Технология металлов и сплавов


                ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ




УЧЕБНИК





Под редакцией доктора технических наук, профессора А. Е. Гвоздева









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.7+669
ББК 34
   Т38





Авторы:

Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, В. И. Золотухин, А. Н. Сергеев, А. Д. Бреки, О. В. Кузовлева, Г. М. Журавлёв, Д. А. Провоторов




Рецензенты:


Гадалов В. Н., проф., д-р техн. наук, Юго-Западный государственный университет; Епархин О. М., проф., д-р техн. наук, директор Ярославского филиала Московского государственного университета путей сообщения






Т38      Технология металлов и сплавов : учебник / [Н. Н. Сергеев и др. ] ;
      под ред. д-ра техн. наук, проф. А. Е. Гвоздева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 480 с.: ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0464-8

      Рассмотрены технологии производства чугуна, стали и цветных металлов, получения из них заготовок методами литья, обработки давлением, порошковой металлургии, сварки, пайки, склеивания, резания, сверхпластического деформирования, лучевого, лазерного, элекрохимического, электрофизического воздействия, термической, химико-термической, полугорячей штамповки и термомеханической обработки. Приведены примеры инновационных технологических разработок в области процессов внепечной обработки металлических расплавов и современных сталеразливочных систем, применяемых на промышленных предприятиях. Показаны перспективы развития наноматериалов и современных композиционных материалов триботехнического назначения.
      Для студентов бакалавриата технических специальностей. Учебник может быть полезен студентам экономических направлений подготовки.

                                                           УДК 621.7+669
                                                           ББК 34




ISBN 978-5-9729-0464-8

   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................7
1. ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА...................8
  1.1. Структура и продукция металлургического производства....8
  1.2. Производство чугуна.....................................9
  1.3. Производство стали.....................................11
  1.4. Основы внепечной обработки металлических расплавов.....15
  1.5. Современные сталеразливочные системы...................17
  1.6. Особенности производства цветных металлов..............21
2. ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА..........................25
  2.1. Сущность и основные способы литья......................25
  2.2. Литье в песчаные формы.................................26
  2.3. Оболочковое литье......................................29
  2.4. Литье по выплавляемым моделям..........................30
  2.5. Литье в кокиль.........................................32
  2.6. Литье под давлением....................................34
  2.7. Основные дефекты литья и их исправление................36
3. ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ....................37
  3.1. Сущность и основные способы............................37
  3.2. Нагрев металла и нагревательные устройства.............39
  3.3. Прокатка...............................................42
  3.4. Волочение..............................................46
  3.5. Ковка..................................................49
  3.6. Штамповка..............................................52
  3.7. Ротационное обжатие....................................58
4. ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ..........................60
  4.1. Технологии получения порошковых быстрорежущих сталей...62
  4.2. Технология получения и применение порошковой проволоки для производства качественных сталей..............67
  4.3. Конструкции и технологии изготовления порошковой проволоки.68
5. ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ, ПАЙКИ И СКЛЕИВАНИЯ......................76
  5.1. История развития сварочного производства...............76
  5.2. Физические основы сварки...............................76
  5.3. Классификация способов сварки..........................78
  5.4. Типы сварных соединений................................78
  5.5. Ручная электродуговая сварка открытой дугой............80
  5.6. Дуговая сварка под слоем флюса.........................82
  5.7. Дуговая сварка в среде защитного газа..................84
  5.8. Электроконтактная сварка...............................86
  5.9. Оборудование и технология электродуговой сварки........88
  5.10. Газовая сварка и резка металла........................93
  5.11. Оборудование и технология газовой сварки..............98
  5.12. Пайка материалов.....................................103
  5.13. Склеивание материалов................................108

