5.4. Чугуны.

Производство чугуна - первичный процесс получения черных металлов из природного сырья. Сырье для производства чугуна: железные руды, флюсы и кокс. Наиболее часто используемые железные руды:

магнитный железняк ( Fе₃О₄ ),

красный железняк ( Fе₂О₃ ),

бурый железняк ( 2Fе₂О₃*3Н₂О ),

шпатовый железняк ( FеСО₃ ),

которые содержат 30...70 % железа, пустую породу из различных природных химических соединений ( SiO₂, Al₂O₃ и др.), и вредные

примеси ( сера, фосфор).

Флюсы - известняк СаСО₃ или доломит СаСО₃*МgСО₃, если в пустой породе содержится большое количество кислотных оксидов, кварц, кварцит, песчаник, если в пустой породе имеется повышенное содержание основных оксидов. Флюсы вводятся для понижения температуры плавления пустой породы, для ошлаковывания золы топлива и удаления вредных примесей.

Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа. При его горении выделяется большое количество тепла

С + О₂ = СО₂ + 402 192 Дж.

При последующем продвижении в домне снизу вверх СО встречается с кусками раскаленного кокса и восстанавливается его углеродом по реакции

С + СО₂ = 2СО - 157 920 Дж.

Максимальная температура доменного процесса составляет 1900 С.

Восстановление железа в домне идет по схеме

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

с образованием губчатого железа. В поры губчатого железа проникает углерод, и железо науглероживается (до 3,5...4 %) по реакции

3Fе + 2СО = Fе₃С + СО₂ .

Далее науглероженный металл расплавляется и стекает в горн доменной печи, при этом происходит его дальнейшее насыщение углеродом за счет соприкосновения с раскаленным коксом.

При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO;

MnO + C = Mn + CO;

Р₂О₅ + 5С = 2Р + 5СО.

Эти элементы, а также часть серы в виде FеS, переходят в чугун.

Продукты доменного производства: чугун, накапливающийся в нижней части горна, огненно-жидкие шлаки, как более легкие, собирающиеся поверх чугуна, и доменный газ, выходящий из верхней части домны.

ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо длянужд металлургической промышленности.

ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлакопортландцемента, заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п.

ЧУГУН - литейный, передельный и ферросплавы.

Передельный чугун составляет 80...90 % всей выплавки, цвет его белый, так как весь углерод связан с железом в Fе С, идет на переделку в сталь. Из белого чугуна, кроме того, получают ковкий чугун путем длительного отжига при высоких температурах, что вызывает частичный распад карбида железа. Ковкий

чугун более прочен и пластичен, легче обрабатывается.

Литейный чугун серый (СЧ) за счет свободного углерода, который в виде графитовых пластин перерезает металлическую основу чугуна; применяется для конструкций, работающих на сжатие, для санитарно-технических и архитектурно-художественных изделий, плит для пола и др.

Модифицированный серый чугун (МСЧ) имеет более высокие механические свойства за счет шаровидной раздробленной формы графита; применяется для отливок ответственных деталей.

Механические свойства чугунов.

Вид чугуна Предел прочности Предел прочности

на растяжение. ПМа на сжатие, МПа

СЧ 120...280 280.. .480

МСЧ 280...480 380... 600

Ферросплавы - специальные чугуны,в которых содержание углерода может достигать 5 % и более. Кроме того они содержат повышенное количество кремния и марганца:

ферросилиций - Si - 9...13 %,

ферромарганец - Mn - 10...25 % или 70...75 %.

Применяют их для раскисления и легирования стали.

5.5. С Т А Л Ь .

Сталь получают из передельного чугуна, содержащего до 4 % углерода, 1% марганца, до 1,3 % кремния, десятые доли процента серы и фосфора.

Сущность процесса сталеварения заключается в окислении излишнего содержания углерода и примесей, содержащихся в чугуне , кислородом воздуха и кислородом руды. Этому процессу способствует образующаяся в начале плавки закись железа

2Fe + O₂ = 2FeO и далее

FeO + C = CO + Fe.

Так как излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов по следующей схеме

FeO + Mn → MnO + Fe ;

2FeO + Si → SiO₂ + Fe ;

3FeO + 2Al → Al₂O₃ + 3Fe.

Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь. Спокойная сталь (сп),в которой нет закиси железа, наиболее качественная и дорогая. Кипящая сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, и в ней имеются пузырьки газа СО, при разливке в изложницы " кипит". Она дешевле спокойной стали, но качество ее ниже,

хотя она сваривается и удовлетворительно обрабатывается, но при температуре -10 С она становится хрупкой. Полуспокойная сталь (пс) по своим свойствам занимает промежуточное положение между двумя первыми.

Современные способы производства стали: конверторный, мартеновский и электроплавильный.

При конверторном Бессемеровском способе жидкий чугун заливают в конвертор и продувают горячим воздухом, при этом выгорают и удаляются со шлаком С, Мn, Si, а S и Р остаются в стали. При Томасовском конверторном процессе перед заливкой чугуна в конвертор подают свежеобожженную известь. При этом образующиеся основные шлаки удерживают вредные примеси (S и Р).

Процесс конверторной варки стали очень экономичен, так как не требует дополнительного подвода тепла (необходимая для нагрева стали теплота выделяется в результате химических реакций окисления углерода и примесей чугуна),а время варки составляет 20...30 мин, однако невозможно получить сталь точного

химического состава.

Кислородно-конверторный способ производства стали - наиболее перспективный. В нем дополнительно используется продувка кислородом, что позволяет довести качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартенах и электропечах.

При мартеновском способе варки стали различают:

скрап-процесс, при котором сырьем служит смесь чушкового чугуна и скрапа (стального лома);

рудный процесс, при котором используют в качестве шихты смесь жидкого чугуна, железной руды и отходов металлургической промышленности;

скрапно-рудный процесс, при котором шихта состоит из руды, жидкого чугуна и скрапа в равных соотношениях.

Варка в мартеновских печах продолжается 4...8 часов при использовании топлива с систематическим отбором проб стали на химический анализ. Мартеновские стали получают точного химического состава, качество их выше конверторных.

Наиболее совершенным способом производства стали является электроплавильный способ. В электрических печах получают высококачественные и легированные стали. Однако производство это достаточно дорогое.