Основы производства и обработки металлов учебно-методическое пособи

образуется в верхней части слитка, которая кристаллизуется в последнюю очередь. Недостаточно раскисленная кипящая сталь содержит раковины и пузыри во всем объеме.

Непрерывная разливка сталей. Непрерывную разливку, или непрерывное литье заготовок, в СССР начали использовать в начале 60-х гг. прошлого века. Этим способом разливают только спокойную сталь. Сущность этого способа разливки заключается в том, что жидкую сталь непрерывно заливают в водоохлаждаемую изложницу без днища – кристаллизатор, из противоположной части которого вытягивают затвердевший с поверхности и жидкий в сердцевине слиток. Далее слиток поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит его полная кристаллизация и частичная деформация, после этого обжатую непрерывнолитую заготовку разрезают на куски определенной длины. Разливку ведут до полного расходования стали в сталеразливочном ковше или же последовательно разливают сталь из нескольких ковшей (разливка методом «плавка на плавку»). Основные преимущества непрерывной разливки: существенно (на 10–15 %) увеличивается выход годного металла, повышается качество литого металла (снижается химическая неоднородность), создаются условия для полной автоматизации всего процесса разливки.

Агрегаты для непрерывной разливки называют установками непрерывной разливки сталей (УНРС) или машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Существует несколько типов МНЛЗ. Наибольшее распространение получили: вертикальные МНЛЗ, криволинейные и радиальные МНЛЗ, МНЛЗ с изгибом слитка и горизонтальные МНЛЗ. В зависимости от количества одновременно разливаемых слитков МНЛЗ могут быть одно-, двух- и многоручьевыми.

Назначение ферросплавов и способы их производства. Фер-

росплавы – это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и другими элементами, применяемые при производстве сталей для раскисления и легирования. Вводить в сталь тот или иной элемент в виде его сплава с железом, а не в виде технически

71

чистого металла, удобнее вследствие более низкой температуры его плавления и выгоднее, так как стоимость элемента в сплаве с железом ниже по сравнению со стоимостью технически чистого металла. Сырьем для получения ферросплавов служат руды или рудные концентраты. Для производства наиболее широко используемых ферросплавов – ферросилиция, ферромарганца и феррохрома – используют соответствующие руды, так как содержание окислов элемента, подлежащего восстановлению, в них достаточно высокое. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия, ферротитана и других ферросплавов руду, вследствие малой концентрации в ней полезного элемента, обогащают, получая концентрат с достаточно высоким содержанием окислов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением окислов соответствующих металлов. Для получения нужного ферросплава необходимо выбрать подходящий восстановитель и создать условия, обеспечивающие высокую степень извлечения ведущего элемента из перерабатываемого сырья. По возрастанию сродства к кислороду элементы располагаются в следующий ряд: Ni, Fе, Мп, V, Cr, Si, Тi, А1, Мg, Са. Каждый последующий элемент может служить восстановителем для всех предыдущих. Углерод может восстанавливать эти элементы, но лишь при превышении определенного уровня температуры, возрастающего по мере увеличения химического сродства элемента к кислороду. Расчеты показывают, что для марганца эта температура составляет около 1150 °С, для кремния – 1450 °С, для алюминия – 1900 °С.

В присутствии железа или его окислов восстановительные процессы облегчаются. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность, выводит его из зоны реакции, препятствует протеканию обратных реакций (реакций окисления). В ряде случаев температура плавления сплава с железом ниже температуры плавления восстанавливаемого элемента, поэтому восстановительные реакции могут протекать при более низких температурах.

72

В зависимости от вида применяемого восстановителя различают три основных способа получения ферросплавов: углевосстановительный, силикотермический и алюминотермический. Среди них наиболее дешевым является углевосстановительный, поэтому его используют при производстве ферромарганца и феррохрома с высоким содержанием углерода, а также для получения всех марок ферросилиция, поскольку кремний препятствует переходу углерода в расплав. Реакции восстановления металлов углеродом являются эндотермическими, поэтому углевосстановительный процесс требует подвода тепла. Полнота извлечения ведущего элемента зависит от температуры и давления, при которых ведут процесс, от состава шлака и сплава. Силикотермическим и алюминотермическим способами получают ферросплавы с пониженным или очень низким содержанием углерода: среднеуглеродистые и малоуглеродистые ферромарганец и феррохром, безуглеродистый феррохром, металлические хром и марганец, ферросплавы и лигатуры с титаном, ванадием, вольфрамом, молибденом, цирконием, бором и другими металлами.

