Повышение качества металла
Технический процесс сопровождается резким ускорением рабочих процессов, увеличением напряженности конструкций, значительным расширением эксплуатационного интервала температур, широким использованием активных средств при одновременном повышении прочности, надежности и ресурса создаваемых машин, механизмов и сооружений.
За последние полвека скорость движения и мощность двигателей автомашин, тепловозов повысились во много раз. Скорость полета самолетов возросла со 100 до 3500 километров в час, а мощность их двигателей в сотни раз. То же самое наблюдается и в энергетическом машиностроении, станкостроении и других отраслях. Так, скорость вращения шпинделей современных внутришлифовальных станков увеличилась более чем в 50 раз и достигает 120 тысяч оборотов в минуту. Скорости исполнительных органов, а также мощность машин будут расти и впредь. Отсюда — важная и сложная проблема повышения надежности и долговечности современных скоростных и высокомощных машин и механизмов.
Качество продукции — понятие сложное и выражается оно в комбинации специфических признаков технического, экономического и эстетического характера. Однако применительно к металлургическому производству это понятие включает в себя прежде всего соответствие произведенной и отгруженной продукции требованиям госстандартов и технических условий.
Различают производственные и потребительские качества металла. Производственные качества металла — это комплекс таких его характеристик, как химический состав, механические и физические свойства, точность размеров; потребительские качества — служебные характеристики металла, например надежность, стойкость, долговечность.
Задача улучшения качества металла является актуальной не только применительно к готовой товарной продукции черной металлургии. Ее решение в равной степени необходимо на всех ступенях металлургического цикла. Улучшение качества продукции аглофабрик, доменных и сталеплавильных цехов оказывает определенное влияние на технико-экономические показатели последующего передела вплоть до конечной ступени производства, выпускающей товарный металл.
В практике используют два различных пути повышения прочности материала: получение бездислокационных кристаллов с прочностью, близкой к теоретической, и за счет легирования и высокой плотности дефектов. Суть второго пути в том, чтобы создать в структуре металла как можно больше дефектов, от которых в обычных условиях всеми силами стараются избавиться. Получается кажущийся парадокс: ограниченное количество дефектов структуры ухудшает металл; когда их много, прочность резко повышается, хотя и остается далекой от теоретической. Таким способом удалось достигнуть прочность тонкой проволоки до 4000 М Па и на изделиях большого сечения — до 2000 МПа.
Многие исследователи предсказывают создание к концу XX века материалов с прочностью, приближающейся к теоретической. Расскажем о путях достижения этой цели.
Высокий эффект в использовании металла в народном хозяйстве получают при создании новых марок стали и расширении производства проката из низколегированных и микролегированных сталей. Они отличаются прочностью, превышающей в 1,5–2 раза показатели углеродистой стали, надежностью в эксплуатации и хорошей свариваемостью. Многие из низколегированных сталей имеют повышенный запас вязкости при минусовых температурах и высокую сопротивляемость хрупкому разрушению, что позволяет использовать их для сооружений и машин, работающих в районах Крайнего Севера.
Несколько слов о микролегированных сталях. 8 них вводятся микродозы легированных элементов, оказывающих тем не менее существенное влияние на повышение механических свойств металла. Например, в сталях, подвергаемых термической обработке, эффективное упрочнение достигается в результате микролегирования ванадием всего до 0,05%. При введении 0,03–0,04% ванадия увеличивается прочность и у средне-углеродистых сталей, что позволяет уменьшить массу машин и конструкций, а также увеличить их надежность и долговечность в работе.
Дополнительная обработка проката в черной металлургии иногда называется четвертым переделом. Сюда относят термическое и термомеханическое упрочнение, холодное деформирование, в том числе нанесение антикоррозионных свойств и других покрытий.
На повышение прочностных свойств оказывает большое влияние термическая обработка. Ее считают таким же способом увеличения количества металла, как строительство новых металлургических агрегатов. Достигаемое при этом увеличение прочности металла дает возможность увеличить срок службы изделия или уменьшить расход металла при производстве машин.
Упрочняющая термическая обработка малоуглеродистой и низколегированной сталей увеличивает на 20–25% прочность, улучшает пластические свойства при обычных и минусовых температурах. Иногда упрочненной углеродистой сталью можно заменить легированную. В итоге снижается стоимость машин и достигается. экономия легирующих добавок. Этот способ находит все более широкое распространение в металлургии.
В Советском Союзе разработан и успешно освоен оригинальный способ термического упрочнения проката. В чем он заключается?
Интенсивное охлаждение водой готовых, еще раскаленных профилей проката проводится непосредственно на выходе их из стана. В результате такой обработки прочность стали повышается в 2,5 раза, пластичность сохраняется, а ударная вязкость растет, даже если температура использования металла ниже нуля. При этом экономия стали в конструкциях и деталях машин за счет повышения ее прочности достигает 50%.
Разработка теории, технологии и оборудования для термичности упрочнения проката была начата еще в 40-х годах коллективом Института черной металлургии АН УССР в Днепропетровске. Ученые убедились в том, что процесс термической обработки дополнительно повышает прочность стали в сравнении с обычной закалкой и что на заводах можно избежать строительства громоздких и дорогих печей, удешевить и ускорить работы. Для термической обработки на прокатных станах достаточно установить охлаждающие устройства — резервуар и насосную станцию, вода при этом нагревается мало и почти не испаряется. Процесс не требует повторного нагрева металла, так как используется тепло, остающееся в металле после прокатки.
