3.1.3. Продукция доменного производства.

Среди конечных продуктов доменной плавки основным является чугун, а шлак и доменный (колошниковый) газ — побочными.

Различают три основные разновидности доменного чугуна: передельный, литейный и доменные ферросплавы.

Передельный чугун (90% общего производства чугуна) используют в качестве сырья при конвертерном или мартеновском производстве стали. Примерный состав передельного чугуна: 3,5…4,4% С; 0,3…1,2% Si; 0,2…1,0% Мn; 0,15…0,2% Р; 0,02…0,07% S; остальное – Fe.

Литейный чугун используют для получения отливок – заготовок, получаемых литьем. В литейных чугунах (по сравнению с передельными), содержится повышенное содержание кремния - до 3,6% (является графитизатором, т.е. способствует образованию в чугуне свободного углерода) и, в некоторых марках, - фосфора (до 1,2%), улучшающего жидкотекучесть. Чугуны с высоким содержанием фосфора применяются в художественном литье.

Доменные ферросплавы применяются в качестве легирующих добавок и раскислителей при выплавке сталей. К ним относятся ферромарганец (70…75% Мn и более, до 2% Si) и ферросилиций (9…15% Si, до 3% Мп)

Доменный шлак используют в промышленности при изготовлении цемента, шлаковой ваты для теплоизоляции, шлаковых блоков и др.

Доменный газ, очищенный от пыли, применяется для подогрева воздуха, направляемого в доменные печи, а также нагрева водяных и паровых котлов.

3.2. Производство стали.

3.2.1. Выплавка стали.

Для производства стали, также как и чугуна, используется технология пирометаллургии.

Стали – это сплавы на основе железа, содержащие до 2,14% углерода. Помимо углерода в стали всегда присутствуют примеси. Их допустимое содержание: полезных - Мn до 0,8%, Si до 0,4% и вредных - Р до 0,07%, S до 0,06% и др.

Марганец и кремний являются - раскислителями. Раскисление - это процесс восстановления железа из его оксидов: FeO + Mn ® Fe + MnO, а также 2FeO +Si ® 2Fe + SiO₂. Образующиеся оксиды марганца и кремния удаляются со шлаком перед разливкой металла. Кроме того, марганец устраняет вредное влияние серы, предупреждая появление красноломкости (см. ниже), кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка.

Сера образует с железом химическое соединение - сульфид железа FeS. Сульфиды значительно снижают ударную вязкость и пластичность. Кроме того, наличие серы в стали может привести к разрушению слитка при пластической деформации (ковка, прокат). Это явление получило название красноломкость. В системе «Fe - FeS» образуется эвтектика, имеющая низкую температуру плавления. При нагреве слитка до температур горячей деформации – 900…1150^°С (температуры красного каления), в участках стали, прилегающих к сульфидам, сталь плавится, образуется жидкость. Из-за этого при деформировании слиток разрушается («ломается») или в нем возникают надрывы и трещины. Красноломкость отсутствует при содержании серы в сталях менее 0,025%, в таких количествах она растворяется в железе, не образуя сульфидов. Красноломкость устраняется введением в сталь марганца. Марганец восстанавливает железо из его сульфида, образуя собственный тугоплавкий сульфид (температура плавления 1620°С) по следующей реакции: FeS+Mn® Fe+MnS.

Фосфор существенно снижает пластичность, ударную вязкость особенно заметно при низких температурах.

Газы даже в незначительных количествах заметно ухудшают свойства сталей. Кислород, азот образуют хрупкие соединения (оксиды и нитриды), что приводит к снижению ударной вязкости. Водород приводит к образованию флокенов (тонкие трещины овальной или округлой формы) в катаных заготовках и крупных поковках, это сильно охрупчивает сталь.

Содержание серы и фосфора, т.е. вредных примесей положено в основу классификации сталей по качеству. Различают следующие группы сталей:

- стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06% серы и 0,07% фосфора;

- качественные стали, содержащие до 0,04% серы и 0,035% фосфора;

- высококачественные стали, содержащие до 0,025% серы и 0,025% фосфора, выплавляемые в электропечах. Сера в таких количествах растворяется в железе, при этом сульфиды не образуются, поэтому высококачественные стали не подвержены красноломкости;

- особовысококачественные стали, содержащие до 0,002…0,008% S и весьма малое количество газов получают применением специальных металлургических технологий (см. ниже 3.2.3).