Если выделяющегося при экзотермических реакциях тепла достаточно для получения металла и шлака в жидком виде, плавку проводят в футерованных шахтах. При нехватке тепла плавку проводят в дуговых электрических печах.

Литература: [1–3, 8–10, 11–14].

Вопросы для самоконтроля

1.Укажите основные параметры сталеплавильных шлаков.

2.Опишите принцип действия бессемеровского конвертера. Что является топливом конвертерных процессов?

3.Укажите периоды конвертерной плавки. Какие физикохимические процессы происходят в каждый из периодов?

4.В чем отличия кислородно-конвертерной плавки от бессемеровской?

73

5.Опишите современные разновидности кислородноконвертерного процесса.

6.Назовите разновидности мартеновских процессов.

7.В чем заключаются технологические особенности мартеновского процесса?

8.Опишите периоды мартеновского скрап-процесса.

9.В чем сущность электрометаллургии сталей?

10.Опишите технологию выплавки сталей сложного состава

впечах средней емкости.

11.Опишите технологические приемы получения сталей особо высокого качества.

12.В чем сущность процесса ВДП?

13.Опишите принцип процесса ЭШП.

14.Что называют разливкой сталей? Укажите виды разливки.

15.ОпишитесущностьнепрерывнойразливкисталейивидыМНЛЗ.

Студентам очной формы обучения на самостоятельное ос-

воение выносятся следующие темы данного раздела: «Экологические проблемы сталеплавильного производства и пути их решения», «Порошковая металлургия. Космическая металлургия. Биометаллургия».

В результате освоения темы «Экологические проблемы сталеплавильного производства и пути их решения» студент должен знать основные экологически вредные и опасные факторы сталеплавильного производства, представлять способы и методы уменьшения вредного воздействия этих факторов.

Тема «Порошковая металлургия. Космическая металлургия. Биометаллургия» должна дать студенту представление о способах получения и компактирования металлических порошков, возможностях космической металлургии и перспективах биометаллургии.

Литература: [1–2, 8–11, 14].

74

2.5. Литейное производство черных и цветных металлов

Сущность литейного производства. Общая схема технологического процесса получения отливок. Металлургические основы литейного производства. Литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка, ликвация. Закономерности кристаллизации металлов и сплавов в литейной форме. Способы управления размером кристаллов. Газы в отливках.

Формовочные материалы, их классификация и назначение. Изготовление литейных форм (формовка). Виды формовки:

ручная, машинная, автоматическая. Технология, оборудование. Изготовление отливок специальными способами литья: литье

в кокиль, центробежное литье, литье под давлением, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям.

Литейные сплавы. Чугунное литье: получение отливок из серых, ковких и высокопрочных чугунов. Отливки из белого чугуна. Отливки из отбеленного чугуна. Производство стальных отливок. Получение отливок из алюминиевых, магниевых, медных сплавов. Экологические проблемы литейного производства.

Литейное производство – это отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. В результате кристаллизации металла в форме получают готовую заготовку или деталь, которую называют отливкой. Для изготовления литейных форм используют формовочные материалы, а также инструменты и приспособления, называемые литейной оснасткой. Литейную технологию используют в случаях, когда необходимо изготовить детали из материалов, которые плохо подвергаются обработке давлением и лезвийной обработке или когда нужно получить деталь очень сложной конфигурации.

Жидкий металл, залитый в форму (или изложницу), в процессе охлаждения переходит из жидкого агрегатного состояния в твердое.

75

Поскольку твердые металлы являются кристаллическими телами, переход металлов и сплавов из жидкого в твердое состояние называют кристаллизацией. В том случае, если переход «жидкость – твердое тело» совершается без образования кристаллической структуры, говорят об аморфизации, или стекловании.

