Основы технологии черных металлов

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получе­ния стали используют также металлолом. В последние годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах высоко­температурной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твер­дого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО₃) необходим для перевода в расплавленное состояние пустой породы (состоящей в основном из Si0₂ и А1₂0₃), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, об­разуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь силикатов и алюминатов кальция, близкую по составу к порт­ландцементу.

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. По­лезный объем печи — 2000...3000 м³, а суточная производитель­ность — 5000...7000 т. В печь (рис.) сверху через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере про­движения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в ус­ловиях ограниченного доступа кислорода, образует СО₂, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до С0₂. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун 9 стекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполнителя для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты и др.

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства стали, остальная часть чугуна используется для получения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образуется и углерод выделяется в виде графита.

Рис. Схема доменной печи:

1 – летка для выпуска жидкого чугуна; 2 - расплавленный шлак;

3 - загрузочное устройство; 4 – газоотводная труба; 5 – капли расплавленного чугуна; 6 - капли шлакового расплава; 7 - фурма для подачи воздуха;

8 - летка для выпуска расплавленного шлака; 9 - жидкий чугун.

Производство стали. Сталь получают из чугуна и железного метал­лолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах или электрических печах. Выплавка стали — сложный процесс, складывающийся из це­лого ряда химических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки — полуфабри­кат, из которого различными методами получают необходимые изде­лия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретен­ную форму. При обработке металла давлением практически нет отхо­дов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлени­ем: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 % получаемой стали.

При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката — сталь круг­лая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через от­верстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхно­стью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого ди­аметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка — обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготов­ляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка — разновидность ковки, при которой сталь, растяги­ваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка мо­жет быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находя­щейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного се­чения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообраз­ные фасонные профили.

Холодное профилирование — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.