Тема 4 проблеми поліпшення якості металу

Задоволення потреби ринку в металі повинно здійснюватися не тільки збільшенням маси виробленого металу, але й шляхом підвищення його якості. Це вимога особливо стосується сталі й сталевого прокату.

Аналіз структури собівартості різних видів сталевого прокату свідчить, що 80-95% витрат припадає на початковий метал, тобто зливки, і тільки 5-20% становлять витрати по переділу сталевих зливків і заготовок у готову продукцію. Частка витрат по переділу в прокат зливків з кольорових металів ще менше.

Із цих цифр випливає, що проблема зниження загальнодержавних трудових і матеріальних витрат по виробництву прокату повинна насамперед вирішуватися в напрямку економії металу в результаті поліпшення його фізичних і механічних властивостей і виробництва таких видів прокату, які давали б можливість знижувати конструктивну й технологічну металоємність машин, будівельних конструкцій та інших метало споживаючих об'єктів.

Тому необхідно зі збільшенням обсягів виробництва металів значно поліпшити якість і розширити сортамент продукції чорної металургії. За рахунок підвищення якості металовиробів можна істотно знизити питомі витрати сталі й цим зменшити капітальні витрати, необхідні для задоволення нашої країни металом.

Так, наприклад, застосування холоднокатаних листів замість гарячекатаних дозволяє заощаджувати близько 30% металу. У той же час при виробництві холоднокатаних листів експлуатаційні витрати в середньому тільки на 10-15% більше, ніж при виробництві гарячекатаних, а капіталовкладення збільшуються не більше ніж на 20-25%.

Це генеральне завдання розвитку чорної металургії, що складається в корінному поліпшенні якості виробленого металу, не є тимчасовим, актуальність його буде зростати з кожним роком.

За доцільність підвищення якості металів будуть постійно виступати два фактори. По-перше, підвищення вартості самого металу у зв'язку з неминучим переходом на використання менш багатих і менш доступних руд і на застосування більш дорогого коксівного вугілля. По-друге, підвищення ефективності технологічних процесів, спрямованих на підвищення якості металу, завдяки вдосконалюванню цих процесів і розвитку для їхнього здійснення більш продуктивних і автоматизованих агрегатів.

Тут цікаво відзначити, що за всю історію людства до початку ХХ століття було зроблено чорних металів близько 1,2 млрд. т, а за ХХ століття було отримано сталі й чавуну вже 12,3 млрд. т. Такий темп збільшення виробництва й споживання заліза надалі навряд чи буде знижуватися у зв'язку з новими споживачами у країнах, що розвиваються.

Тоді вже в найближчі 50–60 років світові запаси залізних руд категорій А+B+C₁, які становлять приблизно 150–200 млрд. т, почнуть вичерпуватися.

Таким чином, застосування руд категорії С₂, що є досить бідними і неекономічними, стає близьким, і воно, можливо, наступить раніше, ніж повне зношування створюваних у цей час машин і агрегатів, які могли б бути використані як скрап.

Так, наприклад, середній вміст заліза в сирій руді в 1960 р. було 44,6%, в 1970 р. 37,3%, а в 1975 р. близько 36,5%. Ця обставина викликає рік у рік збільшення частки витрат на сировину й основні матеріали у вартості продукції чорної металургії.

У зв'язку з такого роду причинами вартість заліза й чавуну, незважаючи на очікуване подальше вдосконалювання устаткування й технології, у принципі повинна рік у рік зростати.

На підставі сказаного проблема підвищення якості металу з метою його більш ощадливого використання буде ставати з кожним роком усе більше й більше актуальною, причому ця проблема стосується не тільки сталі й чавуну, але також і кольорових металів, рудні запаси яких стають у міру збільшення видобутку менш доступними. Отже, можна зробити висновок, що головною особливістю подальшого розвитку металургійних процесів і агрегатів є підвищення якості металів і їхньої продукції на всіх операціях її одержання й обробки.

Рішення цієї проблеми буде, таким чином, істотно впливати на технологічні процеси й, відповідно, на пристрій і призначення металургійних агрегатів починаючи від плавки металу й закінчуючи їхнім холодним деформуванням у різні вироби.

Найбільше значення в поліпшенні якості сталі має рафінування виплавлюваних чавуну й сталі, тобто видалення шкідливих домішок: сірки, фосфору, кисню, азоту, кольорових металів і т.п. Особливо необхідно для сталей переважного числа марок найбільш ретельне видалення сульфідних включень (до 0,001%), що значно поліпшує ударну в'язкість і інші показники міцності стали.

