Лекции по "Материаловедению"

К недостаткам сварки под флюсом можно отнести невидимость  места сварки, закрытого толстым  слоем флюса, и довольно значительные расход и стоимость флюса. Невидимость места сварки повышает требования к точности подготовки и сборки изделия под сварку, затрудняет сварку швов сложной конфигурации. Расход флюса по весу в среднем равняется весу израсходованной проволоки, и стоимость его оказывает существенное влияние на общую стоимость сварки.

Применение для сварки под флюсом дуговых автоматов  особых осложнений не вызывает, дуга под  флюсом обычно устойчивее открытой дуги. Переход на сварку под флюсом потребовал лишь увеличения сварочных токов и соответственного увеличения размеров и усиления конструкции автоматов. Сварка под флюсом в большинстве случаев ведется на токе высоких плотностей, поэтому широко применяются автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки.

49. Производство чугуна и стали. Основные химические процессы.

Металлы и сплавы по химическому  составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В  чистом виде металлы используются редко, а в основном - в виде сплавов.

Чугун и сталь это  сплавы железа с углеродом, в которых  неизбежно наличие примесей других химических элементов:

 Сталь:   Fe +    С  ( < 2 % ) +     примеси  (относительно немного);

Чугун:    Fe +    С  ( > 2 % )+       примеси (больше, чем у стали).

Что общего и в чем  различия между этими сплавами?

Основа одна  —  железо. Главное отличие заключается  в том, что чугун имеет повышенное  содержание углерода (свыше   2 % в  чугунах и до 2 %  в сталях) Граница  между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве .Так же больше  во многих чугунах марганца, серы, фосфора и  кремния.

Стали чаще всего более  твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие,  но обладают хорошими литейными свойствами.   Сталь является производной от чугуна, т.к.  производство её в основном двух стадийное:    из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Почти половина разведанных  мировых запасов железа находится  на территории государств СНГ.   Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире . Причинами этого «достижения» были  : несовершенство  конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых  чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного  производства, ,строительных и дорожных работ.  Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И, кроме того, зарытого металла  в земле на стройках, брошенного  на свалках, в лесах,  болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане  производство черных металлов развивалось  по следующим этапам:

Сыродутный процесс  ( 1500 лет до н. э. ). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до    0,5… 0,6 кг  железа. В кузнечных   горнах железо восстанавливалось из руды углём  при продувке воздухом  с помощью кузнечных мехов.

Сначала при горении  древесного угля образовывалась окись  углерода,  которая и восстанавливала  чистое железо из руды.

В  результате   длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки  чистого железа, которые сваривались  между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и  хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре  (до 1100…1350 oС), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло  в твердой  фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ  до XIV  века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но  был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что  исторически  самым первым сварщиком металлов был  кузнец, а самый первый способ сварки - это кузнечная сварка.

С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна)  оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком.

В XIV век  в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час  железа. Использовалось  водяное колесо для подачи воздуха.

Кричный передел - это  процесс рафинирования  чугуна (снижение количества  C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

В конце  XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо  в доменном процессе и в пудлинговом  процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом  веке,  выплавляли чугун, а  далее получали  сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или  прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

В конце XIX века — почти одновременно внедряются три  новых процесса получения  стали:  бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает  резко (до 6 тн/час).

В середине  XX века: внедряются  кислородное дутье, автоматизация процесса и  непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом  процессах железо не плавилось (технический  уровень того времени не давал  возможность обеспечить температуру  его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за  резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с  пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём  имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих  90… 95 % железа) и выплавка стали в  электропечи.

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это  сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора.  Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков  При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем  количество углерода, марганца, серы и  фосфора. Сталь  получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее  производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 oС.  Газ и  воздух  предварительно  подогреваются  ( до 1200…1250 oС) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества  выплавляют  в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как  и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую  хром, вольфрам и др.  Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и  оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и  плавикового шпата.

Индукционная плавка  применяется  обычно для переплавки сталей и   получения  высоколегированных и специальных сталей в условиях  вакуума или  специальной регулируемой  атмосферы.