403

28 декабря 2022 года

Предмет :"Основы материаловедения"

Группа  403

Тема занятия :"Сведения о производстве стали"

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – это железоуглеродистый сплав, который содержит около 1,5% углерода, если его содержание увеличивается, то значительно повышается хрупкость и твердость стали. Основной исходный материал для производства стали - стальной лом и передельный чугун.

Содержание примесей и углерода в стали намного ниже, чем в чугуне. Поэтому суть металлургического передела в сталь чугуна – это уменьшение содержания примесей и углерода за счет их избирательного окисления и превращения в газы и шлак в процессе плавки.

В первую очередь окисляется железо при взаимодействии кислорода и чугуна в сталеплавильных печах. Вместе с железом окисляются фосфор, кремний, углерод и марганец. Оксид железа, который образуется при высоком температурном режиме, отдает свой кислород в чугуне более активным примесям, при этом окисляя их.

Производство стали осуществляется в три стадии.

ПЕРВАЯ СТАДИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ - РАСПЛАВЛЕНИЕ ПОРОДЫ

Происходит расплавление шихты и нагревается ванна жидкого металла. Температура металла невысокая, энергично окисляется железо, образуется оксид железа и окисляются примеси: марганец, кремний и фосфор.

Самая важная задача этой стадии производства стали – это удаление фосфора. Для этого нужно проводить плавку в основной печи, где шлак будет содержать оксид кальция (CaO). Фосфорный ангидрид - P2O5 будет образовывать с оксидом железа непрочное соединение (FeO)3 x P2O5. Оксид кальция – как более сильное основание, по сравнению с оксидом железа, и при не очень высоких температурах связывает P2O5 и превращает его в шлак.

Для того чтобы удалить фосфор, нужна не очень высокая температура, ванны шлака и металла, достаточное содержание в шлаке FeO. Для того чтобы увеличить в шлаке содержание FeO и ускорить окисление примесей добавляется в печь окалина и железная руда, наводя железистый шлак. Постепенно, по мере удаления из металла в шлак фосфора, содержание в шлаке фосфора повышается. Так что нужно убрать данный шлак с зеркала металла, а затем заменить его новым со свежими добавками оксида кальция.

ВТОРАЯ СТАДИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ - КИПЕНИЕ

Происходит кипение металлической ванны. Начинается постепенно, по мере нагрева до высоких температур. При увеличении температуры интенсивней происходит реакция окисления углерода, протекающая с поглощением теплоты:

Для того чтобы окислить углерод вводят в металл небольшое количество окалины, руды или вдувают кислород. При реакции углерода с оксидом железа, пузырьки оксида углерода выводятся из жидкого металла, и происходит "кипение ванны". Во время "кипения" сокращается в металле содержание углерода до требуемого количества, температура выравнивается по объему ванны, немного удаляются неметаллические включения, которые прилипают к всплывающим пузырькам CO и газы, которые проникают в пузырьки CO. Все это ведет к увеличению качества металла. А значит, данная стадия - основная в процессе производства стали.

Создаются условия для того чтобы удалить серу. В стали сера находится в форме сульфида - FeS, растворяемого в основном шлаке. Чем будет выше температурный режим, тем больше сульфида железа растворится в шлаке и будет взаимодействовать с оксидом кальция CaO:

Соединение, которое образуется – CaS, растворяется в шлаке, но при этом не растворяется в железе, так что сера выводится в шлак.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ ПРОИЗВОДСТВА – РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ

Происходит восстановление оксида железа, который растворен в жидком металле. Увеличение содержания кислорода в металле при плавке необходимо для осуществления окисления примесей, но в уже готовой стали кислород является вредной примесью, потому что понижает механические свойства стали.

Раскисление сталь осуществляется двумя методами: диффузионным и осаждающим.

Диффузионное раскисление происходит благодаря раскислению шлака. В измельчённом виде ферросилиций, ферромарганец и алюминий переносят на поверхность шлака. Эти раскислители, восстанавливают оксид железа, и при этом сокращают содержание его в шлаке. А значит, оксид железа, который растворен в стали переходит в этот шлак. Оксиды, которые образуются при таком процессе, остаются в шлаке, а железо, уже в восстановленном виде, переходит в сталь, а в ней уменьшается содержание неметаллических включений и увеличивается ее качество.

