¿Cuál es el proceso de desarrollo de la tecnología de fundición moderna?

-La invención y el desarrollo de la tecnología de fundición moderna. Después de mediados del siglo XIX, la producción de acero en Europa comenzó a desarrollarse enormemente, y 1856 fue el punto de partida de un gran desarrollo. En este año, Bessemer inventó el método de soplado por convertidor, que acortó en gran medida el tiempo de fabricación de acero. Siemens también inventó pronto el método de fundición de hogar abierto (1867), que no solo produjo acero de alta calidad, sino que también utilizó una gran cantidad de chatarra de acero. . Estos dos métodos sentaron las bases de la fabricación de acero moderna y llevaron a la humanidad a la era del acero.

Más de 20 años después, el inglés Thomas resolvió el problema del fósforo. Estudió el comportamiento del fósforo desde la perspectiva de las reacciones químicas y creía que el fósforo del arrabio se oxidaba con el aire para formar pentóxido de fósforo, que se reducía a fósforo mediante el revestimiento silíceo del horno de soplado y volvía a entrar en el acero. Entonces pensó que si lo combinaba con pentóxido de fósforo en un horno, el problema podría resolverse. En colaboración con P. Gelchrist, realizó una serie de experimentos en un horno pequeño en 1877, demostrando que la desfosforización se podía lograr con un horno con revestimiento alcalino. Más tarde, llevó a cabo un experimento ampliado en un horno de 1,5 toneladas, utilizando dolomita como revestimiento del horno y alquitrán como aglutinante. En 1879, tuvo éxito y creó el método de fabricación de acero con convertidor de butilo alcalino, también conocido como método Bessemer.

El inventor de la fabricación de acero a hogar abierto es la alemana Siemens. Él y su hermano estudiaron intercambiadores de calor regenerativos, utilizando gas como combustible, y los utilizaron con éxito en hornos de fusión de vidrio, ahorrando un 50% de combustible. Posteriormente se utilizó para fundir acero al crisol. Más tarde, desarrolló con éxito un método de fabricación de acero utilizando arrabio y mineral de hierro, a saber, el método de fabricación de acero de hogar abierto, y obtuvo la patente de 1867. La fundición del acero de hogar abierto se realiza en un horno de reverbero intermedio con dos intercambiadores de calor regenerativos debajo del horno, utilizando alternativamente aire precalentado. Este tipo de horno se caracteriza por una alta eficiencia térmica y una alta temperatura del horno. Al mismo tiempo, la compañía francesa Martin experimentó con éxito con un método para fabricar acero a partir de arrabio y hierro forjado después de obtener la patente de Siemens para un horno regenerativo, y luego utilizó chatarra de acero para reemplazar el hierro forjado y el arrabio para fabricar acero juntos. . Este es el método de fabricación de acero de hogar abierto más común actualmente, también conocido como método Siemens-Martin. El revestimiento del horno de solera abierta también es ácido y alcalino.

El tiempo de fundición en hogar abierto es mucho mayor que el tiempo de fundición en convertidor. Para un horno de 100 toneladas, si la materia prima es arrabio: chatarra de acero = 50:50, el ciclo de fundición es de aproximadamente 8 a 12 horas.

En comparación con la fabricación de acero por convertidor, los hornos de hogar abierto tienen las siguientes ventajas:

La eliminación de impurezas del acero en hornos de hogar abierto es un proceso lento, por lo que la composición del acero es fácil. para controlar.

La chatarra se puede añadir en cualquier proporción (el convertidor estaba limitado a 5 en ese momento).

El horno alcalino de solera abierta no está limitado por el contenido de fósforo en el arrabio (el convertidor alcalino requiere que el arrabio contenga suficiente fósforo, generalmente 1,7 ~ 2; de lo contrario, el valor del calor de oxidación no es suficiente y es difícil mantener la temperatura del horno; pero el convertidor ácido requiere que el contenido de hierro medio sea lo suficientemente bajo para garantizar un buen rendimiento del acero.

El contenido de nitrógeno en el acero es bajo (aire en el acero). El sistema convertidor se sopla directamente en la masa fundida y parte del nitrógeno se absorbe en el acero, lo que hace que el acero se vuelva quebradizo.

Debido a las ventajas anteriores, el horno de hogar abierto se desarrolló rápidamente. la producción del convertidor superó la del convertidor, alcanzando los 15,75 millones de toneladas, mientras que el acero convertidor utilizó 153.530 toneladas de electricidad. Hay dos formas de fuentes de calor para la fabricación de acero, una es un horno de arco eléctrico y la otra es un horno de inducción.

