Производство чугуна

Чугун получают в доменных печах из железных руд или в вагранках из Сырьем для производства чугуна служат: магнитный железняк РсзО.1. красный железняк Ре_;0₃, бурый железняк 2РеОз-ЗН₂О и шпатовый железняк РеСО₃. Наибольшее содержание железа (до 70%) характерно для магнитного и красного железняка, а в буром и шпатовом оно составляет до 50...60%. Железные руды в своем составе содержат пустые породы и примеси различных соединений, которые могут придавать металл)' как положительные, так и отрицательные свойства. Пустая порода и вредные примеси из руды удаляются нутвм се обогащения механическим измельчением и от бором пустой породы или обжигом и спеканием смеси руды и кокса в агломерационных печах. В качестве топлива используют природный газ, каменный уголь и кокс, являющийся продуктом сухой перегонки кокс\тощихся каменных углей. Кокс также является и восстановителем железа из его окислов. Кроме того, возможно. хотя и дорогостоящее, применение древесного угля, получаемого при сухой перегонке древесины березы, дуба, бука, клена и других пород. Для понижения температуры плавления пустой породы и перевода се и золы топлива в шлак применяют добавки, называемые флюсами, в качестве которых используют известняк, песчаник, кварцит и др. Состав и доза таких добавок зависят от состава примесей в железных рудах и пустых породах. Восстановление железа из руд производят в доменной печи, в которлто послойно загружают сверху руду, топливо и флюсы. Снизу подастся воздух, нагретый до 500...800 °С. В результате сжигания топлива температура в печи достигает 1300...1500 °С. при этом происходит расплав составляющих и восстановительный процесс Одновременно происходит восстановление окислов других металлов, содержащихся в руде. Восстановленное железо присоединяет раскаленный углерод, в результате чего образуется карбид железа Рс_эС, который способствует увеличению содержания углерода в чугуне до 3...4%. Образующийся чугун под действием сил тяжести стекает в горн печи. Получающиеся в результате сплавления пустой породы и флюсов шлаки легче чугуна и поэтому располагаются сверху. Жидкий чугун из печи сливают через чугунную летку, а шлак — через шлаковую летку, расположенную выше чугунной. Шлаки используют для производства различных видов строительных материалов, а также в качестве добавки к цементам. Чугун в зависимости от назначения подразделяется на литейный, передельный и специальный. Литейный чугун (серый) используют для отливки узорчатых перильных ограждений мостов, оград, тюбингов для облицовки тоннелей, станин под станки, зубчатых колес, санитарно-тсхнических деталей, труб и др. Специальный чугун представляет собой сплав железа с марганцем, кремнием и другими легирующими добавками. Его применяют при получении стали как легирующие добавки или как раскислите ли. Передельный чугун (белый) используют для производства стали. Чугун в строительстве используется реже, чем сталь, так как обладает меньшей прочностью при растяжении и изгибе, является хрупким материалом и трудно поддастся сварке. Предел прочности при растяжении у серого чугуна 120...210 МПа. а при изгибе 280...400 МПа. Для уменьшения хрупкости чугуна и повышения других физико-механических свойств в его состав вводят добавки цветных металлов или химических элементов. Таким способом пол>-чают высокопрочный и ковкий чугуны.

