19.2.2. Получение стали

Переработка передельного чугуна осуществляется с целью по­лучения стали в результате освобождения его от некоторой части углерода методом окисления. При этом сталь может производить­ся тремя методами: конверторным — продувкой расплавленного чугуна сжатым воздухом или кислородом в больших грушевидных сосудах — конверторах с различной внутренней огнеупорной фу­теровкой (рис. 19.3); мартеновским — в печах Сименса-Мартена (рис. 19.4) с регенерацией тепла отходящих газов; электроллавкой — в электродуговых, индукционных или высокочастотных печах (рис. 19.5). При плавке в мартеновских печах или при электроплавке добавляется в рас­плавленный чугун железная руда или скрап (отходы ржавого желе­за, железный лом). Кислород до­бавляемых оксидов также выжи­гает примеси, а железо понижает содержание углерода в общей массе металла. Можно переплав­лять в печи и железный лом, пре­вращая его в продукт, годный к вторичному употреблению, что экономически весьма выгодно. При использовании железа, спе­ченного в куски при бездоменном производстве, сталь получают на­сыщением его углеродом с помо­щью переплавки с чугуном. По­лученные тем или иным методом углеродистые стали с содержани­ем углерода до 1,3% широко используют в машиностроении, на транспорте, в строительст­ве и т. п.

Рис. 19.3. Конвертор для выплавки стали из чугуна:

1 — чугун; 2 — набойка; 3 — воздух; 4 — дутье; 5 — фурмы для подачи воздуха в ме­талл

Рис. 19.4. Схема мартеновской печи

1,7 — регенераторы; 2 — расплавленные шлак и металл; 3 — завалочные окна; 4 — рабочее пространство; 5 — свод; 6 — под

При производстве стали часто добавляют в печь леги­рующие вещества (металлы), получая специальные сорта стали с необходимыми свой­ствами, например хромонике — левую (нержавеющую) сталь и др. Упрочненные низколеги­рованные стали, содержащие хром, никель, марганец, крем­ний, выпускают в качестве массовых технических мате­риалов, тогда как специальные сорта с повышенной прочностью, жаростойкостью, коррозиестойкостью и други­ми улучшенными свойствами содержат увеличенное количе­ство легирующих компонентов. Нередко в качестве легирующего компонента выступает и железо в сплавах на основе алюминия, меди и других металлов.

Рис. 19.5. Схема электрической печи для выплавки специальных сталей

В конверторах выплавляется более 50% в мире стали, причем эта доля стали, выплавляемой высокопроизводительными методами (конвертор и электроплавка), имеет тенденцию к непрерывному уве­личению, тогда как доля мартеновской выплавки постепенно умень­шается. У нас в стране на долю углеродистых сталей приходится около 90%, а легированных — 10%. Качество тех и других обуслов­лено в основном их составом и структурой как железоуглеродистого сплава. В нем железо образует термодинамически неустойчивое хи­мическое соединение с углеродом Fe₃С, называемое цементитом. Значительная часть железа находится в чистом виде с температурой плавления 1539°С. Железо имеет четыре полиморфные модифика­ции: α-Fe, β-Fe, γ-Fe и δ-Fe, Практическое значение имеют модифи­кации α-Fe и γ-Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модифи­кация α-Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристалли­ческую решетку, γ-Fe — кубическую гранецентрированную кристал­лическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 19.6). В процессе охлаждения расплавленного железа при тем­пературе 1535°С образуется площадка, характеризующая формиро­вание кристаллической модификации δ-Fe; при температуре 1392°С происходит полиморфная модификация δ-Fe в модификацию γ-Fe, которая при температуре 898°С переходит в модифика­цию β-Fe; при температуре 768°С модифи­кация β-Fe переходит в модификацию α-Fe. Изучение этих четырех форм сущест­вования кристаллического железа показа­ло, что в модификации γ-Fe имеется межа­томное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации β-Fe, и поэтому переход γ-Fe в β-Fe сопро­вождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α-Fe облада­ет магнитными свойствами (ферромагнит), тогда как модификация β-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя крис­таллические решетки их сходны между собой.

Рис. 19.6. Кривая охлаждения железа

Большое значение для практики имеет свойство модификации γ-Fe растворять до 2,14% углерода при температуре 1147°С с образо­ванием твердого раствора и с внедрением атомов углерода в крис­таллическую решетку. При повышении и понижении температуры растворимость углерода в модификации γ-Fe уменьшается. Твердый раствор углерода и других элементов (азот, водород) в модифика­ции γ-Fe называется аустенитом (по имени ученого Р. Аустена), почти в 100 раз меньше углерода может раствориться в модифика­ции α-Fe, причем твердые растворы углерода и других элементов в модификации α-Fe называют ферритом.

Кроме твердых растворов в железе, в железоуглеродистых спла­вах может быть, как отмечено выше, химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe₃C. Это соединение, называемое це­ментитом, содержит 6,67% углерода, имеет сложное кристалличе­ское строение с плотноупакованной ромбической кристаллической решеткой.

В сплавах цементит является метастабильной фазой. Его темпе­ратура плавления равна примерно 1500°С. Он хорошо растворим в модификации γ-Fe, меньше — в δ-Fe и совсем мало — в α-Fe.

Феррит отличается мягкостью и пластичностью, его прочность сравнительно невысока предел прочности при растяжении 250 МПа, относительное удлинение 50%, твердость НВ составляет 800 МПа. Аустенит также имеет высокую пластичность, низкий пре­дел прочности при растяжении. Твердость аустенита НВ 1700— 2200 МПа. Цементит обладает низкой пластичностью и высокой твердостью НВ, равной 10000 МПа, хрупкий.