Доменные процессы при выплавке чугуна

Доменные процессы при выплавке чугуна

К условно экологическим стройматериалам относятся:

Однако большинство из них имеют высокую плотность и сильно коррозируют под действием различных газов и влаги. Металлы делятся на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро- и теп лопроводимостью.

Черные металлы – это сплавы железа с углеродом (Рис. 6.1). К ним относятся: сталь (содержание углерода до 2 %) и чугун (содержание углерода от 2% до 6,67%).

Рис. 6.1. Разновидности чёрных металлов

Цветные металлы делятся на: редкие, лёгкие, тяжёлые и благородные (Рис. 6.2).

Рис. 6.2. Классификация цветных металлов

6.2. Чугун. Классификация чугуна

Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода. В зависимости от формы связи углерода чугуны бывают белыми и серыми.

Белый чугун (передельный) – содержит углерод в виде цементита. В изломе имеет светлый цвет (Рис. 6.3). Белые чугуны имеют большую твердость, хрупкость и не используются для изготовления деталей машин.

Рис. 6.3. Белый чугун

Серый чугун (литейный) – содержит углерод в виде графита. В изломе имеет серый цвет (Рис. 6.4). Поддается резке, применяется в машиностроительной отрасли. Из серого чугуна изготовляют отдельные элементы строительных конструкций: башмаки под колонны, опорные части железобетонных ферм и балок, санитарно-технические изделия.

Рис. 6.4. Серый чугун

Кроме того, чугуны бывают ковкими и высокопрочными.

Ковкий чугун – получают длительным отжигом белого чугуна. Ковкий чугун характеризуется повышенной пластичностью и вязкостью, обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару.

Рис. 6.5. Изделия из ковкого чугуна

Высокопрочный чугун – получают при введении в серый чугун специальных добавок. Применяется для изготовления ответственных деталей, которые должны иметь высокую износостойкость.

Рис. 6.6. Изделия из высокопрочного чугуна

6.3. Производство чугуна

Чугун получают из шихты, состоящей из железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Эту смесь подвергают термической обработке до температуры 1900° С в доменных печах.

Интересно знать: Доменная печь. Получение чугуна

Железная руда состоит из рудного минерала (оксиды Fe2O3 и Fe2O4), пустой породы, не содержащей железа (известняк, кварцит, песчаник) и примесей. К вредным примесям относятся сера, фосфор, которые ухудшают качество чугуна.

Флюсы – это материалы минерального происхождения, которые вводят в шихту для образования шлака и регулирования его состава. Они способствуют переходу вредных примесей для металла в шлак. По химическому составу различают основные флюсы (известняк), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Производство чугуна заключается в следующем: руду измельчают на дробильной установке, промывают, после чего обжигают для удаления вредных примесей. Затем шихта загружается в верхнюю часть печи, а снизу подается горячий воздух (Рис 6.7). Кокс начинает интенсивно сгорать, образую углекислый газ СО2. В результате горения температура в этой зоне поднимается до 1900℃. По мере продвижения шихты вниз ее температура повышается. Углекислый газ при контакте с раскаленным коксом переходит в оксид углерода СО. Газовая среда в печи приобретает восстановительные свойства, т.е. способность отнимать от оксидов кислород.

Таким образом, углерод кокса при высоких температурах восстанавливает железную руду до чистого железа. Железо плавится и насыщается углеродом, превращаясь в чугун.

Из шихты восстанавливаются марганец, фосфор и кремний, которые тоже переходят в расплав металла. Расплавленный чугун стекает в нижнюю часть печи, а расплавленный шлак находится сверху чугуна, т.к. более легкий, и предохраняет его от окисления.

Рис. 6.7. Схема доменной печи

Интересно знать: Технология получения чугуна

Более 80% чугуна используют для получения стали, а остальное (около 20%) – для литых чугунных изделий. При доменном производстве на каждую тонну чугуна получают около 0,6 т огненно-жидкого шлака. Шлак – ценное сырье для промышленности строительных материалов. Из него получают шлакопортландцемент, шлаковую пемзу, шлаковую вату и другие материалы.

6.4. Сталь. Классификация сталей

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором содержится от 0,02 до 2,14 % углерода.

Стали классифицируют:

1. По химическому составу:

• углеродистые;
• легированные.

2. В зависимости от концентрации углерода:

• низкоуглеродистые ( 0,7 % углерода).

3. По содержанию легирующих элементов:

• высоколегированную, с массой легирующих добавок более 10 % от общей массы;
• среднелегированную, с массой легирующих добавок от 2 до 10 % от общей массы;
• низколегированную, с массой легирующих добавок от 2,5 % от общей массы.
• материалы для полов – плитки;

• стали обыкновенного качества;
• качественные стали;
• высококачественные стали;
• особовысококачественные стали.

5. В зависимости от степени раскисления при выплавке:

• кипящие (кп) – содержат в своем составе повышенное количество оксида железа, который при затвердевании металла частично взаимодействует с углеродом, образуя пузырьки газа. Они всплывают и удаляются из жидкого металла, создавая эффект кипения стали;
• полуспокойные (пс) – занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями;
• спокойные (сп) – содержат минимальное количество окислов железа и затвердевают без газовыделения.

6. По степени выплавки:

• конвертерные;
• мартеновские;
• электростали.