Осаждающее раскисление происходит благодаря введению в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферросилиция, ферромарганца, алюминия), которые содержат элементы, обладающие более высоким сродством к кислороду, в сравнении с железом. В конце концов, после раскисления восстанавливается железо и создаются оксиды: SiO2, MnO, Al2O5, имеющие меньшую плотность,в сравнении со сталью, и выводятся в шлак.



В зависимости от уровня раскисления можно выплавлять такие виды стали: - кипящие – не полностью раскислены в печи. Раскисление такой стали продолжается в изложнице при затвердевании слитка, за счет взаимодействия углерода и оксида железа: FeO + C = Fe + CO.

Оксид углерода, который образовался, выводится из стали, обеспечивая удалению водорода и азота из стали, газы выводятся в виде пузырьков, приводя её к кипению. Кипящая сталь не имеет неметаллических включений, поэтому отличается высокой степенью пластичности.

• спокойные - получается при абсолютном раскислении в ковше и в печи.
• полуспокойные – отличаются промежуточной раскисленностью между кипящей и спокойной сталями. Частично раскисляется в ковше и в печи, а частично – в изложнице, за счет взаимодействия углерода и оксида желез, которые содержатся в стали.

Легирование стали происходит введением чистых металлов или ферросплавов в определенном количестве в расплав. Легирующие элементы, которые имеют меньше сродство к кислороду, чем у железа (Co, Ni, Cu, Mo), при разливке и плавке не окисляются, и поэтому их вводят в какое-либо время плавки. Легирующие элементы, которые имеют большее сродство к кислороду, чем у железа (Mn, Si, Cr, Al, Ti , V), в металл вводят после раскисления или вместе с ним на окончательном этапе плавки, а иногда и в ковш.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И ВЫПЛАВКИ СТАЛИ

Для производства стали на сталелитейных заводах должно быть специальное оборудование:

Кислородные конверторы

• аргоновое хозяйство;
• детали конвертеров (сосуды и несущие кольца конвертера);
• фильтрация пыли;
• отсасывание конвертерного газа;

Электропечи

• индукционные печи (изготовление периферий);
• дуговые печи (изготовление энергетических опор, стальных частей для горнов, охлаждение электродов);
• загрузочные бадьи;
• скрапное отделение;
• частотные преобразователи для индукционного нагревания;

Вторичная металлургия

• обессеривание стали;
• гомогенизация стали;
• электрошлаковый переплав;
• создание вакуума;

Ковшовая технология

• оборудование LF типа;
• оборудование SL типа;

Ковшовое хозяйство

• крышки литейных и разливочных ковшей;
• литейные и разливочные ковши;
• шиберные затворы;

Оборудование непрерывной разливки стали

• разливочная поворотная станина для манипуляции с промежуточными ковшами и ковшами;
• сегменты оборудования непрерывной разливки;
• вагонетки промежуточных ковшей;
• аварийные лотки и сосуды;
• промежуточные ковши и подставки для складывания;
• пробочный механизм;
• передвижные мешалки чугуна;
• охлаждающее оборудование;
• выводные участки непрерывной разливки;
• металлургические рельсовые транспортные средства.

Таким образом производство стали - это сложный технологический процесс, сочетающий базовые химические принципы получения железа, в сочетании с технологиями отливки стали.

28 декабря 2022 года

Группа 403

Предмет :"Основы материаловедения "

Тема занятия :"Качество сварочных соединений"

Методы контроля качества сварных соединений

Контроль сварных швов является важным ключевым компонентом для  обеспечения надёжного и качественного соединения деталей и работоспособности конструкции. После окончания сварочных работ проводится обязательная проверка качества сварных швов. Контрольная процедура дает возможность выявить дефекты, влияющие на прочность соединения и эксплуатационные характеристики готового изделия. Своевременное обнаружение дефектов позволяет избежать аварийных ситуаций и повысить безопасность эксплуатации конструкции.

На крупных производственных предприятиях контроль сварочных швов проводит отдельный специалист-контролер. Но на небольших производствах в штате часто такая единица отсутствует и проверку проводит сам сварщик.

1. Предварительный контроль – здесь происходит проверка поверхности металла, качества электродов, флюсов, присадочной проволоки и газовых смесей. Затем, непосредственно перед тем как приступить к сварке, происходит контроль качества сборки, подготовки рабочего места и осмотр состояния сварочной аппаратуры.

