Багров Н.М., Г.А. Трофимов, В.А. Андреев В.В. Основы отраслевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.6. Схема мартеновской печи

Недостаток мартена состоит в том, что, во-первых, он

требует затрат на энергоресурсы, во-вторых, их сжигание за-

грязняет атмосферу, в-третьих, производительность его ниже,

чем в конвертерах. Поэтому в Японии, Англии, Германии мар-

тены заменены конвертерами, в России проведены работы по их

модернизации, однако проблема их замены еще остается

Плавка стали в электропечах. Плавка стали происхо-

дит в печах, нагреваемых под воздействием электрического то-

ка. Печи подразделяются на электродуговые, где плавка проис-

ходит за счет электрической дуги, возникающей между шихтой и

графитовыми электродами, и индукционные, где плавка осуще-

ствляется нагревом шихты за счет индукции вихревых токов.

Преимущество: быстрая нагреваемость, контролируе-

мость процесса, возможность создания вакуума или установ-

ленной определенной газовой среды. Получают сталь высокого

качества и заданного состава, так как исключаются примеси. В

настоящее время этот способ широко применяют для выплавки

высококачественных углеродистых и легированных сталей, а

также ферросплавов. В 2007 г. электротехническая сталь со-

ставила 26% общего выпуска стали.

Электродуговая сталеплавильная печь (рис. 3.7,а)

представляет собой стальной цилиндр, выложенный огнеупор-

ным кирпичом. Сверху вставлены три графитовых электрода.

При пропускании электрического тока между ними и шихтой воз-

никает вольтова дуга и происходит нагрев металла.

Рис. 3.7. Схема устройства электродуговой (а)

и индукционной (б) печей

Индукционная сталеплавильная печь (рис. 3.7,б) со-

стоит из тигля (сосуда, выложенного огнеупорным кирпичом) и

водоохлаждаемого индуктора. При прохождении по индуктору

тока высокой частоты (500–2000 кГц) образуется электромагнит-

ный поток, который индуцирует в металлической шихте мощные

вихревые токи, нагревающие ее до расплавления (устройство

напоминает домашнюю микроволновую печь). По окончании

плавки сливается сначала шлак (верхний слой), затем сталь.

Индукционные печи по сравнению с дуговыми обладают

рядом преимуществ:

а) отсутствие дуги позволяет выплавлять металлы с ма-

лым содержанием углерода и газов;

б) возникающие электродинамические силы перемеши-

вают жидкий металл, способствуя выравниванию химического

состава и всплыванию неметаллических включений;

а б

Электроды

в) индукционные печи отличаются небольшими разме-

рами, что позволяет помещать их в специальные камеры и соз-

давать в них любую атмосферу или вакуум.

Плавка в вакууме позволяет получать сплавы с мини-

мальным содержанием газов и неметаллических включений, ле-

гировать сплавы любыми элементами.

Недостатками плавки являются ее малая производи-

тельность и большая энергоемкость. Продолжительность плавки

в индукционной печи емкостью 1 т составляет около 45 мин.,

расход электроэнергии на 1 т стали – 600–700 кВт·ч.

3.2.4. Классификация сталей. Их свойства и примене-

ние.

Стали подразделяются:

по способу производства – на конвертерную, марте-

новскую, электросталь (дуговая и индукционная) и сталь, по-

лучаемую прямым восстановлением из руды;

по способу раскисления – на кипящую, спокойную и

полуспокойную;

по способу изготовления изделий – на литую, кован-

ную, катанную, штампованную и так далее;

по химическому составу – на углеродистую и легиро-

ванную с разной степенью легированности: низколегированную,

высоколегированную, сложнолегированную;

по назначению – на строительную, конструкционную,

инструментальную и специального назначения: жаропрочную,

нержавеющую и т.д.

Основой товарной классификации стали является ее хими-

ческий состав, что отражается и в маркировке стали – в большин-

стве случаев наименование марки составляется таким образом,

чтобы по ней можно было бы судить об основном химическом со-

ставе стали. Кроме того, учитывается ряд других признаков.