3

6. ТЕХНОЛОГИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ................................111
  6.1. История развития.....................................111
  6.2. Структура наноматериалов.............................114
  6.3. Классификация наноматериалов.........................115
  6.4. Способы получения наноматериалов.....................117
  6.5. Свойства наноматериалов..............................118
  6.6. Высокая деформационная способность наноматериалов....119
  6.7. Области применения наноматериалов....................120
7. ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ...................129
  7.1. Основы процесса резания металлов.....................129
  7.2. Трение и деформация металла при резании..............135
  7.3. Силы и тепловыделение в процессе резания.............139
  7.4. Типы и геометрия резцов..............................143
  7.5. Точение и строгание...................................147
  7.6. Сверление, зенкерование и развертывание...............157
  7.7. Фрезерование и протягивание..........................165
  7.8. Шлифование металлов..................................172
8. ТЕХНОЛОГИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ..................185
  8.1. Основные понятия, признаки и количественные оценки сверхпластичности.........................................185
  8.2. Закономерности развития и условия проявления сверхпластичности.........................................187
  8.3. Модели состояния сверхпластичности...................190
  8.4. Механизмы сверхпластичности..........................196
  8.5. Объекты сверхпластичности............................199
  8.6. Применение эффекта сверхпластичности.................207
9. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ.....................................................210
  9.1. Основы устройства металлорежущих станков (МРС).......210
  9.2. Токарно-винторезный станок...........................220
  9.3. Сверлильные станки...................................227
  9.4. Фрезерные станки.....................................233
  9.5. Строгальные и шлифовальные станки....................239
10. ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО
НАЗНАЧЕНИЯ..................................................253
  10.1. Композиционные материалы триботехнического назначения с полимерными матрицами и наполнителями из высокодисперсных частиц слоистых модификаторов трения......................253
  10.2. Нефтяные маслатриботехнического назначения: дисперсные
  компоненты и наполнители...................................272
  10.3. Микробиологические повреждения масел, смазок и специальных жидкостей....................................291

4

11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ....................296
  11.1. Электрофизические методы обработки материалов..........297
  11.2. Электрохимические методы обработки материалов..........301
  11.3. Лучевые методы обработки...............................311
  11.4. Ультразвуковая обработка...............................315
12. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ.............................317
  12.1. Технологические особенности процессов..................317
  12.2. Анализ процессов обработки сталей......................322
    12.2.1. Исследование деформированного состояния............322
    12.2.2. Исследование температурного состояния..............329
  12.3. Исследование процессов деформирования..................334
    12.3.1. Постановка задачи и выбор метода анализа...........335
    12.3.2. Расчет силовых параметров пластической деформации материала в процессах обратного и прямого выдавливания................................................337
    12.3.3. Синтез точных D-оптимальных планов экспериментов для прямого выдавливания....................................344
    12.3.4. Построение математических моделей эффекта сверхпрочности сталей при прямом выдавливании...............347
    12.3.5. Расчет температурного поля в заготовке и в зоне пластической деформации.....................................348
    12.3.6. Закономерности изменения критериев сверхпластичности при прямом выдавливании сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП.............351
    12.3.7. Определение рациональных температурно-скоростных областей деформирования и оптимальных условий
    сверхпластичности для прямого выдавливания сталей..........357
    12.3.8. Анализ напряженно-деформированного состояния.......359
    12.3.9. Влияние напряженного состояния на сверхпластичность быстрорежущих сталей.......................................368
    12.3.10. Определение показателя напряженного состояния и расчет ресурса пластичности...............................372
    12.3.11. Определение остаточных напряжений в зоне деформации после охлаждения.................................375
    12.3.12. Структурные изменения в сталях в результате сверхпластической деформации при различных схемах напряженного состояния.....................................377
  12.4. Проектирование технологических процессов...............386
    12.4.1. Методика проектирования технологических процессов..387
    12.4.2. Реализация технологий изготовления полуфабрикатов кольцевого и стержневого инструмента........................399
    12.4.3. Особенности подготовки производства заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности.....401
    12.4.4. Производство заготовок концевого быстрорежущего
    инструмента прямым выдавливанием в условиях сверхпластичности..........................................403