Horno de arco eléctrico: Siemens utilizó por primera vez un horno de arco eléctrico para fundir chatarra de acero en 1878, pero el desarrollo de este método fue limitado, superando las limitaciones de los altos costos de electricidad y el suministro de energía insuficiente. El primer horno industrial de fabricación de acero por arco eléctrico se construyó en Elliot, Francia. El arrabio se soplaba primero en un convertidor alcalino para eliminar el silicio, el manganeso y la mayor parte del carbono, y luego se fundía el cuerpo en un horno de arco eléctrico alcalino. elimina aún más fósforo y carbono hasta alcanzar el contenido requerido, de modo que la composición de cada horno sea básicamente la misma.

Horno de inducción: el italiano Ferranti utilizó por primera vez la alta frecuencia en 1877. El horno funde metal, pero no. La aplicación industrial comenzó con un horno construido en Suecia en 1899. En 1907, se construyó un horno experimental en Sheffield, el centro siderúrgico británico, que podía producir 2 toneladas de piezas fundidas de acero. Una frecuencia relativamente adecuada (500 ~ 3000 ciclos/segundo). obtenerse, lo que acelera el desarrollo de los hornos de inducción y reemplaza gradualmente los hornos de crisol para producir acero para herramientas de alta calidad.

El horno de inducción solo funde pero no funde, y las materias primas del horno se pueden preparar con anticipación de acuerdo con los ingredientes requeridos. Durante el calentamiento por inducción, se generan corrientes parásitas que pueden agitar la masa fundida y uniformar la composición del acero.

Los hornos eléctricos pueden fundir acero aleado con diversas propiedades.

Faraday es el fundador del acero aleado. Para encontrar materiales adecuados para el electromagnetismo, comenzó a añadir varios elementos al hierro en 1819, incluido el cromo. Es una pena que su trabajo no continuara, de lo contrario la "era del acero aleado" habría llegado 50 años antes.

En 1871, el Reino Unido produjo a prueba acero al cromo. En 1877, Francia produjo arrabio y acero al cromo que contenían cromo para uso industrial. La fundición de aleaciones de cromo en altos hornos comenzó inmediatamente.

R mushet descubrió en 1871 que el acero de tungsteno al manganeso se volvía muy duro después de enfriarse al aire, por lo que se utilizaba como acero para herramientas. La aparición de esta aleación ha supuesto una revolución en la industria de la maquinaria. Su vida útil es de 5 a 6 veces mayor que la del acero con alto contenido de carbono anterior y la velocidad de las máquinas herramienta se ha duplicado.

Entonces R Hadfield dio otro paso importante en el campo del acero aleado. Inventó el acero al manganeso en 1883. Alguien ha estudiado el papel del manganeso antes y descubrió que, aunque el manganeso puede endurecer el acero, lo vuelve quebradizo. R. Hadfield descubrió además que si se añade una gran cantidad de manganeso (10 o más), el acero no sólo tiene suficiente dureza, sino que también tiene buena resistencia a la tracción y ductilidad. La tenacidad del acero al manganeso también se puede mejorar calentándolo a 1050°C y enfriándolo en agua (mientras que el acero al carbono se volverá quebradizo después de dicho tratamiento). El acero al manganeso tiene otra excelente propiedad: cuando se golpea, la capa superficial se endurece y el interior permanece resistente, lo que lo hace ideal para fabricar horquillas de ferrocarril, excavadoras, dragas, etc. El descubrimiento del acero al manganeso añadió un material valioso a la industria de la maquinaria.

Hadfield también inventó el acero al silicio, utilizado inicialmente como acero para herramientas. Posteriormente, se descubrió que cuando el contenido de silicio llega a 5, tiene las características de alta permeabilidad magnética, alta resistencia y baja histéresis, y es particularmente adecuado para la fabricación de aparatos eléctricos como motores, rotores de generadores y núcleos de transformadores. El acero al silicio se ha convertido desde 1907 en un material básico indispensable en la industria energética.

El acero al níquel inventado por el británico J. Riley en 1889 jugó un papel sumamente importante en la ingeniería. Descubrió que cuando se añadía níquel a 4,7, se podía duplicar la resistencia del acero. Este excelente rendimiento estableció rápidamente el estatus del acero al níquel.

A principios de este siglo, el acero rápido inventado por F. W. Taylor y M. White en Estados Unidos fue rápidamente adoptado en Europa. Su composición típica es: tungsteno 18, cromo 4, vanadio 1, carbono 0,5 y, en ocasiones, cobalto. Este acero no se ablanda a altas temperaturas. Usando este acero como herramienta, las velocidades de corte se pueden aumentar de 30 pies por minuto para acero con alto contenido de carbono a 500 pies por minuto.

En 1913, el británico H. Brearley inventó el acero inoxidable, que está compuesto por un 13% de cromo y un 0,3% de carbono. Posteriormente, los alemanes B. Strauss y E. Maurer añadieron níquel para mejorar aún más la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas. Este es el acero inoxidable de 18 cromo y 8 níquel que se usa ampliamente en la actualidad. La adición de cromo al acero no sólo resiste la corrosión, sino que también previene la oxidación y el pelado a altas temperaturas. Es un material ideal para la industria de la energía atómica, cohetes, turbinas de vapor, etc.