По химическому составу, как указывалось, стали де-

лят на две группы: углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь. Углеродистой сталью называет-

ся сталь, не содержащая никаких специально введенных доба-

вок, кроме углерода. При этом следует иметь в виду, что сталь

всегда содержит примеси, наиболее вредными из которых яв-

ляются сера и фосфор. Сера вызывает красноломкость стали –

хрупкость при горячей обработке, фосфор – хладноломкость –

хрупкость при нормальной и пониженной температуре. Кисло-

род, азот, водород снижают пластичность стали. Углерод в раз-

личных марках стали содержится от 0,1 до 1,35%. Содержание

углерода определяет ее свойства и применение. Поэтому стали

подразделяются на конструкционную – с содержанием углеро-

да до 0,85% и инструментальную – с содержанием углерода от

0,65 до 1,35%. Чем больше углерода, тем тверже и прочнее

сталь. Низкоуглеродистые стали отличаются большей пластич-

ностью.

Конструкционная углеродистая сталь. Конструк-

ционной называют сталь, пригодную для изготовления различ-

ных деталей машин и конструкций. Она должна обладать ком-

плексом высоких механических свойств, т. е. быть достаточно

прочной и пластичной в условиях самых разнообразных внеш-

них нагрузок – статических, динамических, циклических, растя-

гивающих, скручивающих и т. д. Кроме того, конструкционная

сталь должна иметь высокие технологические свойства, т. е.

хорошо отливаться, обрабатываться давлением, резанием, хо-

рошо свариваться и т.д., так как из нее изготавливают изделия

сложной формы.

Конструкционная сталь употребляется в очень больших

количествах, поэтому желательно, чтобы она была дешевой как

по составу (не содержала дорогих и дефицитных элементов),

так и по затратам на производство.

По степени раскисления, как указывалось выше, эта

сталь изготавливается как кипящая, полуспокойная и спокойная,

что отражается в конце наименования марки стали дополни-

тельными индексами: кп (кипящая – раскисленная марганцем),

пс (полуспокойная – раскисленная марганцем и алюминием) и

сп (спокойная – раскисленная марганцем, кремнием и алюми-

нием).

В зависимости от качества углеродистую конструкцион-

ную сталь делят на два вида: сталь обыкновенного качества и

качественную.

Углеродистая сталь обыкновенного качества.

В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик

металла при его поставке углеродистую сталь обыкновенного

качества делят на три группы: А, Б и В.

Сталь группы А поставляют по механическим свойст-

вам. Она используется для изготовления изделий, не подвер-

гающихся горячей обработке (ковке, сварке и термической об-

работке). Хотя химический состав стали и указывается в сер-

тификате, но отклонение в нем от норм браковочным призна-

ком не является.

Гарантируемыми характеристиками механических

свойств стали группы А являются: временное сопротивление –

максимальная нагрузка, которую выдерживает сталь на 1 мм

сечения и относительное удлинение – отношение удлинения

образца при его растяжении до разрыва к первоначальной дли-

не, определяемые при испытании на растяжение (в %).

Сталь группы Б предназначена для горячей обработки,

поэтому для нее гарантируемой характеристикой является хи-

мический состав. В ГОСТе нормируется минимальное и макси-

мальное содержание углерода (используется при установлении

режимов термической обработки – закалки, отпуска и т.д.), мар-

ганца и кремния, а также максимально допустимое содержание

вредных примесей серы и фосфора. Номер стали отражает со-

держание в ней углерода: чем больше углерода, тем выше но-

мер.

В стали группы В гарантируются как механические свой-

ства, так и химический состав (содержание углерода, серы и

фосфора).

В обозначение марки сталей обыкновенного качества по

ГОСТу 380–94 входит: вид группы (Б или В, А опускается), затем

слово "Ст.", номер группы и степень раскисления – кп, пс и сп.

Например, сталь БСт.3кп, БСт.3пс, Ст.3сп.

Сталь обыкновенного качества предназначается для из-

готовления строительных конструкций, арматуры, крепежа, де-

талей машин, не несущих повышенных нагрузок.

