Производство чугуна и стали.

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец ,бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном -в виде сплавов.

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь: Fe + С ( < 2 % ) + примеси ( относительно немного);

Чугун: Fe + С ( > 2 % )+ примеси ( больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия ( табл. 1.3) между этими сплавами?

Основа одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве .Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна., т.к. производство её в основном двух стадийное : из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Таблица 1.3

Сравнительные показатели чугунов и сталей.

* - чаще всего.

Железо в руде находится в виде окислов, оксидов, карбонатов и прочих химических соединений. Кроме того, в руде много ( до 30… 60 % ) пустой породы : кварцит ( песок ), глинистые вещества и др.

Основные железные руды :

1. Магнитный железняк Fe O — оксид ( до 65 % железа ). ( Соколовское и Сарбайское месторождения, Курская магнитная аномалия )

2. Красный железняк Fe O — оксид ( до 60 % железа ). ( Криворожское месторождение, Курская магнитная аномалия )

3. Бурый железняк n Fe O х mH 2 O — карбонат ( до 55 % железа ).

( Лисаковское месторждение )

4. Шпатовый железняк Fe C O 3 — углекислая соль ( до 40 % железа ).

( Криворожское месторождение )

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ. Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире . Причинами этого «достижения» были : несовершенство конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного производства, ,строительных и дорожных работ. Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И , кроме того ,зарытого металла в земле на стройках, брошенного на свалках, в лесах, болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам :

1. Сыродутный процесс ( 1500 лет до н. э. ). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом (рис. 1.19 ) с помощью кузнечных мехов.

Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода

C + O₂ Ù C O,

которая и восстанавливала чистое железо из руды

C O + Fe Ù Fe + C O₂ .

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда) , поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 °С),металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был

кузнец, а самый первый способ сварки- это кузнечная сварка.

.

2. С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком.

В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо для подачи воздуха. Кричный передел -это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

3.В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей –криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

4.В конце XIX века — почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали : бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко ( до 6 тн/час).

5. В середине XX века :внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось ( технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из -за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали : обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95 % железа) и выплавка стали в электропечи.

Современное производство чугуна и сталей выполняется по следующей схеме (рис. 1.20).

Производство чугуна.

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока . Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух.. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков При сгорании топлива образуется окись углерода , которая и является главным восстановителем железа. Восстановление железа происходит от высших окислов к низшим и , в конечном итоге, к металлу:

Fe₂ O₃ ® Fe₃ O₄ ® Fe O ® Fe

окисью углерода СО и твердым углеродом С. Восстановление марганца , кремния и других элементов выполняется также коксом .

Продуктами доменного производства являются :

чугун передельный , содержащий 4…4,5 % С, 0,6…0,8 % Si, 0,25…1,0 % Mn , до 0,3 % S и до 0,05 % Р;

чугун литейный , содержащий Si около 3 % ;

ферросплавы: ферросилиций ( 9 …13 % Si ) и ферромарганец ( 70 …75 % Mn ) , предназначенные для раскисления и легирования сталей;

шлаки, используемые для производства шлаковаты, шлакоблоков, цемента.

Производство стали.

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца , серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Конвертор (рис. 1.21) —это сосуд грушевидной формы, футированный внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.

Жидкий чугун (1250…1400 °С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертор, Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху –кислород. Процесс получения стали проходит быстро, при этом отчетливо видны три периода (рис. 1.22) .

В первые 4 …5 минут процесса окисляется железо

Fe + O₂ ® FeO.

Далее , образовавшаяся окись железа окисляет кремний и марганец :

Si + FeO ® SiO₂ + Fe,

Mn+ FeO ® MnO₂ + Fe.

Кремний и марганец окисляются также и кислородом:

Si + O₂ ® SiO_2,

Mn + O₂ ® MnO_{2 .}

При окислении углерода, кремния, марганца и др. примесей выделяется большое количество тепла, температура расплава увеличивается, а окислы образуют шлак.

После того, как выгорят почти полностью Si и Mn наступает второй период бурного выгорания углерода

C + FeO ® Fe + CO,

характерный тем, что пока окись углерода. горит

CO + O₂ ® CO2

над горловиной. будет яркое пламя.

Третий период наступает, когда над горловиной появляется бурый дым- признак того, что начало окисляться железо и процесс получения стали завершен.

Кислород вдувается в конвертор сверху (давление до 1,2 МПа) на зеркало жидкого металла.. Температура при продувке кислородом выше, чем при продувке воздухом, поэтому кроме расплавленного чугуна можно использовать до 30 % железного скрапа и железной руды. При продувке кислородом в сплаве уменьшается содержание азота, время продувки сокращается по сравнению с продувкой воздухом в 2 раза и увеличивается производительность конвертора.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное., но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 °С. Газ и воздух предварительно подогреваются ( до 1200…1250 °С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное –алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи, но температура выше , поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали : окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты. ; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

Разливка стали.

Из печи сталь выпускают в сталеразливочный ковш ( 5 …250 тн). В основном применяются два традиционных способа разливки ( рис.1.23) в изложницы (чугунные формы) : сверху и сифонная снизу. Сверху — это для крупных слитков, снизу — для мелких.

Очень эффективна непрерывная разливка стали (рис. 1.24). Расплавленная сталь через регулируемый стакан непрерывно поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор. Дальнейшее охлаждение проводится струями воды, после этого выполняется прокатка слитка валками . С помощью кислородного резака отрезается необходимой длины слиток. Слитки изготовляются прямоугольного (150´500,300 ´200,…), квадратного (150´150, 400´400,…) или круглого сечения. В слитке непрерывной разливки нет усадочной раковины и более равномерная структура металла.

Стали делятся на :кипящие, спокойные и полуспокойные. Кипящая сталь не полностью раскислена в печи и раскисляется в изложнице. При разливке кипящих сталей выделяется окись углерода СО , поэтому создается внешнее впечатление , что сталь как бы «кипит» в изложнице

FeO + C ® Fe + CO ­.

Окись углерода СО при выходе из стали способствует удалению N, H и поэтому создается впечатление «кипящей» стали. В стали при затвердении слитка образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, устраняемых прокаткой.

Спокойные стали получаются при полном раскислении в печи. В верхней части слитка при разливе спокойной стали будет усадочная раковина, а у кипящих сталей ее нет.

Полуспокойная сталь получается при недостаточном количестве ферросилиция или алюминия.

Качество выплавляемой стали определяется:

Качеством исходных материалов (чугуна, шлаков, металлолома) .

Совершенством технологического процесса плавки .

Технологической дисциплиной плавки.

Технологией разливки.

При разливке может проводиться вакуумная обработка в ковше или электропечи в течение 10…15 минут. Газы всплывают на поверхность металла, захватывая неметаллические шлаковые и другие включения, поэтому металл имеет высокую чистоту и ,соответственно, высокое качество.

Для повышения качества металла применяются следующие виды переплава: электрошлаковый ,вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой и электронно-лучевой.