Desde la revolución industrial, los materiales metálicos han jugado durante mucho tiempo un papel importante en la producción industrial. Entre los materiales metálicos, el acero ocupa el primer lugar. Antes de mediados del siglo XIX, el hierro era el principal material metálico. Desde la segunda mitad de este siglo, el acero ha reemplazado rápidamente al hierro como pilar importante del desarrollo industrial, creando la era del acero de la industria de materiales. En el siglo XX, debido a la demanda masiva de la industria, el transporte, la construcción, el ejército y otros sectores, el acero ha logrado nuevos avances en términos de producción, calidad, variedad y tecnología de fundición.

En la primera mitad del siglo XX, aunque la tecnología de fabricación de hierro todavía estaba dominada por la fundición en altos hornos inventada en el siglo XIX, la tecnología de fabricación de acero todavía estaba dominada por la fundición a cielo abierto inventada en el siglo XIX. siglo, siendo las especiales la fabricación de acero con convertidores y la fundición en hornos eléctricos. El acero es la base, pero la tecnología de fundición, el procesamiento de materias primas y la tecnología de laminación mejoran constantemente.

Alrededor de 1930, los metalúrgicos comenzaron a estudiar métodos de fabricación de acero que utilizaban directamente oxígeno y demostraron que reemplazar el aire con oxígeno en alta concentración podía mejorar la eficiencia de la fabricación de acero.

En la década de 1940, el método de fabricación de acero con convertidor de soplado oblicuo de oxígeno, el método de soplado de oxígeno de doble tubo con convertidor horizontal y el método de fabricación de acero con convertidor de soplado superior de oxígeno puro aparecieron uno tras otro, entre ellos, el puro. Método de fabricación de acero con convertidor de oxígeno por soplado superior La ventaja es la más obvia. En comparación con el horno de hogar abierto común en ese momento, su inversión se redujo aproximadamente a la mitad, la eficiencia aumentó varias veces, el costo era bajo y la calidad era alta, por lo que se promovió rápidamente. En países con abundante electricidad, como Estados Unidos e Italia, la fabricación de acero en hornos de arco eléctrico y en hornos de inducción se han utilizado para refinar la producción de acero especial. El método de fundición continua de acero que surgió en la década de 1940 fue un avance importante en la tecnología de fabricación de acero. Puede ahorrar lingoteras y molinos de floración, aumentar exponencialmente la productividad y reducir significativamente la inversión y los costos.

El desarrollo de la tecnología de fabricación de acero también muestra que constantemente surgen diversos aceros especiales y aceros aleados. Diferentes aceros especiales y aceros aleados pueden satisfacer diferentes necesidades especiales. A principios del siglo XX se inventó la cementación y la tecnología de cementación y nitruración se desarrolló rápidamente. Desde finales de los años 1920 hasta los años 1930, se añadieron níquel y cromo al acero al carbono ordinario para crear una gama de aceros resistentes al níquel-cromo. La tecnología de refinación de importantes aceros aleados de acero al manganeso también ha logrado nuevos avances. En 1882, el británico S.R. Hadfield desarrolló por primera vez acero al manganeso con un contenido de manganeso de aproximadamente 12 a 13. A principios del siglo XX, se desarrolló acero con alto contenido de manganeso que contenía un 80% de manganeso, que tiene una tenacidad extremadamente alta y puede usarse para la construcción naval. de barcos y armas. En 1900, Hadfield desarrolló acero al silicio con alta permeabilidad magnética, que era un buen material para fabricar aparatos eléctricos. En 1912, el inglés H. Brearley utilizó una determinada proporción de níquel y cromo para fabricar acero inoxidable con buena resistencia a la corrosión. En 1912, Estados Unidos produjo acero magnético que contenía entre 71 y 80 níquel. En 1923, Alemania desarrolló con éxito el acero nitrurado de alta dureza. Durante la Segunda Guerra Mundial, se obtuvo una nueva aleación dura y resistente al desgaste mediante nitruración y tratamiento térmico de aleaciones de níquel-cromo. En la década de 1940 apareció una aleación de níquel y cromo que podía soportar altas temperaturas de 800°C. Además, al añadir diferentes proporciones de silicio, molibdeno, niobio, aluminio y titanio, también nacieron durante este período una variedad de aceros aleados con propiedades especiales. La aparición de estos materiales de aleación ha promovido el desarrollo de la maquinaria, la energía eléctrica, la industria química, el transporte y la industria militar.

Más tarde, aunque el titanio y otros materiales metálicos superaban en resistencia al acero, estaban lejos de sustituir al acero debido a su cantidad extremadamente limitada. El acero siempre ha dominado el mundo de los materiales metálicos por su gran cantidad y variedad. Según las predicciones de los expertos, al menos en los próximos 50 años ningún material metálico sustituirá su posición dominante.