Статьи | Металлолом — Part 93

Обработка металлов давлением основана на пластич­ности металлов и сплавов. Пластичностью называют способность металлов изменять свою форму под действи­ем инструмента без разрушения. Пластичность металлов и сплавов не является физической характеристикой, а определяется также и условиями деформации. Один и тот же металл или сплав будет иметь в одних условиях большую пластичность, допускающую большие дефор­мации, в других — разрушаться при небольших остаточ­ных изменениях формы. Пластичность металлов и спла­вов зависит от химического состава и фазового состоя­ния, структуры, а также от условий — температуры, скорости, степени деформации и механической схемы.

Технические процессы обработки металлов давлением осуществляются как в холодном, так и в горячем со­стоянии. Основными механизмами пластической дефор­мации в горячем и холодном состоянии являются: внут — ризеренное скольжение, двойникование, взаимное пере­мещение и поворот зерен. При пластической деформации происходит измельчение зерен металла, ориентация зе­рен вдоль преимущественного направления деформации, искажаются и заклиниваются плоскости скольжения, возникают напряжения между отдельными зернами, час­тями металла и др.

Указанные изменения приводят к тому, что пласти­ческие характеристики металла или сплава уменьшают­ся, а прочностные свойства (предел текучести, предел прочности) возрастают. Важно отметить, что при холод­ной деформации изменения свойств металлов и сплавов накапливаются по мере увеличения степени деформации. Это приводит к тому, что при достижении определенной суммарной деформации металлы и сплавы теряют спо­собность деформироваться пластически, начинают раз­рушаться.

На рис. 118 показана зависимость предела текучести и относительного удлинения от степени деформации для углеродистой стали У10. При достижении общего отно­сительного обжатия в 50 % предел текучести и предел прочности увеличились в два с лишним раза, а относи­тельное удлинение уменьшилось с 30 до 2,5%. Значи­тельное увеличение Прочностных характеристик метал­ла и почти полная потеря пластичности, как результат упрочнения и образования субмикротрещин, определяют необходимость промежуточных нагревов.

При исследовании изменения свойств упрочненного металла при нагреве пользуются понятием гомологичес­ких температур. Гомо­логическая температу­ра определяется как часть от температуры плавления по абсолют­ной шкале. Например, гомологические темпе­ратуры для низкоугле­родистой стали равны: 0,3 7^ = 0,3 (1530+ +273) =540 K= = 267 °С; 0,4 7ПЛ = =0,4 (1530+273) = = 720 К=447 °С.

He

При нагреве метал-

Рис. 118. Изменение механиче­ских свойств стали У10 при хо­лодной деформации

Ла до 0,3 T11R частично снижаются прочностные харак­теристики и повышается пластичность. Рекристаллиза­ция происходит при температуре >0,4 Tuл. При полной рекристаллизации металл приобретает свойства, при­сущие ему до холодной деформации, т. е. происходит полное разупрочнение и восстановление пластических свойств. Основная часть металла обрабатывается в го­рячем состоянии. При горячей обработке металлов дав­лением значительно ниже прочностные свойства метал­лов и сплавов, меньше усилие, необходимое для осущест­вления деформации.

Б,,бт, МН/м

Mo

1020

O JO 20 JO 40 50 60 70 80 90

Для большинства металлов и сплавов характерно — повышение пластических свойств при нагреве. Это поз­воляет пластически деформировать с повышенными частными обжатиями, которые не могут иметь место при холодной деформации вследствие больших усилий, не­обходимых для осуществления процесса и невысокой пластичности. Горячей обработкой металлов называется деформация при температуре, превышающей температу­ру рекристаллизации. Технические процессы горячей об­работки давлением стали осуществляются при темпера­туре 1000—1250 °С, составляющей (0,7—0,8) Тпл. При горячей обработке давлением одновременно протекают два процесса в деформируемом металле: наряду с упроч­нением металла происходит его разупрочнение под вли­янием высоких температур.

Пластической остаточной деформации металла пред­шествует упругая деформация. Внешняя сила, изменяя межатомные расстояния, совершает работу, а в деформи­руемом объеме накапливается потенциальная энергия отталкивания (притяжения). Потенциальная энергия уп­ругой деформации равна энергии, затраченной внешней силой на изменение объема (Л0) и формы (Лф). Соглас­но теории предельного состояния пластическая дефор­мация наступает только тогда, когда в упругом материале будет накоплен определенный уровень потенциаль­ной энергии. Уровень потенциальной энергии, достаточ­ный для перехода от упругой к пластической деформа­ции, достигается при следующем соотношении главных нормальных напряжений: (aj—cr2)2+(a2—сгз)2+(сгз— —ai)2 = 2a^. Соотношение главных нормальных напря­жений называется условием или уравнением пластич­ности.