2. Контроль сварки – это проверка правильности выбранного режима и соблюдения технологии в процессе сваривания деталей.

3. Контроль качества – он происходит по окончании процесса сваривания, который осуществляется различные способами, приведенные ниже.

4. Внешний осмотр – здесь происходит визуальный осмотр деталей на наличие видимых дефекты.

Процедура проверки качества сварных соединений проводится в соответствии с ГОСТ и другими нормативными документами. В них указаны допустимые погрешности. По завершению измерений составляется акт и протокол испытаний, в котором указываются результаты. Зачастую, визуального осмотра сварного шва недостаточно, так как дефекты могут быть скрытыми. Поэтому на практике применяют различные способы контроля качества сварных швов, которые подробно описаны ниже.

Визуальный контроль сварных швов

Самый простой, быстрый и недорогой способ осмотра шва это визуальный осмотр. Контроль качества сварных швов проводят на наличие видимых трещин, сколов или других дефектов. Также внимательно изучают шов. Он по всей длине должен иметь одинаковую ширину и высоту. Недопустимо наличие непроваренных участков, наплывов или складок. Перед осмотром с поверхности шва удаляют окалины, шлак и другие загрязнения.

При обнаружении дефекта проводится работа по его изучению, делаются замеры, которые позволяют определить качество сварного соединения. Если это возможно, дефекты устраняются, а изделие отправляется на дополнительную проверку с использованием других методов контроля. Для более глубокой проверки применяются другие виды контроля сварного шва.

Капиллярный контроль сварных швов

Качество сварки может проверяться при помощи капиллярного метода, который основан на свойстве жидкости проникать в мельчайшие раковины и трещины. Особенностью данного метода является то, что он позволяет выявить скрытые дефекты, которые трудно определить с помощью визуального осмотра. Капиллярный метод относительно простой и недорогой, для проведения таких испытаний не нужно применять сложное, дорогостоящее оборудование.

При использовании данного метода используются специальные вещества, которые имеют небольшое поверхностное натяжение  - пенетранты. Они способны легко проникать даже в небольшие щели, при этом визуально они видны. Проникая в небольшие трещинки, они окрашивают их, делая видимыми для человеческого глаза. Самые чувствительные пенетранты позволяют обнаружить дефекты диаметром от 0.1 микрон.

Существует множество рецептов пенетрант. В основном они изготавливаются на основе воды, керосина или другой жидкости с небольшим поверхностным натяжением. Этот метод проверки сварных соединений по праву считается одним из самых практичных и эффективных.

Метод пневматической проверки

Пневматический контроль герметичности выполняется с помощью сжатого воздуха. Он применяется для контроля сварных швов трубопроводов, которые работают под высоким давлением. Для этого изделие погружают в ванную с водой, после чего внутрь его подают сжатый воздух до тех пор, пока давление внутри изделия не будет превышать рабочее на 30-50%.

Если речь идет о крупногабаритном изделии, которое невозможно поместить в ванную с водой, то его покрывают специальным пенным раствором, после чего внутрь подается сжатый газ, который будет свидетельствовать о дефекте наличием на поверхности пузырьков. 

Химический метод контроля

Химический метод используется для контроля качества герметичности сварных швов трубопроводов и элементов гидравлических систем. Он базируется на свойствах индикаторного вещества изменять свой цвет за счет химического воздействия с контрольным веществом.

Поверхность шва зачищается, на нее наносится фенолфталеиновый раствор. Обработанное место накрывается тканью, пропитанной азотнокислым серебром. Таким образом, можно определить наличие локальных течей, так как в этих местах фенолфталеин приобретает красный цвет, а серебро – серебристо-черный.

Такой метод проверки качества сварных швов достаточно прост. Для контроля не задействуется дорогостоящее оборудование, не требуются специальные знания и навыки персонала. Но у него имеется чувствительность из-за неустойчивости индикаторных пятен.

