Процесс производства стали в электропечах (стр. 2 из 2)

Рис. 4. Тигельная вакуумная индукционная печь:

1 – подвижная и неподвижная части корпуса соответственно; 2 – тигель; 3 – механизм наклона; 4 – камера загрузки; 5 – дозатор; 6 – рабочая площадка; 7 – устройство для чистки тигля

Другими словами, качество металла, выплавляемого в индукционных печах, в значительной мере определяется качеством шихты. По существу, плавка в таких печах есть переплав чистой, специально отобранной металлошихты с добавкой ферросплавов, лигатуры и некоторого количества шлакообразующих добавок.

Футеровка тиглей может быть кислой (кварцевый песок, кварцит) или основной (порошок магнезита или хромомагнезита). В огнеупорах для печей высокой частоты должны отсутствовать токопроводяшие и магнитные примеси, так как в высокочастотном поле они нагреются, оплавятся, что может привести к прогоранию тигля. Стойкость основной футеровки может достигать 100 плавок, стойкость кислой футеровки выше.

Плазменные печи

В плазменных печах источником тепла служит плазма, получаемая с помощью плазмотронов. Подовые плазменно-дуговые печи (ПДП) по конструкции схожи с обычной ДСП. В ПДП катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды плазмотронов, анодом – обрабатываемый металл. Дуга в ПДП обдувается потоком инертного газа (обычно аргона). Плазменные высокочастотные печи (ПВП) применяют обычно для выращивания монокристаллов и переработки чистых веществ.

Электронно-лучевые печи (установки)

Преобразование электрической энергии в тепловую в данных установках происходит непосредственно в расплавленном металле как результат соударения с ним электронов, вылетающих из электронной пушки. Переплавляемый металл подается в печь в виде расходуемого электрода, слитка, порошка и т.д.; расплавленный металл стекает каплями либо в водоохлаждаемый кристаллизатор – изложницу, либо в тигель. Плавка, происходящая при высокой температуре и глубоком вакууме, используется для получения особо чистых тугоплавких металлов и сплавов, слитков из стали и сплавов для деталей особо ответственного назначения и т.п.

Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67% С называются чугунами (от 2,14 до 4,3% С – доэвтектические, от 4,3 до 6,67% С – заэвтектические чугуны).

Кривые охлаждения – графическое изображение зависимости температуры от времени для исходных чистых веществ A и B и их смесей различного состава. Вид этих кривых свидетельствует о наличии или отсутствии фазовых превращений при некоторых определенных температурах или в интервале температур (рисунок).

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 5)

Рис. 5. Диаграмма состояния

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии.

Доэвтектические чугуны (рис. 6) начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE, а жидкого расплава – линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14% С, и цементита), называемая ледебуритом LC →АE+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение.

При дальнейшем охлаждении (участок 2 – 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде

вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному. В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3–3*).

Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Лвид+ЦII, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

Когда жидкий металл остывает, температура его снижается, что приводит к высвобождению энергии.

Температура является характеристикой суммарной тепловой энергии расплава и связана с кинетической энергией молекул. При охлаждении расплава интенсивность теплового движения молекул снижается. Характеристикой данной энергии является удельная теплоемкость. Когда расплав достигает температуры, называемой температурой ликвидус, связи между атомами на макроуровне заметно упрочняются. До тех пор, пока жидкая фаза не превратится в твердую, выделяется повышенное количество энергии. Энергия, выделяющаяся на этой стадии, называется скрытой теплотой плавления, энтальпией плавления или просто скрытой теплотой. Температура остается постоянной до окончания процесса фазового перехода. Скрытая теплота измеряется в кДж/кг. Температура, при которой металл или выделившаяся фаза полностью затвердевают, называется температурой солидус. Для чистых металлов температуры ликвидус и солидус совпадают.

Рис. 6.

Сплавы обычно кристаллизуются в некотором интервале температур, называемом интервалом кристаллизации. Термический анализ основан на записи значений температуры через определенные промежутки времени во время процесса кристаллизации расплава. Таким образом, возможно построение кривых охлаждения и использование их для анализа и классификации сплава. Кривая охлаждения представляет собой график изменения температуры во времени для образца сплава, заливаемого в стандартную форму, оснащенную термопарой, которую, как правило, размещают в центре формы. Температурные остановки, происходящие, например, при прохождении температур ликвидуса и солидуса, а также значения скорости охлаждения на различных стадиях процесса кристаллизации, можно использовать в качестве металлургических характеристик для классификации сплава и прогнозирования его поведения при заливке в формы.

При термическом анализе (ТА) металлов изучают процесс кристаллизации расплава из жидкого состояния. В некоторых случаях бывает полезным изучить обратный процесс – процесс нагрева твердого образца до момента его полного расплавления. На рынке имеются специальные стандартизованные устройства, или измерительные тигли, оборудованные термопарами (например, Quik-Cups).

Кривые охлаждения часто строят, откладывая по оси ординат значения температуры, а по оси абсцисс – значения времени. Можно также определить производные от кривой охлаждения, что облегчает отслеживание изменений в характере протекания процесса кристаллизации. График производной от кривой охлаждения отражает скорость изменения температуры с течением времени – т.е. по оси ординат откладывают отношение изменения температуры к единице времени. В некоторых случаях бывает целесообразным изучить и поведение 2‑й производной.

Еще одним методом отслеживания изменений в характере процесса кристаллизации является сравнение кривой охлаждения сплава с кривой охлаждения стандартного образца. Такая методика носит название дифференциального термического анализа (ДТА). На практике базовую кривую охлаждения строят с использованием скоростей охлаждения перед ликвидусом и после солидуса.

Различия между реальной кривой охлаждения и построенной базовой кривой можно отнести на счет скрытой теплоты, выделившейся при формировании в расплаве различных фаз.

Список литературы

1. О.М. Касілов Матеріалізнавство і технологія конструкційних матеріалів. Конспект лекцій. Херсон, ХДМІ, 2008

2. Б.А. Кузьмина «Технология металлов и конструкционные материалы», Москва, «Машиностроение» 1989

3. Ю.М. Лахтин «Основы металловедения», Москва, «Металлургия» 1988.