СМ 2013

341

Графит – образуется при распаде цементита на феррит и графит. Встречается в серых и ковких чугунах.

Диаграмма состояния Fe — Fe C (рис. 13.7) более всего похожа на диаграмму 3-го типа (рис. 13.6) для компонентов, обладающих ограниченной растворимостью в твердом состоянии.

На диаграмме состояния Fe — Fe C точка А соответствует температуре плавления железа и точка В – температуре плавления цементита. (А Е В) – линия ликвидуса, в области I – жидкий сплав. (А С Е D) – линия солидуса. В области III существуют кристаллы первичного цементита и жидкий сплав, в области II – кристаллы аустенита переменного состава и жидкий сплав. По линии (С Е D) кристаллизуется эвтектический сплав состава, соответствующего точке Е; ледебурит состоит из кристаллов аустенита (твердого раствора углерода в γFe) и кристаллов первичного цемента, содержание углерода – 4,3 %.

При температуре, соответствующей линии солидуса, сплавы можно разделить на три группы:

1.0-2,0 % C – аустенит, область IV на диаграмме (рис. 13.7).

2.2,0-4,3 % C – аустенит + ледебурит (эвтектика), область IX.

3.4,3-6,67 % С – первичный цементит + ледебурит, область X. Превращения в системе Fe — Fe C, протекающие при дальнейшем по-

нижении температуры (ниже линии солидуса), обусловлены понижением растворимости углерода в γFe и превращением γFe → αFe.

По линии (G S) из аустенита выделяется αFe (феррит). Феррит выделяется, когда содержание углерода в сплаве не превышает 0,9 %. При более высоком содержании углерода выделяется цементит по линии (S C) (вторичный цементит). В точке S аустенит распадается на смесь мелких кристаллов феррита (αFe) и цементита, которая называется эвтектоидной смесью (эвтектоидом). Структура, соответствующая эвтектоидной смеси, называется перлитом, содержание углерода – 0,83 %.

Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называют сталью, сплавы, содержащие от 2 до 6,67 % С, – чугуном. Чугуны и стали обладают различающимися физическими свойствами и областью применения в строительстве.

13.2.  Производство чугуна и стали

Общая схема производства изделий из чугуна и стали

Строительные изделия из черных сплавов получают путем восстановительной плавки железных руд и производства чугуна, содержащего более 2 % углерода с последующим переделом в сталь путем снижения содержания углерода в сплаве в металлургических агрегатах (конвертерах, мартеновских печах). Строительные материалы из чугуна и стали получают либо способом литья, либо путем механической обработки заготовок

344 Глава 13.  Металлические материалы и изделия

Рис.  13.10.  Передел чугуна в сталь в конвертере:

а – заливка чугуна;  б – продувка;  в – разливка стали

температура достигает 1700-1800 °С и идут реакции:

С + О → СО и  СО + С = 2СО; Н О + С = Н + СО.

Газообразные продукты поднимаются вверх и являются восстановителями (СО, Н и углерод топлива). Восстановительные процессы начинаются в верхней части печи, ускоряются с повышением температуры и при 950 °С и выше проходят за счет углерода кокса. Восстановление газами идет выше распара, а углеродом – в распаре, заплечиках и горне:

3Fe O + СО(Н ) = 2Fe O + СО (Н О); 2Fe O + 2СО(2Н ) = 6FеO + 2СО (2Н О);

6FеO + 6СО(6Н ) = 6Fe + 6СО (6Н О).

Далее происходит плавление и образование расплавов чугуна и шлака. Чугун насыщается углеродом:

3Fе + 2СО = Fe С + СО .

Жидкие шлак и чугун собираются в горне и не смешиваются, вследствие высокого различия плотности, образуя два слоя – жидкого чугуна

345

(внизу) и шлака (вверху). В шлаковый расплав переходят вредные примеси. Одновременно происходит восстановление Mn, Si и P, которые содержатся в шихте и переходят в чугун.

Расплавы чугуна и шлака периодически (4-6 раз в сутки) удаляются из доменной печи через верхнюю (шлаковую) и нижнюю лётки. Шлаковый расплав направляется в отвал или на грануляцию, а чугун разливается в формы (заготовки – чушки), либо направляется на передел в сталь.