Радиационный контроль сварных соединений

В радиационный методе выявления внутренних дефектов используют гамма-лучи, которые возникают при самопроизвольном распаде элементов радия или урана. Проверяемая поверхность подвергается воздействию гамма лучей, которые проходят сквозь металл. Если имеют место пустоты, неоднородности или другие дефекты, они отражаются на пленке. Этот метод считается одним из наиболее эффективных. Он позволяет выявить даже небольшой, скрытый для глаза дефект и составить максимально точную картину качества сварного соединения.

Для контроля сварных швов применяют искусственные радиоактивные вещества, называемые изотопы, которыми являются, тулий, кобальт или цезий. Изотопы действуют в течение более или менее длительного времени, например: кобальт – 5 лет, цезий - 33 года, тулий - 129 дней.

Радиографический метод используется не достаточно широко, так как имеет существенные недостатки – одним из которых является необходимость в сложном и дорогостоящем оборудовании. Сканирование должен проводить специально обученный специалист, при этом предъявляются высокие требования к соблюдению техники безопасности. Также с оборудованием нельзя работать длительное время, так как гамма-лучи негативно влияют на организм человека.

Ультразвуковой метод контроля

Ультразвуковой метод контроля основан на способности ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред, обладающих разными акустическими свойствами. Раковины, сколы и другие дефекты имеют свои акустические особенности, которые фиксируются с помощью специального оборудования. Так, ультразвук, отразившийся от нижней поверхности изделия возвращается обратно к датчику, затем преобразовывается в электрическое колебание и подается на экран электронно-лучевой трубки. При наличии дефектов ультразвуковые колебания начнут искажаться, которые на экране будут видны в виде всплеска. По характеру и размерам искажений определяют виды и размеры дефектов.

Ультразвуковой метод востребован, так как он достаточно простой, эффективный и бюджетный. Для его применения не нужно сложное, дорогостоящее оборудование, не нужно учитывать физико-химические свойства материалов. К недостаткам ультразвукового метода относят то, что проверку может проводить специалист, имеющий специальные знания и навыки.

Магнитная дефектоскопия

Сущность способа основана на использовании магнитного рассеяния, возникающего над дефектом при намагничивании проверяемого изделия. Каждый металл имеет определенную степень магнитной проницаемости. Если он неоднородный, при прохождении сквозь металл магнитного поля оно искажается. При наличии в сварном шве дефекта магнитный поток будет огибать его, создавая при этом поток рассеивания.

Предварительно, поверхность шва посыпают специальным ферримагнитным порошком, который позволяет визуализировать магнитные линии. Если они ровные, значит, сварное соединение признается качественным. При наличии дефектов линии будут иметь видимые искажения.

Данный метод эффективен, но он может применяться только для работы с ферримагнитными материалами, что является его главным недостатком. Следовательно, с его помощью невозможно проверить качество сварки алюминия, меди и некоторых других металлов. Еще один недостаток – данный метод достаточно дорогой.

Люминесцентный способ контроля

Метод основан на свойстве веществ под названием люминофоры. Они светятся при действии ультрафиолетовых лучей, благодаря чему их применяют для обнаружения поверхностных дефектов, таких как мельчайшие трещины. Перед контролем участок шва необходимо очистить от загрязнений, затем нанести на него жидкий раствор люминофора. После выдержки в течение 10-15 мин раствор смывают, изделие сушат и облучают ультрафиолетовыми лучами в затемненном помещении. По свечению оставшегося в шве раствора обнаруживают дефектные места.

 

Заключение

Технологии проверки качества сварных швов приблизительно одинаковы для всех видов свариваемых материалов:

• Стали,
• Нержавеющей стали,
• Алюминия,
• Чугуна,

и некоторых других цветных металлов. Наибольшие сложности вызывает проверка результатов ручной дуговой сварки электродами, немного проще проверить результаты газосварки.

Более высокое качество сварного шва обеспечивает сварка полуавтоматом, выполняемая в среде углекислого газа. Настолько же качественными получаются швы, выполненные во многих современных технологиях автоматической сварки. Швы, выполненные в атмосфере аргона, отличаются мизерным количеством шлака и окалины, полноценным составом  наплавляемого металла. Проверка таких сварочных соединений показывает лучшие, чем при ручной сварке электродами, результаты.

В полевой обстановке, на стройплощадке, условия выполнения сварочных работ хуже, чем в производственном цеху, уровень качества швов также не так высок. Проверка в полевых условиях сложнее. Эти и многие другие факторы учитывают при разработке проектов тех объектов, где применяется сварка, а  качественно запроектированный объект всегда будет доведён до завершения.

