Технологические особенности литья стали
Сталь – один из наиболее распространённых в глобальной промышленности строительных материалов. Она используется в металлообрабатывающей, автомобильной, пищевой, строительной и многих других отраслях. Иными словами, сегодня трудно представить жизнь без стальных деталей, присутствующих в каждом доме. Литье стали – это сложный технологический процесс, начавший активно развиваться и совершенствоваться ещё в XIX в.
Значение стали в мировой индустрии
Мировая сталелитейная промышленность – одна из самых развитых отраслей металлургии. Несмотря на недавний спад производства в связи с финансовым кризисом 2012 года, литье стали получило новый толчок и сейчас стремительно набирает обороты. Ежегодный спрос на этот метод неуклонно растёт в связи с тенденциями к урбанизации и индустриализации. Основные покупатели стальных изделий – страны с хорошо развитой инфраструктурой и промышленностью. Производство стали в мире составляет около 90% от объёма всех металлов.
Сталь широко применяется в строительстве дорог, зданий и инфраструктурных сооружений: самые крупные стадионы, аэропорты и мосты имеют, как правило, стальной скелет. Болты, гвозди и винты также изготовлены методом отливки стали в специальные формы. Несмотря на растущую долю алюминия на мировом рынке, литье стали ещё долго не сдаст свои позиции. В то же время сталелитейное производство характеризуется цикличностью, а, следовательно, и относительной нестабильностью.
Характеристика стали
Своим появлением сталь обязана железу – это сплав железа (Fe) с определённым содержанием углерода (C). Доля последнего в смеси должна варьироваться в пределах от 0,1 до 2,14%. Причём сплавы, содержащие более 0,6% углерода в своём составе, получили название «высокоуглеродистые». Такие материалы отличаются особенной прочностью, так как углерод придаёт стали твёрдость и снижает её пластичность. Если содержание углерода превышает отметку в 2,14%, то материал относится к чугунам.
В процессе литья стали в сплав могут быть добавлены так называемые легирующие элементы (вольфрам, ванадий, марганец, хром, титан, кобальт и другие). Эта процедура направлена на то, чтобы придать конечному материалу нужные свойства, такие как прочность, пластичность, обрабатываемость и т. д. При этом массовая доля содержания железа должна оставаться на уровне не менее 45%.
Вне зависимости от способа получения стали, материал содержит небольшое количество примесей марганца, фосфора, серы и кремния. Эти элементы способны негативно влиять на здоровье человека, поэтому сталь не относится к высокоэкологичным материалам.
Разновидность сталей
Есть несколько общепризнанных классификаций литья стали в зависимости от критерия оценки. По качеству и способу производства стали подразделяются на:
- обыкновенного качества;
- качественные;
- повышенного качества;
- высококачественные.
Отношение к той или иной категории определяется процентом содержания вышеупомянутых вредных примесей и соответствием технологическим и механическим характеристикам. Каждый из видов имеет свою сферу применения. По химическому составу стальные сплавы делятся на:
- Углеродистые, предназначенные для статических нагрузок. Внутри себя группа делится на низко-, средне- и высокоуглеродистую сталь.
- Легированные, содержащие дополнительные элементы, влияющие на физические свойства материала.
Классификация
Кроме того, существует классификация по способу применения стали:
- Строительная – обыкновенный материал с хорошей свариваемостью.
- Конструкционная – характеризуется высоким содержанием углерода, подходит для каркасов, кровельных работ, изготовления рельсов.
- Инструментальная – применяется для режущего инструмента (резец, стамеска, долото, сверло, напильник и др.).
- Легированная – универсальная смесь со специальной примесью. Подвид – низколегированная сталь для суровых климатических условий.
- Сталь особого назначения используется в точном судостроении и электротехнике.
Свариваемость – ещё один важнейший критерий для литья стали, ставший основанием для разделения сплавов на группы. Это свойство определяется способностью к раскислению:
- Спокойные – полностью раскисляются, содержат минимальное количество неметаллических примесей.
- Полуспокойные, схожие со спокойными по качеству.
- Кипящие – неокисленные стали с высоким процентным содержанием неметаллических компонентов.
Для удобства была введена специальная маркировка, которая позволяет определить, к какому виду относится тот или иной сплав и какими основными характеристиками он обладает. Важно помнить, что общемировой системы нет, и у каждой страны она своя. Так, на территории России принято придерживаться численно-буквенных обозначений.
Основные процессы и технологии литья стали
С развитием промышленности спрос на более устойчивый к внешним воздействиям материал возрастал, и перед человеком встала задача создать его, имея в арсенале лишь научные догадки и оборудование, оставлявшее желать лучшего. Благодаря пытливости учёных было разработано множество способов выплавки стали. Процесс состоит из нескольких этапов.