СТАЛЬ И СПОСОБЫ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА 2^

Стали в зависимости от химического состава делятся на два класса: 1) углеродистые, которые содержат, кроме железа и углерода, только нормальные примеси кремния, марганца, фосфора, серы и кислорода: 2) легированные, в состав которых для улучшения их свойств вводятся легирующие цветные металлы — никель, хром, алюминий, вольфрам, титан и др. Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на мягкие низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0.3%. срсднсутлсродистыс — 03...0.65% и твердые высокоуглсродистыс— более 0.65%'. Легированные стали подразделяются на две группы: низколегированные и высоколегированные. В строительстве главным образом используются мало-, средне-углеродисты с и низколегированные стали. По применению в народном хозяйстве стали делятся на конструкционные. инструментальные и специальные. Углеродистые конструкционные стали, применяемые в строительстве, в зависимости от прочностных свойств делятся на 8 марок: от Ст 0 до Ст 7. Обыкновенные углеродистые стали имеют следующие показатели механических свойств (табл. 14.1} (по данным проф. В. А. Воробьева). Эти стали имеют различное применение, начиная с изготовления простейших деталей и кончая сложными строительными металлическими конструкциями и машинами. Стали марок Ст 1 и Ст 2 обладают высокой пластичностью, поэтому их используют для изготовления заклепок, трубопроводов, битумопроводов, для изготовления б1ггумных котлов и емкостей для горючесмазочных материалов. Несущие металлические мостовые конструкции и арматуру изготавливают из стали марок Ст 3 и Ст 5. Эти стали, кроме высокой пластичности, хорошо свариваются и легко поддаются обработке. Из сталей марок Ст 4 и Ст 5 изготовляют сушильные и смесительные барабаны асфальтобетонных заводов. болты, шурупы и другие детали. Стали марок Ст 6 и Ст 7 используются для изготовления валов машин и других деталей. Для изготовления железобетонных мостовых и других видов хшетрукций в последнее время широко использ\тотся низколегированные стали марок 10ХСНД. 15ХСНД. 16ГС, 10Г2СД, 09Г2, 14Г2, 15Г2С, 30ХГ2С и др. Эти стали обладают большой прочностью и ;орошсй свариваемостью, что позволяет повысить допускаемые на-фяжения и уменьшить расход металла и массу конструкций. Сталь, используемая для армирования обычных и предвари-сльно напряженных железобетонных конструкций, подразделяется на четыре класса: А-1. А-П. А-Ш и А-1У. Весьма эффективной шляется арматура класса А-1У из сталей марок 20ХГ2Ц и 80С, 1. также термически упрочненные стали класса Ат-1У. Ат-У. Ат-УТ и Уг-УП из сталей 35ГС, 20ГС и др. Важнейшей характеристикой ар-латуры является предел текучести. Чем он выше, тем большие расчетные напряжения можно принять в железобетонной конструкции, эаботающей на растяжение или изгиб. Механические свойства термически упрочненной арматурной стали даны в табл. 14.2. В ряде случаев применение этих видов арматуры для изготовления мостовых и дорожных железобетонных конструкций даст эко-юмию металла до 30%. Арматурные стержни бывают гладкими щаметром 6..40 мы и периодического профиля диаметром 6...90 мм. \ также выпускается обыкновенная и высокопрочная проволока щаметром 3...8 мм. Для изготовления металлических мостовых конструкций ис-юльзуют малоуглеродистую мартеновскую сталь (ГОСТ 6713—53) чарок М16С и МСтЗмост. Химический состав этих сталей елсдую-дий: 0,13...0.18% С; 0.1% 51; 0.4...0.6% Мп; до 0,035% 3 и до 0,04% Р, остальное — Ре. Строительные стали можно упрочнять холодной эбработкой давлением, а также прокаткой при высокой темпера-гуре. Для строительства мостов также применяют легированные фемнистые малоуглеродистые стали, содержащие кремния более ),8%. и кремний-марганцовистые марок\15ГС. 18Г2С и 25Г2С. Инструментальная сталь используется для изготовления режу-цих. ударных и измерительных инструментов и приспособлений. Ее зыплавляют в мартеновских и электрических печах. Углеродистая инегрументальная сталь делится на два класса: качественную ма-оок У7, У8, У9, У10 и высококачественную марок У7А, УВ8, У9А, ПОА. Высококачественная сталь содержит меньше серы {до Э.03%) и фосфора (до 0,03%). Качественную сталь используют для изготовления дереворежущего инструмента, высококачественную — иногда для металлорежущего инструмента. Инструментальная легированная сталь имеет более высокую прочность, твердость и упругость, а также износостойкость и коррозиошгую устойчивость. Легирующими добавками к такой стали служат вольфрам, кобальт, молибден, ванадий, никель и др. Высокие режущие свойства у инструментов, изготовленных из стали с 6... 18% вольфрама. Для высокопроизводительного дереворежущего инструмента нашей промышленностью вырабатывается легированная быстрорежущая сталь следующих марок: 65ХФ (хро-мованадисвая), ОХС (хромокремнистая). ХВГ (хромовольфра.мо-вая), В2 (вольфрамовая), Х12Ф (высокохромистая), Р18 (быстрорежущая). Р9 (быстрорежущая малолегировайная). Для изготовления металлорежущих инструментов применяют твердые вольфрамокарбидкые. титановольфрамока_рбидныс и другие сплавы. К специальным относятся стали с особыми физико-механическими и химическими свойствами: нержавеющие, жаро- и кислотостойкие с особыми магнитными и электрическими свойствами и др. Для регулирования свойств стали во многих елл-чаях применяют термическую обработка: закалку, отпуск отжиг к нормализацию. Закалка — это процесс нагрева стали до определенной температуры (700...800°С). выдержка при этой температуре, а татем быстрое охлаждение. При этом повышаются прочность и твердость стали. При закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к трещинообразованию на поверхности или внутри детали. Для уменьшения внутренних напряжений производят отпуск стали. При оттеке сталь нагревают до соответствующих температур, а затем медленно охлаждают.

Для снижения твердости, улучшения обрабатываемости, уменьшения структурной неоднородности, улучшения других свойств производят отжиг стали. Отжиг стали осуществляют при температуре выше 700 °С. Он может быть полным и неполным. Полному отжигу подвергают сортовой прокат, поковки, листовую сталь и не­которые детали из углеродистой и легированной стали. Неполный отжиг производят путем нагрева стали до температуры выше 727 °С. выдерживанием при такой температуре определенное время и медленным охлаждением. В этом случае происходит лишь частичная перекристаллизация стали. В результате отжига сталь приобретает равновесную структуру. Для улучшения поверхностного слоя деталей, придания им коррозионной стойкости, твердости производят химико-термическую обработку этих деталей: цементацию, азотирование, цианирование и алитированис. Суть химико-термической обработки заключается в том. что нагретые детали подвергают в течение 1...20 ч воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой переходят углерод, азот, алюминий, хром и др. Температура нагрева деталей зависит от вида обработки и колеблется в пределах 550...980 °С. В зависимости от способа производства стали подразделяют на конверторные (бессемеровские и томассовскис). мартеновские и электропечные. При конверторном способе производства стали вредные примеси удаляются из металла путем окисления их кислородом воздуха, который продувается через слой расплавленного чугуна При этом образуется шлак. Конвертор представляет собой стальной сосуд небольшого объема, выложенный огнеупорным кирпичом и вра­щающийся вокруг горизонтальной оси во время заливки чугуна и выпуска стали. Конверторный способ достаточно производителен, однако сталь содержит много мелких пузырьков воздуха, что снижает ее качество. В зависимости от состава передельного чугуна применяют конверторы с кислой или основной футеровкой. Если чугун имеет повышенное содержание кремния (0.2...2%). используют метод Бессемера. При этом образуются кислые шлаки и кремнистая сталь. Способ Томаса используют при переработке чугунов с повышенным содержанием фосфора (1,6...2%) и малым содержанием кремния (до 0.5%). Из конверторной стали изготовляют листовое железо, проволоку, строительные прокатные профили и т. д. Конверторным способом можно получать как углеродистую, так и легированную сталь. Это наиболее экономичный способ производства, обеспечивающий непрерывный разлив стали.

Мартеновский способ пока наиболее распространен. Он позволяет получать сталь высокого качества, за счет регулирования химического состава и свойств стали. Сырьем при мартеновском способе производства стали являются чугун, стальной лом и частично железная руда. Мартеновский способ от конверторного отличается тем. что выплавку стали ведут на поду пламенной мартеновской печи. В мартеновскую лечь поочередно загружают стальной лом. флюсы и чугун. Флюсы, вступая во взаимодействие с вредными примесями, переводят их в шлак. которого отражается тепловой поток и. попадая на металл, расплавляет его. Топли­вом служит мазут или газ в смеси с воздухом, который предварительно подогревается. Температура в печи достигает 1700... 1800 °С. Производительность мартеновских печей считается по массе стали (в тоннах), снимаемой с 1 м пода печи в сутки. Она составляет в среднем 20 т (до 900 т для печи). В мартеновских печах ползают также и легированные стали высокого качества. Мартеновские стали используют для изготовления ответственных несущих конструкций мостов, ферм перекрытий, профильного проката, используемого для устройства подкрановых балок, рельсов и т. д.

В последнее время расширяется получение сталей в электропечах. Этот способ позволяет получать металл очень высокого качества, так как доступ воздуха ограничен и легко регулируется температурный режим плавки. Электрические печи подразделяются на электродуговыс и индукционные. В основном используются элсктродуговыс печи, плавление металла в которых происходит от тепла электрической дуги, образующейся между металлом и электродами. К электродам подводят переменный ток ПО...240 В силой 10 000 А. Вместимость печей колеблется в пределах 5...300 т. Обычно элсктроплавкой получают жаро- и кислотоупорные стали, нержавеющие, инструментальные и конструкционные повышенного качества.. Стоимость электросталей выше мартеновских и конвер­торных из-за большого расхода электроэнергии.