Четвертая лекция. Методы получения стали.

Производство стали представляет собой передел чугуна в сталь и состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления (табл. 2.6).

Окисление железа, кремния, фосфора и марганца в сталепла­вильной печи происходит с выделением теплоты Q (экзотермическая реакция).

Fe + 1/20₂ = FeO + Q

2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q

5FeO + 2P = P₂0₅ + 5Fe + Q

FeO + Mn = MnO + Fe + Q

Проценты углерода и примесей в передельном чугуне и низкоуглеродистой стали

Материал	С	Si	Mn	Р	S
Чугун передельный	4...4,4	0,76... 1,26	До 1,75	0,15...0,3	0,03...0,07
Сталь низко-углеродистая	0,14...0,2	0,12...0,3	0,4...0,65	0,05	0,055

Процесс выплавки стали включает в себя три этапа.

На первом этапе удаляется фосфор — одна из наиболее вредных примесей. Для этого используют основной шлак, содержащий оксид кальция СаО.

Задача второго этапа — уменьшение содержания в металле углерода и серы. На этом этапе вводят руду, окалину, или непосредственно вдувают кислород. Шлак, со­держащий большое количество серы, удаляется.

Задачей третьего этапа является восстановление железа из ок­сида железа, то есть раскисление стали.

Сталь выплавляют в мартеновских печах, конвертерах и электри­ческих печах из передельного чугуна и стального лома.

Схема мартеновской печи:

Марте­новская печь представляет собой пламенную печь и имеет рабочее плавильное пространство в форме ванны (1), огра­ниченное сверху сводом (2). Через загрузочные окна (3) происходит загрузка чугуна, железного лома и легирующей шихты. По бокам расположены головки (4), служащие для попере­менной подачи и смешения газообразного топлива и воздуха, пред­варительно подогретых в регенераторах. Регенераторы (6) пред­ставляют собой камеры со специальными кирпичными насадками, которые нагреваются, а затем отдают тепло холодному воздуху и газу, подогревая их до температуры в пределах 1000... 1200ºС.

Вместимость мартеновских печей находится в пределах 200... 900 т. Для печи вместимостью 900 т площадь поверхности пода составля­ет 115 м². Съем стали в сутки в этом случае составляет более тысячи тонн при расходе топлива до 80 кг на тонну стали. Более про­изводительной и экономичной является выплавка стали в конвертерах.

Плавка в конвертерах вместимостью 130... 300 т заканчивается через 25... 50 мин, причем расходы на топливо резко снижаются.

Конвертерный процесс наиболее часто применяется в сталеплавиль­ных цехах металлургических комбинатов (заводов) для переделки чугуна в сталь путем продувки его в конвертере газами, содержащими кислород, либо технически чистым кислородом.

В металлургии для выплавки точных по составу сталей и сплавов нашли применение дуговые и индукционные элек­трические печи, печи электрошлакового переплава, а для уникальных сплавов - электрон­но-лучевые и плазменно-дуговые печи.

Пятая лекция. Цветные металлы и сплавы

Цветными металлами называют алюминий, магний, цинк, медь и сплавы на их основе. Они подразделяются на деформируемые и литейные.

Алюминий обладает высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, высокой теплопроводностью. Механические свойства алюминия могут быть повышены за счет введения в алюминиевый сплав легирующих элементов: кремния, цинка и марганца.

Кремний способствует повышению твердости алюминиевого сплава. Марганец вводят для повышения коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. Цинк способствует упрочнению алюминиевых сплавов.

Сплавы алюминий-кремний называются силуминами. Силумин обладает наиболее высокими литейными свойствами среди литейных сплавов Сложные алюминиевые сплавы, легированные кремнием, обладают высокой текучестью в жидком состоянии. Однако эти сплавы алюминия дают отливки с пористостью и раковинами.

Эксплуатационные свойства алюминиевых сплавов делают их незаменимым материалом для авиационной промышленности (табл. 1 и 2).

Магний имеет минимальную плотность, но из-за горючести как конструкционный материал в чистом виде не применяется, а только в виде сплавов. Магниевые сплавы прочны, имеют малую плотность, высокую удельную прочность и удовлетворительную коррозионную стойкость.

Легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий, цинк, марганец. Алюминий вводят для увеличения пластичности магниевого сплава. Цинк способствует повышению коррозионной стойкости магниевого сплава. Марганец вводят для увеличения прочности магниевого сплава (табл. 3).

Цинк и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью к атмосферным воздействиям. Цинк используют для оцинковки стального листового проката. Цинковые алюминиево-магниевые сплавы применяют для литых деталей и для антифрикционных вкладышей (табл. 4).

Медь имеет высокую электро- и теплопроводность, высокую пластичность и достаточную прочность. Основная область применения чистой меди – электротехника. Также ее используют для омеднения поверхностей стальных изделий с целью защиты от коррозии.

Наибольшее применение меди изделиях машиностроения - в виде сплавов с цинком, оловом, алюминием и бериллием.