5

    12.4.5. Производство заготовок дисковых резаков из
    быстрорежущих сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП сверхпластическим деформированием.........................................409
13. ТЕРМИЧЕСКАЯ И КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ............................................414
  13.1. Основы термической обработки........................414
    13.1.1. Сущность ивиды термообработки...................414
    13.1.2. Превращения в сталях при нагревании.............417
    13.1.3. Превращения в сталях при охлаждении.............420
  13.2. Отжиг и нормализация................................425
    13.2.1. Назначение и сущность основных видов отжига.....425
    13.2.2. Режимы проведения отжига........................428
    13.2.3. Дефекты отжига и меры их устранения.............429
  13.3. Закалка и отпуск сталей.............................429
    13.3.1. Сущность и основные способы закалки.............429
    13.3.2. Отпуск сталей...................................436
    13.3.3. Дефекты закалки и отпуска.......................440
  13.4. Сущность и виды химико-термической обработки........440
  13.5. Цементация и азотирование стали.....................442
  13.6. Термомеханическая обработка.........................448
ЛИТЕРАТУРА..................................................450
ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................469
ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................472

6

            ВВЕДЕНИЕ



     В учебнике рассматриваются различные технологии конструкционных и эксплуатационных материалов. Анализируются металлургические технологические процессы производства важнейших конструкционных материалов: стали и чугуна, а также широко применяемых цветных металлов (меди, алюминия, магния и титана) для машиностроительной, авиационной, ракетной, автомобильной, электротехнической и микроэлектронной промышленности, объем выпуска которых составляет индустриальную, экономическую и оборонную мощь любого государства.
     Рассмотрены новые перспективные процессы внепечной обработки жидких металлических расплавов, которые обеспечивают получение металлов и сплавов высокого качества. Проанализированы технологии обработки металлов давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение, ротационное обжатие) и литьем (в песчаные формы, под давлением, по выплавляемым моделям, в кокиль, в оболочковые формы) при получении поковок и отливок из деформируемых и литейных металлических материалов. Обсуждаются различные процессы сварки, пайки и склеивания, порошковой металлургии и обработки материалов резанием (точение, строгание, фрезерование, протягивание, сверление, зенкерование, развертывание, шлифование), электрические и лучевые методы обработки, технологии сверхпластического деформирования и различных композиционных материалов триботехнического назначения, полугорячего формообразования, термической и термомеханической обработки. Показаны перспективы развития наноматериалов и области их применения в народном хозяйстве. Данные технологии являются основой производства изделий высокого качества и их безотказной эксплуатации.
     Анализируются конструкции новых разливочных систем и направления их использования - разработки сотрудников научно-производственного предприятия «Вулкан-ТМ», которые внедрены на десятках передовых промышленных предприятий РФ. Приведено описание новых авторских конкурентоспособных решений, позволяющих получать металлические сплавы высокого качества с малыми экономическими затратами по сравнению с зарубежными аналогами. Предлагаемые технологии являются дальнейшим развитием отечественной металлургии, основанной славными представителями династии Демидовых, сделавших наш Тульский край родиной российской металлургии и оружейного дела. Учебник позволяет развивать традиции патриотического воспитания молодежи, основываясь на научных, технологических и профессиональных достижениях ученых, технологов и инженерных работников, педагогов, преподавателей и учителей.