7. По назначению:

• конструкционные;
• инструментальные.

6.5. Производство стали

Исходным сырьем для производства стали является передельный чугун. В нем снижают содержание углерода и примесей путем их окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки с последующим раскислением (удалением из расплавленных металлов растворенного в них кислорода), после чего и получается сталь.

Для производства стали применяют кислородно-конвертерный, мартеновский и электроплавильный способы.

Кислородно-конвертерный способ производства заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом (99,5%), который подводится сверху конвертера (Рис.6.8). Кислород взаимодействует с железом. Образующийся оксид FeO частично переходит в шлак, а частично растворяется в металле и окисляет примеси, содержащиеся в чугуне. В результате выгорают марганец, кремний, фосфор, которые всплывают на поверхность и удаляются в виде шлака. Углерод в виде газовых пузырьков поднимается на поверхность и улетучивается.

После окончания продувки расплав раскисляют, т.е. вводят вещества, которые более энергично реагируют с кислородом. Такие вещества называют раскислителями. К ним относятся кремний, алюминий, марганец. Образующиеся при этом оксиды марганца, кремния и алюминия удаляются в виде шлаков.

Рис.6.8. Схема устройства конвертера

Чем лучше раскислена сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические свойства.

Емкость конвертеров достигает 40 т. Кислород подают сверху под давлением 0,8 – 1,2 Мпа через опущенные в конвертер трубы. Температура в зоне действия кислорода — около 3000 ℃. Продолжительность одной плавки составляет 15-20 мин.

Интересно знать: Конвертерное производство стали

6.6. Углеродистые и легированные стали. Маркировка сталей

Углеродистая сталь – это нелегированная сталь, содержащая 0,04 – 2% углерода. Также в состав стали входят постоянные примеси – кремний и марганец и вредные примеси – фосфор и сера (в количестве 0,05 – 0,06%).

Легированные стали – стали, в которые вводят специальные легирующие элементы для повышения качества стали и придания ей специальных свойств.

К таким элементам относятся:

• Хром Сr повышает твердость, прочность, вязкость, износостойкость, коррозионную стойкость, а также пластичность, но понижает теплопроводность.
• Никель Ni повышает прочность, твердость, вязкость при низких температурах, прокаливаемость и коррозионную стойкость стали и при этом незначительно снижает пластичность. От содержания никеля в стали зависят ее электросопротивление и коэффициент теплового расширения. Никель – дорогой металл, поэтому в конструкционные стали его вводят вместе с хромом и другими элементами, притом в предельно минимальном количестве.
• Вольфрам W уменьшает отпускную хрупкость, повышает твёрдость, износостойкость, жаропрочность, понижает вязкость и способствует образованию мелкого зерна.
• Молибден Мо повышает твердость, прочность, прокаливаемость, обрабатываемость резанием, жаропрочность, способствует образованию мелкозернистой структуры, улучшает свариваемость и механические свойства стали после цементации, уменьшает вязкость и отпускную хрупкость стали.
• Кремний Si при содержании 0,8 % и больше значительно повышает твердость, прочность, упругость и одновременно снижает вязкость стали.
• Марганец Мn при содержании в стали 1 % и больше повышает ее прочность и твердость, но снижает вязкость, увеличивает прокаливаемость, износостойкость и улучшает свариваемость стали.
• Ванадий V повышает твердость, прочность, вязкость, устойчивость против динамических напряжений и износа, уменьшает отпускную хрупкость, измельчает структуру и повышает устойчивость против перегрева при закалке.
• Титан Тi повышает твердость, прочность, износостойкость, но снижает прокаливаемость стали. Улучшает свариваемость нержавеющих сталей, снижает ликвацию.

Маркировка углеродистых сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируются символом Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6. Цифра указывает на условный номер марки. С повышением номера марки содержание углерода в стали увеличивается, но численное значение не указывает на его количественное содержание.

Например, для стали Ст0 содержание углерода не боле 0,23 %, Ст3 – 0,14 – 0,22%, Ст6 – 0,38 – 0,49%.

В обозначении марок сталей всех групп вводят цифры от 1до 6, которые характеризуют категорию стали, которая определяется совокупностью механических свойств стали или особенностями ее химического состава. Цифру 1 в сталях первой категории не указывают.

В зависимости от гарантированных свойств, стали делятся на три группы – А, Б и В.

Стали группы А поставляются только с гарантированными механическими свойствами без уточнения их химического состава. Они используются в виде листов и различных профилей без последующей обработки под давлением, сварки или термической обработки.

Стали группы Б – поставляют с гарантированным химическим составом. Их применяют, когда при производстве изделий используется сварка, термическая обработка.

Стали группы В – поставляют с гарантированными механическими и химическим составом. Они обладают повышенным качеством и поставляются по особым требованиям.

Индексы Б и В ставятся перед Ст. Индекс группы А не указывается.

Буква Г указывает на повышенное содержание марганца и ставится после номера марки стали.

Способы раскисления стали обозначаются: кп – кипящая, сп — спокойная, пс – полуспокойная. Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Например, Ст2кп – группа А , сталь 3, кипящая, категория 1;

БСт3пс2 – группа Б, сталь 2, полуспокойная, категория 2.

