Металлы в строительстве, металлические конструкции

 

4. Основные технологические процессы и оборудование

 

 

 

Рис. 4.1 Технологическая схема производства стали

 

Качество стали - характеристика многомерная, хорошо описываемая матрицей свойств, составов и т.д. Металл может оказаться  непригодным даже когда не выполнено  хотя бы одно из условий работоспособности. А выполнимость почти каждой из норм сегодня зависит не от одного агрегата или режима, а от всей технологической цепочки. Поэтому не только уровень, но и полный перечень обязательных материаловедческих и технологических норм для продукции - предмет обстоятельного анализа перед разработкой любых металлических изделий.

В этой связи  современная технология производства высококачественной стали должна обеспечивать строгое соответствие технологических  параметров заданным значениям. Для  достижения этого в технологических указаниях должны быть оговорены каждый из этапов сталеплавильного передела: от подбора шихты, до сдачи слитка. Ниже кратко рассмотрена общепринятая сегодня концепция технологии производства стали для ответственных изделий машиностроения. Технология должна быть основана на постоянном экспрессном контроле технологических параметров и направлена на получение заданного стандартного состояния металла перед разливкой, определяемого требованиями к свойствам готовой металлопродукции. Технологическая цепочка при этом должна обязательно включать следующие этапы:

-подготовка шихтовых материалов с целью обеспечения заданного содержания цветных и других неудаляемых примесей в конечном металле и снижения расхода электроэнергии (за счет подбора размеров компонентов шихты).

-получение полупродукта с заданным содержанием примесных и легирующих элементов, заданным содержанием углерода, активностью кислорода и, конечно, с заданной температурой;

-отсечку печного шлака при выпуске или на специальном стенде с целью предотвращения ресульфурации, рефосфорации и вторичного окисления;

-наведение нового высокоосновного шлака;

-максимально раннее после выпуска глубокое  (аО  < 10 ppm) раскисление металла;

 

-вакуумирование, причем если требуется глубокая десульфурация ([S] < 0,002 %) более предпочтительно ковшевое вакуумирование, где имеет место наиболее интенсивное и полное перемешивание металла со шлаком;

-если требуется достаточно продолжительная внепечная обработка необходимо устройство для нагрева металла;

-обработку металла кальцийсодержащими материалами с помощью трайб-технологии;

-разливку металла из стандартного состояния (описываемого такими параметрами, как температура, окисленность и содержание водорода и азота) с обязательной защитой от вторичного окисления.

Детальные корректировки технологии определяются индивидуальными условиями предприятия. В любом случае, разработка комплексной технологии производства высококачественных марок стали для конкретного предприятия предполагает:

-проведение комплексного технико-экономического анализа проекта;

-выполнение проектно-конструкторских работ;

-обоснование и разработка оптимальных технологических решений и маршрутов;

-поставка необходимого набора оборудования;

- освоение оборудования, технологии и обеспечение ее устойчивой длительной эксплуатации (гарантийное и послегарантийное обслуживание);

-мировой уровень качества и конкурентоспособность выпускаемой продукции.

 

Ниже рассмотрены  четыре основных этапа металлургического  передела: подготовка шихты, выплавка, внепечная обработка и разливка. Рассмотренная схема относится к машиностроительным заводом, на которых плавление осуществляют в дуговых печах, а сталь разливаю в слитки.

Подготовка шихты

Основным сырьем для выплавки стали в электродуговых печах, в отличие от конвертеров, является твердая металлошихта, состоящая преимущественно из металлоотходов собственных металлургических производств и поступающего со стороны товарного лома. К регламентируемым показателям качества металлошихты во всем мире относят, прежде всего, такие факторы, как определенность химического состава, насыпная плотность и габаритные размеры отдельных составляющих шихты.

Требования  к химическому составу металлической  части шихты предъявляют, исходя из заданного содержания в готовом  металле не удаляемых в ходе металлургического  передела элементов. Так, если низкое содержание серы и фосфора, а также газов может быть достигнуто за счет оптимизации режима выплавки и рафинирования в открытых плавильных агрегатах и технологии внепечной обработки в ковше, то удаление мышьяка и примесей цветных металлов при выплавке стали в открытых агрегатах практически невозможно, а её рафинирование в процессе вакуумной плавки не позволяет получить качественную сталь в достаточном количестве и значительно увеличивает стоимость готовых изделий. Проблема рафинирования стали от примесей цветных металлов усугубляется тем, что в стальном ломе в процессе его оборота эти примеси постоянно накапливаются. Между тем примеси цветных металлов образуют в процессе кристаллизации легкоплавкие эвтектики по границам дендритов, что ослабляет междендритные границы, как первичные структуры первичного металла, это, в конечном счёте, влияет на поверхностные дефекты. Кроме того, примеси цветных металлов ухудшают обрабатываемость стали давлением в горячем состоянии, ухудшают свариваемость и т.д. По этим причинам к материалам для ответственных изделий предъявляют жесткие требования по содержанию цветных примесей.

Определенные  требования предъявляют и к фракционному составу металлошихты. Наличие такого рода требований обусловлено тем, что  шихта высокой насыпной плотности, имеющая стабильный оптимальный размер кусков, позволяет ограничиться лишь одной подвалкой, исключив тем самым необходимость второй подвалки с соответствующим отключением печи, отводом свода с электродами и т.д. Это, в свою очередь, позволяет существенно форсировать плавку.