Термодинамика кристаллизации. Если вещество может су-

ществовать в виде той или иной фазы, то устойчивой будет являться та фаза, которая при данных условиях (в нашем случае – при данной температуре) будет обладать меньшей энергией Гиббса G. Условием термодинамического равновесия между твердой и жидкой фазами является равенство энергий Гиббса в этих состояниях, Gтв = Gж. Температурная зависимость энергии Гиббса различна для разных фаз, и при некоторой температуре кривые пересекаются. Эту температуру, при которой выполняется условие Gтв = Gж, называют теоретической температурой кристаллизации, Т0. При температурах выше теоретической температуры кристаллизации Gж < Gтв и устойчивой будет жидкая фаза, при температурах ниже Т0 Gтв < Gж и устойчивой будет твердая фаза. Кристаллизация, как и любой другой самопроизвольный процесс, может протекать только при условии уменьшения энергии Гиббса, т.е. когда ∆G = Gтв – Gж < 0. Другими словами, кристаллизация не может начаться и протекать при теоретической температуре кристаллизации, поскольку в этом случае Gтв = Gж и ∆G = 0. Для протекания кристаллизации металл необходимо переохладить относительно Т0 до некоторой температуры Ткр. Разность между Ткр и Т0 называют степенью переохлаждения, ∆Т = Ткр – Т0.

Кинетика кристаллизации. Систематическое исследование кинетики кристаллизации первым провел Г. Тамман. Он развил идею Д.К. Чернова о том, что в процессе кристаллизации следует различать две стадии: стадию образования зародышей кристаллов – так называемых центров кристаллизации, и стадию роста этих зародышей. Тамман ввел количественные параметры для описания процесса кристаллизации: скорость зарождения центров кристаллизации n и скорость их роста С.

76

Первый параметр, n, характеризует число зародышей твердой фазы, способных к дальнейшему росту, появляющихся в единице объема жидкости за единицу времени. Второй параметр, С, показывает линейную скорость перемещения граней зародышей.

Тамман установил, что оба параметра, n и С, зависят от степени переохлаждения ∆Т. Обе кривые имеют максимум, но при различных ∆Т. Максимум скорости роста центров С достигается при меньшей степени переохлаждения, в то время как максимум числа центров n достигается при значительно более высокой степени переохлаждения.

Анализ зависимостей Таммана показывает, как можно регулировать размер зерна в отливках. При малых скоростях охлаждения и, соответственно, малых ∆Т, число возникающих центров кристаллизации n мало, а скорость их роста С велика. В результате в отливке формируется крупнозернистая структура. При больших ∆Т число зародышей, способных к росту, значительно больше, что приводит к формированию мелкозернистой структуры.

Дендритная схема роста кристаллов в металлах и сплавах

впервые была описана Д.К. Черновым еще в 1868 г. При росте кристаллов в идеальных условиях, т.е. без помех, в первую очередь образуются три длинные взаимно перпендикулярные оси первого порядка, или главные оси дендрита. Их еще называют стволами дендрита. Одновременно с ростом осей первого порядка на их поверхности происходит зарождение и рост перпендикулярных к ним осей второго порядка (ветвей). В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка и т.д. Направление роста главных осей дендритов совпадает с определенными кристаллографическими направлениями. У металлов с кубическими решетками образуются, как правило, ортогональные дендриты. Оси первого порядка начинают расти в направлениях ребер куба. Таким образом, различные зоны дендритных кристаллов кристаллизуются в разное время: в начальные моменты кристаллизации происходит активное формирование и рост осей первого порядка, а в конце процесса затвердевает расплав, оставшийся в межосевых промежутках.

77

Литейные свойства металлов и сплавов. Литейными свойст-

вами называют технологические характеристики металлов и сплавов, оказывающие влияние на качество отливок. Наиболее важную роль в формировании качества отливок играют такие свойства, как жидкотекучесть, усадка, ликвация и горячеломкость.

Жидкотекучесть – это способность жидкого металла или сплава течь и заполнять литейную форму, точно воспроизводя очертания будущей отливки. Жидкотекучесть – сложное технологическое свойство, на которое оказывает влияние большое число факторов. Все факторы, влияющие на полноту заполнения формы, можно разделить на три группы. К первой группе относят свойства металла или сплава: теплопроводность, теплоемкость, теплоту и интервал кристаллизации, вязкость, поверхностное натяжение, наличие включений, строение закристаллизовавшегося металла. Вторую группу составляют свойства литейной формы в зависимости от ее материала: теплоаккумулирующая способность, газопроницаемость, шероховатость стенок и др. Третья группа – это условия заливки: металлостатический напор, степень перегрева металлического расплава, температура подогрева формы и т.д. Жидкотекучесть определяют при помощи технологических проб, представляющих собой литейные формы с каналами различного сечения. Жидкотекучесть тем больше, чем больше путь, пройденный жидким металлом в форме до полной остановки. Наибольшее распространение получила спиральная проба (ГОСТ 16438–70).

