Основы производства чугуна и стали

Общие сведения о металлах и сплавах.

Металлы обладают комплексом ценных свойств, большой прочностью, пластичностью, свариваемостью, выносливостью, способностью упрочняться и улучшать другие свойства при термомеханических и химических воздействиях. В чистом виде металлы вследствие недостаточной прочности, твердости и высокой пластичности применяются редко, главным образом, они используются в виде сплавов с другими металлами и неметаллами, например, углеродом. Железо и его сплавы называют черными металлами, остальные их сплавы – цветными. Наибольшее применение имеют черные металлы, стоимость их значительно ниже цветных, однако, последние обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и декоративностью. Наибольшее применение имеют конструкции из алюминия.

Основы производства чугуна и стали.

Сплавы железа(Fe) с углеродом (С), содержащие до 2.14 % С, называют сталью, содержащие больше 2.14 % С – чугуном.

Сырьем для получения черных металлов служат руды железа, марганца, хрома. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ, реже - из доломита или известняка. Виды:Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа (45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановимость железа из руды - хорошая.Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов (25- 50%). Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли (30-37 %). Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей, достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре - около 12 м. Чугун получают в ходе процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом, при высокой температуре. Кокс каменноугольный — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый коксованием каменного угля. Коксование - это переработка угля без доступа кислорода с целью его отчистки от летучих примесей; осуществляется при Т= 900-1050⁰ С в течение 10-12 ч. Кокс, сгорая, образует углекислый газ, при прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по схеме Fe₂O₃ →Fe₃O₄ → FeO → Fe_. Опускаясь в нижнюю часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится 93 % железа и 5 % углерода.

Рис. 11 Доменный процесс

Углерод содержится в чугуне в виде химического соединения, называемого цементит Fe₃С или в виде механической примеси – свободного графита. Чугун, содержащий углерод в виде цементита, имеет белый излом, характеризуясь высокой прочностью и твердостью, пониженным содержанием Si. Он мало пригоден для литейных целей и в основном перерабатывается в сталь. Данный чугун называют белым или предельным чугуном.

Чугун, содержащий углерод в виде свободного графита имеет серый излом, крупнозернистое строение и повышенное содержание Si. Благодаря наличию свободного углерода, он обладает высокими литейными свойствами и легко обрабатывается инструментом. Он применяется в литейных целях и называется литейным.

В строительстве серые чугуны используют в конструкциях, работающих на статическую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, балки, канализационные трубы и др.). Высокопрочный чугун, обладающий повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промышленных зданий, фундаменты тяжелого оборудования, опоры железнодорожных и автомобильных мостов.

Лекция 15

Сталь – сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали - не более 2,14 %, но и не менее - 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твердость, снижая пластичность и вязкость.

Сталь получают из чугуна путем удаления из нее части углерода и примесей. Существует три способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.

В основе получения стали лежит окислительный процесс, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Окисление примесей осуществляется кислородом, содержащимся в газах и оксидах железа и марганца. После окисления примесей из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород (раскисление), вводят легирующие добавки и получают сталь заданного химического состава.

Конвертерный способ. Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь.

Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы. Емкость современных конвертеров равна 60 – 100 т. Перед заливкой чугуна конвертер поворачивают до горизонтального положения. В конвертер заливают чугун (0,7 – 1,25 % Si; 0,5 – 0,8 % Mn; 3,8 -4,4 % C; <0,065 P; <0,06% S) при температуре 1250 – 1300 ^оС. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье в течение 10 - 15 мин. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо. При достижении необходимой концентрации углерода конвертер возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл выливают в ковш, одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.

Общая длительность плавки составляет 20 - 30 мин.

Классификация стали. По содержанию углерода сталь подразделяется на низкоуглеродистую (С < 0,25 %), среднеуглеродистую (С 0,25 – 0,60 %) и высокоуглеродистую (С 0,6- 2,14 %).

По назначению сталь подразделяется на конструкционную, топочную, подшипниковую, инструментальную и т.д.

По степени раскисления (перевод растворенного в металле кислорода в нерастворимое состояние и удаление кислорода из металла) сталь разделяется на спокойную (раскисленную, из которой кислород удален), кипящую (не проводилось раскисление) и полуспокойную (кислород удален из стали частично).

Спокойная сталь называется так, потому что при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться и металл будет бурлить (кипящая).

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд примесей Mn,Si, S, P,O, N, H. При содержании С в стали более 1-2% её твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается.

Кремний (0.35 - 0.4%) повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной деформации – штамповке. Марганец (0.5 - 0.8%) повышает прочность и уменьшает хрупкость при высоких температурах.

Сера повышает хрупкость при высоких температурах, снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Её количество ограничивают в пределах 0.035 - 0.06 %

Фосфор является вредной примесью (0.025-0.08 %).

Азот повышает порог хладноломкости, уменьшает ударную вязкость и предел выносливости стали.