Углеродистая качествен ная сталь. Качественная

сталь превосходит сталь обыкновенного качества по однород-

ности, является более чистой по сере и фосфору, неметалличе-

ским включениям и имеет более узкие пределы содержания уг-

лерода. Из этой стали делают ответственные детали машин и

механизмов, поковки, штамповки, калиброванные прутки, сереб-

рянку – светлые круглые прутки точных размеров со специаль-

ной отделкой поверхности.

Кипящие стали имеют небольшую прочность и высокую

пластичность. Их, в основном, прокатывают в тонкий лист, из

которого методом холодной штамповки получают детали глубо-

кой вытяжки, например, сталь 08кп применяют для штамповки

кузовов автомобилей.

В обозначение марки качественных сталей входит слово

сталь, затем – содержание углерода в сотых долях процента и

степень раскисления, например: сталь 45сп содержит 0,45% уг-

лерода, спокойная. Углеродистая качественная сталь выпуска-

ется горячекатаной и кованой (ГОСТ 1050–88).

Инструментальная углеродистая сталь. Инстру-

ментальная углеродистая сталь предназначена для изготовле-

ния всякого рода инструментов: режущих – резцов, фрез, сверл,

метчиков и т. д.; измерительных – микрометров, шаблонов,

штангенциркулей и т.д.

Инструментальная сталь должна обладать высокой

твердостью (значительно более высокой, чем обрабатываемая

сталь), высокой износоустойчивостью для сохранения при реза-

нии размеров и формы режущей кромки, а также достаточной

прочностью и пластичностью, чтобы избежать поломки инстру-

мента в процессе работы.

Инструментальная углеродистая сталь маркируется бук-

вой У (углеродистая) и цифрой, указывающей содержание угле-

рода в десятых долях процента, например, сталь У8 содержит

углерода 0,8%. Если после цифры никаких букв нет, то это сталь

качественная, если стоит буква А, то высококачественная, и ес-

ли Г – то с повышенным содержанием марганца. Высококачест-

венная сталь отличается меньшим содержанием вредных при-

месей.

Промышленность выпускает семь марок качественной

инструментальной стали — от У7 до У13, столько же и с таким

же содержанием углерода высококачественных (от У7А до У13А)

и две марки с повышенным содержанием марганца (У8Г и

У8ГА).

Легированная сталь. Легированной сталью называют

сталь, в состав которой кроме углерода введены одна или не-

сколько специальных добавок (легирующих элементов) в коли-

честве, заметно изменяющем структуру стали, ее свойства и

условия термической обработки.

Кроме железа, углерода и легирующих элементов всякая

легированная сталь содержит обыкновенные примеси (кремний,

марганец, серу и фосфор), скрытые примеси (кислород, азот,

водород) и различные случайные примеси.

Наиболее часто применяемыми легирующими элемен-

тами являются марганец – повышает твердость, износостой-

кость, обозначается в марке буквой Г, хром – повышает корро-

зионные свойства, при свыше 10% хрома сталь становится не-

ржавеющей, обозначается буквой Х, никель – придает коррози-

онную стойкость, жаростойкость жаропрочность обозначается

буквой Н, а также кремний (С), вольфрам (В), молибден (М),

кобальт (К), ванадий (Ф), титан (Т), алюминий (Ю) и ряд других

металлов. В наименовании обычно указываются только основ-

ные входящие в состав стали легирующие элементы без указа-

ния их количества. Например, марганцовистая, хромоникелевая,

хромомолибденовая и т. д.

Конструкционная легированная сталь. Эту сталь при-

меняют в строительстве и машиностроении. В качестве леги-

рующих добавок она может содержать кремний, марганец, не-

большие количества хрома и никеля. Она подразделяется на

низколегированную с суммарным содержанием легирующих

элементов в пределах 3–4% (наиболее часто применяют в

строительстве) и высоколегированную сталь с содержанием

добавок 6–8%.

В марке конструкционной легированной стали первая

однозначная или двузначная цифра указывает содержание уг-

лерода в стали в десятых (однозначная цифра) или сотых (дву-

значная цифра) долях процента. Буквы, следующие за первой

цифрой, указывают наименование легирующих элементов, вхо-

дящих в состав стали данной марки. Цифры, стоящие после ка-

ждой из букв, указывают содержание соответствующего леги-

рующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры гово-

рит о том, что содержание соответствующего элемента в стали

менее 1,5%. Пример: легированная сталь 15Н2М содержит

0,15% углерода, менее 2% никеля, менее 1,5% молибдена.

