5.2 Основы технологии черных металлов

5.2.1 Производство чугуна

Чугун является первичным продуктом переработки железных руд. Получают его в доменных печах термической обработкой (нагревом до температуры 1900^оС) шихты – смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса.

Железная руда состоит из рудного минерала (обычно в виде оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄), пустой породы, не содержащей железа (кварцит, песчаник, известняк) и примесей. Для выплавки чугуна используют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, содержащие 30…70% железа в виде оксидов Fe₂O₃ или Fe₃O₄.

Флюсы – это материалы минерального происхождения, вводимые в шихту для понижения температуры плавления, образования шлака и регулирования его состава. Они способствуют также переходу вредных для металла примесей в шлак.

Выплавляемые в доменных печах чугуны по назначению подразделяют на передельные, литейные и специальные, а в зависимости от вида излома, обусловленного степенью графитизации, - белый, серый и половинчатый.

Передельный чугун (белый) предназначен для переработки в сталь, а также для получения ковкого чугуна. На долю таких чугунов приходится свыше 80% всей продукции доменных печей. В структуре передельного чугуна углерод находится в связном состоянии в виде цементита – твердого и хрупкого соединения. Излом такого чугуна серебристого цвета, поэтому его называют белым.

В литейных (серых) чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита, который образуется в результате распада хрупкого цементита. Графитовые включения и делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Его выпускают шести марок – от Л1 до Л6, различающихся содержанием кремния и углерода.

Чугуны по ряду показателей уступают стали (более низкие механические свойства), но дешевле стали, хорошо сопротивляются коррозии и обладают высокими литейными свойствами. Из серого чугуна изготовляют отдельные элементы строительных конструкций, в частности, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей, опорные части железобетонных ферм и балок, санитарно-технические изделия (ванны, мойки, канализационные трубы).

5.2.2 Производство стали

Способ плавления стали в вагранках изобрели металлурги Южной Индии около около 300 года до н.э. В настоящее время производство стали, основано на удалении из чугуна части углерода и примесей. В сравнении с чугуном сталь обладает лучшими механическими свойствами, что и обусловлено меньшей концентрацией в ней углерода и нормальных примесей (кремния, марганца, серы и фосфора). Для получения стали используют шихту, в состав которой входят передельный чугун и стальной лом, а также шлакообразующие вещества, раскислители и легирующие добавки.

Применяют конвертерный, мартеновский и электроплавильный способы производства стали. В настоящее время используют, в основном, кислородно-конвертерный процесс выплавки стали. Он заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом.

В конце плавки сталь раскисляют, т.е. восстанавливают, вводя в расплав вещества, более энергично соединяющиеся с кислородом, чем железо. Такие вещества называют раскислителями. Чем лучше раскислена сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические свойства.

Полностью раскисленную сталь называют спокойной (сп), частично раскисленную – полуспокойной (пс) и мало раскисленную – кипящей (кп).

Спокойная сталь в слитке имеет плотное и однородное строение, более качественная и дорогая. Она применяется для изготовления ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

Кипящая сталь оказывается более засоренной газами и менее однородной. Имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, она хуже сопротивляется старению и хрупкому разрушению (уже при t= -10^оС проявляет хрупкость). Удовлетворительно обрабатывается, сваривается и дешевле спокойной.

Полуспокойная сталь по качеству и стоимости занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной.

В процессе разливки выплавленной стали могут образоваться усадочные раковины и другие дефекты. Для их сокращения используют особые приемы разливки.