Смекни!
smekni.com

Сталь и чугун

ПРИЛОЖЕНИЕ(краткое изложение)

ПРОИЗВОДСТВОЧУГУНА

Сырье:железная руда.

Вспомогательныематериалы:кокс (иногдаприродный газ),воз­дух, обогащенныйкислородом,флюсы (известняк,доломит).

Основнойхимическийпроцесс:содержащийсяв руде оксидже­леза (III)восстанавливаетсяоксидом углерода(II):

Кокссгорает дооксида углерода(IV), при этом выделяетсятеп­лота, необходимаядля расплавленияжелеза, шлаков,а также про­ведениясамой реакции:

Оксидуглерода (IV)восстанавливаетсякоксом до оксидаугле­рода (II):

Побочныепроцессы:одновременновосстанавливаютсяоксиды другихэлементов,содержащихсяв железнойруде:

Содержащаясяв руде тугоплавкаяпримесь (оксидкремния) удаляетсяв виде шлакавзаимодействиемс оксидом кальция:

Оксидкальция образуетсяпри разложенииизвестнякаили доло­мита:

Особенноститехнологическогопроцесса:чугун получаютв специ­альныхпечах — домнах.В верхнюю частьдомны (колошник)по­дают последовательносырье и вспомогательныематериалы, внижнюю (горн)продуваютпротивотокомвоздух, предварительнонагретый вре­генератореза счет сжиганияколошниковогогаза. Произ­водствонепрерывное(однако засыпаниешихты и выпускчугуна производятсяпериодически),используютсятеплота реакциии прин­циппротивотока.

Основнойпродукт:чугун.

Состав:сплав железа,содержащийболее 2,5% С; 0,3—5% Si; до1% Mn; 0,1% S и 0,2% Р, иногдалегирующиеметаллы (Аl,Сr,Ni и др.).

Свойства:самый дешевыйметаллическийматериал, обладаетхо­рошимилитейными иантифрикционнымисвойствами,износостой­костью,способностьюгасить вибрации.Различаютпередельный,ли­тейный илегированныйчугун. Легированныйчугун отличаетсяжаро­стойкостьюи коррозионнойстойкостью.

Применение:передельныйчугун — дляпроизводствастали; ли­тейный— для изготовленияпоршней, цилиндров,тормозныхбара­банов,шестерен, деталейавтомобилей(задний мост,картер, ступицыи др.); легированный— для изготовлениядверец мартеновскихпе­чей, колосников,деталей паровыхкотлов, печнойарматуры,футе­рованныхплит, газотурбинныхустановок.

Побочныепродукты:шлак, колошниковыйгаз.

Утилизацияпобочных продуктов:шлак используютпри произ­водствегравия, щебня,цемента, шлаковойваты, колошниковыйгаз — для обогревавоздухонагревателей.

ПРОИЗВОДСТВОСТАЛИ

Сырье:чугун, металлолом,оксиды железа.

Вспомогательныематериалы:воздух, обогащенныйкислородом,добавки (например,оксид кальция,ферромарганец).

Основнойхимическийпроцесс:содержащиесяв жидком чугунеэлементы (углерод,кремний, марганец,фосфор и сера)окисляютсякислородом:

Образовавшийсяоксид железа(II) тоже принимаетучастие в окис­лениипримесей:

Оксидыкремния и фосфорас известьюобразуют шлак:

Побочныепроцессы:для удаленияобразующегосяоксида желе­за(II) добавляютферромарганец(так называемыйраскислитель):

Оксидмарганца (II)переходит вшлак:

Особенноститехнологическогопроцесса:

1) кислородно-конвертор­ныйспособ.Окислениепримесей проводятв специальныхаппаратах—конверторахпродуваниемвоздуха черезрасплавленныйчугун (ниж­неедутье) или кислороданад расплавом(верхнее дутье);

2) марте­новскийспособ.Примеси окисляютв мартеновскихпечах, пропус­каяпредварительнонагретый врегенераторахвоздух и топочныегазы над расплавленнымчугуном. Производствопериодическое.

Основнойпродукт:сталь.

Состав:сплав железа,содержащийменее 2% С, 0,35%Si, 0,6%Mn, 0,06%S, 0,07%Р, легирующиеметаллы (Со,Cr, Ni, W, A1и др.).

