Ванадий измельчает зерно, повышает прочность и твердость стали. Марганец повышает твер­дость, износостойкость и увеличивает стойкость против Ударных нагрузок, не уменьшая пластичности. Никель повышает прочность, вязкость, упругость, улучшает прокаливаемость стали при термической обработке. Кроме того, никель повышает электросопротивление и понижает коэффициент линейного расширения стали. Кремний способствует получению более однородной и плотной структуры и повышает упругие свойства стали, а при высоком содержании (12...20%) придает стали кислото­упорность.

Легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментаьные и стали с особыми свойствами.

Конструкционные легированные стали содержат до 0,55% углерода и в небольших количествах (до 5%) легирующие элементы. Легированные конструкционные стали применяют в машиностроении и пожарной техни­ке для изготовления ответственных деталей, от которых требуется высокая прочность в сочетании с вязкостью.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами, которые указывают на химический состав стали. При этом первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента; следующие буквы указывают на наличие легирующих элементов, а цифры, стоящие за этими буквами, — сред­нее содержание элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента менее 1 %, то цифру после буквы не ставят.

Для легирующих элементов приняты следующие бук­венные обозначения:

Н- никель К - кобальт Д- медь

X - хром С - кремний Т - титан

В- вольфрам М- молибден Ю - алюминий

Ф - ванадий Г- марганец

Например, марка 20ХА — это название конструкци­онной хромистой стали повышенного качества, содержа­щую около 0,20 % углерода и 0,7...1 % хрома. Буква А обозначает, что сталь высококачественная.

Буквенные обозначения расшифровывают так: Э-электротехническая, Р- быстро-режущая, Ш- шарикоподшипниковая, Е- магнитна

В пожарной технике наиболее часто применяют: хромистую сталь для изготовления шпинделя и его опорной гайки в пожарном гидранте. Из стали 15Х дела­ют поршневые пальцы двигателей пожарных мотопомп М-600, МП-800 и двигателей пожарных автомобилей; из стали 40Х- впускные клапаны двигателей полуоси, шлицевые части карданных валов пожарных автомобилей; из стали 20Х — ведомый вал коробки отбора мощности автомобилей и другие детали;

хромоникелевую сталь для изготовления зубчатых передач ручного пожарного электроинструмента. Из ста­ли 12ХНЗ делают шестерни в редукторах ручного меха­низированного инструмента. Сталь 12ХНЗА идет на из­готовление шестерен коробки отбора мощности, которую устанавливают на пожарных автомобилях на шасси МАЗ, КрАЗ, «Урал»;

никель-алюминиевую сталь (Fe—60%, Ni—25%, А1—15%), из которой изготовляют постоянный магнит магнето пожарной мотопомпы. Эта сталь обладает свой­ством хорошо намагничиваться и противостоять размаг­ничиванию.

Из стали 18ХГТ с последующей закалкой изготовля­ют шестерни, первичный и вторичный валы коробок от­бора мощности автомобилей, редукторов, оси заслонок газоструйных вакуум-аппаратов.

Инструментальные легированные стали содержат до 1,5 % углерода значительное количество легирующих элементов и предназначены для изготовления ударного, режущего и измерительного инструментов.

Легированные инструментальные стали маркируют аналогично легированным конструкционным сталям, но -среднее содержание углерода указывают в десятых долях процента, если его содержание не превышает 0,9, или вовсе не указывают, если содержание углерода около или более 1 %. Быстрорежущие стали маркируют бук­вой Р и цифрами, указывающими среднее содержание вольфрама.

Особенностью легированных- инструментальных ста­лей является присутствие в их структуре очень твёрдых карбидов хрома, вольфрама, молибдена и ванадия, которые повышают твердость и хрупкость стали, но вместе с тем улучшают режущие свойства, а также стойкость стали при нагревании инструмента в процессе ра­боты.

Режущий инструмент, предназначенный для работы в условиях больших скоростей резания, делают из сталей с особо высоким содержанием легирующих элементов (вольфрама, хрома, ванадия). Быстрорежущие стали со­храняют твердость и режущую способность при нагре­вании до 600 °С.

Специальные легированные стали отличаются высо­ким содержанием легирующих элементов и обладают особыми физико-химическими и эксплуатационными свойствами.

Нержавеющие стали не окисляются на воздухе, не разъедаются кислотами и растворами солей. Антикорро­зионные свойства нержавеющих сталей объясняются влиянием хрома и никеля, а также улучшением структуры стали и ее свойств при термической обра­ботке.

Нержавеющая хромоникелевая сталь с 9 % никеля противостоит кавитационной эрозии и применяется для изготовления деталей насосов. В настоящее время разра­ботана новая марка аустенитной хромомарганцевой ста­ли, кавитационная стойкость которой в 3...5 раз больше, чем у хромоникелевой стали.

Жаропрочные стали обладают способностью сохра­нять механические свойства при воздействии высоких температур. Жаропрочность в сталях обеспечивается ком­плексным влиянием хрома, кремния и никеля.

