Основы производства чугуна и стали

Производство черных металлов из железной руды является сложным процессом, состоящим из двух стадий: выплавка чугуна и переработка чугуна в сталь.

Сущность выплавки чугуна заключается в восстановлении же­леза из руды, процесс производства стали основан на уменьшении в чугуне процентного содержания углерода и снижении содержания примесей (Mn, Si, S, Р).

Производство чугуна.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой вертикальные шахтные печи (рис. 6.). Снаружи они покрыты металлическим кожухом, а изнутри стенки футерованы огнеупорным кирпичом. Исходными материалами для производства являются железные руды, флюсы и топливо.

 

Рис. 6. Схема доменной печи:

1 – шахта; 2 – колошник; 3 – загрузочное устройство; 4 – металлический кожух;

5 – футеровка; 6 – шахта; 7 – заплечники; 8 – гири; 9 – летка для выпуска шлака; 10 – чугун; 12 – труба для подачи воздуха (фурама)

Железные руды. Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк.

Флюсы (плавни) снижают температуру плавления пустой поро­ды и переводят ее в шлак.

Железные руды содержат кислую пустую породу, поэтому для образования шлака добавляют основной флюс: известняк (СаСО₃) или доломит (СаСО₃ • MgCO₃).

Топливо не только служит источником тепла, необходимым для плавки, но и принимает участие в восстановительных процессах и науглероживании железа. Основным топливом для доменной печи является кокс — продукт сухой перегонки (сжигание без доступа возду­ха), коксующихся каменных углей при температуре 1000 °С…11ОО °С. Это куски размером 25…60 мм, обладающие высокой твердостью и прочностью.

В доменной печи различают следующие части: колошник, шах­ту, заплечники и горн. Сырьевые материалы (железную руду, флюсы и топливо) загружают слоями углесодержащими добавками (природный газ, мазут). Шихта, опускаясь вниз, нагрева­ется и претерпевает в различных температурных зонах физические и химические изменения. Газы, образованные при сжигании топлива, проходят вверх через шихту.

Сырьевые материалы подаются в печь непрерывно, также не­прерывно происходят в ней процессы, а чугун и шлак выпускаются периодически. В доменной печи материалы находятся в течение 4…6 ч. При выплавке чугуна происходят следующие физико-химические процессы: горение топлива, восстановление железа из ок­сидов, науглероживание железа и образование чугуна и шлака.

Горение топлива происходит за счет кислорода воздуха в верх­ней части горна, по реакции С + О₂ = СО₂. Углекислый газ, поднима­ясь вверх, взаимодействует с коксом и образует оксид углерода: СО₂ + С = 2СО. Оксид углерода является хорошим восстановителем.

Он энергично соединяется с кислородом, входящим в состав железной руды, и другими соединениями руды.

Восстановление железа из оксидов — главный процесс в плав­ке чугуна. Восстановление железа происходит по схеме: Fe₂O₃ — > Fe₃O₄ — > FeO —> Fe. Химически этот процесс выражается следую­щим образом: 3Fe₂O₃+C = 2Fe₃O₄+CO; Fe₃O₄ + С = 3FeO + CO; FeO + C = Fe + CO.

Железо восстанавливается в доменной печи полностью; 99…99,8% железа переходит в чугун и только 0,2… 1,0% — в шлак.

После восстановления железо находится в твердом состоянии. Науглероживание железа происходит при температуре выше 900 °С. В поры восстановленного железа проникает углерод и образуется карбид железа (цементит) по реакции 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂.

При температуре выше ИЗО °С науглероженное железо пла­вится, образуется жидкий чугун, который стекает в горн. Плавленые пустые породы и флюсы образуют шлак, который также стекает в горн и как более легкий материал всплывает на поверхность чугуна, защищая его от окисления. В чугун переходят небольшие количества различных элементов, восстановленных на разных уровнях печи. Температура чугуна в печи 1400… 1450 °С.

Шлак выпускают через (шлаковую) летку, расположенную вы­ше уровня отверстия для выпуска чугуна.

Затем через нижнюю летку выпускают чугун. Расплавленный чугун подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи для пере­работки в сталь.

Самая большая современная доменная печь (объем 5000 м³) выплавляет 12 000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака и 27 000 т колошникового газа в сутки.

Отходами металлургического производства являются шлак и колошниковый газ.

Шлак, быстро охлажденный после расплавления, имеет стекло­видное строение; медленно охлажденный — кристаллическое.

Значительная часть доменных шлаков (до 75%) используется в качестве сырья для производства различных строительных материа­лов — шлаковой пемзы (термозита), шлаковаты, шлакопортландцемента, шлакоситаллов, гранулированного шлака, используемого в качестве заполнителя для легких бетонов.

Колошниковый газ применяется для нужд металлургического производства.

Производство стали. Исходными материалами для производ­ства стали служит передельный чугун, стальной лом, ферросплавы или железная руда и флюсы.

В настоящее время сталь выплавляют тремя способами: конвер­терным, мартеновским и электроплавильным.

Рис. 7. Схема конвертера:

1 – вращающийся грушевидный сосуд;

2 – футеровка; 3 – фурменные отверстия для подачи воздуха;

4 – поворотный механизм

 

Конвертерный процесс происходит в конвертерах — печах грушевидной формы (рис. 7). Снаружи конвертер имеет стальной кожух, а изнутри — огнеупорную футе­ровку и может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на цапфах. Его вместимость до 600 т.

Жидкий чугун заливается через горловину на 25% его высоты, когда конвертер на­ходится в горизонтальном по­ложении.

Можно загружать стальной лом и шлакообразующие ма­териалы (плавиковый шпат, известь и др.).