Кроме того, в состав стали могут специально вводиться определенные элементы в виде чистых металлов или ферросплавов для получения необходимых свойств (например, 12% Cr и более для достижения коррозионной стойкости). Эти элементы называются легирующими, а содержащие их стали – легированными, в отличие от углеродистых, в которых легирующих элементов нет.

При выплавке сталей в качестве железосодержащих компонентов шихты применяют, в основном, передельный чугун и стальной скрап (лом).

Поскольку в чугуне содержится большее, чем это допустимо в сталях, количество углерода и значительно большее (на порядок) вредных примесей, их необходимо удалить при выплавке стали. В чугуне также большее, чем допустимое в сталях содержание кремния и марганца.

Основными технологиями производства стали являются кислородно-конвертерный (~50% выпуска), мартеновский (~15%) и электросталеплавильный (~30%) процессы. При производстве стали и сплавов особо высокого качества применяют специальные металлургические технологии.

Окислительно-восстановительные реакции, в результате которых происходит удаление из чугуна излишнего углерода и вредных примесей, мало отличаются для всех рассматриваемых технологий производства сталей. В процессе выплавки в жидкий расплав подается кислород, который в первую очередь окисляет железо. Примеси и избыток углерода удаляются в результате реакций, происходящих между оксидами железа или кальция (входящего в известь) с одной стороны и примесями с другой.

Кремний, марганец и фосфор удаляются в результате следующих реакций обмена с оксидом железа:

2FeO+Si→ Fe+SiO₂; FeO+Mn→ Fe+MnO; 2FeO+2P→P₂O₅+2Fe.

При этом оксиды кремния и марганца переходят в шлак, а оксид фосфора растворяется в металле.

Окончательное удаление фосфора, также как и серы с их переходом в шлак, достигается в результате реакций обмена с оксидом кальция: P₂O₅+4CaO→(CaO₄)·P₂O₅ и FeS+CaO→FeO+CaS.

Углерод выгорает по реакции: FeO+C→Fe+CО.

Содержание углерода в стали регулируется временем продувки - чем оно меньше, тем больше углерода остается в стали. Примеси активно окисляются в начале продувки, поэтому время продувки мало влияет на содержание.

Принципиальным отличием кислородно-конвертерной технологии производства стали является отсутствие внешнего нагрева. Источником тепла для выплавки стали являются химические экзотермические (с выделением тепла) реакции - прежде всего - окисление железа, входящего в состав чугуна (Fe+1/2 O₂→FeO).

Эта технология может быть реализована только на металлургических предприятиях с доменным производством, т.к. основная масса шихты – жидкий чугун.

Такой способ производства стали - продувкой воздуха через расплавленный чугун был запатентован в 1856 г. Г. Бессемером. В настоящее время применяют более производительную технологию - кислородно-конвертерную плавку - продувку жидкого чугуна осуществляют не воздухом, а техническим кислородом. Емкость конвертеров составляет 10…400т.

Выплавка стали в мартеновских печах осуществляется при горении топлива, т.е. отличается от кислородно-конвертерной плавки наличием внешнего источника тепла. Мартеновская печь - это пламенная (источник тепла – горение топлива), регенеративная (используется тепло отходящих газов). Эти источники тепла обеспечивают высокую температуру – до 2000°С. При такой температуре плавится твердая шихта (чугунные чушки и скрап). Такая технология - использование твердой шихты (не жидкого чугуна) была разработана в 1864 г. П.Мартеном.

Выплавка стали в электрических печах используется для производства сталей и сплавов высокого качества. Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ:

- быстрый нагрев до необходимой высокой температуры;

- возможность создавать в печах нейтральную или восстановительную среду;

- возможность лучшего удаления фосфора и серы, т.к. высокая температура в печи позволяет использовать высокоизвестковые шлаки;

- возможность получать стали и сплавы строго заданного состава благодаря легкости регулирования параметров технологического процесса.

По способу нагрева шихты печи подразделяются на дуговые и индукционные. Нагрев шихты до высоких температур и ее расплавление в дуговых печах достигается за счет наведения дуги между графитовыми электродами, соединенными с трансформатором. Нагрев и расплавление шихты в индукционных печах достигается за счет передачи электромагнитной энергии путем индукции.

Выплавка сталей в дуговых печах может производиться на металлической шихте разного состава.

Для выплавки сталей в индукционных печах используют только шихту с малым содержанием вредных примесей, т.е. сталь получают методом переплава. Эта технология используется для производства высоколегированных сталей и сплавов.