Инструментальная легированная сталь. В процессе

резания металлов, особенно – скоростного, инструмент сильно

нагревается, твердость резко снижается и он теряют режущие

свойства. Поэтому для изготовления режущих инструментов

применяются стали, легированные вольфрамом, хромом, мо-

либденом и ванадием, которые придают стали красностой-

кость, т. е. способность сохранять твердость и прочность при

температуре красного каления.

Для инструментальной легированной стали порядок

маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для кон-

струкционных сталей, но содержание углерода указывается

первой цифрой в десятых долях процента. Если цифра отсутст-

вует, то сталь содержит около 1% углерода. Например, хромо-

молибденовая сталь 1Х12М содержит 1% углерода, 12% хрома,

0,4-0,6% молибдена.

Легированная сталь с особыми свойствами. Эта группа

легированной стали весьма обширна. Она объединяет стали

различного специального назначения, которые отличаются по

составу и по свойствам. Как правило, это высоколегированные

стали, содержащие более 8–10% специальных добавок. К ним, в

частности, относятся:

Жаропрочные стали – стали, которые сохраняют проч-

ность при работе в условиях высоких температур в течение дли-

тельного времени. К ним относятся стали для изготовления ло-

паток турбин, корпусов котлов и др. деталей энергетических уста-

новок.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали – стали

этой группы обладают высокой коррозионной стойкостью не

только на воздухе, но и в различных более агрессивных средах,

например в пресной и морской воде, в различных кислотах и

щелочах. Наиболее часто встречаются нержавеющие стали ма-

рок 3Х13 и 4Х13, из которых изготавливают измерительный и

хирургический инструменты, предметы домашнего обихода.

Некоторые группы сталей специального назначения

имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди

цифр: А – автоматная (применяется для последующей обработ-

ки на станках-автоматах), Ш – шарикоподшипниковая (для изго-

товления шариковых и роликовых подшипников

), Р – быстроре-

жущая (для изготовления резцов, выдерживающих высокие тем-

пературы и применяемых при скоростном резании металлов), Е

– магнитотвердая (для изготовления магнитов), Э – электротех-

ническая (для изготовления сердечников трансформаторов), Св

– сварочная (для изготовления сварочных электродов) и др. В

этом случае в буквенной части марки не указываются или ука-

зываются не все легирующие элементы, например сталь Р18,

используемая для изготовления режущих инструментов, содер-

жит вольфрам, хром и ванадий, но в марке стали это не отраже-

но. Химический состав таких сталей можно определить только

по ГОСТу или по Техническим условиям.

3.3. Цветная металлургия

3.3.1. Общая характеристика отрасли, ее состояние и

роль в народном хозяйстве. Понятие толлинга и его влия-

ние на состояние отрасли. Экспорт цветных металлов.

Цветные металлы и их сплавы применяются в значительно

меньших объемах и реже, чем черные металлы. По физическим

и химическим свойствам применяемые в промышленности ме-

таллы можно подразделить на следующие группы: легкие –

алюминий, магний, титан и др., тяжелые – медь, никель, ко-

бальт, свинец, олово, цинк, ртуть и др., тугоплавкие – вольфрам,

молибден и др., легкоплавкие (цинк, олово, свинец и др.), благо-

родные (драгоценные) – золото, серебро, платина и платиноиды

(рутений, родий, палладий осмий, иридий).

Далее из каждой группы мы рассмотрим те металлы и

сплавы, которые наиболее широко применяются в народном хо-

зяйстве и имеют существенное значение во внешней торговле

России.

Подшипники – часть опоры вала, воспринимающая от него нагрузки и уменьшаю-

щая трение при его вращении. По принципу работы различают подшипники каче-

ния, в которых между вращающимися поверхностями вала и цилиндра рас-

положены кольца с вставленными между ними шариками или роликами и подшип-

ники скольжения, в которых поверхность вала скользит непосредственно по поверх-

ности цилиндра. Для уменьшения трения в подшипники скольжения вставляют

вкладыши из антифрикционного (от греч. anti – против и лат. friсtio–трение), т.е.

