Главная → Статьи

Производство чугуна и стали

Чугун получают в доменных печах. В качестве исходных (сырьевых) материалов для получения чугуна используют железную и марганцевую руду, топливо и флюсы.

Кроме указанных материалов в доменную печь вдувают большое количество воздуха, необходимого для горения топлива. Для ускорения процесса плавки, вдуваемой в домну, воздух предварительно подогревают до 850° С.

Чугун — это высокоуглеродистый нековкий сплав железа с углеродом (содержание углерода 2—6,67%). Кроме углерода, в чугуне имеются: кремний, марганец, сера, фосфор и другие элементы. По структуре чугун делится на белый, серый, а по химическому составу— на легированный (со специальными примесями) и нелегированный.

Белый чугун — это чугун, у котЬрого большая часть углерода химически соединена с железом в форме цементита.

Сварка белого чугуна сильно затрудняется в связи с образованием трещин при нагреве и охлаждении, а также из-за неоднородности структуры в местах сварки.

Серый чугун — это чугун, у которого большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита.

Ковкий чугун получают из отливок белого чугуна длительной выдержкой при температуре около 1000° С. После такой обработки чугун приобретает вязкость, поэтому он и называется ковким.

Ковкий чугун обозначают буквами с добавлением двух чисел: первое число указывает наименьшее значение предела прочности на растяжение в кгс/мм2, а второе — относительное удлинение в процентах.

Применяют следующие марки ковкого чугуна: КЧ37-12, КЧ35-4, КЧ35-10, КЧ40-3, КЧЗЗ-8 и др. Сварка ковкого чугуна затрудняется в связи с возможностью его отбеливания в зоне сварки.

Легированный чугун — это чугун, имеющий специальные примеси (хром, никель, молибден), благодаря которым повышается его прочность при ударных нагрузках, кислотоупорность и др.

Высокопрочный чугун получается специальной обработкой серого чугуна с добавлением магния или его сплавов, благодаря которым форма графита видоизменяется (модифицируется). Такой чугун иногда называют модифицированным. Модифицированный чугун обозначают МСЧ 28-48.

Сталь — это сплав железа с углеродом (содержание углерода от 0,04 до 2%).

Стали классифицируют по способу производства, методу изготовления, по химическому составу, по назначению.

По способу производства различают сталь мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую и электросталь.

По методу изготовления различают стали литые, кованые и катаные.

По химическому составу их делят на углеродистые и легированные.

По назначению их делят на конструктивные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

В зависимости от назначения и показателей сталь делят на три группы:
– группа А — по механическим свойствам;
– группа Б — по химическому составу;
– группа В — по механическим свойствам с дополнительными требованиями по химическому составу.

Для стали группы А установлены следующее марки: Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.З, Ст.4, Ст.5, Ст.6. Если сталь относится к кипящей, то в обозначении марки ставится индекс «кп», если полуспокойной — «пс» (например, Ст.Зкп, Ст.4пс и т. д.).

Кипящей называется сталь, неполностью раскисленная в печи и содержащая некоторое количество закиси железа, способствующее продолжению кипения стали. Кипящая сталь содержит растворенные газы, например азот. При сварке такой стали иногда возникают трещины.

Спокойная сталь содержит больше кремния, но не содержит газов, хорошо сваривается, прокатывается и куется в горячем состоянии’. Для ответственных сварных конструкций предпочтительнее применять только спокойную сталь. Полуспокойная сталь раскислена в большей степени, чем кипящая, но менее, чем спокойная. Полуспокойную сталь преимущественно применяют как конструкционную.

Сталь группы Б изготовляют следующих марок: (БСт.О, БСт.1, БСт.2. БСт.З, БСт.4, БСт.5, БСт.6 (БСт.1кп, БСтЛпс, БСтЛсп и т. д.).

Сталь группы В изготовляют марок; ВСт.2, ВСт.З, ВСт.4, ВСт.5 (ВСт.Зпс, ВСт.Зсп, В.Ст.4пс, В.Ст.4сп).

Углеродистые стали, кроме углерода, содержат небольшие количества марганца, кремния, а также примесь фосфора и серы.

Ст!0 из-за повышенного количества серы и фосфора следует применять только в конструкциях неответственного назначения.

