книги / Строительные материалы

смесь из мелких равномерно распределенных кристал­ лов А и В, называемая эвтектикой. Это самый легко­ плавкий из всех возможных сплавов данных компонен­ тов.

При первоначальной концентрации компонентов в жидком сплаве, соответствующей эвтектической точке С, происходит сразу переход жидкого сплава в эвтектику. Ниже линии СВ начинается вначале кристаллизация компонента В, а затем при охлаждении до температур линии СЕ также образуется эвтектика. Ниже линии DCE сплавы находятся в твердом состоянии. Линия АСВ, представляющая собой геометрическое место точек на­ чала затвердевания сплавов с различным соотношением компонентов А и В, называется линией ликвидуса. Ли­ ния DCE, соответствующая окончанию кристаллизации сплавов, называется линией солидуса. В том случае, если при определенном соотношении компонентов А и В образуется химическое соединение, диаграмма услож­ няется (рис. 11.10, б). Получаются как бы две диаграм­ мы, соединенные' по линии AfjV, соответствующей составу химического соединения. Левая часть — это диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов, состоящих из элемента А и Химического соединения ХС, а правая — из элемента В и соединения ХС.

Диаграммы состояния второго типа характерны для сплавов; компоненты которых неограниченно раствори­ мы один в другом в жидком и в твердом состоянии (рис. 11.10, в). Особенность этой диаграммы — отсутствие эв­ тектического сплава.

Диаграммы состояния третьего типа относятся к сплавам, компоненты которых неограниченно раствори­ мы один в другом в жидком состоянии и ограниченно в твердом (рис. 11.10, е). Ниже линии AD образуется твердый раствор а (В в Л), соответственно ниже линии BE — твердый раствор Р (Л в В). Максимальная раст­ воримость компонента В в компоненте Л в твердом со­ стоянии соответствует отрезку ZD. С понижением темпе­ ратуры растворимость компонента В в компоненте Л уменьшается в соответствии с линией DFy поэтому из твердого раствора выпадает компонент В в виде вто­ ричного твердого раствора рвт компонента В в компонен­ те Л. Соответственно ниже линии EQ выпадает вторич­ ный твердый раствор а вт-В точке С образуется эвтек­ тика. Линия ADCEB —^линия солидуса.

Рис. 11.11. Зависимость между диаграммами состояния сплавов и их свойст­ вами

свойство широко используются в практике. Твердость (//В), электрические и другие физические характерис­ тики сплавов, затвердевающих согласно диаграмме со­ стояния первого типа, изменяются по закону прямой ли­ нии (рис. 11.11, а). Если в сплавах образуется непрерыв­ ный ряд твердых растворов, то свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 11. 11, б). В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и в случае образования химического соединения свойст­ ва изменяются в соответствии с принадлежностью той или иной части диаграммы к первому или второму типу (рис. 11.11, в, г).

Диаграмма состояния железо — углерод (рис. 11.12) описывает равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и темпе­ ратуры. По ней судят о структуре медленно охлажден­ ных сплавов, а также о возможности изменения их мик­ роструктуры в результате термической обработки, опре­ деляющей эксплуатационные свойства сплавов.

Рис. 11.12. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

железу, он мягок, его твердость НВ = 60—80, пластичен. Цементит — карбиджелеза (Fe^C)—химическое ,сое-

динение, содержащее 6;67 % углерода. Является состав­ ной частью эвтектической смеси, а также самостоятель­ ной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других ме­ таллов, неустойчив, распадается при ^термической обра­ ботке. Цементит очень тверд (НВ = 800) и хрупок.

Аустенит — твердый раствор углерода в y-Fe. Ато­ мы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимос­ ти от температуры и примесей. Устойчив только при вы­ сокой температуре, а с примесями Мп, Сг при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита # 0 —

— 170—200.

Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется в процессе распада аустенита при 723 °С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мп способст­ вуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой). Механические свойства пер­ лита зависят от формы и дисперсности частичек цемен­ тита. Прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цемен­ тита, образующаяся при 1130°С и содержании углерода 4,3%. Структура неустойчивая: при охлаждении аусте­ нит, входящий в состав ледебурита, распадается на вто­ ричный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ = 700), хрупок.

Графит — мягкий и хрупкий компонент чугуна, состо­ ящий из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах

На диаграмме состояния железоуглеродистых спла­ вов (см. рис. 11.12) на оси оринат отложена температу­ ра, на оси абсцисс — содержание в сплавах углерода до 6,67%, т. е. до такого количества, при котором образу­ ется химическое соединение РезС — цементит. Пунктир­ ными линиями нанесена диаграмма состояния системы железо — графит, так как возможен распад цементита.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как сво­ бодного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию це­ ментита, то практически удобнее все изменения структу­

ры сплавов связывать с различным содержанием угле­ рода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Линия ACD — линия

линия SE — вторичного цементита. Линия PSK соответ­ ствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Линии GSK и PSK имеют большое значение при термической обработке стали. Ли­ нию GSK называют линией верхних критических точек, линию PSK — нижних критических точек.

В зависимости от содержания углерода, %, железо­ углеродистые сплавы получают следующие названия:

при содержании углерода до 0,83 — доэвтектоидные стали то же, 0,83 — эвтсктоидные стали

ъ0,83 — 2 — заэвтектоидные стали

»2 — 4,3 — доэвтектические чугуны

»4,3 — 6,67 — заэвтектическис чугуны

Сувеличением содержания углерода в железоуглеро­ дистых сплавах меняется и структура, увеличивается со­

держание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше их твердость и прочность, но ниже их пластические свойства. Механи­ ческие свойства сплавов зависят также от формы и раз­ мера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем вЫШе, чем тоньше и мельче части­ цы феррита и цементита.