Углеродистые стали применяются для изготовления несущих конструкций, армирования железобетона, устройства кровли, формы железобетонных изделий.

Правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла и успешную работу конструкции.

Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуются стали обыкновенного качества группы В следующих марок: ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.

Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп, ВМСт5сп, ВМСт5пс и кислородно-конверторные стали тех же марок.

Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.

Маркировка легированных сталей

Для обозначения марок легированных сталей используют буквенно-цифровую систему. В начале приводят цифры, указывающие содержание углерода в сотых долях процента, а затем ставят буквы, обозначающие легирующий элемент:

• Ю — алюминий
• Р — бор
• Ф — ванадий
• В — вольфрам
• С — кремний
• Г — марганец
• Д — медь
• М — молибден
• Н — никель
• Т — титан
• Х — хром
• Ц — цирконий.

Цифра, стоящая за буквами, указывает содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента не более 1%, то цифру не ставят.

Например, марка стали 20ХГ2С легированная сталь с содержанием углерода 0,2%, хрома менее 1%, марганца 2%, кремния – менее 1%. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце – что сталь чистая по сере и фосфору (содержание азота, а в конце – что сталь чистая по сере и фосфору (содержание фосфора и серы в такой стали не превышает 0,03 %). Две буквы АА в конце означают, что сталь особо чистая (ещё более чистая по сере и фосфору).

6.7. Основные свойства сталей

Плотность стали – 7850 кг/м3, что превышает плотность каменных материалов почти в три раза.

Теплопроводность стали – 70 Вт/(мˑ˚С).

Температура плавления – зависит от состава стали. Для обычных углеродистых сталей составляет 1300-1500˚С.

Предел текучести – наименьшее напряжение (МПа), при котором испытываемый образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

Предел прочности – это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться.

По прочности стали делятся на классы.

Класс прочности стали – установленное стандартом нормируемое значение условного предела текучести стали.

Стали маркируются буквой «С» (сталь строительная) и числом, указывающим предел текучести (Н/мм2): С235, С245, С255, С345, С345К, С355, С355-1, С355К, С355П, С390, С390-1, С440, С550, С590.

Цифра «1» указывает вариант химического состава.

Буква «К» – сталь повышенной коррозионной стойкости.

Бука «П» – повышенной огнестойкости.

6.8. Коррозия стали и меры предохранения от нее

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под влиянием внешней среды.

Факторы, влияющие на коррозию металлов: воздействие температуры, влажности, загрязнение диоксидом серы, наличие блуждающих токов, неблагоприятный состав атмосферы.

Коррозия металлов сводится к их окислению и проявляется в виде рыхлого порошка светло-коричневого цвета, который называется ржавчиной.

Разрушение металла начинается с поверхности. Металл теряет блеск, его поверхность становится неровной. В результате уменьшается поперечное сечение металлов, снижаются механические свойства и происходит разрушение.

По характеру взаимодействия со средой коррозия бывает химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих электрический ток (в сухих газах, нефти, бензине спирте), в результате чего на поверхности металла образуется оксидная пленка (Рис. 6.9).

Рис. 6.9. Коррозия металла

Электрохимическая коррозия происходит во влажном воздухе и в различных водных растворах, проводящих электрический ток. В щелочной среде она значительно уменьшается. Это свойств используют при изготовлении железобетона. В процессе твердения цемента возникает щелочная среда, способствующая образованию на поверхности стальной арматуры защитной пленки из нерастворимых соединений железа (пассивирование железа). Пленка защищает металл от коррозии.

К современным способам защиты металла от коррозии относятся:

• легирование металла;
• электрохимическая защита;
• шлифование металла;
• нанесение защитных покрытий (лаки, краски, эмали, масла);
• металлические покрытия (цинк, олово, хром, медь, никель);
• снижение агрессивности производственной среды, в которой эксплуатируется металлическое изделие.

6.9. Виды арматурных сталей для армирования железобетонных конструкций

По способу изготовления стальную арматуру железобетонных конструкций подразделяют на стержневую, холоднонатянутую проволочную и проволочную обыкновенную канатную (Рис. 6.10).

Стержневую арматуру железобетонных конструкций изготовляют следующих видов: горячекатанную – диаметром 6-80мм; термически или термомеханически упрочнённую – диаметром 6-40мм; упрочненную выдержкой – диаметром 20-40мм.

Рис.6.10. Виды арматуры

Стержневую горячекатаную арматуру в зависимости от механических характеристик делят на следующие классы: А-I (А240), А-II (А300), А-III (А400), А-IV (А600), А-V (А800), А-VI (А1000).

Термическому и термомеханическому упрочнению подвергают стержневую арматуру десяти классов: Ат400С, Ат500С, Ат600, Ат600С, Ат600К, Ат800, Ат800К, Ат1000, Ат1000К, Ат1200.

Буква «С» указывает на возможность стыкования стержней сваркой, буква «К» – на повышенную стойкость арматуры против коррозионного растрескивания.

Стержневую арматуру, упрочненную вытяжкой, выпускают классов А-IIв и А-IIIв.

Арматурную проволоку в зависимости от механических свойств делят на обыкновенную и высокопрочную, а по форме поверхности – на гладкую и периодического профиля (Рис.6.11).

