Черные металлы

К черным металлам относятся железо и его сплавы: сталь и чугун. Черные металлы применяют при изготов­лении деталей машин, зданий и сооружений. Уровень производства черных металлов является одним из важ­нейших показателей развития народного хозяйства.

Чугун вырабатывается в доменных печах. Исходным (сырьевым) материалом для получения чугуна служат железная руда, топливо и флюсы.

Железная руда состоит из рудного вещества (соеди­нения железа с кислородом) и пустой породы (песок, глина и т. д.). Главнейшими рудами являются: магнит­ный железняк- руда черного цвета, обладающая маг­нитными свойствами, с содержанием железа 56...72 %; красный железняк- руда красного цвета с содержани­ем железа 40..65 %; бурый железняк- руда буро-жел­того цвета с содержанием железа 25...60 %

Флюсы- материалы, способствующие превращению в шлак пустой породы и золы топлива. В качестве флю­са в доменных печах применяют известняк. Кроме указанных материалов, в доменную печь по­дается большое количество воздуха, необходимого для горения топлива. Топливом для доменной плавки служит чаще всего кокс. Для получения легированных чугунов используют древесный уголь.

Устройство доменной печи. Современная доменная печь (рис. 3.1) представляет собой сооружение высотой до 35 и диаметром 7... 10 м. Снаружи доменная печь за­щищена стальным кожухом, а внутри выложена толстым слоем огнеупорного кирпича.

Верхняя часть печи, в которую загружают исходные материалы, называется колошником. К колошнику при­креплены трубы для отвода доменного газа. Ниже ко­лошника расположена самая высокая, расширяющаяся книзу часть,- шихта, заканчивающаяся распаром - наиболее широкой частью печи. Под распаром находят­ся заплечики - конусная часть, сужающаяся книзу. Вни­зу расположен горн. В верхней части горна имеются отверстия, через которые по специальным трубам (фур­мам) в печь поступает дутье. В нижней части горна для выпуска расплавленного чугуна устроено отверстие (летка), а несколько выше имеется два отверстия для выпуска шлака. Нижняя часть горна называется металлоприемником, а дно - лещадью (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема доменной печи 1-загрузочное устрой, 2-колошник, 3-флюс, 4-руда, 5-топливо,

6-шихта, 7-распар, 8-заплечник, 9-горн,

10- ле­щадь

Доменные печи работают по принципу противотока: сырые, исходные материалы загружаются сверху и по­степенно опускаются вниз, а образовавшиеся в нижней части печи горячие газы поднимаются вверх.

Загружаемые в печь поочередными слоями топливо, руда и флюсы попадают в верхнюю часть шахты, где при температуре 200...400°С нагреваются и подсыхают.

В центральной части шахты при температуре 400...800°С происходит восстановление железа прямым и косвенным путем. Прямое восстановление осуществля­ется при помощи твердого углерода - кокса, который от­нимает у окислов железа кислород, в результате чего по­лучается оксид углерода СО и некоторое количество диоксида С0₂. Эти реакции совершаются в зоне наивыс­шей температуры, т. е. вблизи фурм-отверстий, через которые подается кислород. Оксид углерода с потоком воздуха поднимается вверх и продолжает восстанови­тельную деятельность, превращаясь в диоксид углерода. Этот процесс называется косвенным восстановлением. В доменном процессе он играет решающую роль. По ме­ре опускания вниз восстановленное железо нагревается до 900...1000 °С и растворяет в себе углерод, кремний, марганец, фосфор и серу.

При дальнейшем опускании вниз в плавильном поясе печи железо насыщается угле­родом (до 5...6 %) и превращается в чугун. Последний, расплавляясь, стекает крупными каплями вниз и скап­ливается в горне.

Чугун, применяемый в промышленности, классифици­руется в зависимости от химического состава, назначе­ния, структуры и технологии получения.

Вид получаемого чугуна и его свойства зависят глав­ным образом от содержания в нем примесей, а также от того, в каком состоянии находятся примеси: в виде хи­мических соединений или в свободном состоянии. В чугу­не, кроме основного элемента- железа, содержатся уг­лерод, кремний, марганец, фосфор и сера.

Углерод попадает в чугун при плавке из топлива и является наиболее важной его примесью. В зависимо­сти от химического состава и скорости охлаждения по­лученного чугуна углерод может выделяться в свободном состоянии в виде включений графита или в виде це­ментита Fe3С. Если углерод находится в чугуне в виде графита, то такой чугун имеет серый излом и называет­ся серым. Этот чугун применяют для изготовления дета­лей машин. Если углерод находится в чугуне в виде це­ментита, то чугун получается очень твердый, хрупкий и плохо обрабатывается режущим инструментом. Такой чугун имеет белый блестящий излом и называется бе­лым. Для изготовления деталей машин этот чугун почти не используют.