В комбинате “Криворожсталь”, ставшем базой освоения нового процесса, металлурги за последнее десятилетие термически обработали свыше 1,5 миллионов тонн арматуры и дали народному хозяйству экономию 54 миллиона рублей. В промышленных масштабах такую арматуру изготовляют Западно-Сибирский, Череповецкий и Макеевский комбинаты.
Для магистральных газопроводов нужно много электросварных высокопрочных труб диаметром 1200–1400 миллиметров. Было предложено термически упрочнять их с отдельного нагрева. Сотни тысяч таких труб обрабатывают на Волжском трубном заводе. Экономия металла составляет 20%.
Институт черной металлургии АН УССР в Днепропетровске разработал технологию упрочнения строительных профилей сложной конфигурации — балки, швеллеры, шахтную крепь. В тесном контакте с Днепропетровким металлургическим институтом испытана технология для 300-метровых швеллеров, рам мощных грузовиков “КрАЗ”. Межремонтный пробег этих машин в тяжелых дорожных условиях повысился в 3 раза. Внедряется также технология термического упрочнения в потоке прокатки универсальной полосы на стане 1200 Днепропетровского завода им. Дзержинского. Это позволит народному хозяйству сберечь более 20 миллионов рублей.
В нашей стране отлажены в промышленных условиях способы упрочнения всех основных видов прокатных изделий. Созданы условия для их широкого применения.
Значительно продлить срок службы машин, приборов, строительных конструкций позволит другое открытие советских ученых, зарегистрированное Госкомитетом Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий. Сотрудники ЦНИИчермета В.К. Крицкая, В.А. Ильина и А.В. Нарков нашли новый метод закалки стали.
Открытие советских ученых позволит преодолеть одну из основных “болезней” сплава железо-углерод — потерю прочности. Это так называемая “усталость” стали. Ее основная причина — естественная потеря углерода в кристаллической решетке сплава. Чтобы восстановить в стали углерод, нужна еще одна закалка: высокий нагрев и затем резкое охлаждение. Однако этот процесс применяется лишь для небольших деталей.
Ученые установили, что закаленная сталь может длительное время сохранять свою прочность, если ее предварительно облучить частицами высоких энергий — нейтронами, электронами или гамма-частицами. В этом случае углерод “не уходит” из кристаллической решетки основы закаленной стали. Обнаруженное явление позволит получить новые сплавы, сохраняющие длительное время высокие качества.
Весьма перспективно, в частности, упрочнение сталей с использованием скоростной электротермической обработки. Исследования в этой области были начаты до войны, однако физические основы нового метода сложились только в последние десятилетия. Специалисты Института металлофизики АН УССР установили, что при электронагреве возникают такие промежуточные структурные состояния и свойства стали, которые при обычной обработке получить не удается. Это важно для многих случаев. В частности, при изготовлении высокопрочной канатной проволоки применение этого метода позволило повысить пластичность холоднотянутой проволоки без снижения прочности, а в перспективе в ряде случаев позволит изменить технологию сталепроволочного производства.
Первая промышленная проверка метода завершилась выпуском опытной партии крановых канатов. Их испытания в Ильичевском морском порту и на киевском заводе “Большевик” показали, что работоспособность подъемных механизмов с такими канатами значительно повысилась. На Волгоградском сталепроволочно-канатном заводе введен в действие агрегат термоупрочнения проволоки больших диаметров, применяемой для армирования железобетона. Это намного повысило прочность армируемых элементов и сэкономило металл.
Многие качественные параметры металла можно повысить, расширить их палитру. Путь к этому открыла сверхбыстрая закалка стали. В последнее время ускорились поиски возможных решений этой важной проблемы. В Институте металлургии им. А.А. Байкова АН СССР создана установка, на которой экспериментально подтверждены прогнозы о новых структурах металлов.
В опытном подразделении, где ведутся плавки со сверхбыстрой закалкой, в ковш-тигель закалочной установки загружают измельченный металл. Плавка ведется в условиях вакуума, в присутствии небольшой дозы гелия. Металл в тигле быстро расплавляется, и его тут же подают на рабочие валки установки.
Эксперимент завершен. В руках ученого отсвечивает серебристым блеском металлическая фольга с исключительно высокими механическими и физическими свойствами.
— На новой установке, — рассказывает один из авторов разработки, — расплавленный металл охлаждается с невиданной скоростью: несколько миллионов градусов в секунду. Так что для охлаждения требуется буквально мгновение. Расплавленный металл из тигля попадает в тончайший зазор между двумя массивными валками и тут же подвергается формованию и резкому охлаждению. Валки делают несколько тысяч оборотов в минуту, а образующаяся фольга толщиной в сотые доли миллиметра вылетает из них со скоростью десятков метров в секунду.
В этих условиях атомы не успевают выстраиваться в присущие металлам кристаллические решетки. Сверхбыстрое охлаждение фиксирует “хаос атомов”, свойственный расплавленному металлу. В результате получается аморфная структура, подобная стеклу. Обработанные сверхбыстрым охлаждением металлические сплавы обретают замечательные свойства. Их прочность, твердость во много раз выше, чем известных лучших марок стали. Резко возрастают электросопротивление, магнитные свойства.
Достигнув больших объемов по выплавке стали, производству проката и труб, металлурги страны взяли курс на структурную, качественную перестройку работы всей отрасли. Перед ними стоит задача улучшить качество и увеличить выпуск высокоэффективных видов металлопродукции.