Медно-цинковые сплавы называют латунью, которая обладает высокой прочностью и хорошей пластичностью в зависимости от количества цинка. Наибольшую пластичность имеют латуни, содержащие 30...32 % цинка, а наибольшую прочность - содержащие 42...45% цинка. Детали из латуни чаще получают давлением (табл. 5).

Сплавы на медной основе с добавками олова, свинца, алюминия, кремния, бериллия называют бронзой. Оловянно-свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и используются для изготовления подшипников скольжения. Безоловянные бронзы (с содержанием олова до 10 %) с добавлением фосфора и цинка обладают высокими механическими свойствами и имеют антифрикционные свойства.

Медные сплавы в целом обладают высокими литейными свойствами и достаточной технологической пластичностью, они обладают хорошей жидкотекучестью, но склонны к окислению, у них значительна линейная усадка - 2,0..3,0 %.

Таблица 1
Марка	Назначение
Алюминиевые сплавы деформируемые
АМц	Малонагруженные изделия и элементы конст­рукции, изготовляемые обработкой давлени­ем, обладающие высокой коррозионной стой­костью: бензо- и маслопроводы, патрубки, фланцы.
АМг,	Средненагруженные детали и элементы свар­ных конструкций, обладающие высокой кор­розионной стойкостью.
АМг6	Детали авиационной техники.
Д1	Детали каркасов авиационной техники, штам­пованные узлы креплений, лопасти винтов, заклепки.
АК6	Детали сложной формы, изготовляемые обра­боткой давлением, обладающие средней прочностью.
Д16	Детали каркаса, об­шивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюр са­молетов.

Таблица 2

Сплавы алюминиевые литейные
АЛ2 (силумин)	Детали агрегатов и приборов авиатехники.
АЛ9 (силумин)	Детали сложной конфигурации при требова­ниях герметичности и коррозионной стойко­сти: кронштейны, качалки, педали.
АК5М	Крупные и средние детали, подверженные значительным нагрузкам: корпуса форсунок, фермы, картеры головок цилиндров и другие детали.
АМ5	Детали агрегатов, эксплуатирующиеся при умеренных нагрузках и температурах не выше 175...300°С.
АМг10(АЛ27)	Силовые детали, эксплуатирующиеся при температурах от -60 до +60 °С в морской воде и под действием водяного тумана.

Таблица 3

Сплавы магниевые деформируемые
МА5	Изготовление высоконагруженных деталей (кронштейнов, качалок и др.) обработкой давлением.
МА11	Детали, нагревающиеся в процессе эксплуатации.
МА14	Высоконагруженные детали.
Сплавы магниевые литейные
МЛ5	Высоконагруженные детали сложной конфи­гурации, корпуса приборов и аппаратуры.
МЛ9	Средненагруженные детали сложной конфи­гурации.
МЛ11	Средненагруженные детали, эксплуатирую­щиеся при температурах до 300 °С.

Таблица 4

Сплавы цинковые литейные
ЦА4	Литые детали средней прочности со стабиль­ными размерами.
ЦАМ4-1	Литые детали средней прочности: корпусы карбюраторов, насосов
ЦАМ4-3	Детали повышенной прочности
Сплавы цинковые антифрикционные
ЦАМ10-5	Моно- и биметаллические детали в конструк­циях подшипников скольжения: вкладыши, втулки
ЦАМ9-1,5	То же, что и ЦАМ10-5, а также прокатаные полосы, предназначенные для направляющих скольжения металлорежущих станков

Таблица 5

Латунь (сплав медно-цинковый), обрабатываемая давлением,
Л68	Радиаторы, шайбы, прокладки, втулки.
ЛС59-1	Трубы, корпуса кранов, заглушки, тройники, жиклеры и др.
Латунь литейная
ЛЦ40С	Фасонное литье, втулки, сепараторы подшип­ников
ЛЦ30А3	Мелкие и средние, умеренно нагруженные детали, эксплуатирующиеся в коррозионно-активных средах
ЛЦ16К4	Детали арматуры и детали, эксплуатирую­щиеся в морской среде

Таблица 6

Бронза безоловянная, обрабатываемая давлением
БрАМц9-2	Нагруженные детали: червяки, шестерни, втулки
БрАЖ9-4	Детали, работающие на изнашивание: втулки и вкладыши подшипников, червячные колеса, сопряженные с термически обработанными червяками; детали насосов.
БрБ2	Упругие элементы, эксплуатирующиеся при повышенной температуре: пружины, клеммы, контакты
БрАЖН10-4-4	Ответственные детали, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного изнашивания: направ­ляющие, втулки, клапаны, шестерни
Бронза оловянная литейная
БрО8Ц4	Детали, изготовляемые из отливок, эксплуа­тирующиеся в пресной и морской воде, в па­ровоздушных и масляных средах
БрО3Ц12С5,	Детали, эксплуатирующиеся в условиях ин­тенсивного изнашивания: подшипники шпин­делей, венцы червячных колес в сопряжении с незакаленным червяком, литые вкладыши подшипников