Производство стали в электропечах.

Электросталеплавильное производство – это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами.

Преимущество: быстрый нагрев и поддержание заданной t в диапазоне до 2000 ^оС; возможность создания любой атмосферы и даже вакуумной.

Плавильные электропечи подразделяются на дуговые и индукционные. В дуговой электропечи источником тепла служит электрическая дуга возбуждаемая между электродами и металлической шихтой.

Вместимость дуговых э. от 0,5 до 400 т стали. Вместимость индукционных э. до 5т, и только в отдельных случаях достигает 30т. По сравнению с дуговыми обладают рядом достоинств:

1) Отсутствие эл. дуги позволяет выплавлять металл с малым содержанием углерода и газа.

2) Возникающие электродинамические силы перемешивают жидкий металл

3) Небольшие размеры позволяют помещать их в спец. Камеры и создавать контролируемую атмосферу или вакуум.

В электропечах выплавляют в основном легированные стали.

6) Методы внепечной обработки стали могут быть условно разделены на простые (обработка одним способом) и комбинированные (обработка металла несколькими способами одновременно). К простым методам внепечной обработки стали относятся:

• обработка металла вакуумом;
• продувка инертным газом;
• обработка стали синтетическим шлаком в ковше;
• введение реагентов в глубь металла;
• продувка порошкообразными материалами.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки стали являются:

• необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсации снижения температуры металла при обработке в ковше;
• ограниченность воздействия на сталь (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

7) Атомы в любом твердом теле стремятся расположиться на таких расстояниях друг от друга, чтобы энергия взаимодействия представляющая собой сумму энергий отталкивания и притяжения атомов была минимальна.

Рис.

Такие закономерно расположенные атомы образуют правильную кристаллическую решетку. Любую кристалл. Решетку хар-ет элементарная кристалл. ячейка, т.е. наименьший объем кристалла дающий представления об атомной структуре металла в любом объеме. Выделяют 14 типов кристаллических решеток, но рассмотрим тольк 2 типа: 1- объемно-центрированная кубическая (ОЦК) и 2-гранецентрированная кубическая (ГЦК).

Если рассматривать плотность распределения атомов по разным направлениям и плотностям кристалла, то видно что она может быть существенно различна. Плоскости металла с более плотной упаковкой атома имеют меньший уровень поверхностных энергий, поэтому по них легче осуществляется деформация кристаллов. Такая неодинаковость св-в кристаллов в разных кристаллографических плоскостях называется анизотропией.

В стр-ве применяют поликристаллический материал, состоящий из большого кол-ва различных ориентированных друг на друга мелких кристаллов. Поэтому в поликристаллическом теле в равновесном состоянии анизотропией можно пренебрегать. Также следует отметить что железо в зависимости от t способно образовывать несколько разных кристаллических структур.

8)

9) Точечные дефекты строения малы во всех 3-ех направлениях. Они вызывают местные искажения кристаллической решетки и влияют на ряд физических св-в.

Рис. Примесной атом замещения Рис Приместной атом внедрения

Рис. Дефект вакансий Рис Дефект дивакансий

Рис. Шотки Рис Френгеля,

Поверхностные дефекты – двухмерные несовершенства имеющие значительные размеры в двух направлениях., а в третьем из размер соизмерим с двух атомным.

Рис

Поверхностные дефекты образованы дислокациями. Несовершенства, к которым относят поры, микротрещины. Такие дефекты однозначно снижают прочность металла.

10) Линейные дефекты малы в двух направлениях. а в третьем соизме- римы с длиной кристалла. К ним относят цепочки таких точечных дефектов как вакансий, приместные атомы внедрения и замещения, межузельные и дислокации.

Рис

Краевая дислокация представляет собой локализированное искажение кристалл. Решетки, вызванное наличием в ней лишней атомной полуплоскости. Одной из важных характеристик металла явл-ся плотность дислокаций, под которой понимают суммарную длину дислокаций, приходящуюся на единицу объема. ρ₀[cм^-2 ]

Влияния несовершенств строения металла на их св-ва.

Рис. Зависимость прочности металла(стали) от плотности дислокации.