Особенно вреден водород. Он не только «охрупчивает», но и приводит к образованию трещин.

Свойства стали:

· плотность стали: 7700 - 7900 кг/м³,

· удельная теплоемкость при Т=20⁰С - 462 Дж/(кг·°C);

· температура плавления 1450-1520 ⁰ С;

· коэффициент теплопроводности 15,5 – 54,5 Вт/м К (в зависимости от состава).

Основными способами модифицирования структуры и свойств стали являются:

- введение в расплавленный металл веществ, образующих тугоплавкие соединения (карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AIN, оксиды – (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃), являющиеся центрами кристаллизации;

- введение легирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решеток феррита и аустенита, замедляющих диффузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций;

- термическая и термомеханическая обработка стали.

Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов с целью получения так называемой легированной стали, т.е. такой стали, в составе которой находятся специальные примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.

По содержанию легирующей добавки сталь разделяется на низколегированную (< 5 %), среднелегированную (5-10 %) и высоколегированную (>10 %).

Легирующие элементы вводят в конструкционные стали: Сr 0,8–1,1 %; Ni 0,5-4,5 %; Si 0,5-1,2 %; Mn 0,8-1,8 %; W 0,5 -1,2 %; Mo 0,15-0,4 % и др.

Si, Mn – повышают твердость, прочность, понижают пластичность.

Сr – повышает прочность, твердость и текучесть, улучшает коррозионную стойкость.

В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента. Отсутствие цифр означает, что содержание не превышает 1-1,5 %.

Обозначение элементов в марках стали: А –азот; Б –ниобий; В – вольфрам; Г –марганец; Д – медь; Х –хром; С – кремний; П – фосфор; М – молибден, Н –никель.

Содержание углерода в стали указывают двухзначными цифрами, приводимыми в начале марки в сотовых долях процента.

Пример: 12ХН3А

0,12 С; 1-1,5 Сr; 3% Ni; 1 % N.

Буква А обозначает повышенное качество стали, особую чистоту.

Обработка стали. Термическая обработка резко изменяет свойства стали при неизменном химическом составе: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Для устранения структурной неоднородности, измельчения зерна, уменьшения твердости, повышения вязкости, улучшения обрабатываемости, устранения внутренних напряжений применяют отжиг. Отжиг заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующим медленном охлаждении. Охлаждение ведется вместе с печью.

Нормализация отличается от отжига тем, что после нагрева стали и необходимой выдержки охлаждение ведут не в печи, а на воздухе. Нормализация дает более твердую и прочную сталь, чем отжиг. Нормализация – это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

Закалка стали заключается в нагреве её до температуры выше критической, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде, масле и другой среде. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Охлаждение стали может происходить в одной среде, в двух средах (ступенчатая и изотермическая).

Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3%) закалке не поддаются, и она для них не применяется.

Отпуск стали заключается в её нагреве в закаленном состоянии до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении быстром или медленном. Целью отпуска является повышение вязкости, уменьшение внутренних напряжений и хрупкости стали, повышение пластичности при некотором снижении прочности, то есть смягчение действия закалки. Закалке и отпуску обычно подвергают инструментальную сталь и детали инструмента.

Значительно изменяется качество стали в результате химико-термической обработки, целью которой является получение поверхностного слоя, обладающего повышенной твердостью, износоустойчивостью, коррозионной стойкостью. Достигается это посредством следующих процессов:

Цементация заключается в насышении поверхностного слоя стали при температуре 850-900⁰С углеродом с целью получения после закалки твердой поверхности и вязкой сердцевины.

Азотирование состоит в поглощении поверхностным слоем стали азота для приобретения высокой твердости.

Цианирование – это насыщение одновременно углеродом и азотом, что приводит к повышению твердости, износоустойчивости и режущих свойств.

Сталь применяется для производства металлопроката (уголок, швеллер, двутавровые балки и др.), металлоконструкций (балки, фермы и др.), арматуры, стальных труб.

В промышленности и быту стальные трубы могут использоваться как в виде составных элементов напорных или безнапорных трубопроводов, так и в роли деталей для нагруженных или слабонагруженных металлоконструкций.

В сфере водоснабжения используются трубы, диаметр которых не превышает 110-150 мм. С этой ролью справятся и бесшовные, и прямошовные трубы. Правда, большая часть стальных труб из домашнего и промышленного водоснабжения вытесняется полимерными аналогами.

В системах отопления стальные трубы являются общепризнанными фаворитами. Высокая кольцевая жесткость и достаточно большое сопротивление продольным нагрузкам делают стальную трубу практически идеальным стояком в системе вертикальной разводки. В качестве основы для трубопровода или регистров системы отопления можно использовать и бесшовные изделия, и трубы со швом.

В металлоконструкциях нагруженного и слабонагруженного типа используются только прямошовные профильные трубы с квадратным или прямоугольным сечением. А в случае необходимости в наборе заготовок для металлоконструкций добавляют еще и прямошовные трубы с круглым профилем.