§2. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ

1.П роизводство чугунД

Чугун выплавляют в доменных печах из руд, содер­ жащих 20—70 % железа. В руде, кроме железа, имеется пустая порода, состоящая из различных' природных, хи­ мических соединений (Si02, А120з и др.) и вредных при-

месей (серы, фосфора). Наиболее часто применяемые железные руды: красный, магнитный, бурый и шпато­ вый железняк и легированные руды (табл. 11.2).

Железные руды перед загрузкой в доменную печь подвергаются предварительной подготовке: дроблению, промывке, обогащению, которое производится путем магнитной сепарации, а также спеканию (агломерации) мелочи в более крупные куски. В последнее время нача­ ли офлюсованный (самоплавкий) агломерат, получае­ мый спеканием железной руды с известняком, что об­ легчает образование шлака, снижает расход кокса на 7—20%, сокращает расход руды, повышает производи­ тельность печей на 10—25 %.

Топливо при выплавке чугуна из руд должно быть кусковатым (40—80 мм в поперечнике), пористым, ма­ лозольным, иметь высокую прочность и такую же удель­ ную теплоту сгорания.

Кокс — основной вид топлива доменнного процесса, на нем выплавляется около 98 % всего чугуна. Кокс яв­ ляется продуктом сухой перегонки спекающихся сортов каменных углей. Он обладает высокой прочностью, го­ рючестью, пористостью (50%). Недостатки кокса как топлива — его высокая зольность (9—10%) и большое содержание вредной примеси — серы (0,5—2% ). При­ менение каменного угля в доменной печи затруднено изза его высокой плотности и непроницаемости для газов, а также большой хрупкости при высоких температурах, что приводит к засорению печного пространства. Дрё-

Рис. 11.13. Схема доменной печи

При последующем продвижении снизу вверх внутри печи С02 встречается с кусками раскаленного кокса и тотчас же взаимодействует с его углеродом по реакции

С + С 02 = 2СО — 157 920 Д ж .

Эта реакция идет с поглощением теплоты. Образую­ щийся оксид углерода является хорошим восстановите­ лем и он энергично соединяется с кислородом, 1входящим в состав оксидов железа и других соединений руды. Вна­ чале в верхней зоне доменной печи шихтовые материалы теряют влагу, становясь более пористыми, и продолжая опускаться вниз, нагреваются доменными газами. Преж­ де всего восстанавливаются высшие оксиды железа:

3Fe20 3 + C O -v 2Fe30 4 + С 02 — 37 254 Дж.

Процесс восстановления продолжается по реакциям

2Fe30 4 + 2СО 6FeO + 2С02 — 41 916 Дж;

6FcO + 6СО = 6Fe + 6С02.

Кроме того закись железа соединняется с углеродом:

FeO + С = Fe + СО.

После восстановления железо находится в твердом (губчатом) состоянии В смеси с пустой породой, кото­ рая дедается пористой и ноздреватой. В поры восстанов­ ленного железа проникает углерод, и железо постепен­ но науглероживается (до 3,5—4 %)

3Fe + 2СО Fe3C + С 02.

Затем наступает расплавление науглероженного ме­ талла, который стекает в горн доменной печи. Так как чугун соприкасается с раскаленным коксом, то насыще­ ние железа углеродом продолжается. При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям:

S i0 2 + 2С = Si + 2СО; МпО + С = Мп + СО;

Р20 6 + 5С = 2Р + 5СО.

Эти элементы, а также часть серы в виде FeS перехо­ дят в чугун. В ходе плавки получается шлак, который всплывает на поверхность чугуна и защищает его от оки­ сления. Шлак выпускается через (шлаковую) верхнюю летку, расположенную выше уровня отверстия для выпус­ ка чугуна. Затем через нижнее отверстие выпускается чугун. Для получения 1 т чугуна расходуется примерно:

.руды 1,9 т; кокса 0,6-^-0,8 т; флюса-известняка 0,4 т и

марганцевой руды для удаления серы из чугуна40^1^- 0,12 т. Применение кислородного дутья способствует ус­ корению доменного процесса.

В результате доменной плавки могут быть получены различные виды чугунов: передельные, идущие в основ­ ном на производство стали, их выплавляют 80—90 %; литейные, предназначенные для получения чугунных от­ ливок (8—18%). Кроме чугуна в доменных печах вы­ плавляют ферросплавы, содержащие повышенное коли­ чество Si и Мп; ферросилиций с 9—13 % Si и ферромар­ ганец с 70—80 % Мп. Ферросплавы применяются как добавки при получении стали.

2. Производство стали

Процес выплавки стали заключается в уменьшении количества углерода и примесей (Мп, Si, S, Р) в чугуне путем окисления их кислородом воздуха или кислоро­ дом, содержащимся в железной руде, до таких соедине­ ний, которые могут быть переведены в шлак или удале­ ны из чугуна в газообразном состоянии. Окисление при­ месей происходит при участии закиси железа по следу­ ющим схемам:

2Fe + 02 = 2FeO;

СFeO = СО -|- Fe;

Наличие извести в шлаке способствует удалению серы

FeS + CaO->CaS + FeO.

В конце процесса окисления в стали остается боль­ шое количество закиси железа, которая вредна, так как вызывает хрупкость стали. Чтобы избавиться от нее, а также чтобы довести содержание углерода до заданно­ го количества, вслед за окислительным процессом немед­ ленно проводят процесс раскисления. Для этого в рас­ плавленную сталь вводят элементы, энергично соединя­ ющиеся с кислородом закиси железа. В качестве раскислителей применяют ферросплавы, а также алюми-