Теоретическая прочность пропорциональна произведению сил межатомных взаимодействий на их число атомов в сечении кристалла. Подсчитанная таким образом теоретическая прочность железа составляет около 13 000МПа, а фактическая прочность не превышает 200 МПа.

Это объясняется тем,что деформация в металлах происходит за счет постепенного перемещения дислокаций на что требуется гораздо меньше энергии, чем для разрыва всех межатомных связей сечения.

Рис.

Объемные дефекты (трехмерные несовершенства) – это поры, газо­вые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т.п. Они имеют значительную по сравнению с атомами протяженность во всех трех направлениях кристалла. Объемные дефекты образуются при кристаллизации, фазовых превращениях в твердом состоянии, пласти­ческой деформации и других процессах. Эти дефекты снижают проч­ность металлов.

11) Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры назыв. первичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации обусловлен стремлением любой системы в термодина- мически более устойчивые состояния с меньшей свободной энергией.

Рис. Изменение свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии.

При t плавления t_п равная вероятно существованию как твердой, так и жидкой фазе. Чтобы началась устойчивая кристаллизация жидкого металла, то нудно охладить до t кристаллизации t_к,которая меньше tплавления на величину ∆t. Это степень переохлаждения, зависящая от частоты природы металла, и от скорости охлаждения. Для металла ∆t составляет 10-30^оС.

Рис. Зависимость степени переохлаждения от скорости охлаждения.

Механизм процесса кристаллизации.

К. металлов подчиняется след. закономерностям:

1)первично зарождаются центры новой фазы внутри стали

2)затем происходит рост этих центров.

Центры кристаллизации могут зарождаться самопроизвольно из однородных жидкостей либо центрами кристаллизации в неоднородных жидкостях могут служить частицы находящиеся в твердом состоянии.

Рис.зависмость числа центров кристаллизации и скорость роста кристаллов от степени переохлаждения

Процессы возникновения и роста центов кристаллизации протекают параллельно, поэтому увеличение общей массы кристаллизовавшегося металла происходит как за счет возникновения нового центра, так и за счет роста существующего. Пока образовавшиеся центры кристал. растут свободно они имеют правильную геометрическую форму, затем при сращивании правильность очертаний нарушается и полностью затвердевший мет. представляет собой сов-ть образований неправильной формы, которые получили название зерен.

При малости степени переохлаждения скорость роста велика, а скорость зарождения центров кристаллизации мала. В таком случае получается крупнозернистая структура. При больших степенях переохлаждения получается крупнозернистая структура. При очень больших переохлаждениях жидкость не кристаллизуется, а затвердевает как аморфное тело.

13) В реальных условиях самопроизвольное зарождение центров кристаллизации затруднено. Чаще источником их образования являются твердые частицы. Чем больше твердых примесей, тем больше центров кристаллизации и тем меньше зерно, иногда в металл специально вводят в-ва. Которые при кристаллизации способствуют измельчению зерна. Такая операция называется модификацией, а вводимые примеси модификаторами. Если модификаторы к моменту кристаллизации жидкого металла находятся в твердом состоянии, то это модификатор 1-го рода. Также существуют модификаторы 2-го рода, которые увеличивают число центров кристаллизации за счет уменьшения размеров центра кристаллизации способного к дальнейшему росту.

14) Форма кристалла зависит от скорости охлаждения, хар-ра и кол-ва примесей. Кристаллы могут быть равноосными, пластинчатыми, игольчатыми, но наиболее распространены разветвленные древовидные кристаллы-дендриты.

Первоначально образуются длинные ветви. Они растут перпендикулярно плоскостям кристалла с максимальной плотностью упаковки. Затем перпендикулярно образовавшимся ветвям зарождаются и растут ветви второго порядка. В свою очередь на осях 2-го порядка растут ветви 3-го порядка. При срастании 2 дендритов правильность их геометрической формы нарушается. Следует отметить, что на ветвях затвердевает чистый металл, а все остальные пространства обогащено примесями.

Неоднородность хим.составав кристалле называется ликвацией. При кристаллизации крупных пром.слитков на форму кристалла наибольшее влияние оказывают скорость и направление теплоотвода.

Рис.Строение стального слитка спокойной стали.

1-мелкозернистая порка

2-зона столбчатых кристаллов

3-зона равноосых кристаллов.

Дата добавления: 2015-10-21