Основы получения чугуна и стали

 

Все металлы получают из руд, залегающих в земной коре. В чис­том (самородном) виде добывают только платину и золото. Вначале требуется из руды удалить пустую породу, т. е. примеси различных минералов. Процесс обогащения руды возможен с помощью воды, так как руда тяжелее пустой породы и при измельчении в потоке воды легкая порода выносится, а руда остается. Применяют и дру­гие способы обогащения руды: механические, электромагнитные, физико-химические. Для выделения металла из обогащенной руды используют технологические приемы, основанные на восстановле­нии металла. Хорошим восстановителем служит уголь, так как ато­мы углерода относительно легко отдают свои электроны.

 

ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНА

 

Для выплавки железа из руды разработан доменный процесс с получением в нем чугуна, поступающего затем на выработку стали. Домна — высокая шахтная печь высотой до 30 м, шириной более 6 м. Стенки доменной печи выложены из огнеупорного кирпича, а снаружи кладка заключена в стальной кожух толщиной 20—40 мм. Загрузка рудой, коксом, флюсом послойная, причем обычно железо­рудный материал переводится в сыпучий агломерат. Схема работы доменной печи (рис. 19.1): в нижней части домны сгорает кокс: С + О₂ = СО₂. Углекислый газ, поднимаясь, соприкасается с раска­ленным коксом и переходит в оксид углерода: СО₂ + С = 2СО. Еще выше в шахте оксид углерода взаимодействует с раскаленной рудой: СО + Fe₂O₃ = 2FeO + СО₂ и далее: FeO + СО = Fe + CO₂. Чугун сте­кает в нижнюю часть домны. Из домны чугун выпускают через спе­циальное отверстие — летку. Первые капли чугуна образуются при температуре 1250°С и стекают между кусками кокса в горне. Темпе­ратура чугуна в домне равна 1480—1520°С. Содержание углерода в чугуне составляет 4—4,5%.

Флюсы играют роль плавня, способствуя переводу пустой поро­ды в шлак. Доменный шлак с содержанием в нем СаЗЮз легче чугу­на и собирается выше его с последующим выпуском наружу из дру­гого отверстия домны. Он служит ценным сырьем для производства различных строительных материалов.

Выделяющиеся из домны газы, именуемые колошниковыми, со­держат оксид углерода СО, поэтому как сгорающее топливо направляются для обогрева каналов кауперов домны и воздуха в них, который затем поступает в доменную печь и поддерживает в ней го­рение кокса. Каупер сложен из огнеупорного кирпича и заключен в железный кожух. Имеет нагреваемую насадку.

 

Рис. 19.1. Схема работы доменной печи

 

Запущенная в действие доменная печь функционирует непрерыв­но в течение нескольких лет. Руду, кокс и флюсы периодически до­бавляют через верхнее отверстие (колошник) печи. Также периоди­чески производится выпуск из нее чугуна и шлака — через каждые 4 —6 ч. При этом 99—99,8% железа переходит в чугун и только 0,2—1,0% — в шлак. Кроме углерода в составе чугуна присутствуют элементы кремния, марганца, серы, фосфора и пр. По назначению доменные чугуны разделяют на литейный и передельный. Литейный чугун переплавляют, и из него отливают чугунные изделия. Из пере­дельного чугуна получают сталь. Он составляет около 90% всей вы­плавки чугуна. В нем содержится повышенное количество углерода, 0,3—1,2% Si, 0,2—1,0% Мn, 0,2—1,0% Р, 0,02—0,07% S.

Современная доменная печь может выплавлять 12000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака, а также до 27000 т колошникового газа в сутки. Кроме процесса, осуществляемого в домне, существует вне-доменное производство железа, что относится к более прогрессив­ному способу. Он заключается в непосредственном получении желе­за из руды, минуя доменную печь. На производстве получают очень чистое металлическое железо без применения кокса. С этой целью при глубоком обогащении железных руд изготовляют концентраты с высоким содержанием железа (70—71,8%), почти полностью осво­божденные от серы и фосфора. Затем действуют твердым или газо­образным восстановителем, получая металлизованные окатыши. Если используют твердый восстановитель — углерод (в виде камен­ного угля), тогда — с обжигом в шахтной печи, трубчатой печи, ре­торте. Если используют газообразный восстановитель — природ­ный газ, тогда — с конвертированием газа в невысоких шахтных печах или ретортах. Способы металлизации могут быть и иными — в кипящем слое на решетке. Вследствие относительно низкой темпе­ратуры бездоменного процесса получаемое железо, обычно спечен­ное в куски, содержит меньше примесей. Чугуны обладают высоки­ми литейными свойствами, малой пластичностью. Они разделяются на белый и серый.

