Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь,
алюминий, свинец ,бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь,
чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном -в
виде сплавов.
Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно
наличие примесей других химических элементов:
Сталь: Fe + С ( < 2 % ) + примеси ( относительно
немного);
Чугун: Fe + С ( > 2 % )+ примеси ( больше, чем у
стали).
Что общего и в чем различия ( табл. 1.3) между этими сплавами?
Основа одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун
имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 %
в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию
углерода в сплаве .Так же больше во многих чугунах марганца, серы,
фосфора и кремния.
Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же
более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь
является производной от чугуна., т.к. производство её в основном
двух стадийное : из железных руд сначала получают чугун, далее из
чугуна и стального лома получают сталь.
Таблица 1.3
Сравнительные показатели чугунов и сталей.
№
Наименование показателей
Чугун
Сталь
1
Содержание углерода, %
> 2 %
< 2 %
2
Содержание S, P, Mn, Si
Много *
меньше
3
Структура
ледобурит,….
аустенит,феррит,…
4
Хрупкость
более хрупкий *
5
Твердость
более твердая *
6
Прочность
выше *
7
Ковкость
выше *
8
Литейные свойства
выше
9
Изготовляемые детали
станины, корпуса,
валы, шестерни,…
10
Технология изготовления
литье и механ. обраб.
прокатка и мех. обр.
* - чаще всего.
Железо в руде находится в виде окислов, оксидов, карбонатов и
прочих химических соединений. Кроме того, в руде много ( до 30… 60
% ) пустой породы : кварцит ( песок ), глинистые вещества и др.
Основные железные руды :
1. Магнитный железняк Fe O — оксид ( до 65 % железа ). (
Соколовское и Сарбайское месторождения, Курская магнитная аномалия
)
2. Красный железняк Fe O — оксид ( до 60 % железа ). (
Криворожское месторождение, Курская магнитная аномалия )
3. Бурый железняк n Fe O х mH 2 O — карбонат ( до 55 % железа
).
( Лисаковское месторждение )
4. Шпатовый железняк Fe C O 3 — углекислая соль ( до 40 % железа
).
( Криворожское месторождение )
Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на
территории государств СНГ. Добывалось и производилось чугуна и
стали в бывшем СССР больше всех в мире . Причинами этого
«достижения» были : несовершенство конструкций и низкая надежность
машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и
сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и
коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного
производства, ,строительных и дорожных работ. Всё это требовало
намного больше металла, чем в других странах. И , кроме того
,зарытого металла в земле на стройках, брошенного на свалках, в
лесах, болотах и на полях было больше всех в мире.
В историческом плане производство черных металлов развивалось по
следующим этапам :
1. Сыродутный процесс ( 1500 лет до н. э. ).
Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего
до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось
из руды углём при продувке воздухом (рис. 1.19 ) с помощью
кузнечных мехов.
Сначала при горении древесного угля образовывалась окись
углерода
C + O2 Ù C O,
которая и восстанавливала чистое железо из руды
C O + Fe Ù Fe + C O2 .
В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды
получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые
сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее
использовались для производства необходимых человеку изделий. Это
технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало
примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда) , поэтому оно
хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало.
Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350
°С),металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой
фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо.
Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько
усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно
вытеснен кричным переделом.
Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов
был
кузнец, а самый первый способ сварки- это кузнечная
сварка.
.
2. С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией
процесса возрастало содержание углерода в железе, температура
плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более
чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного
чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со
шлаком.
В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения
железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность
увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо
для подачи воздуха. Кричный передел -это процесс рафинирования
чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна
кричного (сварочного) железа.
3.В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное
топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При
пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит
через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в
X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом
пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи.
При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом
много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей –криц. В
кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и
другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного
колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в
час.
4.В конце XIX века — почти одновременно внедряются три новых
процесса получения стали : бессемеровский, мартеновский и
томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко ( до
6 тн/час).
5. В середине XX века :внедряются кислородное дутье,
автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.
При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось
( технический уровень того времени не давал возможность обеспечить
температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного
металла в бессемеровском конверторе из -за резкого увеличения
поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в
тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой
печью.