Под действием внешних сил тела изменяют свои ли­нейные размеры и форму. Различают упругую и пласти­ческую деформацию. Упругой называется деформация, исчезающая после снятия вызывающей ее нагрузки. Для кристаллических тел, к которым относятся металлы, уп­ругая деформация мала и пропорциональна приложен­ной силе. Известно, что внешняя сила вызывает в на­чальный момент упругую деформацию и лишь при дости­жении определенной степени деформация становится остаточной.

Остаточная деформация сохраняется после устране­ния силы, вызвавшей ее. Следовательно, до начала плас­тической деформации внешние силы должны проделать определенную работу, которая аккумулируется в дефор­мируемом теле в виде потенциальной энергии, при этом межатомные расстояния уменьшаются (увеличиваются) и возникают внутренние силы, которые стремятся вер­нуть атомы в первоначальное, равновесное состояние. Внутренние силы уравновешивают действие деформиру­ющего внешнего усилия. В технических процессах обра­ботки металлов давлением, кроме деформирующего уси­лия и внутренних сил, необходимо учитывать силы тре­ния на контакте деформируемого металла и инструмен­та, реакции стенок инструмента. При решении задачи о величине деформирующего усилия необходимо учиты­вать все силы, действующие в каждом конкретном слу­чае.

Интенсивность усилия определяется частным от де­ления усилия на площадь контакта металла с инстру­ментом. Интенсивность внутренних сил называется на­пряжением, внешних — давлением, напряжением тре­ния, удельным натяжением или подпором. Напряжения в объеме деформируемого тела различны и различно на­правлены. В общем случае на элементарный объем те­ла, находящийся в напряженном состоянии, действуют нормальные и касательные силы. Можно элементарный объем¦ металла рассечь тремя взаимно перпендикуляр­ными плоскостями, на которых касательные напряжения отсутствуют и действуют только нормальные напряже­ния, перпендикулярные этим площадкам. Эти напряже­ния называются главными, а площадки, на которых они действуют, — главными площадками. Принимается знак напряжения при растяжении — плюс, при сжатии—ми­нус.

Определим напряжения и давление для случая осад­ки цилиндрического образца (рис. 115). Давление па площади контакта S цилин­дра и инструмента равно p = P/S, где P — усилие, приложенное на границе об­разца.

В сечении цилиндра, пер­пендикулярном направле­нию силы, возникнут глав­ные напряжения: ai = P/S.

Рис. 3 35. Линейная схема напря­женного состояния

На площадке Sa, прове­денной под углом а к на­правлению действия силы Р, будут иметь место нор­мальные (а) и касательные (т) напряжения. Напряже­ния на наклонной площад­ке равны: a=aiCOS2a; т= = (cri/2) sin 2а.

245

Из этого следует, что ка­сательное напряжение будет иметь наибольшее значение (cri/2) на площадках, на­клоненных к действующей силе (P) под углом 45°. При растяжении или сжатии на полированной боковой по­верхности образца образуются линии скольжения (ли­нии Чернова — Людерса). Наблюдение расположения Чернова — Людерса является экспериментальным под­тверждением вывода о том, что касательные напряже­ния достигают максимума на плоскостях, расположен­ных под углом 45° к направлению силы. В начальный мо­мент деформации линии скольжения располагаются под углом 45° к направлению действующей силы. Следова­тельно, плоскости, по которым происходит скольжение частей металла относительно друг друга, являются плос­костями, на которых касательные напряжения достига­ют наибольшего значения. Пластическая деформация для рассмотренного случая начинается, когда напряже­ние в сечении, перпендикулярном направлению действу-

Ifi-398 ющей силы, будет равно напряжению текучести металла — — vMn203-^Mn304-^Mn0-^Mn.

В восстановительных условиях электропечи оксиды марганца восстанавливаются легко до MnO, которая вза­имодействует с твердым углеродом по реакции: MnO-f — +С = СО + Мп.

