Методы получения стали высокого качества.

Получение стали высокого качества можно производить двумя методами - электродуговым и электроиндукционным.

Электродуговой метод основан на нагреве и поддержании в расплавленном состоянии шихты за счет тепла электрической дуги, возникающей между угольными электродами и шихтой. Сырьем служит стальной скрап(~90%) и передельный чугун(~10%). Окислителем служит железная руда. Емкость дуговой печи достигает 200 - 300 тонн. Данным методом можно получать любые виды жаростойкой и легированной стали, за исключением низкоуглеродистой (в системе находится углерод электродов). К недостатку метода относятся высокие затраты электроэнергии на разогрев и расплавление шихты. Для снижения затрат электропечи устанавливают рядом кислородными конверторами и переделу подвергают только - что полученную расплавленную сталь.

Электроиндукционный метод основывается на нагреве и поддержании в расплавленном состоянии шихты внутри тигля, за счет вихревых токов (токи Фуко), возникающих в металле шихты, при пропускании тока высокой частоты (~1500 Гц) по медной обмотке индуктора. Данным методом можно получать стали любого заданного состава, однако метод дорог (высокие затраты электроэнергии) и предназначен в основном для получения специальных высоколегированных сталей.

Тема 3. Обработка металлов давлением.

Различают пластическую и упругую деформацию тел, связанную с воздействием физических нагрузок. Под упругой деформацией понимают такую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки. Пластическая деформация не исчезает после того, как снята нагрузка.

Различают следующие методы обработки металлов давлением: прокат, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка.

Обработка металлов прокаткой.

Прокатка - метод обработки металлов давлением, при котором заготовка принимает нужные форму и размеры при пропускании ее между двумя вращающимися валами (валками), причем зазор между валами меньше толщины исходной заготовки. Для облегчения процесса обжатия заготовки нагревают.

Процесс прокатки производят на прокатных станах, которые состоят из отдельных клетей:

а) двигатель с редуктором. Редуктор - устройство для передачи вращательного момента с одного вала (например - вала двигателя), на другой вал с изменением частоты вращения и сохранением общей мощности;

б) передаточный механизм - служит для передачи и распределения вращающего момента на валы рабочей машины и распределения между ними;

в) рабочая машина, состоящая из рабочих клетей, где собственно и происходит обжатие заготовки.

Прокатные станы классифицируются:

- по виду производимой продукции. Например, станы, выпускающие квадратные заготовки (блюмы) называются блюмингами. Станы, выпускающие прямоугольные заготовки (слябы) - слябингами;

- по виду и направлению движения валов;

- по количеству и расположению рабочих клетей.

Перечень получаемых прокаткой изделий, с указанием формы и размеров изделий называется сортаментом проката. В зависимости от вида различают: сортовой, листовой, трубный, периодический и специальный прокат.

Прокатка относится к самым мощным видам обработки металлов давлением, более 80% получаемой стали подвергается прокатке для получения заготовок. Следует отметить, что изделия, полученные прокаткой, имеют внутренние напряжения из-за деформации кристаллической решетки в ходе обжатия. Для устранения напряжений, которые могут привести к неожиданному разрушению изделия, применяется термическая обработка. Термическая обработка - есть нагрев и охлаждение изделия по заданному режиму, с целью придания его кристаллической структуре заданных свойств.

Достоинства прокатки.

1.Высокая производительность.

2.Очень широкая номенклатура изделий (вплоть до шариков для шарикоподшипников).

3.Метод поддается автоматизации.

Недостатки прокатки.

1.Высокая капиталоемкость и материалоемкость.

2.Энергоемкость.

3.Поверхность изделия требует механической обработки (недостаточно точная и чистая).

4.Требуется термическая обработка изделий.

Вывод: метод выгоден для крупносерийного производства заготовок, само производство обладает высокой конкурентоспособностью. Следовательно, организация прокатного производства, ввиду высокой капиталоемкости и низкой, но в то же время гарантированной прибыли, рентабельно при отсутствии конкурентов.

Волочение.

Суть метода заключается в протягивании заготовки (1) через отверстие инструмента под названием волока (2), диаметр которого меньше диаметра исходной заготовки (2); при этом диаметр изделия (3) уменьшается, а длина увеличивается. Волочение проводят в холодном состоянии, через несколько последовательно расположенных волок. Данным методом получают проволоку, калиброванные (с точным диаметром) прутки и тонкостенные трубы диаметром 0,002 - 5 мм. Исходным сырьем служит катанная (полученная прокаткой) проволока, прутья (арматура) и тонкостенные трубы.