Доменная печь работает непрерывно после пуска (задувки) в течение 3,5-4 лет с кратковременными остановками для устранения неполадок.

Производство стали

Сталь отличается от чугуна более низким содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора, что обеспечивается окислением кислородом воздуха в процессе плавки в различных металлургических агрегатах. Применяются агрегаты трех типов – конвертеры, мартеновские и электрические печи.

Конверторный способ производства стали

В зависимости от типа огнеупорной футеровки конвертера различают две разновидности процесса – бессемеровский и томасовский (рис. 13.10).

При бессемеровском (кислом) процессе футеровку выполняют из кислых огнеупоров (динасовый огнеупорный кирпич), при томасовском (основном) процессе применяют основной (доломитовый) огнеупорный кирпич.

При производстве стали преобладают окислительные процессы. Оксиды удаляются с отходящими газами или переходят в шлак.

Бессемеровский процесс применяют при производстве стали из чугуна с низким содержанием серы и фосфора, образуются кислые шлаки, в которых эти примеси не растворяются. Бессемеровский способ производства разделяют на три периода.

1.  Период образования шлака (4-5 мин). Идут экзотермические процессы:

2Fe + O = 2FeO;

Si + 2FeO → SiO + 2Fe;

Mn + FeO = MnO + Fe.

Температура расплава повышается, образуется кислый шлак. 2.  Период пламени (8-12 мин). Начинается окисление углерода:

C + FeO = Fe + CO↑.

Угарный газ сгорает на воздухе, образуя факел.

3.  Период бурого дыма (1-2 мин). Начинается окисление железа, поэтому вводят ферросилиций, ферромарганец и сталь выливают в ковш.

346 Глава 13.  Металлические материалы и изделия

Рис.  13.11.  Схема мартеновской печи

Томасовский процесс применяется при производстве стали из чугуна с высоким содержанием фосфора. В конвертер вводят известь (CaO) и затем заливают жидкий чугун, образуется основной шлак. Томасовский способ также разделяют на три периода. Первые два периода совпадают с бессемеровским процессом, в течение третьего периода (3-5 мин)

2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)  · P O + 5Fe .

Образуется фосфат кальция, который переходит в шлак, шлак сливают, вводят раскислители и выливают сталь.

Если при производстве стали конвертерным способом воздух обогащают кислородом, то способ производства называется кислородноконвертерным. Конвертерный способ производства стали применяется сравнительно редко.

Мартеновский способ производства стали

Этот способ производства стали самый распространенный. Применяют печи, состоящие из рабочего пространства, двух примыкающих к нему головок печи и камер (регенераторов) для подогрева горючего газа и воздуха (рис. 13.11). Регенераторы выкладывают из огнеупорного кирпича, они используются для подогрева воздуха, необходимого для окислительных процессов и горения топлива. Регенераторы включаются попеременно через 15-20 мин. В то время, когда одна пара

347

камер нагревает воздух и газ до 1100 °С, другая пара нагревается отходящим газом. Теплота, необходимая для расплавления стали, выделяется при сгорании природного газа.

В зависимости от состава руды и чугуна, пÓд печи футеруется кислыми или основными огнеупорами, соответственно различают основной и кислый мартеновские процессы. В зависимости от применяемых исходных материалов возможны различные варианты мартеновского процесса.

1.Скрап-рудный процесс. Загружают жидкий чугун, металлический скрап, железную руду и флюсы.

2.Скрап процесс – загружается чушковый чугун, металлолом, железная руда (твердая шихта).

3.Рудный процесс – используется жидкий чугун из доменной печи

ивводится железная руда для окисления примесей.

Преимуществом мартеновского процесса является возможность использования металлического лома и железной руды.

Шихта нагревается, плавится, выгорают примеси за счет взаимодействия с кислородом воздуха, при этом образуются два слоя – расплав стали (внизу) и жидкий шлак. Окисление углерода вызывает кипение расплава. Далее вводят ферросилиций и ферромарганец и выпускают сталь. При основном процессе часть шлака удаляют и вводят известь.