Свойства:высокая прочность,пластичность,свариваемость,жаро­стойкость,износостойкость.

Применение:конструкционныематериалы, встроительстве,произ­водстветруб для газо-и нефтепроводов,деталей машини меха­низмов(оси, шестерни,пружины, коленчатыевалы), аппаратови деталей вхимическоммашиностроении.

Побочныепродукты:шлак, отходящийгаз.

Утилизацияпобочных продуктов:шлак, содержащийфосфор, используютв качествеминеральныхудобрений.

Новейшимнаправлениемв производствестали являетсяпрямое восстановлениежелезной рудыводородом,природным илигенератор­нымгазом, минуядоменные процессы.При этом получаютгубчатое железо,состав которогов отличие отдоменногочугуна оченьблизок к стали.Мартеновскийспособ в настоящеевремя такжеустарел. Гораздоболее прогрессивнымиявляются конверторныйи электроплавильный.Происходитбурное развитиетехнологиинепрерывнойразливки сталиблагодаря ееисключительновысокой эффективности.Основнымина­правлениямиэкономическогои социальногоразвития до2000 г. пре­дусмотреноувеличитьвыплавку конверторнойстали и электроста­лив 1,3—1,4 раза, разливкустали непрерывнымспособом неме­нее чем в2 раза и выпускметаллическихпорошков болеечем в 3 раза.




КовчегинИгорь 9б


Производствожелеза

Получениежелеза из железнойруды производитсяв две стадии.Оно начинаетсяс подготовкируды-измельченияи нагревания.Руду измельчаютна куски диаметромне более 10 см.Затем измельченнуюруду прокаливаютдля удаленияводы и летучихпримесей.

На второйстадии железнуюруду восстанавливаютдо железа спомощью оксидауглерода вдоменной печи.Восстановлениепроводитсяпри температурахпорядка 700 °С:

Дляповышениявыхода железаэтот процесспроводитсяв условияхизбытка диоксидауглерода СО2.

Моноксидуглерода СОобразуетсяв доменной печииз кокса и воздуха.Воздух сначаланагреваютприблизительнодо 600 °С и нагнетаютв печь черезособую трубу-фурму. Кокссгорает в горячемсжатом воздухе,образуя диоксидуглерода. Этареакция экзотермичнаи вызываетповышениетемпературывыше 1700°С:

Диоксидуглерода поднимаетсявверх в печии реагируетс новыми порциямикокса, образуямоноксид углерода.Эта реакцияэндотермична:


Ж


елезо,образующеесяпри восстановлениируды, загрязненопримесями пескаи глинозема(см. выше). Дляих удаленияв печь добавляютизвестняк. Притемперату­рах,существующихв печи, известнякподвергаетсятермическомуразложениюс образованиемоксида кальцияи диоксидауглерода:

Оксидкальция соединяетсяс примесями,образуя шлак.Шлак содержитсиликат кальцияи алюминаткальция:

Железоплавится при1540 °С. Расплавленноежелезо вместес расплавленнымшлаком стекаютв нижнюю частьпечи. Расплавленныйшлак плаваетна поверхностирасплавленногожелеза. Периодическииз печи выпускаютна соответст­вующемуровне каждыйиз этих слоев.

Доменнаяпечь работаеткруглосуточно,в непрерывномрежиме. Сырьемдля доменногопроцесса служатжелезная руда,кокс и известняк.Их постояннозагружают впечь черезверхнюю часть.Железо выпускаютиз печи четырераза в сутки,через равныепромежуткивремени. Оновыливаетсяиз печи огненнымпотоком притемпера­турепорядка 1500°С.Доменные печибывают разнойвеличины ипроизводительности(1000-3000 т в сутки). ВСША существуютнекоторые печиновой конструкциис четырьмявыпускнымиотверстиямии непрерывнымвыпускомрасплавленногожелеза. Такиепечи имеютпроизводительностьдо 10000 т в сутки.

Железо,выплавленноев доменнойпечи, разливаютв песочныеизложницы.Такое железоназываетсячугун. Содержаниежелеза в чугунесоставляетоколо 95%. Чугунпредставляетсобой твердое,но хрупкоевещество стемпературойплавления около1200°С.

