51. Основные технологии черных металлов (производство чугуна и стали).

Чугуном называют сплав железа с углеродом (2... 6,67 %), кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Наиболее часто применяемые железные руды: красный (Fe2O3), магнитный (Fe3O4), бурый (Fe2O3-nH2O), шпатовый (РеСОз) железняки, содержащие 30...70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений (SiO2, А12Оз и др.) и вредные примеси (серы, фосфора). Топливом служит кокс — продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) — известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.

Чугун выплавляют в доменных печах (9.2) объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи — горн через отверстия — фурмы подают   под   давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива.

 К прогрессивным   процессам развития   доменного   производства следует отнести улучшение подготовки   шихты за счет   дробления, тщательной промывки, сортировки и обогащения железных руд, которое производится, например, путем магнитной сепарации. Широко развивается производство агломерата путем спекания мелочи руды в более крупные куски. Объем доменных печей достиг 5 тыс. м3, что обеспечило улучшение коэффициента использования полезного объема, снижение расхода топлива на 1 т передельного чугуна. Получают большое развитие механизация и автоматизация основных процессов при производстве чугуна. В доменном процессе широко используется повышенное давление и более высокий нагрев дутья, автоматическое регулирование температур, снижение влажности дутья, промывка углей перед коксованием, а также кислород для интенсификации процессов производства.

В результате доменной плавки могут быть получены различные виды чугунов: передельные (80...90%), идущие в основном на производство стали; литейные (8...18 %), предназначаемые для получения чугунных отливок; ферросплавы. (2...3%), содержащие повышенное количество марганца, кремния. Ферросплавы применяют как добавки при производстве стали.

Сталь — многокомпонентный технический сплав железа с углеродом и/или с другими элементами основанный на диаграмме "Железо-углерод". Сталь содержит не более 2,14% углерода (при большем количестве углерода образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность. Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45% железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами(легированная, высоколегированная сталь).

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, с содержанием углерода до 2 %. При производстве стали происходит снижение содержания углерода и примесей, присутствующих в чугуне (Mn, Si, S, Р и др.), за счет окисления кислородом воздуха и кислородом, содержащимся в руде. Снижению содержания углерода и примесей способствует закись железа FeO, которая образуется в начале плавки 2Fe-j-O2 —2FeO и далее C-f-FeO = CO+Fe. Так как излишняя закись железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкой стали путем введения ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия) по следующим схемам: Mn + FeO->MnO + Fe; Si + 2FeO->SiO2+2Fe; 2А1 + +3FeO-vAl2O3+3Fe.

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени законченности раскисления различают спокойную сталь (си), т.е. наиболее раскисленную. Такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение, более качественная и дорогая; кипящую сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, в ней имеются пузырьки газа СО, которые остаются в прокате. Кипящая сталь сваривается, удовлетворительно обрабатывается, но при температуре —10 °С проявляет хрупкость. Кипящая сталь дешевле спокойной. Полуспокойная сталь  (пс) по свойствам занимает промежуточное положение между (сп) и (кп).

Выплавку стали осуществляют в мартеновских печах, в конвертерах и электропечах.

 В мартеновских печах (9.3) помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного) и подогретый воздух, обеспечивающий температуру 1800...2000 °С. Производительность печи за одну плавку (8... 12 ч) до 900 т. В мартеновских печах (9.3) может быть произведена переплавка металлического лома (до 60...70%), возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали.

 Для интенсификации производства стали в мартеновских печах широко применяют кислород, что обеспечивает повышение производительности печей на 25...30 % Большую экономию топлива дает использование теплоты остывающих мартеновских печей, для чего используют принцип работы двухванных печей, при котором теплота от одной остывающей ванны направляется в соседнюю, а затем происходит изменение направления потока, теплоты.

 Конверторный способ получения стали позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 %' металлического лома, руду, флюс (9.4). Сжатый воздух под давлением (0,3...0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне.

Производство стали в конверторах постепенно вытесняет ее в мартеновских печах. Емкость современных конверторов достигает 600 т. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как дополнительное использование кислорода обеспечивает   резкое   повышение   производительности   (на 40 %  выше. Недостатки   способа:   повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

 Производство стали в электрических печах — наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее рас-, пространены дуговые электропечи емкостью до 270 т {9.5). При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской    печи   или    конвертера.

 Прокатка — самый распространенный вид горячей обработки стали, до 90 % всей выплавляемой стали перерабатывают этим методом. При прокатке металл обжимают между двумя валиками прокатного стана, вращающимися в разные стороны, в результате происходит обжатие заготовки и увеличение ее длины и ширины (9.7, а). После такой обработки можно получить прокат различной формы и размеров (9.8). Если необходима значительная деформация сечения, то повторяют прокатку изделия до 10... 15 раз, а во избежание холостых пробегов слитка применяют дополнительные валки, обеспечивающие прокатку и при обратном ходе слитка. Станы, в которых при обратном направлении движения валков заготовка движется в обратном направлении, называют реверсивными.