Таким образом, в машиностроении и пожарной тех­нике применяют большое количество сталей, обладающих разнообразными свойствами. При выборе марки стали для изготовления конкретных деталей необходимо исхо­дить из требований, предъявляемых к ним условиями эксплуатации.

Общие сведения о литейном производстве. Распрост­раненным и экономичным способом изготовления изде­лий из металлов является литье. Так, в пожарной технике около 6О % по массе занимают литые детали: корпусы, рабочие колеса, крыши и напорные штуцеры центро­бежных пожарных насосов, корпусы пеногенераторов, пеносмесителей и разветвлений, крышки огнетушителей и т. д.

Сущность процесса литья состоит в том, что расплав­ленный металл или сплав заливают в специальные фор­мы. После застывания металл приобретает размеры и очертания, близкие к форме, в которую был залит. Не­смотря на то, что все металлы и сплавы в той или иной степени пригодны для литья, они должны обладать не­обходимыми свойствами: жидкотекучестью, незначитель­ной усадкой, малой газопоглощаемостью, не слишком вы­сокой температурой плавления. Кроме того, отливка по своей структуре должна быть более однородной.

Жидкотекучесть- это способность металла заполнять литейную форму. Жидкотекучесть зависит от химического состава сплава и степени нагрева его при заливке. Железоуглеродистые сплавы с большим содер­жанием углерода, кремния и фосфора, кремнистая латунь и силумин хорошо заполняют форму. Значительно влияет на жидкотекучесть наличие в сплавах серы и хрома. Не­достаточной жидкотекучестью отличаются медь и алю­миний.

Усадка- изменение линейных размеров и объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Линейная усадка обычно сопровождается образованием трещин на поверхности металла, а объемная усадка при­водит к возникновению внутренних раковин. Величина усадки зависит от химического состава сплава, скорости его охлаждения в форме и температуры заливаемого ме­талла. Наименьшей усадкой обладают серый чугун и си­лумин. Усадка чугунных отливок уменьшается, если уве­личить в чугуне содержание графита. Наибольшую усад­ку имеют алюминиевые бронзы и чистые металлы. Ли­нейная усадка чугунов составляет 0,5...2 %, стали углеродистой 1,5...2 %, бронзы оловянной, латуни 1...1.5 %.

Для того чтобы предотвратить образование усадоч­ных раковин, устанавливают специальные утепленные керамические надставки (прибыли) над теми местами отливки в литейной форме, где они могут образоваться. Прибыли заполняют металлом при заливке формы и бла­годаря этим мерам усадочную раковину переводят в зо­ну прибыли.

Газопоглощаемость- способность сплава в жидком состоянии растворять газы (водород, кислород, азот, ок­сид углерода). При незначительной газопоглощаемости отливка будет плотной без внутренних пустот и газовых пузырей.

Для уменьшения газопоглощаемости и удаления газо­вых пузырей рекомендуется добавлять в жидкий сплав специальные раскислители: ферросилиций, ферроалюми­ний, силикокальций.

Температура плавления в современных промышлен­ных плавильных печах достигает 1700... 1800 °С. В таких печах могут плавиться металлы и сплавы, температура плавления которых ниже 1700 °С: железо, сталь, чугун, медь, бронза, латунь, алюминий и др. Тугоплавкие ме­таллы, такие как титан, молибден, вольфрам, плавятся только в высокотемпературных печах.

Неоднородность состава и структуры отливок. Литей­ные сплавы при остывании отливок склонны к ликвации. Ликвация- неоднородность химического состава в от­дельных частях отливки (зональная ликвация) и в от­дельных кристаллитах сплава (внутрикристаллитная лик­вация). Ликвация может быть и при большой разности плотностей составляющих сплава (ликвация по плотно­сти). Практически для большинства сплавов наиболее важной является зональная ликвация, которая получает­ся от неодинаковых плотностей составляющих сплава и различных температур его затвердения. Наилучшими литейными сплавами являются чугуны, которые часто используют при изготовлении пожарной техники.

Для деталей малой и средней прочности применяют отливки из серого чугуна марки СЧ 12-28 или СЧ 15-32. Из этих чугунов отливают крышки пенных огнетушите­лей ОХП-Ю и ОП-М. Из серого чугуна СЧ 18-36 изготов­ляют корпус центробежного пожарного насоса и крыш­ку корпуса, рабочее колесо насосов ПН-ЗОКФ, ПН-110 и ПН-40У. Из чугуна К.Ч 30-6 отливают ключи К-80 и К-150 для соединительных головок пожарного оборудо­вания. Из ковкого чугуна делают картер редуктора, кор­пус коробки отбора мощности, задний мост для пожар­ного автомобиля и др.

По сравнению с чугуном сталь обладает более низки­ми литейными свойствами, у нее выше температура плав­ления, меньше жидкотекучесть, она имеет большую усад­ку. Вместе с тем стальные отливки по пластичности и ударной вязкости превосходят чугунные.