При одержанні сталі підвищеної чистоти кращим способом визнається рафінування методом переплаву сталевих електродів, хімічний склад яких близький до необхідного. Рафінування відбувається в краплях металу електрода, що плавиться, стікаючих у ванну, покриту шлаками.

Для цього процесу потрібен переплав (іноді подвійний або потрійний) у спеціальних печах: дугових електрошлакових, дугових вакуумних, електронно-променевих і плазменних. Витрати на переділ сталей окупаються в короткий термін за рахунок високої якості продукції, що виготовляється з неї.

Особливо прогресивний метод електрошлакового переплавлення, розроблений Інститутом електрозварювання імені Е.О. Патона. Він застосовується при виробництві сталі для виробів з підвищеною міцністю й зносостійкістю, наприклад підшипників кочення. Термін служби таких підшипників набагато більше, а габарити менше.

При більших обсягах виробництва доцільно широке поширення так званого позапічного рафінування. Воно може здійснюватися різними способами.

Для видалення сульфідних включень застосовується обробка рідкого чавуну шляхом продувки вапном або іншими матеріалами, іноді із застосуванням магнію й рідкоземельних елементів.

Для усунення зі сталі небажаних включень широке застосування одержали вакуумування, обробка синтетичними шлаками й продувка аргоном або іншими газами. Кожний із цих способів найбільш доцільний для того або іншого сорту сталі.

Якість металу може бути поліпшена й на наступних стадіях технологічного циклу – розливанні й кристалізації. Головні вимоги до виконання цих операцій – відсутність окислювання металу в ході цих процесів і застосування максимально можливої швидкості кристалізації з метою одержання злитка однорідного складу й гарної структури.

Найбільш ефективний спосіб поліпшення якості злитка – застосування порошкової металургії.

Сутність цього способу полягає в тому, що відливаються гранули розміром 50-500 мкм (і до 5 мм для алюмінієвих сплавів). Це лиття здійснюється шляхом розпилення в атмосфері нейтрального теплоносія. Завдяки малому розміру гранул швидкість кристалізації різко зростає. Швидкість у цьому випадку на порядок вище, ніж при литті традиційних злитків, що забезпечує їх однорідну й дрібнозернисту структуру.

При наступному спресовуванні гранул у вакуумі під тиском у кілька тисяч атмосфер і підвищеній температурі утвориться виріб, що має значно поліпшені властивості в порівнянні з тими, які виготовляють із монолітного злитка. Наприклад, стійкість різців зі швидкорізальної сталі підвищується в 2,5 рази. Зазначений спосіб широко застосовується при виробництві інструментів і багатьох інших виробів з високою стійкістю для всіляких галузей машинобудування.

Для масового виробництва металів знайшли широке застосування більш прості способи поліпшення якості злитка. До числа цих способів, насамперед, варто віднести розливання металу в нейтральній атмосфері й безперервне лиття заготовок.

При безперервному литті виходить більш однорідна структура злитка по перетину й виключається його неоднорідність по довжині. Ця перевага безперервного лиття має особливо велике значення при виробництві великих слябів масою більше 20 т і довжиною понад 10 м. Виготовлення таких слябів зі злитків, відлитих в виливниці, звичайно викликає внаслідок більших мас металу неоднорідність складу злитка по його висоті.

Для подальшого підвищення якості злитків, відлитих на машинах безперервного лиття, набули широкого застосування вдосконалені методи лиття й кристалізації, до числа яких варто віднести:

• сполучення безперервного лиття з вакуумуванням;

• лиття й кристалізація в магнітному полі, що вже застосовуються для алюмінієвих сплавів;

• кристалізація в ультразвуковому полі;

• сполучення процесів безперервного лиття в одному потоці із прокатним станом й інші способи лиття.

Особливо великі можливості підвищення якості металопродукції має виробництво прокату. Можна знайти багато різних напрямків у зниженні металоємності прокатних профілів і труб. Із числа основних напрямків у розвитку виробництва економічних видів прокату й труб варто виділити чотири:

1. Підвищення точності розмірів профілів, що прокатуються, і труб, тобто зниження припустимих полів допусків на розміри профілю.

2. Надання профілю прокату й труби форми, що забезпечує найкраще використання металу як у самій конструкції, так і в процесі її виготовлення.

3. Підвищення якості металу термічним або термомеханічним зміцненням.

4. Нанесення спеціальних покриттів на прокат і труби для додання поверхні необхідних фізико-хімічних властивостей і, головним чином, для захисту їх від корозії.

Ці разом узяті головні напрямки підвищення якості прокату й труб дають підставу зробити висновок, що в розвитку як виробництва прокату й труб, так і при створенні нових прокатних і трубних станів необхідно керуватися законом – виробляти такий вид прокату, що забезпечував би в споживача найкраще використання металу.