Производство стали в электрических печах

Электрические печи являются более совершенными, позволяют более точно определить химический состав стали, получать легированные стали, достигнуть более полного удаления вредных примесей.

Применяются электрические печи двух типов: дуговые и индукционные. В дуговых печах нагревание и плавление металла производится электрической дугой (разрядом), возникающим между графитовыми электродами. Индукционные печи имеют обмотку, по которой пропускается переменный электрический ток. Под действием управляемого переменного электромагнитного поля в металле, находящемся в печи и являющимся вторичной цепью, возникает переменный ток, обеспечивающий нагревание и расплавление.

Применяется также дуплекс-процесс, совмещающий выплавку стали в двух плавильных агрегатах – мартеновской и электрической печах, что позволяет получать высококачественную сталь.

До появления доменных печей применялось производство стали путем прямого восстановления железа из руды и науглероживания (кричный процесс). Железную руду смешивали с восстановителем (древесный уголь), нагревали и производили механическую обработку (ковку). В современных условиях восстановление железа производится во вращающихся печах, получают губчатое железо, которое используется при производстве стали.

348 Глава 13.  Металлические материалы и изделия

13.3.  Производство изделий из чугуна и стали

Сталь содержит вязкий и пластичный аустенит, который отсутствует в чугуне, поэтому изделия из стали получают путем горячей и холодной механической обработки. Чугун перерабатывают преимущественно способом литья (за исключением ковкого и высокопрочного).

Изготовление деталей путем отливки (литьё)

Заготовки из чугуна и стали (слитки), предназначенные для последующей переработки, получают путем разливки в формы (изложницы).

При непрерывной разливке стали расплавленный металл поступает в кристаллизатор, охлаждаемый водой. После затвердевания слиток на поддоне вытягивается вниз и разрезается.

Процесс изготовления изделий из расплава можно разделить на три этапа.

1.Приготовление форм для литья по моделям или шаблонам.

2.Расплавление металла и его подготовка к разливке.

3.Разливка металла по формам. После охлаждения формы разрушают.

В зависимости от состава сплава, типа изделия и предъявляемых к нему требований применяются различные варианты отливки.

Литьё под давлением. Расплавленный металл направляется в охлаждаемую камеру. Поршень создает давление от 0,5 до 700 МПа (рис. 13.12). Эта же технология применяется для формования изделий из твердых нагретых сплавов.

Центробежное литьё. Применяется при изготовлении полых изделий круглого сечения (трубы и др.). Расплавленный сплав заливается в форму и распределяется по стенке под действием центробежной силы, частота вращения изменяется в пределах 400-600 об/мин (рис. 13.13).

349

Кокильное литье. Производится в металлических литейных формах. Применяется также литьё по выплавляемым моделям и др.

Обработка металлов под давлением

Этот процесс изготовления изделий возможен благодаря высокой пластичности сплавов, которая увеличивается с повышением температуры. Каждый сплав имеет определенный температурный интервал, в котором он обладает минимальным сопротивлением деформации (температурный интервал обработки). Поэтому слитки перед обработкой нагревают в печах. Обработка давлением изменяет не только форму слитка, но и физико-механические свойства сплава за счет уменьшения содержания дефектов (пустоты) и деформации кристаллов, изменения структуры сплава.

К способам обработки под давлением относятся: прокатка, волочение, прессование, ковка и штамповка.

Прокатка. Обжим заготовки между двумя вращающимися валками прокатного стана (рис. 13.14), при этом толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина – увеличиваются. Исходным материалом являются слитки. Для повышения производительности прокатного стана крупные слитки предварительно деформируют на блюмингах и слябингах, при этом получают полуфабрикат, который используется для изготовления листа и сортового проката (приложение, рис. А.83).

На рельсобалочных станах изготавливают рельсы, балки, швеллеры и другие крупные профили.

Сортовые станы предназначены для изготовления сортового проката – швеллера, тавра и др., проволочные станы – для изготовления проволоки диаметром 5-10 мм, листовые и трубопрокатные станы – для изготовления листов и труб. Тонкостенные профили сложной формы получают также на профилегибочных станах.