К волоке, как инструменту, предъявляются следующие требования:

-теплопроводность,

-твердость,

-сопротивление изгибу и удару.

В соответствии с требованиями, материал для изготовления волок - специальная инструментальная сталь, металлокерамика, технические алмазы. Следовательно, стоимость волоки весьма значительна.

Общий алгоритм волочения. Исходное сырье очищают от окалины и ржавчины химическим способом - травят в фосфорной или соляной кислоте, удаляют технологически бракованные участки (участки с раковинами, слишком тонкие и т.п. вырезают, а годные - сваривают). Затем заделывают концы для того, чтобы их возможно было продеть через волоки и закрепить на барабан. Протягивают сырье - волочат - со скоростью, максимально возможной технологически. Волочение осуществляют на специальных волочильных станах (схемы 1,2). В ходе волочения волоки постоянно смазываются. По окончанию процесса - термическая обработка (при необходимости), контроль, разрезание на мерные части, консервационная смазка, маркировка.

Достоинства волочения:

1.Высокая производительность.

2.Точная и чистая поверхность (не нуждается в механической обработке).

3.Не требуется нагрев.

4.Метод подвергается автоматизации.

5.Сравнительно низкие затраты на оборудование.

6.Меняя волоку, легко перейти на другой диаметр изделия.

Недостатки волочения:

1.Высокая стоимость волоки.

2.Необходимость термообработки.

3.Низкая номенклатура изделий (получается только проволока, прутки и тонкостенные трубы).

Вывод: производство обладает высокой прибыльностью при низкой конкурентоспособности.

Прессование.

Прессование - метод обработки металлов давлением, при котором изделию придается нужные форма и размеры при выдавливании нагретого до состояния высокой пластичности металла из полости контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которого соответствуют форме и размерам сечения будущего изделия. Полученное изделие называется профиль, т.е. имеет одинаковое сечение по всей длине.

К металлу, из которого изготовлен контейнер и матрица предъявляются следующие требования:

-жаростойкость,

-сопротивление давлению,

-низкая адгезия к выдавливаемому металлу.

Контейнер и матрицу изготавливают из специальной высоколегированной стали, следствием чего является их высокая стоимость. Сырьем для прессования служат цветные металлы и сплавы, которые становятся пластичными при сравнительно низких температурах.

Достоинства метода:

1.Высокая производительность.

2.Высокая точность и чистота поверхности.

3.Метод подвергается автоматизации.

4.Можно изготвливать сложные профили.

5.Легко перейти на изготовление другого профиля, поменяв матрицу.

Недостатки метода:

1.Высокая стоимость контейнера и матрицы

2.Ограниченность номенклатуры по материалу.

3.Ограниченность номенклатуры профилями.

4.Высокие энергозатраты (нагрев металла)

Вывод: метод выгоден для производства сложных профилей их цветных металлов и сплавов, при организации производства в виде производственного участка в цехе.

Свободная ковка.

Суть метода заключается в придании изделию нужных размеров и формы путем последовательных ударов молота или нажатий бойка пресса по заготовке, нагретой до состояния пластичности.

Полученное изделие называется поковкой и служит, в основном, заготовкой для дальнейшей механической обработки. Различают ковку ручную и механическую. Ручная ковка служит для ремонта и единоразового получения мелких изделий.

Механическая ковка позволяет получать изделия массой до нескольких сотен тонн и предполагает использование механического молота или механического пресса. Использование механического молота (массой падающей части может достигать 16-20 тонн) позволяет получать поковки массой до 2-х тонн. Пресс сложнее и дороже молота, однако позволяет осуществлять нажатие в значительно большем интервале давлений и получать крупные поковки массой до нескольких сотен тонн.

Общий алгоритм ковки. По чертежу поковки определяют массу и вид заготовки, а затем - последовательность термических и кузнечных операций. После определяют вид и параметры оборудования. Проводится процесс формообразования согласно определенного ранее технологического режима. Основными операциями ковки являются: осадка, высадка, протяжка, рубка. По окончанию формообразования - термическая обработка, контроль, механическая обработка, маркировка, покраска.

Недостатки ковки.

1.Низкая производительность.

2.Высокая стоимость оборудования.

