книги из ГПНТБ / Макиенко, Н. И. Слесарное дело с основами материаловедения учебник

Мартеновская печь (рис. 21) представляет собой сложное сооружение, оснащенное совершенными механизмами для загрузки шихты и уборки продуктов плавки. Она оборудована автоматиче­ скими приборами для регулирования процесса горения и темпера­ туры в печи. Мартеновская печь состоит нз рабочего (плавильного) пространства 3, ограниченного сверху сводом 2, а снизу подом 17. Передняя стенка имеет завалочные окна 1, через которые загру­ жают шихтовые материалы. В задней стенке имеются отверстия

Рис. 21. Схема мартеновской печи:

/ — окно, 2 — свод, 3 — плавильное пространство, 4, 5, 15, 16 — головки, 6, 7, 13, 14 — регенераторы, 8, 12 — насадки, 9, 11 — клапаны, 10 — труба, П — под

для выпуска стали и шлака. В торцах печи расположены головки 4 и 5, 15 и 16, соединяющие плавильное пространство 3 с регене­ раторами 6 и 7, 13 и 14.

Генераторный газ и необходимый для сжигания воздух перед поступлением в плавильное пространство предварительно прохо­ дят через нагретую до температуры около 1200° С насадку 8 реге­ нераторов 6 и 7. Подогретые в регенераторах газ и воздух выходят затем по вертикальным каналам в правые головки 4 н 5, смеши­ ваются между собой в плавильном пространстве 3 и вступают в реакции горения. В результате горения газа температура под сво­ дом 2 повышается до 1650—1760° С. Газообразные продукты горе­ ния из плавильного пространства через левые головки 15 и 16 на­ правляются в регенераторы 13 и 14, нагревают их огнеупорную насадку 12 и далее поступают в трубу 10. Когда огнеупорная на­ садка 8 в регенераторах 6 \\ 7 начнет остывать, направление дви­ жения газа и воздуха посредством клапанов 9 и 11 переклю­ чается на насадку 12 регенераторов 13 и 14. Таким образом, обес­

40

печивается непрерывное поступление в плавильное пространство печи подогретых горючего газа и воздуха.

Большинство мартеновских печен работает па природном газе или смеси доменного и коксового газов.

Рмс. 22. Дуговая электрическая печь:

Технико-экономические показатели работы мартеновской печи резко повышаются при использовании кислорода как для интенси­ фикации сжигания топлива, так и для ускорения окисления приме­ сей. Кислород в этом случае подают через головки мартеновской печи.

П р о и з в о д с т в о с т а л и в э л е к т р о п е ч а х . Наиболее со­ вершенным способом производства стали является выплавка ее в электрических печах. Основные преимущества этих печей:

41

в плавильном пространстве температура достигает 2000° С, что способствует расплавлению металла с высокой концентрацией туго­ плавких компонентов (хрома, вольфрама, молибдена и др.) и хоро­ шему удалению серы и фосфора, а также неметаллических вклю­ чений. Сталь, полученная таким способом, по химическому составу лучше мартеновской;

можно выплавлять любые марки стали с содержанием задан­ ного количества таких элементов, как хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан и др.;

обеспечивается точность и простота регулирования температур; значительно уменьшается угар металла и особенно легирующих

элементов благодаря регулированию температуры.

Выплавку стали производят в дуговых и индукционных (высоко­ частотных) электрических печах. Наибольшее распространение получили дуговые электрические печи.

Идея использования образующегося при горении электрической дуги тепла для плавки металла была обоснована русским ученым, академиком В. В. Петровым в 1802 г.

Д у г о в а я э л е к т р и ч е с к а я п е ч ь (рис. 22) состоит из сварного стального цилиндрического корпуса (кожуха) 1, выло­ женного внутри огнеупорным кирпичом 2 (футеровка), съемного свода 3 с отверстиями, в которые пропущены соединенные провод­ никами с вторичной обмоткой трансформатора графитовые или угольные электроды 4 диаметром 200—500 мм. Графитовые элек­ троды более устойчивы при высоких температурах и имеют мень­ шее электросопротивление, чем угольные, поэтому их применение в электроплавильных печах более целесообразно. Число электродов соответствует числу фаз электрического тока. Длина электродов достигает 2 м. Электроды укрепляются в электрододержателях 5

ипри помощи специального механизма могут перемещаться вверх

ивниз и опускаться до верхнего уровня металла. Определенное расстояние между электродами и металлом в печи регулируется подъемом или опусканием электродов вручную или автоматически. Внизу электропечь ограничена подом.