Кроме того, от фракционного состава используемой металлошихты зависят технико-экономические  показатели работы плавильного агрегата, в том числе угар металла, определяющий выход жидкого (годного) металла.

Важным фактором, влияющим на угар металлошихты в сталеплавильном процессе, является величина ее активной поверхности, которая определяет степень взаимодействия шихты с кислородом. Активная поверхность зависит в основном от ее толщины (диаметра), которая может быть оценена насыпной массой. В технико-экономических показателях сталеплавильных процессов величина угара лома является важной статьей, определяющей производительность агрегата и себестоимость стали. При использовании на плавку различных видов шихты (прежде всего различных видов лома) угар металла значительно изменяется.

 Выплавка стали

На всех машиностроительных предприятиях в конструкциях электропечей средней и большой емкости  стремятся реализовать современные  технические решения, обеспечивающие эксплуатационные преимущества, направленные на сокращение периода плавки, удельного расхода электроэнергии, уменьшение длительности ремонтов, повышение надежности работы исполнительных механизмов, снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности, удобства эксплуатации и пр. В связи с этим современные электропечи, используемые в том числе на мировых машиностроительных заводах, имеют современные конструкции ванны с разъемным кожухом, донным (эркерным) выпуском металла с гарантированной отсечкой шлака, новые опорно-поворотные системы подъема-поворота свода, улучшенные конструкции водоохлаждаемых элементов, систем теплоконтроля, современные системы регулирования мощности, гидроприводов, водо- и газоснабжения, современные системы вторичного токоподвода в которых используются токоведущие рукава электрододержателей, а расчетная несимметрия фаз токоподвода составляет не превышает 2  %, печные трансформаторы с высокой удельной мощностью  и повышенным для такого типоразмера печей вторичным напряжением, комплекты оборудования средств интенсификации плавки с использованием дополнительных источников тепла и системами вспенивания шлака, а также многое другое.

Внепечная обработка

Сталь для ответственных  изделий производят с обязательной внепечной обработкой, включающей вакуумирование.

При этом решающими  факторами, обеспечивающими эффективность и производительность процессов внепечной обработки, являются высокая эксплуатационная готовность, короткий цикл загрузки, низкие показатели расхода, а также снижение расходов на зарплату. Важным фактором качественного выполнения технологии внепечной обработки является:

-тонко настроенная автоматическая система управления технологическим процессом, обеспечивающая эффективное использование персонала и сокращение производственного цикла;

 -точное определение расчетных параметров для используемых материалов может гарантировать проверяемое соответствие расходным показателям;

- правильный выбор конструкции агрегата ведет к сокращению до минимума стоимости площадей, необходимых для размещения вакуумного насоса, системы подачи легирующих и вакуум-камер

На предприятиях мировых лидерах по производству металла для нужд машиностроения вакуумирование проводят на установках как ковшевого (VD), так и порционного (DH) и циркуляционного (RH) вакуумирования. Наиболее распространены ковшевые вакууматоры, так как именно вакууматоры такого типа позволяют обеспечить интенсивное перемешивание металла со шлаком проведя, тем самым, глубокую десульфурации.

Разливка

На машиностроительных заводах сталь преимущественно  разливают в слитки. При этом как  правило используют сифонную разливку. Высококачественные марки стали могут также разливать в вакууме. [5]

5. Основные свойства продукции

 

Металлам присущи  высокая пластичность, тепло- и  электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов  периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для  металлических сплавов, особенно конструкционных, важное значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием  внешней нагрузки в твердом теле возникают  напряжение и деформация. Напряжение σ, кгс/мм² — это нагрузка (сила) Р, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F_o образца:

 

σ = P/F_o (5.1)

 

В СИ Р измеряют в кгс или Н, F_o - в м², σ - в Па. 1 кгс/мм² = 9,80665 МПа.

В зависимости  от способа приложения нагрузки методы  испытания механических свойств  металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Деформация — это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п.

 

 

Рис. 5.1. Диаграмма растяжения,

типичная для  ряда металлов.

 

Рис. 5.2. Схема определения

твердости по Бринеллю .

 

Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все  возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в  пластическую, и далее образец разрушается.

Прочность — способность металлов оказывать сопротивление  деформации или разрушению статическим, динамическим или  знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических  нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках — усталостной прочностью.

Прочность при  испытании на растяжение оценивают  следующими характеристиками (рис.5.1).

• Предел прочности  на разрыв (предел прочности или  временное сопротивление разрыву) σ_в — это напряжение, отвечающее  наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрушению образца:

σ_в = P_вF_о (5.2)

Эта характеристика является обязательной для металлов.

• Предел пропорциональности σ_пц — это условное напряжение РПЦ, при котором начинается отклонение от пропорциональной  зависимости между деформацией и нагрузкой:

σ_пц = P_пц/F_о (5.3)

 

При нагрузках  до значения Р_пц растяжение соответствует упругой деформации образца. При нагрузках выше значения Р_пц происходит пластическая деформация, что приводит к остаточному удлинению образца.

• Предел текучести σ_т — это напряжение Р_т, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

 

σ_т = P_т/F_о (5.4)

 

Пластичность — свойство металлов деформироваться без  разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом δ и относительное сужение перед разрывом ψ. Эти характеристики определяют при испытании на растяжение (при определении δ_в), а их численные значения вычисляют по  формулам:

δ =[(I_k-I₀)/I₀]100%, (5.5)

 

ψ=[(F₀-F_k)]100% (5.6)