ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Мартеновский способ

Этот способ применяется для производства сталей высокого качества, применяемых в особо ответственных деталях машинах и точных механизмах.

В свое время он заменил трудоемкие и малопроизводительные тигельную и пулдинговую плавки, применявшиеся ранее.

Емкость загрузки одной отражательной печи, используемой при этом методе, достигает 500 тонн. Особенностью мартеновского способа является возможность переплавки не только передельного чугуна, но и металлургических отходов, металлического лома.

Температура нагрева жидкой стали достигает 2 тыс. градусов. Этот результат достигается специальной конструкцией мартеновской печи:

• применением дополнительного тепла регенераторов, получаемого сжиганием коксовального или доменного газа в струе горячего воздуха;
• отражения от свода закачиваемого газа в результате сгорание топлива в нем происходит над ванной с металлом, что способствует быстрому нагреву содержимого;
• применением реверсирования нагревающего потока.

Мартеновская печь состоит из следующих элементов:

• рабочего пространства с огнеупорной футеровкой стенок и завалочными окнами;
• подины (основания) из магнезитового кирпича;
• свода печи;
• головки печи;
• шлаковика для выведения пыли;
• регенератора с перекидными клапанами.

Процесс плавки занимает от 4 до 12 часов. С целью ускорения процесса плавки объем закачиваемого кислорода превышает потребности, что повышает производительность плавки на 20–30%.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

• Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
• Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
• Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Кислородно-конвертерный способ получения стали

Производство стали сегодня осуществляется в основном этим способом. На долю кислородно-конверторного производства совсем недавно приходилось до 60% мирового производства стали.

Однако, этот процент снижается в связи с появлением электродуговых печей (ЭДП). Продувка печей осуществляется чистым кислородом (99,5%) под высоким давлением.

Продукт кислородно-конвертерной печи представляет сталь с заданными химическими свойствами. Она поступает в машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), где материал застывает в форме блюма или плиты. Для получения определенных жестких параметров металл подвергается вторичной переработке.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

• Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
• К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
• При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Особенности процесса

Вместе с ними загружаются шлакообразующие вещества: известь и бокситы. Корпус охвачен опорным кольцом, прикрепленным к поворотным цапфам. С их помощью сосуд наклоняется и через это отверстие – летку выливается готовая сталь. Нижняя продувка осуществляется через сквозные отверстия (фурмы), сделанные в днище печи.

Исторически повелось, что используемый везде способ называется томасовским, бессемеровским. В прошлом веке преобладающим стал мартеновский процесс. Нагрев регенератора осуществляется продувкой печных газов, после чего он нагревается холодный воздух, поступающий на расплав.

В современных конструкциях чаще применяют верхний способ, при котором продувка на огромной скорости осуществляется через опускаемые к поверхности металла сопла. В России преимущественно используется именно верхняя продувка печей.

Находясь под струей воздуха, чугун интенсивно окисляется в зоне контакта. Поскольку его концентрация значительно больше других примесей, преимущественно образуется оксид железа. Но он растворяется в шлаке. Поэтому металл обогащается выделяемым кислородом.

Окисляются C, Cr и Mn, снижая процентное содержание в структуре металла. Окисление сопровождается выделением тепла. Благодаря присутствию шлаков СаО и FeO до разогрева происходит выведение фосфора в самом начале продувки.

Шлак с ним сливается и наводится новый. Производство стали сопровождается экспресс-анализами и контролем текущих изменений приборами контроля, вмонтированных в печь. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,075%.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

• большая разновидность состояний.
• некоторые виды обладают высокой прочностью;
• возможность длительное время сохранять температуру;
• экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
• стойкость к кислотно-щелочной среде;
• высокая гигиеничность;
• длительный срок эксплуатации и долговечность;
• безвредность материала.

Читать также: Овощи которые выкапывают лопатой из земли
Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

• при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
• высокая стоимость материала;
• низкая пластичность серого вида чугуна;
• хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек – в наличии на складе!

Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки – в наличии на складе!

Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!

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 (больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия 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.

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:

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 с помощью кузнечных мехов. Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода, которая и восстанавливала чистое железо из руды.

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 o 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.

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

Читать также: Как запаять медный чайник

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.

Изобретение доменной печи в средние века

Первые доменные печи, появление которых в Западной Европе относится к середине XIV в., по своим размерам мало отличались от домниц, но постепенно конструкция их совершенствуется.

Схема доменной печи XV —XVI веков

Доменная печь XV – XVI веков (рис. 31) имела примерно следующие размеры:

• высота ее доходила до 4,5 м,
• а внутренний диаметр был равен примерно 1,8 м.

Меха приводились в движение уже водяным колесом.

Если из одного сыродутного горна при напряженной работе в сутки могли получить только 8 кг железа, то в такой доменной печи уже производили 1,6 тонны чугуна.

В России первые доменные печи были построены в 1637 году недалеко от Тулы и Каширы, а в 1670 году – в Олонецком крае.

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.

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.

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 o С. Газ и воздух предварительно подогреваются ( до 1200…1250 o 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.

