Тема 11 Чорна металургія

1. Виробництво чавунів.

2. Виробництво сталі.

3. Класифікація і маркування сталі.

1. Виробництво чавунів.

Чавуни містять більше вуглецю (2,14 – 6,67 %) і домішок, більш крихкі, погано зварюються, але мають добрі ливарні властивості і дешевші за сталі. Їх отримують із залізних руд з використанням відходів промисловості (металобрухту виготовлення виробів із чорних металів).

Отримання чавунів ґрунтується на процесах відновлення (зниження ступеню окислення) заліза з його сполук (оксиди), в яких воно міститься (руди, чавун, шихта), з використанням вуглецю (СО).

Шихтою називають суміш сировинних компонентів (рудних концентратів, флюсу, коксу) в певній пропорції, що використовують у металургійних печах і забезпечують якісну плавку.

Оксиди заліза відновлюються послідовно від вищих до нижчих і далі до чистого металу за схемою:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Поряд із відновленням заліза у плавильних печах відбувається його навуглецювання, яке проходить між залізом і присутніми сполуками вуглецю (СО і С).

3Fe + 3CO = Fe₃c + CO₂ + Q (теплота)

3Fe + C = Fe₃C

Отриманий цементит (Fe₃C) – фазова складова залізо-вуглецевих сплавів, яка добре розчиняється у залізі і утворює з ним сплав.

Домішки виробництва чавунів. Чавуни виплавляють у доменних печах. Сутністю технології виробництва чавуну є виведення із залізних руд сторонніх домішок і насичення заліза вуглецем.

Сировиною для отримання чавуну є залізні руди, метало добавки (чавунний брухт, брак чавунного лиття), паливо та флюси.

Для підвищення ефективності доменного процесу, зменшення витрат палива і забезпечення якості чавуну потрібно, щоб руда містила не менше 55 % заліза, мінімум породи і шкідливих домішок (S та P), а також мала певні розміри. Цих вимог досягають за допомогою виконання таких технологічних операцій по підготовці компонентів до плавки:

• Подрібнення – великі шматки роздрібнюють до оптимальних розмірів і фракційного складу;

• Збагачення – ручне і гравітаційне сортування, відокремлення домішкових складових з використанням ефектів різної їх намагнічуваності чи змочуваності (флотація);

• Гранулювання – утворення грудок злипанням зволожених водою подрібненої руди, пилу, малих кількостей глини або вапняку з подальшим їх висушенням і спіканням;

• Агломерація – спікання дрібних та порошкових речовин в агломерати, тобто грудки оптимального розміру.

Для отримання чавуну використовують такі найпоширеніші залізні руди:

• червоний залізняк (гематит) містить 55 – 60 % заліза у складі оксиду заліза Fe₂O₃;

• магнітний залізняк (магнетит) містить 45 – 72 %; заліза у складі оксиду заліза Fe₃О₄;

• бурий залізняк (лимоніт) містить 30 – 55 %; заліза у складі водного оксиду заліза Fe₂О₃·nH₂O;

• шпатовий залізняк (сидерит, або болотна руда) містить 25 – 40 %; заліза у складі карбонату заліза FeСО;

• залізисті кварцити містять 30 – 40 %; заліза у складі оксидів Fe₂О₃ і Fe₃О₄.

У доменному виробництві як паливо використовують кокс, природний газ, доменний газ, подрібнене вугілля.

Найбільше використовують кам’яновугільний кокс, у складі якого є шлаки (10 – 13 %) та сірка (0,5 – 2 %).

Найякісніший чавун отримують з використанням природного газу, оскільки газ не містить шкідливих домішок і після згорання не залишає твердих решток (як вугілля чи кокс).

Як флюси в доменному процесі використовують карбонатні мінерали або доломит, які сприяють виведенню кремнезему (SiO₂) – найбільш поширеного в залізних рудах, а також шлаків – сплавлених рештків породи, золи, палива та інших шкідливих домішок.

В Україні вперше чавун зварили на Юзівському, нині Донецькому металургійному заводі в 1873 р. В наш час чавун виплавляють в домен­них печах (домнах) шахтного типу висотою 30—50 м.

Сучасна домна викладена усередині вогнетривкою шамотною цег­лою, а зовні корпус печі окутий товстолистовою сталлю. Піч охоло­джують водою, яка поступає із спеціальних холодильних установок.

Процес плавки чавуну відбувається за принципом зустрічних потоків: згори вниз рухається потік шихти, а розжарені потоки газів, ут­ворених при згорянні палива, підіймаються вгору — назустріч.

Доменну продукцію чавун і шлак випускають періодично через льотки. Доменний газ виходить із печі безперервно газовивідними трубами, які розташовані у верхній частині домни.

Доменна піч працює безперервно 6 – 10 років. Потім її ставлять на капремонт.

При виплавленні чавуну в доменній печі мають місце такі основні процеси: горіння палива, відновлювання заліза, навутлецьовування заліза і утворення чавуну, відновлення домішок, утворення шлаків, доменного газу і пилу.