Обыкновенную арматурную проволоку изготавливают из низкоуглеродистой стали. Диаметр проволоки – 3,4,5мм. Она может быть двух классов: В-I –гладкая и Вр-I – периодического профиля (Рис.6.12).

Рис.6.11. Проволока периодического профиля

Рис.6.12. Проволока гладкая

Высокопрочную арматурную проволоку изготавливают из углеродистой стали путем многократного волочения и низкотемпературного отпуска. Классы: В-II – гладкая и Вр- II – профилированная.

Механические свойства высокопрочной проволоки значительно выше обыкновенной.

Арматурные канаты состоят из нескольких проволок, свитых так, чтобы было исключено их раскручивание (Рис.6.13).

Канаты выпускают двух классов: К-7 и К-19.

Рис.6.13. Арматурные канаты

БЛОК САМОКОНТРОЛЯ

Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентацией

Презентация «Глава 6. Основные сведения о металлах и арматурных сталях для железобетонных изделий и конструкций»

Дайте ответы на следующие вопросы:

1. Перечислите основные свойства металлов, что позволяет их использование в строительстве.
2. На какие две основные группы делятся металлы?
3. Какие сплавы относятся к чёрным металлам?
4. Какое количество углерода содержит сталь?
5. Сколько углерода содержится в чугуне?
6. На какие группы делятся цветные металлы? Приведите примеры по каждой группе.
7. Какие бывают чугуны в зависимости от формы связи углерода? Какими свойствами они отличаются и где используются?
8. Как получают ковкий чугун, и какими свойствами он обладает?
9. Для чего применяется высокопрочный чугун?
10. Что используют при производстве чугуна в доменной печи?
11. Назовите основные этапы производства чугуна.
12. Как в промышленности используется чугун?
13. Как используют шлак для промышленности строительных материалов и что из него производят?
14. Как классифицируют стали в зависимости от химического состава?
15. На какие группы делится сталь в зависимости от концентрации углерода?
16. Как сталь делится в зависимости от содержания легирующих элементов?
17. Как сталь делят в соответствии с её качеством?
18. На какие две группы делятся стали по назначению?
19. Какой сплав является исходным сырьём для производства стали?
20. Какие способы применяют для производства стали?
21. В чём заключается кислородно-конвертерный способ производства стали?
22. Какие примеси входят в состав углеродистой стали?
23. Какие легирующие элементы входят в состав легированной стали для повышения её качества?
24. Какие специальные свойства придают легирующие элементы легированным сталям?
25. Как маркируют углеродистые стали?
26. Какую систему используют для маркировки легированных сталей?
27. Назовите физические и механические свойства стали.
28. Назовите современные методы защиты металла от коррозии.
29. Перечислите виды арматурных сталей для армирования железобетонных конструкций.
30. Какие разновидности стержневой арматуры изготавливают для железобетонных конструкций?

Технологии производства чугуна постоянно совершенствуются

В настоящее время основной способ получения чугуна — плавка железных руд в доменных печах. Для плавки необходим ряд сырых материалов, таких как флюсы, железные или марганцовые руды, а также топливо. В качестве топлива используется кокс, который, по сути, является каменным углем. Роль кокса – обеспечить процесс восстановительной энергией и определенным количеством тепла. Давайте рассмотрим производство чугуна более подробно. Так как это сложный и длительный процесс, то его описание займет много времени.

Топливо для плавки

Как было отмечено выше, в качестве топлива используют кокс. Но, помимо этого, допустимо использование мазута, угольной пыли и природного, а также коксового газов. Тем не менее практически всегда в качестве основного горючего применяют именно кокс. Это вещество, которое образуется при удалении летучих газов из угля при температуре от 900 до 1 200 градусов. Сегодня это единственный вид твердого топлива, который сохраняет свою исходную форму во время движения от колошника к горну. В принципе, к этому материалу выдвигаются жесткие требования, которые касаются механической прочности и жесткости, что нужно для восприятия больших нагрузок в нижней части доменной печи. Крайне важно выдерживать фракцию кокса. Слишком мелкие частицы способствуют газопроницаемости шихты, а слишком большие разрушаются и образуют мелкую фракцию. Помимо этого, необходимо соблюдать определенный процент влажности, что нужно для поддержания теплового режима.

Руды для плавки

В земной коре довольно много железа, однако в чистом виде оно не встречается, его всегда добывают с горными породами в виде различных соединений. Железной рудой можно называть только те породы, из которых с экономической точки зрения выгодно добывать железо посредством плавления в печи. В природе существуют богатые и бедные железные руды. Если говорить с точки зрения металлургической промышленности, то в руде есть ряд полезных добавок, которые необходимы при получении чугуна, – это хром, никель, марганец и другие. Есть и вредные включения: сера, фосфор, медь и т.п. Кроме того, железная руда может делиться на несколько групп в зависимости от минерала:

Читайте также: Осциллорез — электрическая мини-пила и мульти-инструмент

• красный железняк – 70% железа, 30% кислорода;
• магнитный железняк – 72,4% железа, 27,6% кислорода;
• бурый железняк – до 60% железа;
• шпатовый железняк – до 48,3 % железа.

Логично было бы сделать вывод, что доменное производство чугуна должно предусматривать использование руды из второй группы. Но самой распространенной является первая, поэтому ее чаще и применяют.