Конвертер поворачивают в вертикальное положение и снизу через фурмы подают кислород. Продувка кислородом продолжается 12...20 мин. Под действием кислорода избыточный углерод, кремний, марганец и небольшое количество железа окисляются. Образовав­шаяся закись железа FeO реагирует с примесями. Оксиды кремния, марганца, фосфора, а также известь и другие сыпучие материалы пе­реходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанав­ливается до чистого железа. Продолжительность плавки в конвертере составляет 30...55 мин.

Этот процесс выплавки стали высокопроизводителен и эконо­мичен. Кислородное дутье улучшает качество стали и приближает его к качеству мартеновской стали.

Конвертерную сталь применяют для изготовления листовой стали, прокатных профилей, проволоки и т.д.

Рис. 8. Схема мартеновской печи: 1,7 – регенераторы;

2 – расплавленный шлак и металл;

3 – завалочные окна; 4 – рабочее пространство; 5 – свод; 6 – под

 

Мартеновский способ носит имя француза Пьера Мартена, который в 1864 г. провел первую плавку стали. В настоящее время этот спо­соб наиболее распространен.

Мартеновская печь (рис. 8) представляет собой агрегат, рабочее пространство которого ограничено сверху сводом, а снизу подом (ванна для плавления). Вместимость печи до 1000 т. Внутренние поверхности печи футерованы огнеупорным кирпичом. В передней стенке печи имеются завалочные окна для за­грузки материалов, а в задней — отверстие для выпуска готовой ста­ли. В верхней части имеются кана­лы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенера­торами — камерами для подогрева воздуха и газа (топлива). Исходными материалами для выплавки стали являются пере­дельный чугун, металлический лом (скрап) и другие материалы.

Смесь горючего газа и воздуха поступает в регенераторы, подог­ревается до температуры 1000... 1200 °С и поступает в печь. Темпера­тура в рабочей зоне печи достигает 1700 °С. Шихта расплавляется и в ванне образуется жидкий металл и шлак, который всплывает на по­верхность металла, как более легкий материал. Шлак связывает вредные примеси и защищает сталь от окисления. Углерод при высо­ких температурах выгорает.

Для удаления серы применяют известняк в качестве флюса. Продолжительность плавки составляет 4...8 ч. Во время выплавки стали в ее состав вводят различные добавки — ферросплавы или ле­гирующие элементы; по окончании плавки ее выпускают в ковши, а затем разливают по формам — изложницам.

Мартеновская сталь отличается высокими механическими свой­ствами, ее широко применяют для изготовления ответственных строительных конструкций: ферм, мостов, рельсов, подкрановых ба­лок, высокопрочной арматуры и др.

 

СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Основными физическими свойствами стали являются плот­ность, температура плавления, коэффициент температурного расши­рения. Плотность стали 7,8 г/см³.

Температурой плавления называют температуру, при которой сталь из твердого состояния переходит в жидкое. Температура плав­ления железа 1535 °С, у железоуглеродистых сплавов она ниже.

Коэффициент температурного расширения характеризует рас­ширение металлов при нагревании. Это свойство учитывают при про­ектировании металлических строительных конструкций.

Из механических свойств стали важное значение имеют предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, твердость и ударная вязкость Механические свойства стали определяются при испытании стандартных образцов круглого или прямоугольного сечения на раз­рывных машинах, имеющих записывающее устройство, которое в про­цессе испытания вычерчивает диаграмму растяжения (график зависи­мости удлинения образца А/ от величины приложенной нагрузки F).

Предел текучести — это напряжение, при котором наблюдается рост деформации образца без увеличения нагрузки («материал течет»).

Предел прочности — это условное напряжение, соответствую­щее наибольшей растягивающей силе, которую выдерживает образец до разрушения.

Относительное удлинение образца характеризует пластичность стали. Чем больше относительное удлинение, тем пластичнее сталь.

Твердость стали определяют на приборе Бринелля по отпечат­ку, который оставляет стальной закаленный шарик на поверхности. Измеряя диаметры отпечатков и по их соотношению, пользуясь таб­лицей, находят число твердости НВ.

Ударная вязкость — свойство стали противостоять динамиче­ским нагрузкам (ударным). Механические свойства углеродистых сталей приведены в табл. 6.1.

Технологические свойства характеризуют способность стали подвергаться обработке.

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термическая обработка стали — это процесс нагрева и охлаж­дения для улучшения физико-механических свойств стали и измене­ния ее структуры. Основными видами термической обработки стали являются закалка, отпуск, отжиг и нормализация.

Отжиг — процесс нагрева сталей с последующим медленным охлаждением.

Отжиг осуществляют для улучшения обрабатываемости, повы­шения пластичности и устранения некоторых дефектов от предыду­щей горячей обработки.

Закалка — процесс нагрева, а затем быстрого охлаждения после которого материал находится в неравновесном структурном состоя­нии, не свойственном стали при нормальной температуре (20 °С).

Закалка увеличивает твердость, прочность и износостойкость. После закалки сталь становится хрупкой.

Отпуск — финишная термическая обработка, которая заклю­чается в нагреве закаленной стали до определенной температуры с последующим охлаждением на воздухе или в воде. После отпуска снижается хрупкость и повышается пластичность закаленной стали.

Нормализация стали является разновидностью отжига. Норма­лизация заключается в нагреве стали до температуры ниже темпера­туры закалки, незначительной выдержке при этой температуре и ох­лаждении на воздухе. При такой термической обработке стали повышается прочность, твердость и ударная вязкость, облегчается ме­ханическая обработка резанием.