При изготовлении пожарной техники кроме чугуна и стали используют для отливок цветные металлы: медь, алюминий, олово, цинк, свинец, магний, а также сплавы на их основе.

При изготовлении втулок подшипников используют литейные латуни. Из бронзы отливают рабочие колеса ряда центробежных пожарных насосов. Вкладыши под­шипников и рабочие колеса насосов, используемых для подачи морской воды, изготовляют из специальной бронзы.

Рис. 3.5. Схема формовки бло­ка с отверстием

а — модель блока; С — формовка в нижней опоке; а — формовка в верхней опоке; г — собранная фор­ма

а) в) г)

Высокой жидкотекучестью и малой усадкой обладают силумины — сплавы на основе алюминия, кремния, меди, магния и цинка

. Из этого сплава получают отливки слож­ной конфигурации: корпус, крышку, рабочее колесо цен­тробежного пожарного насоса и других насосов. Из спла­вов АЛ9 или АЛ-9В отливают корпус тройника водосбор­ника, корпус разветвления и многие детали пожарных мотопомп Технологический процесс литейного производ­ства (рис. З.5).

Литье в земляные формы. Сначала по чертежу изготовляют модель деревянную разъемную. Размеры модели делают больше размеров отливки на величину линейной усадки плюс припуск на механическую обработку. Ли­тейные формы изготовляют из формовочной смеси, со­стоящей из песка, глины, камнеугольной пыли и других добавок. Формовочная смесь должна быть пластичной, огнеупорной, газопроницаемой. Процесс формовки за­ключается в следующем. Одну половину модели устанав­ливают на подмодельную доску. На эту же доску ставят раму-опоку, засыпают ее формовочной смесью и утрам­бовывают. Затем раму поворачивают так, чтобы модель оказалась вверху. На заформованную половину модели накладывают ее вторую половину и формуют верхнюю опоку. Одновременно устанавливают модель шлакоулови­теля, литника и выпора.

После разъема опок в верхней опоке прорезают канал шлакоуловителя, а в нижней- канал питателя и удаля­ют модель.

В полость формы помещают стержень, от которого в отливке образуется отверстие. Опоки складывают и скрепляют между собой. В подготовленную форму за­ливают жидкий металл. После того как отливка остыва­ет, ее выбивают из формы, обрубают литники и выпоры. Отливку очищают струей песка и подвергают дальней­шей обработке.

Несмотря на широкое применение литья в земляные формы, этот технологически процесс имеет недостатки: размеры отливок недостаточно точны, отливки имеют большие припуски, поверхность отливок грубая и шеро­ховатая.

При массовом изготовлении деталей методом литья применяют постоянные формы из металла- кокили. Эти формы разъемные, при необходимости перед залив­кой в них устанавливают стержни. При кокильном литье не требуется формовочная смесь, кокиль выдерживает до 700 отливок, уменьшается припуск на обработку, поверх­ность отливок получается чистой, улучшаются условия работы и в 3...4 раза повышается производительность труда. Однако, несмотря на явные преимущества кокиль­ного литья перед литьем в земляных формах, в кокилях невозможно отливать детали сложной формы и боль­ших размеров.

Существуют и другие способы литья: литье под дав­лением, центробежное литы, по выплавляемым моделям и литье в оболочковые формы.

Литье под давлением позволяет получить отливки 4-го и 5-го классов точности. Пресс-форму для отливки изго­товляют из жаропрочной стали. Жидкий металл из пресс- камеры нагнетают в форму Воздух из формы выходит из очень тонких каналов в полости разъема формы; ме­талл в эти полости не просачивается даже под давлением. Отливки поступают на сбору без последующей метал­лической обработки. Литье под давлением получают мелкие отливки, в основном из сплавов на основе алюми­ния, магния, цинка, свинца и олова.

Центробежное литье применяют для изготовления втулок, вкладышей подшипников, труб и других изделий. Сущность этого способа состоит в том, что в металличе­скую форму заливают жидкий металл и приводят ее во вращение. Под действием центробежной силы металл растекается ровным слоем по окружности формы на всю длину. Отливка получается плотной, без литейных де­фектов.

Для изготовления мелких деталей из металлов и спла­вов, трудно поддающихся механической обработке, при­меняют точное литье по выплавляемым моделям из пара­фина и стеарина. Модели собирают в блоки, присоединяя их к общему восковому литнику. Собранный блок опуска­ют в облицовочный жидкий состав, состоящий из огне­упорной основы (кварцевая мука и связующий раствор), жидкого стекла или этилсиликата. Затем модель посыпа­ют корундовым или кварцевым песком. Операции повто­ряют 2...3 раза. Подготовленный блок моделей высуши­вают на воздухе, после чего заформовывают в опоке и прогревают до 120...170°С. При этом модели из парафи­на и стеарина выплавляются, образуя в форме полости, соответствующие очертаниям отливки. После прокали­вания при температуре 800...850°С форма подготовлена для заливки металлом. Полученную форму часто исполь­зуют для центробежного литья.