имеющего небольшое трение, материала – баббиты, бронзы, чугуны, пластмассы

и др.

Сплавы металлов. Основная масса цветных металлов

используется в виде сплавов, так как они обладают более широ-

ким спектром физических, механических и химических свойств.

Название сплавов цветных металлов в большинстве

случаев соответствует их основе. Так, сплавы на основе меди

называют медными, на основе алюминия – алюминиевыми и т.

д. Иногда в название сплава входит основной и главный леги-

рующий элемент: медно-никелевые, оловянно-свинцовые и др.

При маркировке цветных металлов и их сплавов обозна-

чение отдельных элементов отличается от принятых в марках

легированных сталей. В большинстве случаев – это первая бук-

ва русского названия элемента, а для элементов, названия ко-

торых имеют одинаковую начальную букву, добавляется еще

одна буква: алюминий (А), железо (Ж), кремний (К), медь (М),

магний (Мг), марганец (Мц), никель (Н), олово (О), свинец (С),

титан (Т), фосфор (Ф), хром (X), цинк (Ц). Буквы, соответствую-

щие элементам, входящим в состав марки сплава, рас-

полагаются в убывающем порядке, и после каждой из них ста-

вится цифра, указывающая количество этого элемента в целых

процентах. Если цифра отсутствует, то это значит, что содер-

жание этого элемента находится в пределах одного процента.

Состояние отрасли. Цветную металлургию можно

считать одной из немногих относительно благополучных отрас-

лей, хотя в целом общая тенденция реструктуризации отрасли

за последние два десятилетия принципиально мало отличается

от других отраслей (рис. 3.8, 3.9).

Относительное благополучие некоторых подотраслей

цветной металлургии связано с ростом экспорта. Доля России в

мировом производстве цветных металлов (алюминия, никеля,

меди, цинка, свинца, олова) составляет около 8,5%, при этом на

экспорт отправляется около 80% их производства и 70% редких

металлов

. Цветные металлы в составе экспорта составляют

порядка 12%, основными экспорт составляющими цветными ме-

таллами являются: алюминий – около 8%, медь – около 2% и

никель – более 1%. Переориентация цветной металлургии с

внутреннего рынка на экспорт косвенно отражает падение

уровня отечественной обрабатывающей промышленности

и, прежде всего, машиностроения.

До 1999 г. значительная доля цветных металлов произ-

водилась на условиях толлинга. Например, в 1996 г. удельный

вес выплавленного из давальческого сырья алюминия состав-

лял 43%, цинка – 51%, свинца – 29%

. В последние годы при-

Металлы Евразии.– 2001.– № 3.

Известия.– 1997.– 19 февр.

менение толлинга сокращается, и в 2002 г. была предпринята

законодательная попытка от него отказаться, однако из-за де-

фицита оборотных средств у предприятий эта попытка была

блокирована.

Толлинг – экономический механизм переработки да-

вальческого сырья, т.е. сырья, передаваемого его собствен-

ником без оплаты, на договорной основе, перерабатывающим

предприятиям для производства готовой продукции. При та-

кой схеме завод получает от трейдеров оборотные средства

и импортное сырье, перерабатывает его и оставляет себе

премию – определенный процент от стоимости металла на

лондонской бирже металлов. Толлинг был одобрен Президен-

том и утвержден Правительством в 1993 году как вынужден-

ная временная мера для предотвращения остановки алюми-

ниевых заводов, лишившихся после распада СССР традицион-

ных источников основного сырья (глинозема). Предполага-

лось, что за счет предоставления временных льгот (в ча-

стности, освобождения от уплаты НДС и таможенных по-

шлин) алюминиевые заводы, укрепив собственные ресурсы,

смогут постепенно перейти на прямые закупки сырья и экс-

порт металла.

Рис. 3.8. Динамика производства основных

видов продукции цветной металлургии в 1989–2007г.,

1989=100% см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф