Криворізький металургійний інститут
КАФЕДРА МЕТАЛУРГІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Методичний посібник Для розрахунку курсового проекту
по дисципліні : «Теоретичні основи виробництва сталі в конвертерах і подових агрегатах»
Спеціальність: 6.090402 «Металургія чорних металів»
Кривий Ріг
1 Загальна частина
Сталеві деталі й конструкції мають широке поширення в машинобудуванні й будівництві. Практика показує, що їх довговічність не завжди задовольняє пропонованим вимогам і нерідко нижче розрахункових величин. Мають місце аварійні руйнування, що приводить до втрати виробництва, додатковим матеріальним витратам, а нерідко до небезпечних умов експлуатації. Якщо прийняти, що машини, конструкції й окремі їхні деталі виконані відповідно до розрахунків, то виникає необхідність чіткого визначення причин - основ передчасного руйнування сталевих деталей.
Комплексних розробок по вивченню причин передчасного руйнування
сталевих виробів, з метою підвищення їх довговічності, у цей час практично
немає. Це можна пояснити необхідністю широкого діапазону досліджень
в області металургії, механіки, фізики металів і металознавства, опору
матеріалів руйнуванню. Такий комплекс досліджень необхідний з тієї
причини, що механіка руйнування сталевих виробів визначається не тільки
видом зовнішнього навантаження на деталь, а й внутрішньою структурою металу. Структура ж сталі починає формуватися ще в сталеплавильному агрегаті, залежно від прийнятої технології виробництва. При цьому, коректуючи технологію виплавки, можна одержати метал з різною кількістю й характером таких внутрішніх дефектів, як неметалічні включення, мікро- і макропорожнечі, величина зерна. Усі ці фактори значною мірою впливають на характер руйнування. Технологією виробництва роблять структуру металу, а структура визначає фізико-механічні властивості деталі.
При розрахунках напружень, що виникають у деталях під дією зовнішнього навантаження, передбачається, що існує суцільна будова металу, метал однорідний по всьому об'єму й має ізотропні властивості. Отже, наявність внутрішніх дефектів у сталі, не враховується.
Безсумнівно, що розв'язок комплексу питань пов'язаних з утворенням дефектів структури в технологічному процесі виробництва сталі й сталевих деталей, вплив цих дефектів на величину виникаючих напружень, механізм зародження тріщин у процесі експлуатації, їх росту до руйнування деталей, буде сприяти зниженню втрат металу в брак, зменшенню металоємності сталевих деталей, підвищенню їх довговічності й надійності в процесі експлуатації.
Питанню руйнування деталей через внутрішні дефекти в цей час приділяється ще мало уваги, що можна пояснити складністю контролю цих дефектів і складністю розрахунків напружень, що виникають, дефектів різного виду. Однак вимоги до сучасних машин зростають. Перехід до інтенсивного механізованого й автоматизованого серійного виробництва в машинобудуванні підвищує вимоги до якості вуглецевих і легованих сталей широкого сортаменту. Тому, при виробництві навіть рядових марок сталі, необхідно приділяти чинну увагу глибокому вивченню основ, що породжують ті або інші дефекти в сталі й виробах з неї.
Конструкції, виконані з високоміцної сталі, особливо схильні до тендітного руйнування, якщо сталь має внутрішні дефекти структури. Випадки передчасного руйнування сталевих конструкцій, навіть при незначних навантаженнях, вимагають глибокого вивчення й аналізу причин і методів їх усунення.
Сучасний розвиток дефектоскопії і її застосування для контролю якості структури сталевих виробів дає можливість визначити кількість і характер дефектів і вимагає розробки методики розрахунків напружень, що виникають у цих дефектах, з метою обґрунтованого вибору конструктивних розмірів деталей.
У даній роботі розглядається дослідження впливу технології розкислення сталі на її якість шляхом аналізу напружень, що виникають у дефектах структури сталі при навантаженні.
Запропонована методика аналізу може бути використана в практиці виробництва сталевої продукції. При цьому, на базі неруйнуючого контролю дефектів структури, можна визначити, за допомогою ЕОМ, їх кількісний вплив на механічні характеристики сталевих виробів, і стандартизувати продукцію по її якості.
Виконання запропонованого завдання дозволить студентові підвищити свої знання як в області теорії розкислення сталі, так і в розв'язку практичних завдань поліпшення якості сталевої продукції.
Залежно від вимог до якості виплавлюваної сталі, використовують різну технологію розкислення. У якості розкисника використовують різні матеріали й режим їх присадки в метал.
Найширше застосування в якості розкисників мають феромарганець, феросиліцій, алюміній. Вони застосовуються при виробництві практично всіх рядових киплячих, напівспокійних і спокійних марок сталі. Мають широке застосування комплексні розкисникии: силікомарганець, силікокальцій і інші. Для виробництва якісних марок сталі використовують і більш дорогі активні розкисники. Місце їх введення зазвичай в сталерозливний ківш, але іноді вони вводяться й у сталеплавильний агрегат або в виливницю (кристалізатор) при розливанні "сталі. Вибір розкисника, його кількість, спосіб уведення в метал визначається експериментально для кожної марки сталі. Технологію розкислення докладно розглядають у курсах по виробництві сталі [1-3]. Тому немає необхідності зупинятися в цій роботі на питаннях способів розкислення. Слід тільки зазначити, що залежно від прийнятої технології, у металі можуть утворюватися дефекти структури різні по величині й формі: гострокутні, щілиноподібні, глобулярні з різним розташуванням цих дефектів щодо поверхні виробів і відносно один одного.
Вони можуть розташовуватися нерівномірно по всьому обсягу металу або по границях зерен.
Прийнято вважати, що алюмінати й оксисульфіди мають гострокутну форму і є особливо небезпечними концентраторами напружень, тобто сприяють руйнуванню сталі. Використання комплексних розкисників сприяє глобуляризації окисних включень. Найбільш перспективними щодо цього є рідкі й рідкісноземельні метали, що характеризуються високою хімічною спорідненістю до кисню, сірки, азоту й ряду кольорових металів. Так, наприклад кальцій або церій, присаджені в сталь, розкислену алюмінієм, здатні утворювати округлі включення. При цьому суттєво поліпшуються пластичність, в'язкість, холодностійкість і тріщиностійкість сталі.
Відбір проби металу на аналіз можна робити до й після введення розкисника в метал. У останьому випадку проби можуть відібрати через різний проміжок часу після введення розкисника, а також з вже закристалізувавшогося металу (зазвичай з прокату).
У відібраній на аналіз пробі визначають характер структури металу, характер і кількість неметалічних включень. Для такого аналізу використовують мікроскопи, петрографічний аналіз, хімічний аналіз. Використання комплексного аналізу дозволяє визначити характер дефектів структури сталі, розміри, форму, кількість, місце розташування, хімсклад неметалічних включень. При необхідності визначають твердість неметалічних включень.
При використанні неруйнуючого контролю структури металу, що має місце в практиці роботи деяких металургійних заводів, можна визначити розмір і місце розташування дефекту в металі в процесі прокату.
На базі аналізу дефектів у сталі при різних способах розкислення можна вибрати економічно доцільний варіант, що забезпечує необхідні механічні властивості заданої марки сталі.
1.1 Вплив дефектів структури сталі на величину напруження
Виплавлену сталь випробовують на механічні властивості. Для цього виготовляють стандартний зразок необхідних розмірів. Прийнято, що стандартне випробування сталі, по окремих зразках, забезпечує дані механічних властивостей усієї плавки. Можливість підвищеної кількості дефектів структури в окремих обсягах металу не враховується.
Дефекти структури сталі слід розділити на природні (вакансії, дислокації, границі зерен) і технологічні, наявність яких значною мірою визначається технологією виробництва сталі: неметалічні включення, газові порожнини. Розглядати будемо вплив технологічних дефектів.
Технологічні дефекти займають частину обсягу металу й утворюють із матрицею поверхні розділу. Зв'язок між зовнішнім навантаженням і напруженням, що виникають усередині тіла, описується тензором напруг. У цей час немає єдиної теорії визначення напруження у сталевому виробі з урахуванням дефектів структури. Звичайно межу міцності визначають як відношення прикладеної сили (Р) до площі поперечного перетину (F):
При цьому не враховується наявність дефектів у металі. Для визначення напруження в дефектах різної форми, широке застосування має теорія пружності.
На базі цієї теорії встановлено, що напруження в дефекті підвищене в порівнянні з його номінальною величиною (σ) по всьому перетину. У дефекті круглої форми (рис. 1а), для умов, що а « b, тобто для реальних умов сталевих виробів, величина напруження в будь-якій точці А, що перебуває на відстані ρ від центру, під кутом φ до напрямку прикладених сил, визначається по залежності:
Максимальна величина напруги ( при φ = π/2; 3π/2) буде при ρ = α
Якщо дефект еліптичної форми (рис. 16), що особливо часто має місце в сталевих литих деталях, величина напруження в точках контуру визначається по рівнянню:
де α- кут між віссю Y і напрямком прикладеної сили, град;
φ - кут між напрямком прикладеної сили й точкою визначення напруження, на контурі еліпса, град.;
m - коефіцієнт, що враховує співвідношення між півосями еліпса.
де
Розрахунок показує, що найбільше напруження буде при
З рівняння (5) випливає, що зі збільшенням співвідношення а / b максимальне напруження зростає й при вузькій порожнині, розташованої перпендикулярно напрямку прикладених сил, може досягнено більших величин. У цьому зв'язку особливу небезпеку для руйнування мають гострокутні витягнуті (щілиноподібні) дефекти (рис.1в). Величину напруження у такого виду дефекту можна визначити по залежності:
де ρ - відстань від вершини дефекту до точки визначення напруження, мм;
θ - кут під яким розташована ця точка щодо осі X, град.;
k1- коефіцієнт інтенсивності напруження.