В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом
ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее
небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии.
Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс
производства стали : обогащение руд (получение окатышей, содержащих
90… 95 % железа) и выплавка стали в электропечи.
Современное производство чугуна и сталей выполняется по следующей
схеме (рис. 1.20).
Производство чугуна.
Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение,
работающее непрерывно в течение 5..10 лет.
Печь работает по принципу противотока . Сверху загружается руда
,флюсы и кокс, а снизу подается воздух.. Кокс служит для нагревания
и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из
окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы
(известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков При
сгорании топлива образуется окись углерода , которая и является
главным восстановителем железа. Восстановление железа происходит от
высших окислов к низшим и , в конечном итоге, к металлу:
Fe2 O3 ® Fe3 O4 ® Fe O ® Fe
окисью углерода СО и твердым углеродом С. Восстановление марганца ,
кремния и других элементов выполняется также коксом .
Продуктами доменного производства являются :
чугун передельный , содержащий 4…4,5 % С, 0,6…0,8 % Si, 0,25…1,0 %
Mn , до 0,3 % S и до 0,05 % Р;
чугун литейный , содержащий Si около 3 % ;
ферросплавы: ферросилиций ( 9 …13 % Si ) и ферромарганец ( 70 …75 %
Mn ) , предназначенные для раскисления и легирования сталей;
шлаки, используемые для производства шлаковаты, шлакоблоков,
цемента.
Производство стали.
Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество
углерода, марганца , серы и фосфора. Сталь получают в кислородных
конверторах, мартеновских печах и электропечах.
Конвертор (рис. 1.21) —это сосуд грушевидной формы, футированный
внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.
Жидкий чугун (1250…1400 °С), полученный в домне, с помощью ковша
заливают в конвертор, Для получения шлака добавляют в конвертор
железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор
снизу подается воздух, или сверху –кислород. Процесс получения
стали проходит быстро, при этом отчетливо видны три периода (рис.
1.22) .
В первые 4 …5 минут процесса окисляется железо
Fe + O2 ® FeO.
Далее , образовавшаяся окись железа окисляет кремний и марганец
:
Si + FeO ® SiO2 + Fe,
Mn+ FeO ® MnO2 + Fe.
Кремний и марганец окисляются также и кислородом:
Si + O2 ® SiO2,
Mn + O2 ® MnO2 .
При окислении углерода, кремния, марганца и др. примесей выделяется
большое количество тепла, температура расплава увеличивается, а
окислы образуют шлак.
После того, как выгорят почти полностью Si и Mn наступает второй
период бурного выгорания углерода
C + FeO ® Fe + CO,
характерный тем, что пока окись углерода. горит
CO + O2 ® CO2
над горловиной. будет яркое пламя.
Третий период наступает, когда над горловиной появляется бурый дым-
признак того, что начало окисляться железо и процесс получения
стали завершен.
Кислород вдувается в конвертор сверху (давление до 1,2 МПа)
на зеркало жидкого металла.. Температура при продувке кислородом
выше, чем при продувке воздухом, поэтому кроме расплавленного
чугуна можно использовать до 30 % железного скрапа и железной руды.
При продувке кислородом в сплаве уменьшается содержание азота,
время продувки сокращается по сравнению с продувкой воздухом в 2
раза и увеличивается производительность конвертора.
Мартеновское производство менее производительное, чем
конверторное., но лучше регулируется процесс, используются чугунные
чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ
сгорает над плавильным пространством, где создается температура
1750… 1800 °С. Газ и воздух предварительно подогреваются ( до
1200…1250 °С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов,
выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой
накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну
продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и
феромарганцем в ванне, а окончательное –алюминием и ферросилицием в
сталеразливочном ковше.
Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных
электропечах. Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи,
но температура выше , поэтому можно получать в электропечах
тугоплавкую сталь , содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при
выплавке электростали : окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за
счет кислорода, воздуха и оксидов шихты. ; восстановительный —
раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий
из извести и плавикового шпата.
Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей
и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях
вакуума или специальной регулируемой атмосферы.