Кремний попадает в чугун при плавке из кварцевого песка, входящего в состав руды. Кремний способствует выделению углерода в виде графита и улучшает литей­ные свойства чугуна. Действие марганца на свойства чу­гуна противоположно действию кремния: он препятству­ет выделению углерода в виде графита и, следовательно, способствует образованию цементита. При небольшом содержании (до 1 %) марганец является полезной при­месью, так как повышает прочность чугуна. Марганец содействует удалению окислов и серы, ухудшающих ка­чество чугуна.

Фосфор представляет собой вредную примесь, прида­ющую литым заготовкам хладноломкость (хрупкость после остывания). Наряду с этим фосфор повышает жидкотекучесть расплавленного металла и поэтому в чугуне, предназначенном для фигурного литья, от которого не требуются высокие механические свойства, оказывается полезной примесью.

Сера придает чугуну плохие литейные свойства и яв­ляется в металле нежелательной примесью.

Серый чугун содержит 2,8...3,5 % углерода, 0,8...3 кремния, 0,6... 1,3 марганца, 0,2...1 фосфора и до 0,12 % серы. В сером чугуне весь углерод или его основная часть находится в свободном состоянии - в виде плас­тинчатых или шаровидных включений графита, поэтому он легко обрабатывается на металлорежущих станках. Серый чугун имеет низкую стоимость, он характеризуется хорошими литейными свойствами и высокими показате­лями прочности, поглощает вибрации и поэтому являет­ся широко распространенным машиностроительным ма­териалом. Следует отметить, что при растягивающих на­грузках серый чугун имеет меньшую, чем у стали, прочность, но хорошо работает на сжатие. Недостатком серого чугуна является хрупкость, которая не позволяет использовать его при изготовлении деталей, подвергаю­щихся ударным нагрузкам.

Отливки из серого чугуна маркируют буквами СЧ и двумя двузначными числами. Например, марка СЧ 12-28 расшифровывается так: серый чугун с прочностью при растяжении не менее 120 МН/м² (12 кгс/мм²) и пре­делом прочности при изгибе не менее 280 МН/м² (28 кгс/мм²).

Из серого чугуна отливают цилиндровые группы дви­гателей пожарных автомобилей и мотопомп, поршневые кольца, блоки выдвижных пожарных лестниц, станины кислородных насосов, корпусы газоструйных вакуум-ап­паратов. Из серого чугуна марки СЧ 12-28 изготовляют крышки пенного огнетушителя ОХП-Ю, из чугуна марки СЧ 15-32-шаровой клапан пожарного гидранта. Из серого чугуна СЧ 21-40 изготовляют поршневые кольца мотопомпы М-600, из чугуна СЧ 24-44- поршневые пальцы мотопомпы МП-800.

Корпус и крышка центробежного насоса ПН-40К, нижняя часть карбюраторов К-22И, К-124В, корпусы коробок отбора мощности и редукторов пожарных авто­мобилей также выполнены из чугуна.

В настоящее время в промышленности (на авторе­монтных заводах) применяют модифицированный высо­копрочный чугун, получаемый путем введения в расплав­ленный чугун магния. В пожарной технике из высоко­прочного чугуна изготовляют картер башенного механизма автолестниц, крышки коренных подшипников двигателя ЗМЗ-24-01 пожарных мотопомп МП-1400 и МП-1600.

Белый (передельный) чугун обладает большой твердостью, и хрупкостью, поэтому в основном идет на переплавку в сталь. Кроме того, из белого чугуна произ­водят отливки, которые подвергаются специальной обра­ботке для получения ковкого чугуна. В отдельных случаях белый чугун используют при ремонтных рабо­тах. Например, при износе зубчатых колес коробки от­бора мощности пожарных автомобилей из белого чугуна наплавляют новые зубья.

Ковкий чугун образуется путем отжига отливок из белого чугуна. Обязательными характеристиками ковких чугунов является предел прочности и относительное уд­линение, по которым их маркируют. Например, марка КЧ-37-12 расшифровывается так: ковкий чугун, предел прочности при растяжении 370 МН/м² (37 кгс/мм²), от­носительное удлинение 12 %. Отливки из этого чугуна можно править, поэтому их применяют как заменители стали при изготовлении де­талей пожарной техники.

Из ковкого чугуна изготовляют задний мост, ступицы колес, корпус коробки отбора мощности, картер рулевой передачи в пожарных автомобилях, детали газораспре­делительного механизма двигателя и т. д.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун чистого магния или сплава его с никелем, медью, алюминием или кремнием. Количество вводимого магния составляет 0,3... 1 % массы расплавленного ме­талла. Если кроме магния в чугун вводят также и ферро­силиций (0,6...2,2 %), то его качество становится еще лучше. Механические свойства чугуна повышают при помощи термической обработки. Модифицированием чу­гуна можно регулировать размеры и форму графитовых включений, изменяя физико-механические и технологи­ческие свойства чугуна. В качестве модификатора вводят присадки ферросилиция, силикокальция, церия и т. д. (до 0,8%). Модифицированный чугун можно применять вместо ковкого чугуна, стали и цветных металлов.