Виды железных руд

Прежде чем мы перейдем к знакомству с процессом производства чугуна, предлагаем информацию о видах железных руд. Это может быть:

1. Бурый железняк. Для него характерно содержание 25-50% железа в форме так называемых водных окислов. Пустая порода отличается глинистостью.
2. Гематит (его еще называют красным железняком). Это безводная окись, содержание вредных примесей здесь минимально. Железа здесь около 45-55%.
3. Магнитный железняк. Содержание железа составляет здесь около 30-37%. Пустая порода – кремнеземистая масса.
4. Сидерит (второе его название – шпатовый железняк) крайне легко окисляется, переходя при этом в форму бурого известняка.

Подготовка руды к плавке

Нельзя добыть железную руду из земли и тут же забросить ее в загрузочное устройство доменной печи. Сначала необходимо несколько улучшить технико-экономические показатели, что позволит использовать для получения чугуна относительно бедные руды, которых в земной коре значительно больше. К примеру, увеличение железа в руде всего на 1% приводит к экономии кокса на 2% и к увеличению производительности ДП на 2,5%. На первом этапе руда дробится на фракции, а дальше проходит грохочение. Последнее мероприятие необходимо для разделения железной руды по крупности. Дальше идет усреднение, где выравнивается химический состав. Один из самых важных и сложных этапов – обогащение. Суть процесса заключается в удалении пустых пород с целью увеличения содержания в руде железа. Обычно обогащение проходит в два этапа. Заключительным этапом является окускование, которое нужно для улучшения протекания плавки в доменной печи.

Вредные примеси

Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец, медь. Сера придает металлу красноломкость, снижая его механические свойства. Фосфор вызывает в металле хладноломкость, ухудшая свойства металла при низких температурах. Мышьяк понижает свариваемость металла, ухудшает механические свойства. Кроме того, является сильным ядом и присутствие его недопустимо в металлоизделиях, применяемых в пищевой промышленности (емкости для варки пищи, консервные банки). Цинк и свинец не растворяются в чугуне, поэтому они не могут влиять на его качество. Однако, цинк при плавке возгоняется и пары его, проникая в швы кладки, приводят к увеличению ее объема и разрушению кожуха печи. Свинец также способствует разрушению футеровки печи. Медь понижает свариваемость металла и придает ему красноломкость.

Однако, в некоторых случаях, фосфор и медь могут являться полезными примесями. Например, при выплавке некоторых марок стали.

Пустая порода руд преимущественно состоит из SiO2 , Al2O3, СаО и MgО, которые находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgО) / (SiO2 + Al2O3) ≈ 1. В этом случае снижается или отпадает совсем потребность во флюсе, увеличивается подвижность доменных шлаков. В природе такие руды встречаются очень редко и называются самоплавкими.

Технология производства

Доменный процесс – это совокупность механических, физических и химико-физических процессов, которые протекают в функционирующей ДП. Загружаемые флюсы, руды и кокс в процессе плавки превращаются в чугун. С точки зрения химии, это окислительно-восстановительный процесс. По сути, из оксидов восстанавливается железо, а восстановители окисляются. Но процесс принято называть восстановительным, так как конечная цель – получить металл.

Основным агрегатом для реализации процесса плавки служит печь (шахтная). Крайне важно обеспечить встречное движение шихтовых материалов, а также их взаимодействие с газами, которые образуются во время плавки. Для улучшения процесса горения используется дополнительная подача кислорода, природного газа и водяного пара, что в совокупности называется дутьем.

Еще о доменном процессе

Кокс, поступающий непосредственно в горн, имеет температуру порядка 1 500 градусов. В результате в зоне горения образуется смесь газов температурой 2 000 градусов. Он поднимается в верх доменной печи и нагревает опускающиеся к горну материалы. При этом температура газа несколько понижается, примерно до 1700-1600 градусов.

Шихта грузится в колошник порционно. Распространение в ДП происходит слоями. Обычно загружают одну порцию в 5 минут. Перерыв нужен для освобождения места в колошнике. Науглероживание проходит еще в твердом состоянии железа, после температура падает до 1 100 градусов. В этот период заканчивается восстановление железа и начинается окисление кремния, марганца и фосфора. В результате мы имеем науглероженное железо, которое содержит не более 4% углерода. Оно плавится и стекает в горн. Туда же попадает и шлак, но так как удельные массы материалов различные, то они не соединяются. Через чугунную летку выпускают чугун, а через шлаковые летки – шлак. В принципе, это и вся технология производства, описанная вкратце. Сейчас рассмотрим еще один интересный вопрос.

Основные марки чугуна

Чугун – сплав железа с углеродом. Содержание последнего элемента не должно быть меньше 2,14%. Помимо этого, присутствуют и другие элементы, такие как кремний, фосфор, сера и др. Углерод обычно находится или в связанном состоянии (цементит), или же в свободном (графит). Чугун можно поделить на следующие виды:

• Литейный – имеет маркировку Л1-Л6 и ЛР1-ЛР7.
• Передельный чугун – маркируется как П1 и П2. Если материал предназначается для отливок, то это ПЛ1 и ПЛ2. Металл с большим содержанием фосфора обозначается как ПФ1,ПФ2, ПФ3. Помимо этого, есть и высококачественный передельный чугун – ПВК1, ПВК2 и ПВК3.
• Серый – СЧ10, СЧ15, СЧ20,СЧ25, СЧ30 и СЧ35.
• Ковкий чугун – КЧ30-6, ЧК45-7,КЧ65-3 и др. Если после букв стоят цифры, то они обозначают временное усилие на разрыв.
• Легированный чугун, имеющий специальные свойства, обозначается буквой «Ч»;
• Антифрикционный (серый) – АЧС.