Литоежелезополучают, сплавляясмесь чугуна,металлоломаи стали с коксом.Расплавленноежелезо разливаютв формы и охлаждают.

Сварочноежелезопредставляетсобой наиболеечистую формутехническогожелеза. Егополучают, нагреваянеочищенноежелезо с гематитоми известнякомв плавильнойпечи. Это повышаетчистоту железаприблизительнодо 99,5%. Его температураплавленияповышаетсядо 1400 °С. Сварочноежелезо имеетбольшую прочность,ковкость итягучесть.Однако длямногих примененийего заменяютнизкоуглеродистойсталью (см. ниже).

Химическиереакции привыплавке чугунаиз железнойруды

В основепроизводствачугуна лежитпроцесс восстановленияжелеза из егоокислов окисьюуглерода.

Известно,что окись углеродаможно получить,действуя кисло­родомвоздуха нараскалённыйкокс. При этомсначала образуетсядвуокись углерода,которая привысокой температуревосстанав­ливаетсяуглеродом коксав окись углерода:


Восстановлениежелеза из окисижелеза происходитпостепенно.Сначала окисьжелеза восстанавливаетсядо закиси-окисижелеза:

Далеезакись-окисьжелеза восстанавливаетсяв закись железа:

и, наконец,из закиси железавосстанавливаетсяжелезо:

Скоростьэтих реакцийрастёт с повышениемтемпературы,с уве­личениемв руде содержанияжелеза и суменьшениемразмеров кусковруды. Поэтомупроцесс ведутпри высокихтемпературах,а руду предварительнообогащают,измельчают,и куски сортируютпо крупности:в кусках одинаковойвеличинывосстановлениеже­леза происходитза одно и то жевремя. Оптимальныеразмеры кусковруды и коксаот 4 до 8—10 см.Мелкую рудупредвари­тельноспекают (агломерируют)путём нагреваниядо высокойтемпературы.При этом изруды удаляетсябольшая частьсеры.

Железовосстанавливаетсяокисью углеродапрактическипол­ностью.Одновременночастичновосстанавливаютсякремний и мар­ганец.Восстановленноежелезо образуетсплав с углеродомкокса. кремнием,марганцем, исоединениями,серы и фосфора.Этот сплав—жидкийчугун. Температураплавлениячугуна значительнониже температурыплавлениячистого железа.

Пустаяпорода и золатоплива такжедолжны бытьраспла­влены.Для понижениятемпературыплавления всостав «пла­вильных»материаловвводят, кромеруды и кокса,флюсы (плав­ни)— большей частьюизвестняк СаСО3и доломитCaCO3МgСО3.Продукты разложенияфлюсов принагреванииобразуют све­ществами,входящими всостав пустойпороды и золыкокса, со­единенияс более низкимитемпературамиплавления,преимущест­венносиликаты иалюмосиликатыкальция и магния,например,2CaOAl2O3SiO2,2CaOMg02Si02.

Химическийсостав сырья,поступающегона переработку,иног­да колеблетсяв широких пределах.Чтобы вестипроцесс припосто­янныхи наилучшихусловиях, сырьё«усредняют»по химическомусоставу, т. е.смешивают рудыразличногохимическогосостава вопределённыхвесовых отношенияхи получаютсмеси постоянногосостава. Мелкиеруды спекаютвместе с флюсами,получая «офлю­сованныйагломерат».Применениеофлюсованногоагломератадаёт возможностьзначительноускорить процесс.

Производствостали

Сталиподразделяютсяна два типа.Углеродистыесталисодержат до1,5% углерода.Легированныесталисодержат нетолько небольшиеколичествауглерода, нотакже специальновводимые примеси(добавки) другихметаллов. Нижеподробнорассматри­ваютсяразличные типысталей, их свойстваи применения.

Кислородно-конвертерныйпроцесс.В последниедесятилетияпроизводствостали революционизировалосьв результатеразработкикислородно-конвертерногопроцесса (известноготакже под названиемпроцессаЛинца-Донавица).Этот процессначал применятьсяв 1953 г. на сталеплавильныхзаводах в двухавстрийскихметаллургиче­скихцентрах-Линцеи Донавице.

В


кислородно-конвертерномпроцессе используетсякислородныйконвертер соснов­нойфутеровкой(кладкой). Конвертерзагружают внаклонномположениирасплавленнымчугуном изплавильнойпечи и металлоломом,затем возвращаютв вертикальноеположение.После этогов конвертерсверху вводятмедную трубкус водяным охлаждениеми через неенаправляютна поверхностьрасплавленногожелеза струюкислорода спримесьюпорошкообразнойизвести (СаО).Эта «кислороднаяпродувка»,которая длится20 мин, приводитк интенсивномуокислениюпримесей железа,причем содержимоеконвертерасохраняетжидкое состояниеблагодарявыделе­ниюэнергии приреакции окисления.Образующиесяоксиды соединяютсяс известью ипревращаютсяв шлак. Затеммедную трубкувыдвигают иконвертернаклоняют,чтобы слитьиз него шлак.После повторнойпродувкирасплавленнуюсталь выливаютиз конвертера(в наклонномположении) вковш.

Кислородно-конвертерныйпроцесс используетсяглавным образомдля получе­нияуглеродистыхсталей. Онхарактеризуетсябольшойпроизводительностью.За 40-45 мин в одномконвертереможет бытьполучено 300-350 тстали.

В настоящеевремя всю стальв Великобританиии большую частьстали во всеммире получаютс помощью этогопроцесса.

Электросталеплавильныйпроцесс. Электрическиепечи используютглавным обра­зомдля превращениястального ичугунногометаллоломав высококачественныелегированныестали, напримерв нержавеющуюсталь. Электропечьпредставляетсобой круглыйглубокий резервуар,выложенныйогнеупорнымкирпичом. Черезоткрытую крышкупечь загружаютметаллоломом,затем крышкузакрывают ичерез имеющиесяв ней отверстияопускают в печьэлектроды, покаони не придутв соприкосновениес металлоломом.После этоговключают ток.Между электродамивозникает дуга,в которой развиваетсятемпературавыше 3000 °С. Притакой температуреметалл плавитсяи образуетсяновая сталь.Каждая загрузкапечи позволяетполучить 25-50 тстали.

Стальполучаетсяиз чугуна приудалении изнего большейчасти углерода,кремния, марганца,фосфора и серы.Для этого чугунподвергаютокислительнойплавке. Продуктыокислениявыде­ляютсяв газообразномсостоянии ив виде шлака.

Так какконцентрацияжелеза в чугунезначительновыше, чем другихвеществ, тосначала интенсивноокисляетсяжелезо. Частьжелеза переходитв закись железа:

Реакцияидёт с выделениемтепла.

Закисьжелеза, перемешиваясьс расплавом,окисляет кремниймарганец иуглерод:

Si+2FeO=SiO2+2Fe

Mn+FeO=MnO+Fe

C+FeO=CO+Fe

Первыедве реакцииэкзотермичны.Особенно многотепла выде­ляетсяпри окислениикремния.

Фосфорокисляетсяв фосфорныйангидрид, которыйобразует сокислами металловсоединения,растворимыев шлаке. Носодер­жаниесеры снижаетсянезначительно,и поэтому важночтобы в исходныхматериалахбыло мало серы.

Послезавершенияокислительныхреакций в жидкомсплаве содержитсяещё закисьжелеза, от которойего необходимоосво­бодить.Кроме того,необходимодовести доустановленныхнорм со­держаниев стали углерода,кремния и марганца.Поэтому к концуплавки добавляютвосстановители,напримерферромарганец(сплав железас марганцем)и другие такназываемые«раскислители».Марганец реагируетс закисью железаи «сраскисляет»сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe

Переделчугуна в стальосуществляетсяв настоящеевремя раз­личнымиспособами.Более старым,применённымвпервые в сере­динеXIX в. являетсяспособ Бессемера.

СпособБессемера.По этому способупередел чугунав сталь проводитсяпутём продуваниявоздуха черезрасплавленныйгоря­чий чугун.Процесс протекаетбез затратытоплива за счёттепла, выделяющегосяпри экзотермическихреакциях окислениякрем­ния, марганцаи других элементов.