7

            1. ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА


    1.1. Структура и продукция металлургического производства

     Металлы и сплавы на их основе являются основными конструкционными материалами, основой современного машино- и приборостроения. Объем производства черных и цветных металлов и сплавов всегда является важнейшим показателем уровня развития экономики, мощи и обороноспособности государства [6].
     Металлургия - наука об извлечении металлов из природных соединений (руд) и дальнейшей их переработке с целью придания металлу определенных свойств.
     Различают черную металлургию, занимающуюся производством железа и его сплавов, и цветную - производство всех остальных металлов и их сплавов.
     Металлургическое производство - сложная система производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах.
     Структура металлургического производства включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты (ГОК), где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цеха для получения сжатого воздуха и кислорода, очистки металлургических газов; доменные цеха для выплавки чугуна и ферросплавов; сталеплавильные цеха (мартеновские, конвертерные, электроплавильные) для производства стали; прокатные цеха для переработки выплавленного металла в сортовой, трубный, листовой и специальный прокат.
     Основная продукция черной металлургии: передельный (белый) чугун для переработки на сталь; литейный (серый) чугун для получения фасонных отливок на машиностроительных заводах; ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и другие) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства проката; кузнечные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т. п.
     Продукция цветной металлургии: слитки (чушки) цветных металлов для прокатки различных профилей; лигатуры - сплавы из цветных металлов для получения легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей.
     Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
     Промышленной рудой называют горную породу, из которой на данном уровне целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы, если их содержание в руде составляет: железа не менее 30-60 %, меди 1-6 %, молибдена 0,005-0,02 %.
     Бедные руды обогащают на ГОКах, то есть удаляют из руды часть пустой породы и получают концентрат с повышенным содержанием металла.

8

     Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (сплавления) пустой породы, золы из топлива и других веществ, которые нужно удалить из конечного продукта. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак легче металла, располагается в печи сверху (всплывает) и может быть удален (слит) в процессе плавки. Шлак защищает расплавленный металл от контакта с воздухом и печными газами. Шлак бывает кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂; Р2О5) и основным, если преобладают основные оксиды (CaO; MgO; FeO).
     Топливом в металлургических печах служат кокс, природный газ, мазут, печные газы. Кокс получают на коксохимических заводах путем сухой перегонки при температуре 1000 °C (без доступа воздуха) каменного угля специальных коксующихся сортов.
     Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. По химическим свойствам огнеупоры разделяют на кислые, основные и нейтральные. Кислые огнеупоры содержат большое количество кремнезема SiO₂ (динасовые, кварцеглинистые, кварцевый песок). Основные огнеупоры содержат основные оксиды CaO, MgO (магнезитовый, магнезитохромитовый кирпич). Нейтральные огнеупоры состоят из оксидов Al₂O₃; Cr₂O₃ (шамотный кирпич, высокоглиноземный, углеродистые блоки из графита).
     При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шлаками, поэтому в основной печи нельзя применять кислые флюсы и наоборот, в печи с кислой футеровкой - основные флюсы, так как это приведет к разрушению футеровки печи.

    1.2. Производство чугуна

     Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топлива и флюсы.
     Железные руды содержат железо в различных соединениях (чаще всего оксидах и карбонатах): магнитный железняк Fe₃O₄ (50-70 % Fe); красный железняк Fe₂O₃ (50-60 % Fe); бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа Fe₂O₃’H₂O (30-50 % Fe); шпатовый железняк FeCO₃ (30-50 % Fe).
     Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получить необходимую температуру и создать условия для восстановления железа из руды. В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.
     Флюсом при доменной плавке служит известняк CaCO₃. Это необходимо для удаления серы и фосфора из металла, в который они переходят из кокса и руды.
     Сущность выплавки чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.
     Доменная печь (рисунок 1.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту,

9

распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту [6].
      При работе печи шихта, проплавляясь, опускается вниз. В верхней части горна находятся фурмы, через которые в печь поступает горячий воздух (дутье), необходимый для горения топлива.


Рисунок 1.1. Устройство доменной печи:
1 - чугунная летка, 2 - горн, 3 - фурмы, 4 - заплечики, 5 - распар, 6 - шахта, 7 - колошник, 8 - засыпной аппарат, 9 - вагонетка подъемника, 10 - мост, 11 - лещадь, 12 - шлаковая летка [6]

      Воздух нагревается (для уменьшения потерь тепла и снижения расхода кокса) в воздухонагревателях за счет тепла отходящих из домны горячих газов. Воздухонагревателей три: один подает горячий воздух в домну, второй в это время сам нагревается, третий находится в резерве (или на ремонте). Периодически воздухонагреватели переключаются.
      Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает. В результате выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO, CO₂, N₂, H₂, CH₄ и другие газы.