Можно говорить о том, что любой вид чугуна имеет свое дальнейшее назначение. К примеру, передельный используется для переделки в сталь и для производства отливок. В это же время марки ПЛ1 и ПЛ2 отправятся в литейный цех, а П1 и П2 будут использованы в сталеплавильном производстве.

Химия и производство чугуна и стали

Среди многих материалов, используемых человеком, особая роль принадлежит чёрным металлам

, то есть
сплавам железа с углеродом и другими элементами
.

Читайте также: Рейка нивелирная: ее разновидности и сфера применения

Первое железо, которое добыл человек, было неземным. Метеориты, падающие на Землю, имели железную или железо-никелевую основу.

Древние люди считали железо подарком Богов, так как оно приходило с неба и превосходило по прочности многие известные тогда материалы.

Спустя столетия люди поняли, что железо лежит под его ногами, но в чистом виде оно не встречается. Его получение – это сложный технологический процесс.

Древние металлурги в горнах выплавляли сталь

, при этом получали ещё и
чугун
. Чугун они называли «свинским железом» (свиньёй, или чушкой), так как он был очень хрупок и не поддавался ковке.

Но затем поняли, что при повторном плавлении чугун превращается в сталь, так как лишний углерод при этом выгорает.

И только в 14 веке было создано устройство – доменная печь

, в которой и началось производство чугуна.

В 30-х годах и в послевоенные годы в Советском союзе увеличилось производство доменных печей.

Для производства чугуна

необходима
железная руда
,
кокс
и
флюсы
. Из железных руд промышленное значение имеет
красный железняк
, содержащий 60-70% оксида железа три и
магнитный железняк
, в котором 55-60% железной окалины.

По запасам железных руд Россия занимает ведущее место. Железные руды залегают на Урале, в Курской области, Западной Сибири и других местах.

Основную массу железной руды получают в России открытым способом. В открытых карьерах руду добывают взрывным способом. Для этого бурят скважины, закладывают взрывчатое вещество и производят взрыв.

Читайте также: Как проверить мосфеты на материнской плате: Как проверить мосфет мультиметром не выпаивая — Moy-Instrument.Ru – Как проверить полевой транзистор не выпаивая его.

Раздробленную руду доставляют на обогатительную фабрику, здесь её измельчают и обогащают, то есть рудный материал и пустую породу разделяют и получают концентрат – продукт с повышенным содержанием оксидов железа

Затем концентрат смешивают с флюсами, известняком или доломитом, а также коксом. Все компоненты перемешивают и затем спекают для выгорания серы и разложения известняка. Полученный таким образом материал – шихта

поступает на рудный двор доменного цеха, который представляет собой сложный комплекс различных сооружений: там есть доменная печь, литейный двор, воздухонагреватели и другие.

Специальная скиповая тележка (вагонетка) подаёт шихту в воронку доменной печи. В нижней части печи установлены фурмы для подачи нагретого воздуха. За одну минуту в печь вдувается более шести тысяч кубических метров воздуха.

Воздух предварительно нагревается в воздухонагревателях – регенераторах.

Доменная печь

– это аппарат длительного действия.

Она непрерывно работает в течение нескольких лет. Сверху печи – шихта, а снизу раскалённые газы. Температура здесь постепенно повышается, и создаются условия для восстановления железа. В нижней части домны кислород воздуха реагирует с углеродом кокса с выделением большого количества тепла.

Образовавшихся оксид углерода четыре взаимодействует с раскалённым коксом и превращается в оксид углерода два, который используется в качестве восстановителя железа из его оксидов.

Для ускорения восстановления в печь добавляют природный газ, содержащий метан. При его горении образуется углекислый газ и вода. Оксид углерода четыре и водяной пар реагируют с углеродом кокса и доменный газ обогащается восстановителями: оксидом углерода два и водородом. Сейчас доменный газ используют в качестве топлива – электроэнергии

Восстановление железа

начинается при температуре 300 градусов по Цэльсию. Сначала из оксида железа три образуется железная окалина.

Затем окалина восстанавливается до оксида железа два.

А из оксида железа два получают восстановлением металлическое губчатое железо.

Губчатое железо постепенно опускается в зону температуры 1100 градусов по Цэльсию, где оно расплавляется. Часть этого железа реагирует с углеродом и превращается в карбид железа.

Карбид железа и углерода растворяются в жидком железе. Кремний, марганец, фосфор и сера, которые получаются из оксидов, растворяются в расплавленном железе и образуется жидкий чугун

–
сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой
.

За сутки доменная печь потребляет 68 вагонов коксованного угля и 220 вагонов железной руды.

Жидкий чугун скапливается в горне. Из чугуна выливают крупные массивные детали, трубы, большая часть чугуна идёт на производство стали.

