Учебное пособие: Металлы и металлические изделия
В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Иными словами, сталь и чугун – поликристаллические материалы, свойства которых зависят как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723о С твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит – раствор углерода в γ-железе. На этом основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности стальных конструкций при нагреве во время пожара.
6.3 Технология изготовления чугуна и стали
Основной способ производства черных металлов – получение чугуна и последующая его переработка в сталь. Для получения стали, используют металлолом и железную руду. Чугун получают в доменных печах высокотемпературной (до 1900˚С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО3 ) необходим для перевода пустой породы (состоящей в основном из SiO2 и Al2 O3 ), содержащейся в руде и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция.
Доменная печь – сооружение с полезным объемом печи – 2000...3000м3 , суточной производительностью – 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Горение топлива происходит в верхней части горна вблизи фурм по реакции:
С + О2 = СО2 +q
СО2 + С = 2СО - q
Восстановление железа начинается в самых верхних горизонтах печи при 200…400о С и заканчивается при 1000…1100о С по реакциям:
3Fe2 O3 + CO = 2Fe3 O4 + CO2 ↑
Fe3 O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
Сразу же после восстановления железа образуются карбид железа (цементит).
2Fe + 2CO = Fe3 C + CO2
При температуре выше 900о С происходит быстрое науглероживание железа. При 1147о С начинается образование жидкого чугуна расплавление пустой породы и флюсов с образованием шлаков, более легких чем чугун. Расплавленный чугун 9 стекает вниз печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.
Чугун поступает к разливочным машинам для отливки в «чушки» для переработки в сталь, а шлаки из печи направляют на грануляцию или в отвал.
В доменных печах выплавляют передельные и литейные, а также специальные чугуны, называемые ферросплавами. Передельные чугуны применяют для получения стали, литейные – для различных отливок. Специальные (сплавы железа с марганцем – ферромарганец, с кремнием – ферросилиций и др.) применяют при получении стали как раскислители или легирующие добавки.
Сталь – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Сталь производят из передельного чугуна.
При переработке чугуна в сталь окислением, в сплаве уменьшают содержание углерода и марганца, кремния, фосфора, серы, которые выгорают или переходят в шлак. Сталь получают в конвертерах, мартенах и электропечах.
Конвертерный способ. Сталь получают путем продувки воздуха через чугун. Различают кислый и оснóвный способы получения стали.
Кислый бессемеровский заключается в том, что в конвертер, находящийся в наклонном положении заливают чугун, переводят его в вертикальное положение и начинают продувать воздухом. При этом протекают реакции окисления. Вначале кислород реагирует с железом:
2Fe + O2 = 2FeO
Далее закись железа «отдает» свой кислород кремнию, марганцу и углероду, «обладающим» большим химическим сродством к нему.
2FeO + Si = 2Fe + SiO2
FeO + Mn = Fe + MnO
FeO + C = Fe + CO
При окислении выделяется большое количество тепла. Температура в конвертере достигает 1600…1650о С После того как выгорят Si, Mn, C, снова начинает окисляться Fe до FeO, поэтому продувку воздухом прекращают. В стали остаются часть закиси железа FeO, ухудшающей механические свойства стали. Поэтому получение стали заканчивают раскислением, т.е. восстановлением FeO до Fe. В качестве раскислителей применяют ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.
Раскислители восстанавливают железо по реакциям аналогичным выше. Образующиеся оксиды MnO и SiO2 переходят в шлак. Чугун должен содержать минимальное количество серы, S и фосфора, P (0,06…0,07%), а кремния, Si=0,9…2,0%.
Бессемеровский способ характеризуется большой производительностью и пониженной себестоимостью стали, но она при низких температурах становится хрупкой, т.е. для ответственных конструкций не годится. Более распространен основный способ, при этом получают качественную сталь из чугуна любого химического состава.
Основный способ (Томасовский, англ., 1878г.). Томас предложил получать сталь из чугунов, богатых фосфором (Р), путем продувки воздухом в конвертерах, для этого в конвертер перед заливкой жидкого чугуна загружают негашеную известь в количестве 10…12% от массы чугуна. Получение стали заканчивается ее раскислением. Передельный томасовский чугун должен содержать 1,6…2,0% Р и не более 0,5% Si, так как образующийся оксид кремния (SiO2 ) вступает в химическое взаимодействие с СаО и уменьшает кислотность шлаков. Сталь, полученная, по этому способу обладает теми же недостатками.
Мартеновский способ. 1864г. Мартен, построил регенератавную печь, в которой получают сталь по основному и кислому способам. В качестве топлива применяют колошниковый (доменный) или генераторный газ.
Получение стали в электропечах – электрометаллургический способ. Источник тепла электродуга, образующая между угольными электродами и металлической шихтой. Процесс включает два периода. В первом – происходит окисление Mn, Si, С, Р за счет кислорода руды. В состав шихты вводят также известь, поэтому образующиеся сильноосновные шлаки удерживают весь фосфор.