Но может происходить также и образование карбида марганца МщС по реакции: ЗМп04-4С=Мп3С+ЗСО. Присутствие железной стружки разбавляет концентра­цию марганца в сплаве и облегчает восстановление ок­сидов марганца. Выплавку ферромарганца производят как флюсовым способом с добавками известняка, так и бесфлюсовым — без присадки флюса. В результате по­лучают высокоуглеродистый сплав и богатый марганцем малофосфористый шлак, содержащий до 50 % MnO. Этот шлак называют передельным. Его используют вме­сто марганцевой руды для производства низкофосфорис­того силикомарганца — полупродукта при производстве средне — и малоуглеродистого ферромарганца.

Технология плавки

Углеродистый ферромарганец плавят непрерывным процессом, загружая в печь шихту по мере ее проплав — ления. Колоша шихты состоит из 300 кг марганцевой ру­ды, 50 кг коксика и 15—20 кг железной стружки. О нор­мальном ходе процесса свидетельствуют конусы шихты высотой 300—400 мм около электродов, глубокое распо­ложение электродов в шихте, сход шихты с откосов пе­чи. Шихтовые материалы попадают в зону высоких тем­ператур подготовленными и подогретыми (в значитель­ной степени удалены влага, а летучие высшие оксиды марганца перешли в низшие). Газы при плавке должны равномерно выделяться по всей поверхности колошника. При мелких шихтовых материалах газы стремятся выхо­дить в виде свищей у самого электрода, поэтому особен­но важно поддерживать вокруг электродов конус шихты и прокалыванием колошника разрушать участки спек­шейся шихты.

Сплав и шлак выпускают одновременно пять-шесть раз в смену через все летки поочередно. Шлак образу­ется из пустой породы руды, известняка, золы кокса, ок­сидов марганца. При выплавке 1 т сплава получается около 1 т шлака. Из прямоугольной печи Никопольско­го завода ферросплавов выпуск сплава и шлака произ­водят из трех леток поочередно. Шлак и сплав выпуска­ют одновременно. На одной тележке устанавливают ковш для сплава и чашу для шлака. Ковш футерован шамот­ным кирпичом. Струя сплава и шлака сначала попадает в ковш, шлак переливается через его край в чашу, а сплав накапливается в ковше. По окончании выпуска детку заделывают конусом из огнеупорной глины и элек­тродной массы. Разливку ферромарганца производят на конвейерной машине с чугунными изложницами. Отли­вают слитки толщиной около 85 мм.

Существует и способ разливки сифоном. Изложницы устанавливают под желобом печи каскадом. В первой изложнице устанавливают перегородку, нижняя кромка которой на 60—70 мм ниже сливного носка изложницы. Шлак, накапливаясь у перегородки, сливается в ковш, а металл проходит под перегородкой во вторую излож­ницу и по ее наполнении в третью и четвертую. Пере­дельный шлак и сплав разливают в изложницы или на разливочной машине в мульды. Для выплавки 1 т фер­ромарганца с содержанием 78—82 % марганца расходу­ют 2 т агломерата, 350 кг коксика, 100 кг стружки, 336 кг известняка и 3600—4800 кВт-ч электроэнергии, извлече­ние марганца 76,0 %. Стоимость 1 т сплава 285 руб.

§ 4. Производство углеродистого феррохрома

Из всех легирующих элементов наибольшее приме­нение находит хром, который повышает твердость, проч­ность стали. Высокохромистые стали устойчивы против окисления и коррозии, обладают повышенным сопро­тивлением износу и истиранию. Наиболее широко хром применяется в сочетании с никелем. Это коррозионно — стойкие стали, содержащие 18 % Cr и 8—10 % Ni. Жа­ропрочные стали и сплавы с высоким содержанием хро­ма получили применение для изготовления деталей га­зовых турбин и реактивных двигателей.

Сортамент феррохрома очень разнообразен. Сущест­вует 17 марок феррохрома и 5 марок металлического хрома. .Сплавы отличаются в основном по содержанию углерода, которое изменяется от 0,01 % до 8,0%. Чем ниже содержание углерода, тем сложнее технология его получения и дороже сплав. Низко — и среднеуглеродис — тый феррохром применяют для производства коррозион — яостойких сталей и разных сплавов.

В зависимости от содержания углерода феррохром выплавляют различными процессами. Высокоуглеродис­тый и передельный феррохром выплавляют из хромистой руды путем восстановительной плавки с использованием коксика. Низко — и среднеуглеродистый феррохром полу­чают сложным способом с использованием поочередно трех плавильных агрегатов с выплавкой промежуточных продуктов.