Плавка
С открытия стали как строительного элемента прошло несколько веков, в течение которых было запатентовано и реализовано множество методов литья. С недавнего времени она стала плавиться в основном несколькими способами. Большую их часть объединяет принадлежность к электроплавильным способам обработки металла. Электропечи – лучшие на сегодня агрегаты, позволяющие наиболее быстро и качественно выплавить смесь, точно настроив температуру плавления и заливки.
Первый метод – дуговые электропечи. В качестве источника тепла используется электрическая дуга с рабочим напряжением до 600 В и силой тока до 10 кА. Длина дуги регулируется, а также печь оснащена огнеупорным кожухом и рабочим окном для контролирования плавильного процесса. Ёмкость дуговой печи может достигать 400 т.
Второй востребованный метод обработки стали – индукционные электропечи. Эти агрегаты подразделяются на конструкции с сердечником и без. Первая группа – печи низкой частоты, которые состоят из шахты и каналов, охватывающих сердечник и первичную обмотку трансформатора (индуктор). Залитый в канал жидкий металл провоцирует создание вторичного витка с мощным электрическим током, чья энергия трансформируется в тепловую. Материал быстро нагревается, что значительно экономит сырьё и электроэнергию. Дополнительное преимущество агрегата – отсутствие необходимости чистить каналы после предыдущей отливки.
Дополнительные методы
Индукционные печи без сердечника – это воздушные трансформаторы, принцип работы которых основан на поглощении выделяемой электромагнитной энергии загруженной в тигель шихтой (металлическим сырьём). Печи данного типа подразделяются на оборудование промышленной частоты (50 Гц) и высокочастотные (более 500 Гц).
Электричество позволяет быстро нагреть форму, поэтому в вышеперечисленных агрегатах выгодно изготавливать легированную сталь. Однако не меньшей популярностью пользуются такие способы как кислородно-конвертерный и мартеновский процессы.
Кислородно-конвертерный метод предусматривает литье стали из чугуна посредством окисления его примесей при помощи продувания кислородом. Система отличается простотой и высокой скоростью производства. Температура в камере поддерживается самим процессом окисления, обычно она составляет около 1600 °C.
Мартеновский процесс уходит корнями глубоко в историю – лишь в 1864 году удалось добиться температурных показателей, необходимых для срабатывания химических реакций. Тем не менее, ввиду относительной простоты реализации способ и по сей день широко используется.
Внутри себя процесс плавки также традиционно подразделяется на 3 основных этапа:
- Нагревание шихты и её расплавление.
- «Кипение» ванны – нагревание до максимальных температур для интенсивного окисления.
- Раскисление – на этом же этапе при необходимости проводится легирование.
Отливка сплава
После того как внутри печи или камеры произошло нагревание, расплавление и трансформация сырья в стальной сплав, его необходимо отлить в формы. Это происходит благодаря так называемой литниковой системе. Она является совокупностью каналов и резервуаров для подвода металла к форме для отливки.
Существуют различные типы форм для отливки стали, самые распространённые из них:
- песчаные формы для отливки – одноразовые, изготавливаются из смеси кварцевого песка, огнеупорной глины и каменноугольной пыли с опилками;
- оболочковые формы для отливки – обеспечивают герметическую точность, автоматизируют производство отливки, слитки получаются менее шероховатыми;
- выплавляемые формы для отливки – применяются для изготовления деталей высокой точности и любой сложности.
Каждый из видов форм для отливки обладает и достоинствами, и рядом недостатков, поэтому выбор в пользу того или иного способа осуществляется с учётом специфики производства конкретного изделия. Так, песчаные формы – это дёшево, но некачественно, в то время как литье стали с использованием выплавляемых моделей гарантирует высокую точность, но далеко не всегда оправдывает высокую себестоимость.
Был разработан самый экономичный способ отливки стальных слитков, получивший название «непрерывный» – получившийся сплав из ковша поступает в промежуточную форму для отливки, а оттуда – в медный кристаллизатор, где он начинает медленно затвердевать. На выходе слиток захватывается специальными тянущими роликами и дополнительно охлаждается водой. Скорость вытягивания стали из кристаллизатора составляет около 1 м/мин, после чего получившийся профиль режется на куски нужных размеров при помощи ацетиленокислородного лезвия.
Выводы
Сталелитейное производство обладает огромным промышленным потенциалом, так как спрос на литье стали ежегодно растёт. Совершенствование уже имеющихся технологий позволит создавать ещё более качественные элементы с нестандартными физическими свойствами.
Загрузка...