Нагрев и расплавление шихтовых материалов производятся теплом, излучаемым тремя электрическими дугами, образуемыми между электродами и металлической шихтой при напряжении элек­ трического тока 180—350 в.

Механизм наклона позволяет поворачивать печь для выпуска стали и шлака в сторону отверстия и сливного желоба на 10—15°.

Современные дуговые печи строятся емкостью от 0,5 до 180 Т, наибольшее распространение имеют печи емкостью до 80 Т. Про­ должительность плавки в печах 3—-6 ч.

Электрические печи потребляют много электроэнергии, поэто­ му они используются, как правило, для получения только высоко­

качественной стали.

В целях повышения производительности электрических печен и снижения стоимости стали применяют производство стали мето­ дом дуплекс-процесса, заключающегося в выплавке металла после­

42

довательно в двух плавильных агрегатах: основном конверторе и электропечи или в мартеновской печи и электропечи. Экономиче­ ская и технологическая целесообразность расплавления и предва­ рительного удаления вредных примесей в первом агрегате и окон­ чательная переработка металла во втором агрегате очевидны: по­ вышается производительность, улучшается качество стали и умень­ шается расход электроэнергии.

перемешивание металла, способствуя этим очищению его от при­

месей.

Недостатком этих печей является их высокая стоимость, а так­ же необходимость иметь стойкие и прочные тигли, изготовление которых сложно. Расход электроэнергии при этом способе боль­ ше, чем в дуговых печах.

Э л е к т р о ш л а к о в а я п е р е п л а в к а является одним из новых методов получения высококачественных легированных ста­ лей — шарикоподшипниковых, быстрорежущих и др. Этот метод разработан сотрудниками Института электросварки им. Е. О. Па­ тона Академии наук Украинской ССР.

Метод электрошлаковой переплавки состоит в том, что получен­ ные обычным способом стали перерабатываются на электроды (слитки) диаметром до 150 мм и длиной 2—6 м для последующей их переплавки в электрошлаковой печи.

Сущность этого процесса состоит в том, что плавление указан­ ных электродов (слитков) происходит за счет тепла, выделяюще­ гося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Этот процесс срав­ нительно прост. Электрод (слиток) 1 (рис. 24) устанавливают в медный полый (для охлаждения) цилиндр 2, ко дну которого при­ креплен поддон 4 с шайбой (затравкой) 3 из переплавляемой

43

стали. На шайбу 3 насыпают электропроводный флюс, состоящий из порошка алюминия с магнием, а в пространство между элек­

скопления, что является одной из причин разрушения изделий. Кро­ ме того, в слитках отсутствуют усадочная рыхлость, пористость, что очень важно для деталей, работающих в условиях ударных на­ грузок.

§ 11. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ

Применяемые в машиностроении стали разделяют иа марки по способу производства, по химическому составу и по назначению.

инструментальные и стали с особыми физическими свойствами. Конструкционные стали, в свою очередь, делят на строитель­

ные и машиностроительные.

По с п о с о б у в ып л а в к и , от которого зависит качество ме­ талла, углеродистая сталь разделяется иа сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную.

По с п о с о б у п р о и з в о д с т в а сталь разделяют па конвер­ торную (бессемеровскую и томасовскую), мартеновскую и электро­ сталь. Различают также спокойную и кипящую сталь.

Сталь с п о к о й н о й плавки при разливке в изложницу выде­ ляет мало газов и не кипит. Она полностью раскислена (очищена

44

от закиси железа) марганцем, кремнием, алюминием, спокойно затвердевает, слиток получается плотным с образованием в верх­ ней части усадочной раковины.

К и п я щ а я сталь при разливке кипит, выделяя большое коли­ чество газов. Это объясняется тем, что сталь заливается в излож­ ницы не полностью раскисленной и при понижении температуры часть углерода вступает в реакцию с оставшейся закисью желе­ за *. Окись углерода не успевает выделиться из затвердевающего металла, оставаясь в нем в виде газовых пузырей, которые завари­ ваются в слитке при последующей его прокатке. Кипящая сталь хорошо сваривается и штампуется, особенно при глубокой вытяжке (кузовы легковых автомобилей, бензобаки), но по прочностным

с содержанием углерода 0,85%.

Из конструкционной стали изготовляются детали машин и ме­ таллических конструкций. Эта сталь обладает хорошей прочностью, сопротивлением удару, хорошо обрабатывается.

По качественным признакам конструкционная углеродистая сталь делится на сталь обыкновенного качества и качественную.

С т а л ь о б ы к н о в е н н о г о к а ч е с т в а применяется для строительных конструкций, крепежных деталей, листового и про­ фильного проката, заклепок, труб, арматуры, проволоки и др.

К а ч е с т в е н н а я с т а л ь идет на изготовление деталей, кото­ рые требуют более высокой пластичности и большего сопротивле­ ния удару, деталей, работающих при повышенных давлениях — для зубчатых колес турбин, винтов, болтов, для деталей, подлежащих цементации, для сварных изделий.

На у г л е р о д и с т у ю с т а л ь о б ы к н о в е н н о г о к а ч е ­ ст ва установлен стандарт. Эта сталь изготовляется в мартенов­ ских печах, конверторах с продувкой кислородом и в бессемеров­ ских конверторах. По степени раскисления сталь изготовляется

45

и относительное удлинение) и маркируется буквами Ст, за кото­ рыми следует цифра: 0; 1; 2 и т. д. до 6. Чем больше цифра в марке, тем больше содержание углерода, тем выше предел проч­ ности и тем ниже относительное удлинение.

Сталь группы А поступает с металлургических заводов в виде термически обработанного проката (балки, прутки, ленты, прово­ лока и т. д.) и используется для неответственных детален машин, металлических конструкций, арматуры, топочных устройств и дру­ гих изделий, не подвергающихся термической обработке.

С т а л ь г р у п п ы Б поставляется с гарантией по химическому составу. В марке буквами указывается способ выплавки: М — мар­ теновская сталь, Б — бессемеровская, К —-конверторная, получен­ ная продувкой металла кислородом сверху; цифра в марке пред­ ставляет число, характеризующее химический сострв стали, а бук­ вы «кп» — сталь кипящая, «пс» — сталь полуспокойная, «сп»:— сталь спокойная.

Сталь группы Б изготовляется следующих марок:

мартеновская — МСтО, МСтІ, МСт2, МСтЗ, МСт4, МСт5, МСтб; конверторная — КСтО, КСтІ, КСт2, КСтЗ, КСт4, КСт5, КСтб; бессемеровская— БСтО, БСтІ, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5 п БСтб. Из стали группы Б изготовляют конструкции, различные резер­ вуары, бандажи и оси вагонных колес, железнодорожные рельсы,

с буквы В, затем следуют те же элементы обозначения, что и группы сталей А и Б.

Сталь группы В изготовляется следующих марок: мартеновская — ВМСт2, ВМСтЗ, ВД4Ст4, и ВМСтБ; конверторная — ВКСт2, ВКСтЗ, ВКСт4 и ВКСтБ.

Из стали группы В изготовляют сварные конструкции, неответ­ ственные детали машин, валы, оси и т. д.

У г л е р о д и с т а я к а ч е с т в е н н а я к о н с т р у к ц и о н н а я

дели, зубчатые колеса, валы, оси и т. и.). Качественная конструк­ ционная углеродистая сталь поставляется с гарантированными механическими свойствами и химическим составом в виде обжатых болванок, слитков, листов, прутков, полос, лент и др.

ние углерода в сотых долях процента, буква Г обозначает повы­ шенное содержание марганца.

46

И н с т р у м е н т а л ь н ы е у г л е р о д и с т ы е с т а л и (ГОСТ 1435—54 *) содержат углерода от 0,65’ до 1,35% и марганца до 0,4%. Эта сталь применяется для изготовления режущего, измеритель­ ного, штампового п другого инструмента после соответствующей термической обработки (закалка и отпуск).

Инструментальная углеродистая сталь подразделяется на каче­ ственную и высококачественную. Качественная сталь отличается от высококачественной меньшим содержанием серы, фосфора и большим содержанием легирующих примесей — хрома и никеля. Однако твердость высококачественной стали не выше, чем твер­ дость качественной, но высококачественная сталь прочнее, лучше сопротивляется действию ударных нагрузок и при закалке дает меньше брака.

Марки этой стали обозначаются так: качественная сталь — У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественная — У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У1ІА, У12А и др. Цифры, стоящие после бук­ вы У, показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Индекс А в конце марки показывает, что сталь высоко­ качественная, буква Г — повышенное содержание марганца.

Из стали У7, У7А изготовляют зубила, молотки, штампы и другие инструменты и изделия, подвергающиеся ударам; из стали У8, У8А, У8Г, У8ГА — матрицы, пуансоны, ножи и ножницы по металлу, отвертки и другой инструмент.

Сталь У10, У10А применяется для изготовления различных ин­ струментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам; инст­ рументов, которые должны иметь высокую твердость при незначи­ тельной вязкости, например резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, ножовочные полотна, напильники и др.; сталь У11, У11А, У12, У12А применяется для инструментов с требованием высокой твердости: напильники, шаберы, сверла, часовой инструмент, пилы по металлу и др.

§ 13. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали получают путем введения различных эле­ ментов, в результате чего существенно изменяются механические, физические и химические свойства. Элементы, специально вводи­ мые в сталь для получения требуемых свойств, называются леги- р у ю щ и м и.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Хр о м (Сг) повышает твердость, прочность и пластичность, сохраняет вязкость, увеличивает сопротивляемость стали коррозии, повышает прокаливаемость, позволяет производить закалку в мас­ ле, что значительно снижает возможность деформации деталей. Хрома вводят в сталь 1,5—2,5%, для специальных целей — до 30%.

47

удару, уменьшает коэффициент теплового расширения, а также увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем.

В о л ь ф р а м (W) повышает твердость, прочность, красностой­ кость, не снижая вязкости, позволяет получать сквозную прокаливаемость и осуществлять закалку на воздухе. Это дефицитный п дорогой металл.

К р е м н и й (Si) при содержании в стали более 0,4—0,6% по­ вышает упругие свойства стали. Этот элемент увеличивает также электросопротивление стали, что делает кремнистые стали цепным материалом для электротехнической промышленности. Кремний по­ вышает и сопротивление сталей разъеданию кислотами, т. е. де­ лает их кислотоупорными.

повышает твердость, износоустойчивость, стойкость при ударных нагрузках без снижения пластичности, увеличивает прокаливаемость, но делает сталь более чувствительной к перегреву при тер­ мической обработке.

Мо л и б д е н (Мо) повышает красностойкость, упругость, пре­ дел прочности при растяжении, антикоррозионные свойства и со­

менты вводят в трансформаторные, окалиностойкпе и нержавею­ щие стали.

Классификация и маркировка легированных сталей

По н а з н а ч е н и ю легированные стали делят на три группы:

го, поверочного и ударно-штамповочного и другого инструмента; с т а л ь с о с о б ы м и ф и з и ч е с к и м и и м е х а н и ч е с к и-

ванные стали делят также на три группы:

48

н и з к о л е г и р о в а н н ы е с т а л и (ГОСТ 5058—65 *), содер­ жащие легирующих элементов до 2,5%• По механическим свойст­ вам эти стали превосходят углеродистую сталь, хорошо сварива­

тов более 10%.

П о X и м и ч е с к о м у с о с т а в у и м е х а н и ч е с к и м с в о й ­ с т в а м легированные стали делятся на качественные и высокока­ чественные.

Принято обозначение легирующих элементов, входящих в со­ став стали, буквами русского алфавита:

М а р к и р о в к а л е г и р о в а н н о й с т а л и. Для обозначения легированной стали в СССР пользуются определенным сочетанием цифр и букв, показывающих примерный состав стали. Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры, стоящие перед буквами, указывают среднее со­ держание углерода в стали в сотых долях процента.

Если перед буквами стоит одна цифра, то она выражает содер­ жание углерода в десятых долях процента; при содержании угле­ рода свыше 1% цифру перед буквами не ставят. За цифрами сле­ дуют буквы, показывающие наличие соответствующих легирующих элементов в составе стали. Цифры за буквами показывают среднее процентное содержание легирующего элемента. Если содержание элемента до 1,5%), то цифра отсутствует; если содержание элемен­ та около 1,5%, то ставится цифра 1; если около 2%, то ставится цифра 2 и т. д.

Для стали инструментальной легированной порядок маркировки по легирующим элементам тот же, что и для конструкционной, но количество углерода указывается первой цифрой в десятых, а не в сотых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содер­ жит около или более 1 % углерода.

Для обозначения высоколегированной стали в конце маркировки добавляют букву А. Высококачественная сталь содержит меньше серы и фосфора, чем качественная. Например, марка 15ХА обозна­ чает хромистую сталь (буква X), содержащую 0,15%) углерода и около Г% хрома.