Вредными примесями в стали являются кислород и азот. Кислород присутствует в стали в виде окислов железа, марганца и кремния.

Качественные углеродистые конструкционные стали идут на изготовление ответственных сварных конструкций.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента Например, марки 0,5; 08; 15; 20 и т. д. означают что сталь содержит в среднем углерода соответственно 0,05; 0,08; 0,15; 0,2% и т. д.

Гакую сталь делят на две группы:
– группа 1-е нормальным содержанием марганца (0,25—0,8%);
– группа 11—с повышенным содержанием марганца (0,7—1,2%).

Чистохнмическая коррозия встречается редко. Чаще приходится иметь дело с электрохимической коррозией, которая возникает в результате того, что в окружающей среде имеются вещества, проводящие электрический ток (вода, пар, растворы солей, кислот и щелочей), и существует разность потенциалов.

Более опасной является межкристаллитная коррозия, возникающая в металле по границам его зерен (кристаллов). Этот вид коррозии чаще всего возникает в сварном шве и околошовной зоне нержавеющих сталей при нарушении технологии и режима сварки.

В настоящее время основными методами борьбы с коррозией являются: неметаллические покрытия; металлические покрытия; защита окисными пленками и легирование.

Под неметаллическим покрытием понимают краски, лаки, пластмассы и всевозможные пленки, защищающие металл от воздействия окружающей среды.

Металлические покрытия наносят на расплавленный металл способом погружения (лужение, освинцование, цинкование, кадмиро-вание и др.); гальваническим способом (хромирование, никелирование, лужение, цинкование, кадмирование); распылением металла (металлизация), т. е. нанесение расплавленного металла (алюминий, цинк, медь и др.) на поверхность изделия при помощи металлизационного пистолета; диффузионным способом (хромирование, алитирование, цинкование); путем нагрева детали в порошке из соответствующего металла; плакированием, т. е. покрытием металла тонким слоем другого металла совместной прокаткой в нагретом состоянии.

Другими видами защиты металла от коррозии являются окисные пленки, получаемые оксидированием, воронением или анодированием.

Легирование сплавов как метод борьбы с коррозией состоит в том, что в состав сплавов вводят элементы, которые образуют на поверхности сплавов очень прочную, хорошо сопротивляющуюся коррозии защитную пленку. К элементам, повышающим стойкость сплава против коррозии, относятся хром, никель, титан, кремний, вольфрам, молибден и др.

—-

Чугун выплавляют из шихты, которая состоит из железной руды, топлива и флюсов.

Рудой называют горные породы с таким содержанием металлов, которое обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения. Железная руда состоит из рудного минерала, пустой породы и примесей.

Рудным минералом называют природные химические соединения железа (обычно в виде оксидов Fe203 и Fe304). В доменных печах железо практически полностью переходит в состав чугуна.

Пуста я порода представлена балластными минералами, не содержащими железа, например кварцитом, песчаником, известняком или доломитом. В доменной печи пустая порода, расплавляясь, переходит в состав шлака.

Руду с большим содержанием железа (45…70%) называют богатой; ее направляют в плавку после дробления и сортировки. В бедных рудах много пустой породы, поэтому их перед загрузкой в доменную печь обогащают, в результате чего возрастает концентрация железа в руде.

К вредным примесям относятся сера, фосфор, мышьяк, содержание которых в руде строго ограничивают, поскольку они ухудшают качество чугуна и стали.

К комплексным относятся хромоникелевая железная руда, хромистый железняк, ванадистые титаномагнетиты.

Так как железные руды содержат марганец в незначительном количестве, приходится добавлять в шихту марганцевую руду, содержащую различные оксиды марганца.

Топливом при выплавке чугуна служит каменноугольный кокс, получаемый в результате нагрева каменного угля до температуры 950… 1050 °С без доступа воздуха. Благодаря большому содержанию углерода (до 96…98%) кокс характеризуется высокой теплотой сгорания. При горении топлива повышается температура, что необходимо для плавления шихты. Кроме того, часть углерода непосредственно участвует в восстановлении руды.