У довідковій літературі [4] приводяться рівняння коефіцієнта інтенсивності напруження для різного типу щілиноподібних дефектів (тріщин) і при різних способах навантаження. Для лінійного навантаження й при незначних розмірах тріщини (а) у порівнянні з розмірами деталі (d), що звичайно має місце в сталевих виробах, значення k1, можна визначити по залежності :
У цьому випадку, враховуючи ймовірність поширення тріщини в напрямку осі X, кут θ = 0° і при різній відстані ρ від вершини тріщини до точки визначення напружень, значення величини напруження, розраховане по рівнянню (6), показано на рис. 2. Розрахунок наведений для постійного навантаження. Як видно, напруження росте в міру наближення до вершини тріщини. Відносне збільшення розміру тріщини а / b сприяє росту величини напруження.
Рис. 1. Форма дефектів структури сталі
Для визначення напружень у сталевих деталях при різних напрямках навантаження, доцільно використовувати рівняння в полярних координатах (ρ, θ). їх можна одержати зі співвідношень (6):
Наведені рівняння (6, 8), отримані на основі теорії пружності показують, що величина напружень росте в міру наближення до дефекту. Але вони не дозволяють точно визначити величину напруги в небезпечній точці - вершині дефекту, тому що при цьому ρ = 0, а отже σу = ∞ при будь-якій малій величині навантаження, що фізично не підтверджується. При будь-яких розмірах і формі дефекту, для руйнування деталі слід прикласти певне навантаження.
Таким чином, визнаючи можливість математичного визначення величини напруг в обсязі сталевих деталей на різній відстані від дефекту, використовуючи теорію пружності, необхідно відзначити, що розв'язок завдання визначення напруг у вершині тріщини теорією пружності фізично не виправдане. Для кількісного аналізу величини напруги, що приводить до початку руйнування, необхідно визначити напругу саме в небезпечній точці -у вершині дефекту.
Для цього визначимо напругу в небезпечній точці, розглядаючи фізичний вплив прикладеного навантаження Р на сталевий стержень із дефектом щілиноподібної форми. При цьому будемо враховувати дійсну площу перетину (Fі), тобто з відрахуванням площі перетину займаної дефектом; розмір дефекту й місце його розташування щодо поверхні стержня.
Установлено [5], що величина фактичної напруги в небезпечній точці описується рівнянням:
де Рд - рівнодіюча сил, що доводяться на площу перетину дефекту (Fд), кг;
γ - кут розкриття щілиноподібного дефекту (див. рис.3), град.)
α - довжина півосі дефекту, мм;
d - відстань від небезпечної точки до поверхні деталі, мм.
Через незначні розміри дефекту, його перетин можна прийняти круглої форми.
Слід враховувати, що небезпечною точкою є точка на контурі дефекту найбільше близько розташована до поверхні деталі. Якщо деталь має в перетині кілька дефектів, то небезпечними точками по периметру дефекту є точки найбільше близько розташовані або до поверхні деталі, або до близького дефекту.
Умова міцності визначається по залежності:
З умов міцності можна визначити величину, що допускається, навантаження на деталь:
де n - відношення площі перетину дефекту до загальної площі перетину деталі.
Рис 2 Зміна напруги на різній відстані від дефекту
Рис. 3 Небезпечні точки дефекту
На рис. 4 наведена зміна напруги в небезпечній точці при різному значенні n. Такий аналіз дозволяє перенести його результати на дефекти будь-якого розміру при будь-якій величині площі перетину деталі. Зміна напруги показана при різнім номінальнім навантаженні на деталь. Різкий ріст величини напруги при певному значенні п пояснює наявне в практиці фізичне явище швидкого (критичного) руйнування деталей.
Збільшення кута у знижує величину напруги в дефекті структури, що вимагає одержання дефектів глобулярної форми для підвищення довговічності виробів.
Вплив розташування дефекту щодо поверхні деталі на величину напруги, показане на рис. 5. Криві побудовані для різного навантаження на деталь при постійному розмірі дефекту. Як видно, існує певна відстань від дефекту до поверхні, при якому різко збільшується напруга, тобто можливо початок руйнування. Величина такої критичної відстані не постійна й залежить від прикладеного навантаження.
Отже, використовуючи наведене рівняння, можливо визначити максимально припустимі розміри дефектів і їх розташування в перетині деталі, при відомому навантаженні на деталь. При відомому, що допускається напруг для певної марки сталі, у заданих умовах навантаження, можна визначити можливість руйнування деталі в процесі експлуатації. При використанні дефектоскопа для контролю характеру дефектів у потоці прокату й підключенні результатів контролю до ЕОМ, можна автоматично робити сортування металу по якості, яка забезпечить гарантовану міцність.
Рис. 4 Зміна напруги в небезпечній точці
Рис. 5 Вплив розташування дефекту на величину напруги