Усадка. Усадкой называют уменьшение объема и, как следствие, линейных размеров отливки в процессе кристаллизации и последующем охлаждении до температуры окружающей среды. С усадкой связаны основные трудности в производстве фасонных отливок. От нее зависят геометрические размеры и плотность отливок, характер распределения усадочной раковины и усадочной пористости, появление горячих и холодных трещин.

Литейными дефектами, связанными с усадкой, являются усадочная раковина и усадочная пористость.

78

Усадочная раковина – это концентрированная пора, которая формируется в объеме расплава, кристаллизующегося в последнюю очередь. В зависимости от условий охлаждения в одной и той же отливке усадочная раковина может быть открытой, закрытой, сосредоточенной и рассредоточенной. Кроме того, на глубину и место залегания усадочной раковины оказывает влияние конфигурация литейной формы. Объем усадочных раковин в отливках составляет (в процентах от начального объема жидкого металла): для стального литья 3–10 %; для белых чугунов 2,5–6 %; для серых чугунов 1,5–2,5 %; для высокопрочных чугунов 0–13 %.

Усадочная пористость – это скопления мелких пустот (пор), обычно неправильной формы, которые образовались в результате усадки без доступа жидкого металла. Усадочная пористость наиболее характерна для сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации. Различают рассеянную, осевую и местную усадочную пористость.

Основными средствами устранения усадочных дефектов

в отливках являются установка прибылей и выполнение принципа последовательного затвердевания.

Прибыль – это технологический элемент отливки, составляющий с ней единое целое. В ходе кристаллизации вся усадка должна сосредоточиваться в прибыли. После того как отливка будет извлечена из формы, металл, закристаллизовавшийся в прибыли, отделяют от готовой отливки. Прибыль, кроме того, может рассматриваться как средство ослабления усадочной пористости и как сборник загрязнений, попадающих в форму с расплавом.

Принцип последовательного затвердевания отливки заклю-

чается в том, чтобы обеспечить доступ жидкого металла в объемы отливки, затвердевающие в последнюю очередь. Для выполнения принципа последовательного затвердевания необходимо устанавливать несколько прибылей или использовать холодильники. Холодильники устанавливают в районе наиболее массивных частей отливки для увеличения их скорости охлаждения. Холодильники бывают наружные и внутренние.

79

Ликвация. Ликвацией называют неоднородность химического состава затвердевшего сплава. Ликвация может наблюдаться как в пределах одного зерна (дендрита), так и в различных зонах отливки. В соответствии с этим различают дендритную (микроскопическую) и зональную (макроскопическую) ликвацию.

Дендритная ликвация – это неоднородность химического состава в различных зонах одного зерна. Дендритная ликвация всегда имеет место при неравновесной кристаллизации сплавов, затвердевающих в интервале температур. В первую очередь дендритная ликвация наблюдается в сплавах, компоненты которых могут частично или полностью растворяться друг в друге в твердом состоянии. Дендритную ликвацию можно существенно уменьшить с помощью термической обработки – отжига. Температура нагрева при этом должна быть такой, чтобы обеспечить высокую скорость диффузии атомов для выравнивания химического состава в объеме зерна.

Зональная ликвация. При дендритной кристаллизации в расплаве всегда образуется легкоплавкий ликват, который в силу различных причин перемещается по объему будущей отливки и формирует в ней ликвационные зоны. В зависимости от месторасположения этих зон и причин перемещения ликвата зональную ликвацию подразделяют на прямую, обратную, гравитационную (ликвацию по плотности) и полосчатую. Зональную ликвацию в твердом сплаве устранить невозможно. Отжиг даже в течение нескольких десятков суток не оказывает на нее заметного влияния. В тех случаях, когда зональная ликвация недопустима, необходимо принимать меры для ее предотвращения. К таким мерам можно отнести перемешивание расплава, ускорение кристаллизации и специальное легирование сплавов.

Горячеломкость. Горячеломкостью называют склонность металлов и сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению при наличии жидкой фазы по границам зерен. Появление трещин в отливках представляет собой один из типичных видов брака. Трещины, обнаруживаемые в отливках, в зависимости от причин и момента их появления подразделяют на горячие и холодные.

80