Флюсы — это материалы минерального происхождения, вводимые в шихту для образования шлака и регулирования его состава. Флюсы способствуют переходу вредных для металла примесей в шлак. По химическому составу различают основные флюсы (известняк), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Шихту загружают в доменную печь. Ее полезный объем может составлять до 5 тыс. м3. В такой печи выплавляют за сутки-около 11 тыс. тонн чугуна. Современные доменные печи представляют собой наиболее механизированные и автоматизированные агрегаты металлургического производства. Автоматизированы операции по набору и взвешиванию компонентов шихты, загрузке ее в печь. На большинстве доменных печей действуют системы автоматического регулирования температуры и влажности горячего дутья, переключения воздухонагревателей. Используется комплексная система автоматического управления доменным процессом с применением ЭВМ. Все это позволяет получать высококачественный чугун с однородными свойствами.

Шихту, содержащую руду, кокс и флюсы в необходимых соотношениях, непрерывно загружают в верхнюю часть печи. Через специальные отверстия — воздушные фурмы, расположенные ближе к нижней части печи, подают разогретый до температуры 780…950 °С воздух. Кокс, находящийся в зоне воздушных фурм, интенсивно сгорает, образуя углекислый газ СОг. В результате горения температура в этой зоне поднимается до 1900 °С.

В потоке раскаленных газов материалы шихты нагреваются, претерпевая при этом сложные физические и химические изменения.

Температура плавления этого железа снижается до 1150… 1200 °С, поэтому оно переходит в жидкое состояние и каплями стекает в нижнюю часть печи — горн. Капельки металла попутно насыщаются углеродом примерно до 3,5…4%.

Одновременно из шихты восстанавливаются марганец, кремний и фосфор, которые также переходят в расплав металла. В нижней части горна собирается расплавленный чугун, поверх которого образуется слой более легкого расплавленного шлака. Шлак состоит в основном из оксидов кальция, магния, алюминия, кремния. Кроме того, в шлак переходит значительная часть серы. Время от времени расплавленный чугун и шлак раздельно выпускают из печи через прямоугольные окна — лётки, расположенные в зоне горна.

Расплавленный доменный шлак подвергают резкому охлаждению, в результате чего он застывает в виде отдельных кусков-гранул. Гранулированный доменный шлак используют для производства неорганических вяжущих веществ, в Цервую очередь шла-копортландцемента.

Технический прогресс в металлургии связан с разработкой более экономичных способов производства металлизированного сырья. Один из наиболее перспективных — метод получения губчатого железа непосредственно из руды путем прямого восстановления при температуре 950…1000 °С. Восстановление происходит в результате продувки руды водородом или смесью водорода и оксида углерода под давлением до 3 МПа. Образующееся железо отделяют от пустой породы магнитной сепарацией. Технология прямого получения железа позволяет отказаться от использования металлургического кокса и получать железо с очень малым содержанием вредных примесей — серы и фосфора.

Выплавляемые в доменных печах чугуны по назначению подразделяют на передельные, литейные и специальные.

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. На долю передельных чугунов приходится свыше 80% всей продукции доменных печей. В структуре передельного чугуна преобладает цементит — твердое и хрупкое соединение. Излом такого чугуна серебристого цвета, поэтому чугун называют белым. Из-за хрупкости белый чугун используют в технике редко.

Литейный чугун служит для производства фасонных отливок. В литейных чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита, который образуется в результате распада хрупкого цементита.” Этот процесс, называемый графитизацией, вызывают искусственно при производстве отливок. Для этого при переплавке литейных чугунов вводят кремний либо прибегают к термообработке готовых отливок из белого чугуна. В изломе такой чугун дает серый цвет.

В состав серых чугунов входят металлическая основа и несвязанные с ней включения графита. Количество и конфигурация графитовых включений влияют на механические свойства серых чугунов. Наиболее высокими механическими свойствами обладают чугуны с шаровидными включениями графита, наиболее низкими — с пластинчатыми. Чугуны с точечными включениями графита занимают промежуточное положение.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) содержат кремний или марганец в повышенном количестве. Например, в составе ферросилиция 9…12% кремния, ферромарганца — 70…80% марганца. Ферросплавы выплавляют в ограниченном количестве и используют как добавки при выплавке стали.

Чугуны обладают высокими литейными свойствами и хорошо сопротивляются коррозии. Из серого чугуна изготовляют отдельные элементы строительных конструкций, в частности, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей, опорные части железобетонных ферм и балок, санитарно-технические изделия (ванны, мойки, канализационные трубы).

Ваш отзыв