Источник: Н.В. Храмцов. Металлы и сварка (лекционный курс)

Читать также: Провода для пайки электроники

Сталь остается основным конструкционным материалом для строительной, машиностроительной и множества других отраслей промышленности. Разделение железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. Условно можно считать, что при содержании до 2% углерода это сталь, более 2% — чугун. В литературе в трудах великого материаловеда Гуляева уточняется, что граница раздела 2,14% справедливо только при ничтожно малом содержании любых других элементов, кроме железа и углерода. Не удивительно, что он используется при производстве на крупных комбинатах и небольших литейных цехах.

Использование высокоуглеродистых сплавов в сталеплавильном переделе может быть реализовано в холодном виде. Он имеет форму пирамидки, выплавленной предварительно на металлургических комбинатах из руды и флюсующих материалов и разлитых на специальных разливочных машинах. Преимуществом использования такого типа сырья является неограниченная логистика и гарантированный химический анализ такого материала. Это позволяет в сталеплавильных цехах произвести предварительные подготовительные работы по борьбе с серой, фосфором и другими элементами которые негативно влияют на физические свойства готовой продукции.

На крупных металлургических комбинатах с полным циклом для выплавки стали используют чугун в жидком виде. Перед тем как получит сталь из чугуна, его производят в доменном цехе. Во время выпуска из доменной печи, чугун сливается в ковши, защищенные футерованным слоем от высокой температуры. В этих ковшах его привозят в сталеплавильный цех, где его сливают в большую емкость, в которой смешивается до 1800 тонн чугуна из разных доменных печей. Эта емкость называется миксер. В ней происходит усреднение по химическому анализу и температурному показателю. На многих заводах применяют ковши – миксера. По команде сталевара печи, конвертера или начальника смены из миксера выдается взвешенная порция в ковшах на следующий передел.

К этому времени в сталеплавильном агрегате уже находится разогретый до определенной температуры стальной лом. Чугун заливается на этот лом. Дальше наводя и убирая шлак, меняя его основность и температуру, сталевар доводит расплав до необходимой температуры и химического состава. Такой процесс производства экономит большое количество энергоносителей и снижает себестоимость в производственных масштабах.

Основными агрегатами для использования чугуна при производстве стали являются конвертера, мартеновские, дуговые электрические, индукционные печи.

В мартеновских печах реализован процесс рекуперации тепла. Поток горячего воздуха, проходя над расплавленной ванной печи, нагревается и нагревает регенераторы. Через определенный промежуток времени меняется направление потока воздуха и он, соприкасаясь с регенераторами, нагревается. Более высокая температура воздуха повышает калорийность сжигания теплотворного газа. Изобретенная в 1864 году Пьером Мартеном этот агрегат сегодня считается перевернутой страницей в истории металлургии. Действующие мартены не в состоянии справиться с конкуренцией и требованиям, предъявляемых к выплавляемой стали.

Конвертер это агрегат, в котором скрап и передельный чугун в жидком виде продувается кислородом или воздухом. Окисление углерода происходит с дополнительным выделением тепла. Таким образом, решается одновременно две задачи – уменьшение углеродного эквивалента и достижение температурных показателей достаточных для борьбы с серой и рядом других элементов. Больше половины стали в мире производят в конвертерах.

Электродуговая печь является неотъемлемым элементом производства нержавеющих, легированных, специализированных сталей. Тепло в этой печи наводится электрической дугой, которая возникает между электродами и металлической ванной. Чугун ложится в завалку или заливается после предварительного нагрева металла. Дальше добавляются флюсующие материалы и вспениватели шлака. Это позволяет вывести серу и фосфор из металла.

В индукционной печи чугун преимущественно используется в виде холодного шихтовального материала при выплавке сталей. Невозможность влиять на содержание серы и фосфора при плавке в такой печи к чугуну предъявляют особо высокие требования по содержанию этих элементов.

Производство стали из чугуна оправданно в крупных масштабных производствах и небольших литейных цехах и участках.

Особенности процесса

Процесс производства стали происходит последовательно в три этапа.

Первый этап – расплавление породы. На этапе его проведения формируется расплав в ванне и окисляется металл, отдавая одновременно кислород кремнию, фосфору и марганцу.

Одна и главных задач этого этапа – удаление фосфора. Для ее осуществления требуется сравнительно невысокая температура и присутствие в достаточном количестве FeO. При взаимодействии ингредиентов фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 + P2O5.

Присутствие в шлаке более стойкого основания СаО вызывает замещение FeO. В результате оно связывает фосфорный ангидрит в другое соединение (CaO)4 х P2O5 + 4 Fe, чего и требовалось добиться.

Чистый Fe высвободился в расплаве, а фосфор образовал шлак, который удаляется с зеркала металла и утилизируется за ненадобностью. Поскольку фосфорный ангидрид преобразует состав шлака, процесс должен идти непрерывно.

Поэтому FeO должен непрерывно пополняться за счет загрузки новых партий железной руды и окалины, наводящих в расплаве железистый шлак.