Читайте также: Схема подключения кнопки перфоратора макита hr2450

Например, в Новолипецком металлургическом комбинате производят более трёх с половиной миллионов тонн чугуна в год. На производство этого комбината было потрачено столько металлоконструкций, что из них можно было бы соорудить 10 Эйфелевых башен.

Сталь можно получить несколькими способами.

Рассмотрим конверторный способ получения

.
Конвертер
имеет металлический кожух, а изнутри выложен огнеупорным кирпичом.

Через фурму подаётся воздух, обогащённый кислородом. Сначала в конвертер загружают металлолом, затем заливают жидкий чугун. Через желоб в конвертер поступает железная руда, известь, окалина.

Затем через фурму вдувается воздух, обогащённый кислородом. Температура при этом достигает 2400 градусов по Цэльсию. В производстве передела чугуна сначала окисляется железо, концентрация которого в чугуне больше, чем других веществ.

Оксид железа два, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод.

Газообразные продукты окисления удаляются, а остальные образуют шлак

. За 1 год можно получить около одного миллиона тонн шлака. Его хватило, чтобы обсыпать Московскую кольцевую автомобильную дорогу (МКАД).

Затем происходит выжигание углерода чугуна кислородом с образованием оксида углерода два.

После плавки преступают к выпуску металла. В расплаве ещё содержится оксид железа два, от которого сталь необходимо освободить. Для этого в жидкий металл добавляют раскислители. После выпуска стали шлак идёт на производство цемента, шлакоблоков, шлаковаты. Из стали изготавливают трубы, валы, стальные листы используют для кузовов автомобилей, из стали делают рельсы, балки, инструменты, подшипники.

Способ получения стали в мартэновских печах аналогичен. Мартэновская печь – крупное сооружение. Передняя стенка печи имеет окна, через которые подаётся шихта. В задней стенке есть отверстия для выпуска стали и шлака.

Для ускорения процесса плавки в мартэновскую печь вводится воздух, обогащённый кислородом. После полного расплавления шихты в печь вводят оставшуюся железную руду, которая вызывает интенсивное кипение. В период кипения металл освобождается от серы, уменьшается содержание углерода. Полученная сталь через жёлоб сливается в ковши. В процессе выплавки в металл вводят легирующие элементы.

Лучший способ получения стали осуществляется в электропечах.

Здесь применяют электроэнергию, что позволяет получать высокие температуры, в таких печах получают самую лучшую нержавеющую сталь. Электропечь имеет стальной кожух, а изнутри выложена огнеупорным кирпичом. Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным жёлобом. Основные элементы электропечи

– это электроды, которые могут опускаться и подниматься.

Шихту загружают сверху в печь. В шихту добавляют также известняк. Под действием высоких температур шихта плавится при температуре 3500 градусов по Цэльсию. Вводятся раскислители. По окончании правки металл разливают в ковши. Слитки стали раскатывают в листы нужной толщины и закатывают в рулоны.

Если весь чугун, произведённый в печи превратить в стальной лист, то получится такая полоса, которой можно обернуть Землю по экватору 20 раз.

Таким образом, получение чугуна и стали – сложный процесс, который состоит из множества стадий. Сырьём для получения чугуна и стали является железная руда. Основная масса чугуна идёт на производство стали. Сущность этого процесса заключается в уменьшении содержания углерода в чугуне. Сталь получают в конвертерах, мартэновских печах

или в
электропечах
.

Влияние различных соединений на свойства

Независимо от вида и марки чугуна есть ряд элементов, которые значительно влияют на его свойства и технические характеристики. В качестве примера возьмем серый чугун. Повышенное содержание кремния способствует понижению температуры плавления и значительно улучшает его технологические и литейные свойства. По этой простой причине в литейный цех обычно отправляют чугун с большим содержанием этого элемента. А вот марганец – это своего рода противоположность кремнию. Однако он является полезным химическим элементом, так как увеличивает прочность и твердость изделия.

Сера – одно из самых вредных включений, которое существенно снижает жидкотекучесть и тугоплавкость чугуна. Фосфор может оказывать как вредное влияние, так и полезное. В первом случае изготавливают изделия сложной формы, тонкостенные и не требующие большой прочности. А вот марки чугуна с большим содержанием фосфора недопустимо использовать в машиностроении, где нужно добиться большой прочности изделия.

Производство высокопрочного чугуна

При производстве высокопрочного чугуна большое место отводится науглероживанию железа. Чугун с такими характеристиками образуется, когда восстановленное в доменной печи из рудного материала железо принимает в себя много углерода и прочих элементов. Начало процесса науглероживания железа характеризуется его образованием в губчатом состоянии на участке печи, где действует температура до 500°С. Только что восстановленное железо выступает в качестве катализатора, способствующего распаду окиси углерода на два компонента: двуокись и сажистый углерод. В итоге распада окиси углерода от температуры 550-650°С получаются карбиды железа, прочих металлов. Наделенный особой активностью, сажистый углерод активно вступает в химическое взаимодействие с частицами железа.

При температуре в 1000°С и больше карбид железа распадается на железо с углеродом. С ростом количества углерода температура в процессе плавления становится существенно ниже. Так, чистое железо расплавляется при температуре от 1539°С, а сплав его с углеродом способен плавиться уже от 1147°С. Плавление сплава происходит в зонах доменных печей, где действуют высокие температуры, то есть внизу шахты. Образующийся жидкий сплав и есть чугун. При стекании вниз он, омывая раскаленные части кокса, еще больше науглероживается.