Белый чугун (передельный) содержит весь углерод в химически свя­занном состоянии в виде карбида железа, именуемого цементитом РезС. При нормальной температуре его структура слагается из двух фаз: феррита и цементита. Белым этот чугун называется потому, что в изломе он имеет матово-белый цвет. Белый чугун имеет высокую твер­дость и большую хрупкость, вследствие чего его невозможно обраба­тывать режущим инструментом. Его применяют, главным образом, для выплавки стали, а также для получения ковкого чугуна.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита (100% С); они называются серыми потому, что вследствие наличия в них графита имеют в изломе серый цвет. Содержание С — до 3,8%.

По форме графитовых включений серые чугуны разделяют на обычный серый с пластинчатым графитом, вермикулярный серый, высокопрочный и ковкий. По структуре металлической основы их разделяют на ферритный, ферритно-перлитный и перлитный.

Обычный серый чугун получают медленным охлаждением жид­кого расплава или аустенита высокоуглеродистых сплавов. В нем частицы графита имеют пластинчатую форму. В зависимости от ме­ханических свойств и назначения серый чугун с пластинчатым гра­фитом разделяют на марки: СЧ-25, СЧ-30, СЧ-35, СЧ-40, СЧ-45 (цифры показывают минимальный предел прочности при растяже­нии, кгс/мм²).

Вермикулярный серый чугун получают путем специальной плав­ки или обработки с изменением формы графита на волокнистую, червеобразную (вермикулярную), вследствие чего этот чугун обла­дает лучшими свойствами по сравнению с обычным серым чугуном. Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит (рис. 19.2, а), получаемый при выплавке с присадкой небольшого количест­ва магния или церия. Благодаря шаровидной форме графита проч­ность при растяжении и изгибе высокопрочного чугуна значительно выше, чем обычного серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высокопрочный чугун разделяют на марки: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ50-7, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2, ВЧ120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые числа за ними — мини­мальный предел прочности при растяжении (в кгс/мм²), а последую­щие числа — минимальное относительное удлинение (в %).

 

Рис. 19.2. Микроструктура высокопрочного ферритного чугуна с шаровидным графитом (а) (х250) и ковкого ферритного чугуна с хлопьевидным графитом (б) (х500)

 

Ковкий чугун содержит хлопьевидный графит (рис. 19.2, б). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига (том­ления), при котором происходит распад цементита. Хлопьевидный графит имеет почти равноосную компактную форму. Этот чугун разделяют на марки: КЧ3О-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2. В обозначение марки входят буквы КЧ (ковкий чугун), затем число — минимально допустимый предел прочности при растяжении (кгс/мм²), второе число — относитель­ное удлинение (%).

Свойства серых чугунов зависят от свойств металлической осно­вы, вида и количества графитных включений.

Графит имеет низкие показатели механических свойств, и вклю­чения его можно условно рассматривать как пустоты и трещины. Чем больше графита, крупнее графитные включения, тем ниже ме­ханические свойства чугуна и особенно прочность при растяжении и изгибе. Прочность при сжатии и твердость чугуна зависят в основ­ном от металлической основы и мало отличаются от сталей.

В некоторых случаях графитные включения полезны благодаря смазывающему действию графита. Такой чугун легче обрабатывает­ся резанием, чем сталь, стружка становится ломкой, когда резец до­ходит до графитных включений.

Подобно другим железоуглеродным сплавам, чугуны содержат постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора в больших количествах, чем в сталях. Эти примеси оказывают значительное влияние на графитизацию, структуру и свойства чугунов.

В чугуны часто вводят также медь, алюминий, титан, хром, ни­кель. Эти элементы оказывают влияние на процесс графитизации. Подобно сталям такие чугуны называют легированными.

Серые чугуны применяют при изготовлении опорных элементов для ферм, железобетонных балок и колонн, тюбингов в метро, при производстве многих других строительных конструкций, а также находят широкое применение в деталях машин, не подвергающихся большим растягивающим напряжениям и ударным нагрузкам.

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.