Для производства высокоуглеродистого феррохрома используют хромовые руды, содержащие до 62 % Сг20з. В СССР основным месторождением хромовой руды яв­ляется Донское (Казахстан). В качестве восстановите­ля применяют коксик. Плавку проводят в открытых и закрытых ферросплавных печах мощностью до 16,5 MB-A с магнезитовой футеровкой. Восстановление оксидов хрома в основном протекает по реакции:

2/з Cr2O3+12/; C = 4A1 Сг7С3+2СО.

Одновременно происходит восстановление из руды и оксидов железа. Железо растворяет карбид хрома с об­разованием сложного карбида (CrFe)7С3, в результате чего снижается температура плавления сплава и созда­ются благоприятные условия для протекания процесса, а уменьшение концентрации хрома в сплаве сдвигает рав­новесие реакции в сторону восстановления оксидов уг­леродом; содержание его в сплаве может достигать 8 %. Для снижения концентрации углерода в печи создают окислительные условия при помощи введения хромовой руды:

2/з Сг7С3+2/з Сг203 = 6Сг + 2С0.

Для этого подбирают руду с тугоплавкой пустой по­родой, чтобы создать над жидким сплавом «рудный слой», богатый оксидом хрома. Поскольку рудный слой очень вязкий, он не выходит из печи при выпуске спла­ва, но так как он примерно в полтора раза тяжелее шла­ка, то опускается в нижние слои шлака. При использо­вании легковосстановимых хромистых руд, избытке восстановителя и использовании кварцита получает зна­чительное развитие реакция восстановления кремнезема. Содержание кремния в сплаве достигает 5—8 %. Для ре­гулирования содержания кремния служит рудный слой, проходя через который кремний окисляется до 2—3%.

Технология плавки

Плавку высокоуглеродистого феррохрома ведут не­прерывно. Шихта в смешанном виде поступает в печь иа бункеров по рукавам и подвижным лоткам и распреде­ляется равномерно по колошнику без образования кону­сов у электродов. По мере оседания производят подгруз — ку шихты. FIo всей поверхности колошника выделяются языки пламени. Сплав и шлак выпускают в ковш через одну летку одновременно, три — четыре раза в смену. Из ковша шлак переливают через носок в шлаковню, а сплав разливают через отверстие в донной части ков­ша в плоские сборные чугунные изложницы для получе­ния слитков толщиной =^200 мм, чтобы облегчить пос­ледующую их разбивку. Для получения 1 т высокоугле­родистого феррохрома затрачивается: 2000 кг руды, 300—400 кг коксика, 50 кг кварцита, расход электро­энергии составляет 3200 кВт-ч.

Ферросплавы —это сплавы железа с марганцем, кремнием, хромом, ванадием, вольфрамом, молибденом и другими элементами. Ферросплавы применяют для ле­гирования и раскисления стали. Целесообразность леги­рования стали ферросплавами, а не чистыми металлами объясняется тем, что уменьшается угар легирующего компонента, облегчается его введение в сталь вследст­вие более низкой температуры плавления. Стоимость ле­гирующего компонента в ферросплавах ввиду более про­стой и дешевой технологической. схемы получения зна­чительно ниже, чем технически чистых металлов.

В СССР работают крупные заводы по производству ферросплавов, построенные за годы пятилеток: Челябин­ский (ЧЭМК), Запорожский, Актюбинский, Зестафон — ский, Ермаковский и др. Ферросплавы получают из руд, концентратов, по большей части представляющих собой оксиды марганца, кремния, хрома, ванадия, вольфрама, молибдена, титана и других металлов, путем восстанов­ления. Восстановителями служат углерод, кремний и алюминий. Наиболее распространенным способом полу­чения является углевосстановительный. Этот способ при­меняется в тех случаях, когда нет особых требований к содержанию углерода в сплавах. В качестве восстано­вителей используют мелочь угольного и нефтяного кок­са. Этот способ применяют при получении углеродистого ферромарганца, феррохрома и ферросилиция.

Восстановление кремнием и алюминием носит назва­ние металлотермического способа. Этим способом полу­чают феррованадий, ферромолибден, ферровольфрам, ферротитан и др. Ферросплавы, полученные металлотер — мическим способом, имеют низкие (

Scroll to Top