3.Низкая точность и чистота поверхности - необходима механическая обработка, следовательно - высокий расход металла.

4.Высокие энергоемкость, связанная с нагревом заготовки.

5.Требуется высококвалифицированная рабочая сила.

Достоинства ковки.

1.Единственный метод получения особо крупных изделий, к которым предъявляются особые требования к качеству внутренней кристаллической структуры, в связи сильными механическими нагрузками.

Горячая объемная штамповка.

Суть метода заключается в том, что нагретая заготовка принимает нужные форму и размеры с помощью специального инструмента - штампа. Причем в момент удара металл заготовки переходит в "мгновенно - текучее" состояние и заполняет полости штампа, называемые ручьями. Штамповкой можно получать изделия массой от нескольких грамм до 300 - 350 кг.

Штамп состоит из двух частей. Верхняя часть - подвижная и прикрепляется к молоту или прессу, нижняя часть - неподвижная. В связи с тем, что штамп испытывает сильнейшие механические и термические нагрузки, его изготавливают из специальной высоколегированной стали. Причем заготовку для штампа подвергают термической обработке, с последующим вырезанием ручьев фрезерованием и их дальнейшей шлифовкой. Следовательно, стоимость штампа крайне высокая. Штампы бывают одноручьевыми и многоручьевыми, простыми и сложными, заготовительными и т.п.

Различают открытую и закрытую штамповку.

При открытой штамповке масса заготовки больше массы готового изделия и лишний металл “вытекает” в специальную щель в штампе, называемую облойной, образуя заусенец - облой. Это связано с необходимостью полного заполнения ручьев во избежание брака. Масса заготовки при окрытой штамповке, также должна учитывать и массу угара, возникающего при нагреве.

При закрытой штамповке облойная щель отсутствует и масса заготовки равна массе готового изделия, т.е. не происходит потеря металла на облой. Закрытая штамповка экономичнее, чем открытая, однако для закрытой штамповки требуется заготовка с формой, близкой к форме изделия и возможность нагрева металла без доступа кислорода во избежание образования угара. Следовательно, закрытая штамповка сложнее с технологической и организационной точки зрения и особо выгодна при производстве небольших изделий, где масса облоя в случае закрытой штамповки может составить значительную часть.

Алгоритм штамповки аналогичен алгоритму ковки, но с учетом алгоритма изготовления штампа.

Достоинства штамповки.

1.Очень высокая производительность.

2.Поверхность изделия точная, гладкая чистая, практически не требует механической обработки.

3.Внутренняя структура - сравнительно однородная, мелкокристаллическая. Изделие не требует термической обработки.

4.Метод легко подвергается автоматизации.

5.Не требует высококвалифицированной рабочей силы.

Недостатки метода.

1.Высокая стоимость оборудования.

2.Ограниченность номенклатуры по массе и сложности поверхности.

3.Высокая утомляемость рабочей силы на конвейере.

4.Невозможно изготовить изделия с внутренней структурой особо высокого качества.

Листовая штамповка.

Листовая штамповка – получение плоских и объемных тонкостенных изделий из листового проката (лист, полоса, рулон). Этим методом получают кузова автомобилей, холодильников, изделия ширпотреба. Оборудованием листовой штамповки являются кривошипные и гидравлические прессы и штампы.

Технологические операции листовой штамповки можно разбить на две группы:

1.Разделительная (отрезка, вырубка, пробивка, надрезка, зачистка);

2. Формоизменяющая (вытяжка, гибка, обжим, формовка, отбортовка и т.п.) Достоинства листовой штамповки.

1.Очень высокая производительность.

2.Поверхность изделия точная, гладкая чистая, практически не требует механической обработки.

3.Внутренняя структура - сравнительно однородная, мелкокристаллическая. Изделие не требует термической обработки.

4.Метод легко подвергается автоматизации.

5.Не требует высококвалифицированной рабочей силы.

6.Низкая (по сравнению горячей объемной штамповкой) энерго- и капиталоемкость

Недостатки метода.

1.Ограниченность номенклатуры, обусловленная толщиной заготовки (не более 5 – 10 мм).

2.Высокая утомляемость рабочей силы на конвейере.

3.Низкие конструкционные свойства изделий, обусловленные исходным материалом («кипящая сталь»).

Вывод: штамповка выгодна для серийного и крупносерийного производства небольших изделий среднего и низкого качества из стали и цветных металлов и сплавов.