Черные металлы и изделия из них

Чугун. Производство.

Чугун получают путем плавки железной руды в доменных печах. Современные доменные печи имеют объем до 5000 м³. Процесс получения чугуна из руд называется доменным. Для его осуществления в шахту доменной печи послойно загружают руду, топливо и плавни (флюсы). В качестве топлива обычно используют каменноугольный кокс, флюса — известняк или доломит. По мере сгорания кокса происходит плавление руды и флюса при температуре около 1500°. Расплавленный чугун скапливается на поду доменной печи, а более легкий доменный шлак всплывает над чугуном. По мере образования чугуна и шлака их выпускают через специальные отверстия (лётки) и направляют для дальнейшей обработки.

В зависимости от свойств и названия чугуны подразделяют на литейные (серые), передельные (белые), специальные (ферросплавы).

Излом литейных чугунов темно-серого цвета, поэтому их называют также серыми чугунами. Серый чугун выпускают марок от СЧ12-28 до СЧ38-60, где числа обозначают предел прочности соответственно на растяжение и изгиб в кг/см². Предел прочности на сжатие 0,5— 0,75 кН/см². Чугун — хрупкий материал.

Излом передельных чугунов белый, крупнокристаллический. Белые чугуны отличаются высокой твердостью и хорошим сопротивлением износу. Однако они так же, как и серые чугуны, хрупкие и не поддаются обработке обычным режущим инструментом.

Специальные чугуны (ферросплавы) представляют собой сплав железа с кремнием, марганцем.

Серый чугун применяют в основном для изготовления элементов конструкций, работающих на сжатие (колонны, опорные подушки, башмаки, своды, арки), а также отопительных радиаторов, канализационных труб и фасонных частей к ним, плит для полов промышленных зданий.

Белый чугун в основном идет для производства стали. Кроме того, его используют для изготовления деталей, от которых требуется высокая поверхностная твердость и сопротивление истиранию (например, валки для прокатки стали). Отливки из белого чугуна служат также для получения ковкого чугуна, который обладает достаточной пластичностью, вязкостью и легко обрабатывается.

Специальный чугун применяют в качестве добавок при производстве стали с целью повышения ее качества.

Сталь. Производство.

Исходным материалом для производства стали являются передельные чугуны и стальной лом. В передельных чугунах содержится: углерода С до 4%, кремния Si — 0,2— 2%, марганца Мп — 0,6—3,5%, фосфора Р —0,07—2%, серы S — 0,06—0,08%. Ввиду того, что сталь должна содержать все эти вещества в значительно меньших количествах, чем чугун, то основная задача при переделке чугуна на сталь заключается в удалении большей части этих веществ. Следовательно, чтобы получить мягкую строительную сталь, надо довести содержание углерода до 0,15—0,2%, марганца уменьшить в 2—4 раза, кремния — в несколько раз. Особенно важно снизить до возможных пределов процент вредных примесей — фосфора и серы.

Фосфор вызывает в сталях хладноломкость, т. е. хрупкость при низких температурах, проявляющуюся чаще при повышенном содержании углерода.

Сера вызывает красноломкость, т. е. хрупкость в условиях высоких температур, что является причиной образования трещин в стали при горячей прокатке, ковке и сварке.

Количество углерода и примесей уменьшают окислением и переводом их в такие соединения, которые не растворяются в расплавленном металле, а всплывают и переходят в шлак и вместе с ним удаляются из металлургической печи.

Существуют три способа получения стали: конверторный, мартеновский и электроплавильный.

Конверторный способ производства стали заключается в продувке воздухом расплавленного чугуна. При этом способе применяют специальную печь — конвертор грушевидной формы емкостью до 100 т, поворачивающийся на горизонтальной оси (рис. 11). В днище конвертора имеются отверстия для вдувания воздуха. Расплавленный чугун наливают в наклонный конвертор, заполняя лишь часть его объема. Затем конвертор ставят вертикально, и через

отверстия в днище сквозь расплавленный чугун под давлением 0,15—0,2 МПа продувают воздух. Кислород воздуха, вступая во взаимодействие с примесями чугуна (С, Si, Mn), окисляет их и переводит в шлак. Чугун, теряя часть указанных примесей, превращается в сталь.

Конверторный способ высокопроизводителен. Процесс сталеварения длится 15—30 мин.

Мартеновский способ позволяет получать сталь разного качества путем переработки различных чугунов с добавкой чугунного и стального лома (так называемого скрапа) и даже железных руд. Выплавку стали ведут на поду пламенной отражательной печи (рис. 12), т. е. такой печи, рабочее пространство которой ограничено сводом, отражающим тепловой поток. Такая конструкция печи существенно повышает температуру в рабочем пространстве, где сжигают подогретое горючее (обычно газ). Горючий газ и воздух перед поступлением в печь проходят через насадки (решетчатую кладку) регенераторов. Кладка регенераторов поочередно то подогревается теплом газов, отходящих от печи, то отдает свое тепло горючей смеси. Благодаря подогреву горючего газа и воздуха температура в печи достигает 1700°.

В мартеновскую печь последовательно загружают стальной лом, флюсы и чугун. После пуска печи металл и флюсы постепенно нагреваются и переходят в жидкое состояние. Флюсы и образующаяся при окислении железа его окись вступают в химическое взаимодействие с вредными примесями и переводят их в шлак, который всплывает на поверхности стали. По мере образования шлака и стали их выпускают из печи через специальные отверстия.

Преимущества мартеновского способа заключаются в возможности использования стального лома и получении высококачественных сталей требуемого химического состава и свойств. Мартеновские стали применяют для изготовления наиболее ответственных строительных конструкций — ферм, подкрановых балок, подкрановых рельсов. Однако в настоящее время новые мартеновские печи не строятся.