Процесспроводитсяв аппарате,который называетсяпо фами­лииизобретателяконвертеромБессемера.Он пред­ставляетсобой грушевидныйстальной сосуд,футерованныйвнутри огнеупорнымматериалом.В дне конвертераимеются отверстия,через которыеподаётся ваппарат воздух.Аппарат ра­ботаетпериодически.Повернув аппаратв горизонтальноеположе­ние,заливают чугуни подают воздух.Затем поворачиваютаппа­рат ввертикальноеположение. Вначале процессаокисляютсяже­лезо, кремнийи марганец,затем углерод.Образующаясяокись углеродасгорает надконвертеромослепительноярким пламенемдлиной до 8 л.Пламя постепенносменяется бурымды­мом. Начинаетсягорение железа.Это указывает,что периодинтен­сивногоокисленияуглеродазаканчивается.Тогда подачувоздуха прекращают,переводятконвер­терв горизонтальноеположе­ниеи вносят раскислители.

ПроцессБессемераобладает рядомдостоинств.Он протекаеточень быстро(в течение 15ми­нут), поэтомупроизводитель­ностьаппарата велика.Для проведенияпроцесса нетре­буетсярасходоватьтопливо илиэлектрическуюэнергию. Ноэтим способомможно переделы­ватьв сталь не все,а только отдельныесорта чугуна.К тому же значительноеколичествожелеза в бессемеровскомпро­цессеокисляетсяи теряется(велик «угар»железа).

Значительнымусовершенст­вованиемв производствестали в конвертерахБессемераявля­етсяприменениедля продувкявместо воздухасмеси его счис­тым кислородом(«обогащённоговоздуха»), чтопозволяетполучать сталиболее высокогокачества.

Мартеновскийспособ.Основным способомпередела чугунав сталь являетсяв настоящеевремя мартеновский.Тепло,необходимоедля проведенияпроцесса, полу­чаетсяпосредствомсжиганиягазообраз­ногоили жидкоготоплива.Процесс получениястали осуществляетсяв пламеннойпечи – мартеновскойпечи.

Примеси,содержащиесяв шихте, окисляютсясвободным,кислородомтопочных газови кислородом,входящим всостав железнойруды, окалиныи ржавчины.

Плавильноепространствомартеновскойпечи представляетсобой ванну,перекрытуюсводом изогнеупорногокирпича. В переднейстенке печинаходятсязагрузочныеокна, черезкоторые завалочныемашины загружаютв печь шихту.В задней стенкена­ходитсяотверстие длявыпуска стали.С обеих сторонванны распо­ложеныголовки с каналамидля подводатоплива и воздухаи от­вода продуктовгорения. Печьёмкостью 350 тимеет длину25 м и ширину 7 м.

Мартеновскаяпечь работаетпериодически.После выпускастали в горячуюпечь загружаютв установленнойпоследовательностилом, железнуюруду, чугун, ав качествефлюса — известнякили известь.Шихта плавится.При этом интенсивноокисляются:часть железа,кремний и марганец.Затем начинаетсяпериод быстрогоокисленияуглерода, называемыйпериодом «кипения»,— движе­ниепузырьков окисиуглерода черезслой расплавленногометалла создаётвпечатление,что он кипит.

В концепроцесса добавляютраскислители.За изменениемсостава сплаватщательноследят, руководствуясьданными экспресс-анализа,позволяющегодать ответ осоставе сталив течение несколькихминут. Готовуюсталь выливаютв ковши. Дляпо­вышениятемпературыпламени газообразноетопливо и воздухпредварительноподогреваютв регенераторах.Принцип действиярегенераторовтот же, что ивоздухонагревателейдоменногопро­изводства.Насадка регенераторанагреваетсяотходящимииз печи газами,и когда онадостаточнонагреется,через регенераторна­чинаютподавать в печьвоздух. В этовремя нагреваетсядругой регенератор.Для регулированиятепловогорежима печьснабжаетсяавтоматическимиприспособлениями.

В мартеновскойпечи, в отличиеот конвертераБессемера,можно перерабатыватьне только жидкийчугун, но и твёрдый,а также отходыметаллообрабатывающейпромышленностии стальной лом.В шихту вводяттакже и железнуюруду. Составшихты можноизменять вшироких пределахи выплавлятьстали разнообразногосостава, какуглеродистые,так и легированные.

Российскимиучёными и сталеварамиразработаныметоды ско­ростногосталеварения,повышающиепроизводительностьпечей. Производительностьпечей выражаетсяколичествомстали, полу­чаемымс одного квадратногометра площадипода печи вединицу времени.


Производствостали в элек­тропечах.Применениеэлектри­ческойэнергии впроизводствестали даётвозможностьдости­гатьболее высокойтемпературыи точнее еёрегулировать.По­этому вэлектропечахвыплав­ляютлюбые маркисталей, в томчисле содержащиетугоплавкиеметаллы — вольфрам,молибден и др.Потери легирующихэле­ментовв электропечахменьше, чем вдругих печах.При плавке скислородомускоряетсяплав­лениешихты и особенноокис­лениеуглерода вжидкой шихте,Применениекислородапозволя­етещё более повыситькачествоэлектростали,так как в нейостаётся меньшерастворённыхгазов и неметаллическихвключений.

В промышленностиприменяют дватипа электропечей:дуговые ииндукционные.В дуговых печахтепло получаетсявслед­ствиеобразованияэлектрическойдуги междуэлектродамии шихтой. Виндукционныхпечах теплополучаетсяза счёт индуци­руемогов металлеэлектрическоготока.

Сталеплавильныепечи всех типов— бессемеровскиеконвер­теры,мартеновскиеи электрические— представляютсобой аппа­ратыпериодическогодействия. Кнедостаткампериодическихпроцессовотносятся, какизвестно, затратавремени назагрузку иразгрузкуаппаратов,необходимостьизменять условияпо мере теченияпроцесса, трудностьрегулированияи др. Поэтомуперед металлургамистоит задачасоздания новогонепрерывногопро­цесса.

Примененияв качествеконструкционныхматериаловсплавов железа.

Некоторыеd-элементы широкоиспользуютсядля изготовленияконструкционныхматериалов,главным образомв виде сплавов.Сплав-это смесь(или раствор)какого-либометалла с однимили несколькимидругими элементами.

Сплавы,главной составнойчастью которыхслужит железо,называютсясталями. Вышемы уже говорили,что все сталиподразделяютсяна два типа:углеродистыеи легированные.

Углеродистыестали

Типстали

Содержаниеуглерода, %

Применения

Низкоуглеродистая

0,2

Общеемашиностроение:корпуса авто­машин,проволока,трубы, болтыи гайки

Среднеуглеродистая

0,3-0,6

Балкии фермы, пружины

Высокоуглеродистая

0,6-1,5

Сверла,ножи, молотки,резцы


Углеродистыестали.По содержаниюуглерода этистали в своюочередь подразде­ляютсяна низкоуглеродистую,среднеуглеродистуюи высокоуглеродистуюстали. Твердостьуглеродистыхсталей возрастаетс повышениемсодержанияуглерода. Например,низкоуглеродистаясталь являетсятягучей и ковкой.Ее используютв тех случаях,когда механическаянагрузка неимеет решающегозначения. Различныепримененияуглеродистыхсталей указаныв таблице. Надолю углеродистыхсталей приходитсядо 90% всего объемапроизводствастали.

Легированныестали.Такие сталисодержат до50% примеси одногоили несколькихметаллов, чащевсего алюминия,хрома, кобальта,молибдена,никеля, титана,воль­фрамаи ванадия.

Нержавеющиесталисодержат вкачестве примесейк железу хроми никель. Этипримеси повышаюттвердость сталии делают ееустойчивойк коррозии.Последнеесвойство обусловленообразованиемтонкого слояоксида хрома(III) на поверхностистали.

Инструментальныестали подразделяютсяна вольфрамовыеи марганцовистые.Добавлениеэтих металловповышает твердость,прочность иустойчивостьпри высокихтемпературах(жаропрочность)стали. Такиестали используютсядля буренияскважин, изготовлениярежущих кромокметаллообрабатывающихинструментови тех деталеймашин, которыеподвергаютсябольшой механическойнагрузке.

Кремнистыесталииспользуютсядля изготовленияразличногоэлектрооборудования:моторов, электрогенераторови трансформаторов.