10

     Горячие газы, поднимаясь навстречу опускающейся шихте, нагревают ее, охлаждаясь у колошника до температуры 300-400 °C (в районе фурм температура достигает 2000 °C). При нагреве шихты до температуры 570 °C начинается восстановление оксидов железа. По признаку убывания кислорода оксиды железа можно расположить в следующий ряд:
Fe2O3 » ГезО4 » FeO » Бе.
     Восстановление оксидов до чистого железа идет по следующим реакциям: 3Ре2Оз ■ СО» 2РезО4 + СО2;
БезО4 +CO^3FeO + CO2;
FeO + CO » Fe + CO2.
     Аналогично восстанавливаются марганец, кремний, фосфор, сера, содержащиеся в руде, топливе, флюсах, огнеупорах.
     Часть серы благодаря основному флюсу переводится в шлак
FeS + СаО » CaS + FeO.
     На уровне распара и заплечиков железо (точнее сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором, серой) расплавляется и каплями, протекая по кускам кокса и насыщаясь углеродом, стекает на лещадь печи. Шлак, имея меньшую плотность, располагается сверху металла (всплывает).
     Чугун выпускают через чугунную летку каждые 3-4 часа, а шлак через шлаковую летку (она расположена выше чугунной) каждые 1-1,5 часа.
     Основной продукцией доменной плавки является чугун (передельный или литейный) разного химсостава (например, 4-4,5 % C; 0,8-1,2 % Si; 0,15-0,3 % Р; 0,03-0,07 % S), а также ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий и др.).
     Побочные продукты доменного процесса - шлак (дорожное строительство, шлаковата, цемент, шлакоблочные изделия и пр.) и доменный газ (топливо для воздухонагревателей, для отопления и т. п.).
     Доменная печь - агрегат непрерывного действия. Она с момента ввода в эксплуатацию (задувки) работает непрерывно от 5-7 до 12-15 лет. В технической литературе описан случай, когда домна проработала непрерывно 38 лет.
     При остановке печи на ремонт прекращают засыпку материалов. Оставшаяся шихта опускается вниз, верхняя часть печи, освобождаясь, сильно нагревается горячими газами. Для предохранения засыпных устройств от разрушения их необходимо интенсивно охлаждать.

    1.3. Производство стали

     Сущность передела чугуна в сталь заключается в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
     Основными исходными материалами для производства стали служат передельный (белый) чугун и стальной лом (скрап). Сталь отличается от чугуна значительно более низким содержанием углерода и примесей (таблица 1.1).

11

Т а б л и ц а 1.1

Химический состав чугуна и стали, %

      Сплав           С        Si       Mn       P        S   
Передельный чугун   4-4,5   0,8-1,2  до 1,75  0,15-0,3 0,3-0,7
Сталь марки Ст3   0,14-0,22 0,12-0,3 0,4-0,65   0,05    0,05  

     Нагрев в процессе выплавки стали осуществляется двумя способами:
     а)      внешним теплом, вводимым в плавильное пространство печи (мартеновская, электропечь). Так можно перерабатывать жидкий и твердый чугун, а также скрап в любом количестве;
     б)      химическим теплом, получаемым от реакции окисления примесей в чугуне (конвертеры). В этом случае чугун должен быть жидким, а количество скрапа ограничено (не более 30 % от массы загрузки агрегата).
     Окислителем служат технически чистый кислород, продуваемый через жидкую массу чугуна, а также железная руда и окалина.
     Процесс может быть основным (достаточно полно удаляются сера и фосфор, но трудно раскислить сталь непосредственно в печи) или кислым (сталь очень полно раскисляется, но сера и фосфор не удаляются). При использовании основного процесса раскисление возможно только в ковше.
     При окислении примесей кислородом выделяется большое количество тепла, поэтому при продувке жидкого чугуна не только не нужно применять внешние источники нагрева, а наоборот приходится охлаждать агрегаты во избежание перегрева.
     Основные реакции окисления примесей:
2Fe + O₂ = 2FeO + 264 кДж;
1'еО-ССО'Ге 154 кДж;
2FeO - Si SiO₂ + 2Fe + 330 кДж;
5FeO -21’ P₂O₅ + 5Fe + 226 кДж;
FeO 'Vi: MnO + Fe+123 кДж.
     Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака можно добиться того, что нежелательные примеси (например, вредные сера и фосфор) будут удаляться из металла в шлак. Например, сера, входящая в сталь в виде сульфида FeS, растворяется в основном шлаке:
FeS + CaO = CaS + FeO.
     Таким образом, регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.
     Завершающим этапом выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из оксида FeO). Раскисление осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия) непосредственно в сталеплавильном агрегате (при использовании кислого процесса) и (или) в ковше при разливке (в любом процессе). Сталь выпускают спокойной или кипящей, иногда - полуспокойной. Готовую сталь разливают в изложницы.

12

      В настоящее время сталь выплавляется в мартеновских печах, конвертерах и электропечах.
      Мартеновская печъ (рисунок 1.2, а) - пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет плавильное пространство, ограниченное сверху сводом, снизу подом, с боков - стенками, имеющими загрузочные окна. Футеровка печи может быть кислой или основной. В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200-900 тонн жидкой стали.

Рисунок 1.2. Сталеплавильные агрегаты: а - мартеновская печь; б - кислородный конвертер; в - дуговая электрическая печь

     Отапливается печь газом (реже мазутом). Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах (их два - один нагревает смесь газа и воздуха, а второй -нагревается сам отходящими газами) и поджигается, образуя факел. Факел имеет температуру 1700-1800 °С и нагревает футеровку печи и шихту, а также способствует окислению примесей шихты при плавке.

13

     В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают:
     1)      скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и твердого чушкового чугуна. Такой процесс применяют на заводах, где нет доменного производства (нет жидкого чугуна), но много металлолома (то есть на машиностроительных заводах);
     2)      скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (до 75 %), скрапа и железной руды (для окисления примесей). Преимущественно он применяется на металлургических заводах.
     Наибольшее количество стали производят в мартеновских печах с основной футеровкой скрап-рудным процессом.
     Кислородный конвертер (рисунок 1.2, б) - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130-350 тонн жидкого чугуна. Конвертер в процессе работы может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака. Шихта состоит из жидкого передельного чугуна, стального лома (не более 30 %), извести для наведения шлака, железной руды для окисления, боксита (Al₂O₃) и плавикового шпата (CaF₂) для разжижения шлака.
     Сначала конвертер наклоняют для завалки шихты, затем поворачивают в вертикальное положение и, через охлаждаемую водой фурму, подают сверху кислородное дутье. Струя кислорода (под давлением 1-1,5 МПа) вызывает перемешивание шихты и ее интенсивное окисление.
     Когда содержание углерода и примесей достигает заданного значения, подачу кислорода прекращают, конвертер наклоняют и выпускают сталь в разливочный ковш, где ее раскисляют. После этого сливают шлак.
     Конвертирование стали самый производительный способ (плавка длится 25-50 мин), однако трудно получить сталь строго заданного состава.
     Электросталь - самая лучшая по качеству, так как в электропечах можно получить высокую температуру металла, создать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу, вакуум, хорошо раскислить сталь. Поэтому электропечи используют для получения высококачественных легированных, инструментальных, специальных сталей и других сплавов. Из-за значительного расхода электроэнергии сталь получается более дорогой, чем при использовании других способов.
     Пл     авильные печи бывают дуговыми (рисунок 1.2, в) и индукционными.
     Дуговая электропечь питается трехфазным током и имеет три электрода из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой возникает электрическая дуга, теплота которой передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 150-600 В, сила тока 1000-10000 А. Футеровка печи - основная или кислая (реже).
     В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:
     а)      без окисления примесей. По сути дела, это переплав легированных отходов машиностроительных заводов. В ходе плавки удаляют вредные примеси, доводят металл до требуемого химсостава; раскисляют;
     б)      плавка на углеродистой шихте с окислением примесей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый чугун, известь. Электроды опускают и включают ток; шихта плавится. Кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо и примеси.

14