 21 января 2022 года

 Группа 403

Предмет :""Основы материаловедения"

Тема занятия :"Определение степени сварки"

Основные понятие процесса сварки

Сварка – это технологический процесс создания надежных соединений путем нагревания, либо пластической деформации с установлением межатомных связей в последствии. Структура изделий получается не прерывной. К электроду и сварочному материалу через инвертор подводится энергия. Сначала плавится металл электрода, так получается сварочная ванна, в этой ванне происходит смешивание электрода с основным материалом, а шлаки, всплывающие на поверхность служат защитной пленкой. Процесс сварки – это ничто иной, как затвердевание металла после всех вышеперечисленных воздействий. Электроды бывают нескольких видов – плавящиеся (плавится прут электрода) и неплавящиеся (при неплавящемся электроде применяют присадочную проволоку, которая плавится в ванной отдельно).

Важность технологических свойств

Бесперебойность процесса и его механизацию обеспечивают технологические свойства. Металлический компонент в сварочном шве остается защищенным в случае соблюдения требований и технологий. Виды сварки подразделяются на:

• вакуумные;
• воздушные;
• защитно — газовые;
• по флюсные;
• пенные;
• под флюсные виды.

Степень расплавленной среды материала подразделяется на атмосферную и струйную разновидность. Расплавленное вещество на дужке сварного шва характеризует струйную технологию. Характер заменимости способствует возможной замене газа на более или менее активный. Существует совокупность активных или инертных соединений газов. Степень механизации подразделяется на ручную, механизированную и полностью автоматический процесс.

Процесс сварки

Вне зависимости от количества видов сварки существуют 3 основных этапа процесса сварки, присущей всем технологическим разновидностям, это:

1. Формирование контакта;
2. Образование связи;
3. Создание шва.

Формирование контакта

Формирование контакта происходит в результате доведения металла до температуры плавления или кипения, главное не перепутать сварочную ванну с плавкой железа.

Образование химической и металлической связи

Второй, наиболее важный шаг – образование сварочной ванны, она всегда выглядит одинаково вне зависимости от вида сварки. Ванна возникает в результате сплавления металла и вспомогательного материала, к примеру электрода под воздействием, температуры, на вид как белое пятно. От ширины и длины этого пятна зависит качество шва.

Создание и типы прочного соединения

Основными качественными характеристиками швов являются их ширина и высота.

По типу соединения выделяют (самые распространенные):

• стыковые – детали в одной плоскости (сваривают трубы, листы и тд).
• нахлесточные – детали располагаются параллельно, только одна идет внахлест к другой (сваривают листы, толщина которых не более 12 мм).
• торцовые – сваривают 2 торца элементов.
• угловые – элементы располагаются под углом друг к другу.

Принципы классификаций, обзор

Классификация способов дуговой сварки.

Классификация видов сварки проводится по самым разным критериям, они аккуратно укладываются в смысловые рамки. Какие критерии самые важные? Пройдемся по некоторым, для начала лучше увидеть общую картинку.

Сколько видов сварки существует на сегодняшний день? Можно назвать цифру 150 со словом «около». Можно 250. Но цифры называть не советуем. Пока вы читаете эту статью, число видов может измениться – технологии на месте не стоят. А вот какая бывает сварка по материалам, физическим процессам, популярности, способам управления – говорить нужно, это как раз те самые принципы классификации, которые нам нужно понимать.

Пример простой понятной классификации по источнику энергии в сварке:

• электрический ток;
• электрическая дуга;
• трение;
• газовое пламя;
• лазерное излучение;
• электронный луч;
• ультразвук.

Еще один пример списка по типу сварочных швов. Их много, целые гроздья разных видов:

• стыковые, угловые швы – по соединению краев;
• по форме, длине – швы горизонтальные, вертикальные, кольцевые, прямолинейные, прерывистые, сплошные, длинные, короткие, средние;
• по виду используемого материала – швы для стали, цветных металлов, биметаллов, полиэтилена и др.;
• по объему наплавливаемого металла – усиленные, ослабленные, нормальные швы;
• по форме – продольные, поперечные швы;
• по количеству наложения слоев – сплошные, прерывистые, прихваточные, многослойные.