Электроплавильный способ производства стали является наиболее совершенным, так как в этом случае доступ воздуха в печь весьма не значителен, достигается очень высокая температура, можно точно регулировать процесс и обеспечить выпуск высококачественных сталей.

Наибольшее распространение при электроплавке получили электродуговые печи (рис. 13), в которых высокая температура создается в результате образования электрических дуг между угольными электродами и расплавленным металлом. К электродам подводят переменный ток напряжением 110—150 В при силе тока около 10³ А.

При изготовлении высоколегированных и легированных сталей плавку также ведут в высокочастотных индукционных печах, которые питаются током от генератора высокой частоты. Процесс получения стали в электропечах аналогичен мартеновскому способу и отличается от него тем, что в электропечь не подводят топливо и воздух для его сжигания. Такая сталь отличается высоким качеством. Однако стоимость ее значительно выше конверторной и мартеновской, что объясняется большим расходом электроэнергии.

Процесс получения готовой стали (стальных изделий) осуществляется следующим образом. Расплавленную одним из способов сталь разливают в специальные формы-изложницы, где она затвердевает и образует слитки. Для получения нужных изделий слитки обрабатывают прокатыванием (на прокатных станах), штампованием, ковкой, волочением или литьем. Наиболее широко применяют прокатный способ.

В строительстве применяют углеродистые, легированные и другие виды стали.

Стали делят на отдельные виды главным образом по их химическому составу. Так, углеродистыми называют стали, которые кроме железа содержат углерод, марганец, кремний, фосфор и серу. Стали, в которые кроме указанных элементов введены для повышения механических свойств добавочные, так называемые легирующие компоненты (никель, хром, алюминий), называются легированными сталями. Свойства каждого вида стали зависят от процентного соотношения элементов, входящих в состав. С повышением содержания углерода в углеродистых сталях существенно изменяются их свойства, т. е. уменьшается пластичность, повышаются твердость и хрупкость. Поэтому углеродистые стали подразделяются на следующие виды: низкоуглеродистую (содержание углерода до 0,25%), среднеуглеродистую (содержание углерода 0,25÷0,6%), высокоуглеродистую (содержание углерода 0,6÷2%).

Кроме того, углеродистые стали подразделяют на обыкновенные конструкционные и инструментальные. Обыкновенная сталь имеет марки от Ст0 до Ст7 с переделом прочности на сжатие 32—75 кН/см² и пределом текучести 19—31 кН/см²; конструкционную сталь в строительстве применяют двух марок: Ст10 и сталь 20 (предел прочности 36—54 кН/см²); инструментальная сталь отличается повышенной прочностью.

Свойства легированных сталей также зависят от вида и количества применяемых легирующих добавок. Легированную сталь, в которой суммарное количество легирующих добавок не превышает 2,5%, называют низколегированной; 2,5—1096 — среднелегированной; более 10 % — высоколегированной.

Легированные стали делят также на конструкционные, инструментальные и специальные. В строительстве наиболее широко применяют низколегированные конструкционные стали марок 09Г2, 14Г2, 09Г2Т, 15ГС, 10Г2С, 15ХСНД, 10ХСНД и 10Г2СДс пределом прочности 44— 54 кН/см² и пределом текучести 30—40 кН/см². В обозначениях марок первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, цифры внутри — содержание легирующего элемента в целых процентах, буквы обозначают название элементов. Например, условное обозначение марки легированной стали 25ХГ2С показывает, что в ней содержится 0,25% углерода, 1% хрома (X), 2% марганца (Г) и 1% кремния (С).

Конструкционную сталь применяют для изготовления ответственных деталей машин и конструкций; инструментальную — для изготовления режущего, измерительного и ударно-штамповочного инструмента; сталь с особыми физическими и химическими свойствами — для изготовления деталей специального назначения.

Таблица 2

Классификация стали, применяемой для изготовления строительных конструкций

Примечание. Цифры в индексе класса обозначают: числитель — минимальная величина предела прочности на разрыв по ГОСТу (кН/см²), знаменатель— минимальная величина предела текучести по ГОСТу (кН/см²).

В зависимости от механических свойств при растяжении все стали, применяемые для стальных конструкций, подразделяются на условные классы прочности.

В табл. 2 дана классификация стали, применяемой для изготовления строительных конструкций.

Применение. Углеродистую сталь обыкновенного качества применяют для изготовления несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, трубопроводов, арматуры для железобетона, канатов, болтов, заклепок, шурупов, гвоздей, деталей машин, железнодорожных рельс; качественную углеродистую конструкционную — в основном для изготовления конструктивных элементов сооружений связи (мачт, башен), а также в машиностроении; инструментальную углеродистую — для изготовления различных режущих инструментов.

Прокатная сталь. В строительстве наиболее широко применяют прокатную сталь. Прокатка заключается в том, что нагретый слиток или заготовка зажимается между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего из слитка получается изделие нужной формы. Для получения строительных прокатных изделий в основном используется углеродистая сталь. Прокатная сталь обычно подразделяется на группы: сортовая сталь, фасонный прокат, листовой прокат, арматурная сталь для железобетона.

Сортовую сталь выпускают круглого, квадратного, полосового, широкополосного, тонколенточного и уголкового профилей.

Фасонный прокат включает профили сложного поперечного сечения, к которым относятся: двутавры различного типа, швеллеры обычные и облегченные, корытные профили для шахтных креплений, профили для шпунтовых свай, оконных переплетов, рельсов.

Листовой прокат содержит сталь тонколистовую, толстолистовую, листовую рифленую и волнистую, кровельную, рулонную разной толщины (для строительства листовых сооружений — резервуаров, газгольдеров).

Сортамент основного стального проката приведен на рис. 14.