Наиболее совершенными станами являются непрерывные, в которых рабочие клети с обжимными валками устанавливают последовательно одну за другой и прокатываемая полоса попадает из одной клети в другую.

На станах прокатывают также арматурную сталь, применяемую при производстве железобетона 

 Волочением называют процесс протягивания прутка или проволоки через отверстие в волоке (матрице), размеры поперечного сечения которого   меньше   размеров исходной заготовки (см. 9.7,6). Волочение проводят на волочильных станах для получения тонкой и тончайшей проволоки, калибрования прутков и труб круглого и фасонного сечения из стали и цветных металлов.

 Прессование — процесс, в результате которого металл выдавливают через круглое или фасонное очко в матрице (см. 9.7, б). Форма и размеры очка определяют форму и сечение прессуемого изделия — прутков, труб и фасонных   профилей из цветных   металлов и их сплавов, а также сталей. Прессование производят на гидравлических или механических прессах.

 Ковка металла заключается в обжатии заготовки между верхним и нижним бойками (см. 9.7, г} с применением разнообразного кузнечного инструмента. Различают свободную ковку (металл течет в стороны) и ковку в штампах (металл принудительно должен заполнять полость штампа). При ковке происходит изменение микроструктуры металла с образованием измельченного зерна или волокнистой структуры. В строительстве ковку применяют для изготовления болтов, тяжей, анкеров, хомутов, скоб, башмаков, бугелей и т. п. Путем ковки пневматическими клепальными молотками или машинами производят неразъемное соединение отдельных листов и фасонных профилей  (клепка).

 Штамповкой изготовляют значительное количество строительных конструкций. Это процесс деформации металла в штампах, при котором обеспечиваются однородность и точность ковочных поверхностей, не требующих дополнительной обработки. Различают объемную и листовую штамповку.

При объемной штамповке предварительно нагретую заготовку деформируют в замкнутой полости штампа на молотах, прессах или горизонтально-ковочных машинах.

Для строительных конструкций, толщина стенок которых мало отличается от толщины исходных заготовок, используют листовую штамповку, которая состоит в деформации в холодном состоянии листовой исходной заготовки в штампе, имеющем матрицы с прижимным кольцом и пуансон (см. 9.7, е). Металл для штамповок должен обладать высокой пластичностью, чаще это малоуглеродистые или легированные стали. В отдельных случаях возможно совмещение штамповки и сварки, что обеспечивает возможность получения конструкций сложной формы.

Для облегчения массы конструкций и экономии металла производят тонкостенные штампованные строительные профили из специальной высокопластичной, антикоррозионной листовой стали толщиной 2...3 мм. В конструкциях эти профили сваривают точечной или электродуговой сваркой.

 Литье широко применяют в производстве различного вида изделий или заготовок из металла. Литые детали изготовляют путем отливки расплавленного металла в формы. Примерно 4/s всех отливок получают в разовых песчаных формах и Vs — специальными видами литья. Чугун плавится в вагранках, которые обеспечивают расплавление жидкого чугуна при минимальном угаре и экономном расходе топлива.

Получение стальной отливки значительно сложнее, чем чугунной, так как у стали большая усадка (стали— 2%, чугуна—1 %), необходима высокая температура (до 1600 °С), выше растворимость газов, что способствует пузыристости стальной отливки. Для получения стальной отливки следует пользоваться только полностью раскисленным металлом и применять последующую термическую обработку. Отливку можно производить также из цветных металлов.

Литье деталей в песчаных формах имеет существенные недостатки, а именно: форма изготовляется только на одну отливку, точность отливки недостаточна.

Для массового производства точных отливок успешно используют специальные виды литья, обеспечивающие повышенную точность, а в ряде случаев не требующие последующей механической обработки. Имеется более чем 50 способов специальных видов литья, основными из которых являются: литье в металлические формы (кокильное литье), литье под давлением, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы (корковое литье) и др.

 Литье в металлические формы обеспечивает многократную оборачиваемость форм (100...50 000 раз) и высокую производитель" ность. Формы изготовляют из чугуна, стали и других сплавов. Металл заполняет формы под действием силы тяжести.

Литье под давлением, осуществляемое в металлических формах, чаще всего применяют для цветных металлов. Металл заполняет формы под давлением, создаваемым поршневой системой.

Центробежное литье, осуществляемое путем заливки жидкого металла во вращающуюся форму (250...1500 мин-1) с последующим охлаждением, чаще всего применяют для изделий, имеющих форму тел вращения (труб, втулок и т. п.). Особенностями этого метода являются большая плотность отливок и возможность получения тонких стенок.

Литье по выплавляемым моделям (прецизионное) рекомендуется производить при изготовлении мелких деталей сложной формы и с высокой степенью точности.

При корковом литье подогретая металлическая модель обсыпается специальной смесью песка и пульвербакелитовой смолы. При спекании этой смеси на модели образуется корка прочностью до 7,5 МПа. Две приготовленные таким образом полуформы соединяются и образуют литейную форму для отливки изделия. Особенностями этого вида литья являются высокая точность и возможность автоматизации процесса отливки.