Сталь и ее получение. Основными исходными мате­риалами для получения стали являются расплавленный белый (передельный) чугун и стальной лом. Сталь отли­чается от чугуна меньшим содержанием углерода, крем­ния, марганца, фосфора и серы. Процесс получения стали из 'Чугуна заключается в уменьшении количества этих примесей. При переплавке лома процесс сводится к расплавлению твердых кусков и получению стали за­данного химического состава путем введения или окис­ления отдельных элементов.

Сталь получают в конвертерах (бессемеровских и томасовских), мартеновских и электрических (дуговых и индукционных) печах.

Конвертерный способ. При этом способе сталь полу­чают в конвертере емкостью 35...50 т. При бессемеровском способе сталь получают в бес­семеровском конвертере, который представляет собой сосуд грушевидной формы, изготовленный из клепаных листов стали. Внутри конвертер выложен огнеупорным кирпичом. Снаружи к металлическому кожуху прикреп­лен стальной литой пояс с цапфами. Одна цапфа полая, по ней в воздушную коробку, расположенную в днище конвертера, подается воздух. Для приведения конвертера в горизонтальное или вертикальное положение ко второй цапфе подведен привод от двигателя (рис. 3.2).

Перед началом процесса конвертер поворачивается в горизонтальное положение, и в него заливается рас­плавленный чугун. После заливки чугуна конвертер при­водится в вертикальное положение и в него подается воз­дух. Под действием воздуха и высокой температуры из чугуна выгорают кремний, марганец, углерод. При горе­нии этих элементов выделяется большое количество теп­лоты и температура расплавленного металла повышается с 1250 до 1750°С. Продукты горения примесей всплыва­ют на поверхность металла в виде шлаков и выделяют­ся в виде газов. Процесс превращения чугуна в сталь длится 15 мин.

На переплавку в бессемеровском процессе идет бес­семеровский чугун с 0,9...2 % кремния, 0,6...1,5 % марган­ца и практически не содержащий серу и фосфор. При бессемеровском процессе сера и фосфор из чугуна не выгорают. Для удаления фосфора необходимо применять известь, которая образует с фосфором легкоплавкое сое­динение и этим способствует удалению фосфора из чу­гуна. Однако известь разрушает динасовую футеровку бессемера и поэтому применять ее не рекомендуется.

Томасовский процесс протекает аналогично бессеме­ровскому и отличается от него тем, что из чугуна, кроме указанных элементов, выжигается фосфор. В томасовских конвертерах доломитовая футеровка позволяет при­менять известь, способствующую удалению фосфора из чугуна. Шлак, получающийся при томасовском процессе (томасшлак), является сырьем для изготовления мине­ральных удобрений, так как он богат фосфором. При то­масовском процессе применяют чугун, содержащий до: 2 % фосфора, 1,5 % марганца, 0,5 % кремния. Небольшое содержание кремния в томасовском чугуне объясняется его разрушающим действием на футеровку из доломита.

Достоинства конвертерного способа: высокая произ­водительность конвертеров; простота устройства и не­большие эксплуатационные расходы; отсутствие расходов топлива, так как процессы протекают за счет химиче­ских реакций выгорания примесей, содержащихся в чу­гуне.

Недостатками конвертерного способа являются: невоз­можность переработки в конвертерах металлического лома; большой угар металла; трудность регулирования процесса и вследствие этого сложность получения стали определенного состава; наличие в полученной стали рас­творенных газов, отрицательно влияющих на ее свойст­ва; насыщение стали азотом при атмосферном дутье (содержание азота в воздухе 78 %), хрупкость (особенно при низких температурах) и быстрое старение стали.

Применение кислородного дутья в конвертерном про­изводстве ускоряет выплавку стали, очищает металл от азота.

Мартеновский способ. При этом способе сталь полу­чают в специальных мартеновских печах (рис. 3.3).

Теплота для плавки создается в печи за счет сгора­ния газа, подаваемого в печь вместе с воздухом. Газ и воздух предварительно подогреваются в регенерато­рах. За одну плавку

Рис. 3.3. Мартеновская печь

1, 5 — головки; 2 — свод; 3 — пла­вильное пространство- 4 — под (подина); 6— каналы; 7, - реге­нераторы; 9 — загрузочные окна

мартеновские печи дают 20...500 т стали. За сутки в одной печи выполняют 2...6 плавок (одна плавка длится 3...8 ч). Длительность процесса позволяет брать пробы при варке стали и добавлять не­обходимые присадки для получения тех или иных сортов стали. При мартеновском процессе получается сталь вы­сокого качества, идущая на изготовление сложных де­талей