Науглероживание металла завершается ниже уровня шлаковой летки – в металлоприемнике. Здесь на соотношение углерода с металлом оказывает влияние содержание других компонентов. Итоговое наполнение углеродом при производстве серого чугуна, например, может зависеть от стойкости карбидов, которая в большой степени определяется содержащимися в чугуне примесями. Например, примесь марганца способствует науглероживанию металла, так как он входит в состав карбида, растворяющегося в чугуне. Аналогичное действие оказывают ванадий, хром, титан. Кремний с фосфором или сера препятствуют образованию карбидов. Из-за этого ферромарганец и зеркальные чугуны всегда содержат больше углерода, чем чугуны передельные, ферросилиций или полученные в литейном производстве чугуны.

В ходе плавления восстанавливается не только само железо, но и ряд различных элементов, находившихся в рудной массе. В составе шихтовых материалов в печи, помимо окислов железа, поступают еще окислы и отдельные химические элементы, такие как марганец, хром, ванадий, титан, свинец, медь, цинк, мышьяк и др. Они в полностью или частично восстановленном виде вместе с частицами серы попадают в чугун и влияют на его свойства в худшую или в лучшую сторону. В основах производства чугуна считается, что чаще всего ценными примесями служат кремний с марганцем, а вредоносными – сера с фосфором.

Наличие в чугуне серных компонентов можно уменьшить до оптимального предела путем внедоменного обессеривания. Если выдержать чугун с 2% марганца в ковше-чугуновозе или миксере, то некоторый объем серы в различных ее соединениях с марганцем перейдет из состава металла в шлак. Это возможно благодаря уменьшению растворяемости данного соединения в металлах от снижения температуры. Подобное обессеривание в ковше чугуна может достичь 60%. Кроме этого существуют еще методы внедоменного обессеривания чугунов. В производствах чугуна в мире довольно часто в этих целях используют обессеривающие присадки, такие как известь, кальцинированная сода или металлический магний.

Про науглероживание железа

Восстановленное в ДП железо поглощает в себя самые различные химические элементы и углерод в том числе. Как результат, образуется полноценный чугун. Как только он появляется в твердой форме, сразу же начинается его науглероживание. Сам процесс заметен при относительно невысоких температурах в 400-500 градусов. Кроме того, стоит отметить, что чем больше углерода в составе железа, тем ниже температура плавления. Однако когда металл находится уже в жидком состоянии, процесс протекает несколько интенсивней. Нужно понимать, что после того, как в чугуне будет окончательное количество углерода, изменить это уже будет невозможно. Такие элементы, как марганец и хром, способствуют увеличению содержания углерода, а кремний и фосфор уменьшают его количество.

Немного о литейном производстве

Литье известно человеку уже довольно давно, примерно несколько тысяч лет. Это технологический процесс, позволяющий получить заготовку необходимой формы. Обычно таким способом изготавливают только фасонные детали и заготовки. Суть метода заключается в том, что расплавленный металл или другой материал (пластмасса) выливается в форму, полость которой имеет необходимую конфигурацию будущей детали. Через некоторое время металл застывает и получается заготовка. Она проходит механическую обработку, которая заключается в улучшении качества посадочных поверхностей, получении необходимой шероховатости и т.п. Интересно то, что литейное производство чугуна для промышленного оборудования осуществляется в земле. Для этого изготавливается разовая песчаная форма и подбирается соответствующее оборудование.

Железный век

Историки утверждают: добыть железо было куда проще, чем медь или олово. Все дело в том, что она встречается в виде окиси и закиси повсеместно. Так почему люди не начали применять железо раньше? Ответ прост: производство этого металла – процесс невероятно сложный и трудоемкий, проходящий в несколько этапов. На изучение данного процесса потребовалось не одно столетие развития. Потому неудивительно, что металлурги тех времен в народе считались настоящими колдунами, горящими магические вещи.

Еще кое-что интересное

Стоит обратить ваше внимание на то, что литейное производство использует металл, который был получен в доменной печи. По сути, при вторичной плавке получают изделия с требуемыми свойствами, которые изменяются в плавильной печи. В это же время отливки, химический состав которых оставляют неизменным в литейном производстве, изготавливают крайне редко. В частности это касается чугуна. Когда нужно получить деталь из черного металла, помимо чугуна, в печь загружают ряд модификаторов, флюсов, раскислителей, а также стальной лом и штыковой чугун. Последний нужен для получения стальных и чугунных отливок. Сам же процесс производства чугуна мало чем отличается от доменного производства.

Классификация чугунов

Разновидности чугуна классифицируют по разным параметрам. С учетом назначения и химического состава различают чугуны:

• высокопрочные, способные заменять сталь. Изготавливаются из серого чугуна и специальных добавок;
• ковкие. Получаются из белого чугуна в процессе термообработки. Обладают высокой пластичностью, стойкостью к растяжению и ударным нагрузкам;
• легированные. Содержат никель, титан, серу, хром. Отличаются прочностью и долговечностью. Используются для изготовления деталей машин;
• специальные. Содержат повышенное количество марганца и кремния. Используются для плавки стали, удаления вредных примесей.

Источник https://esychev.github.io/MaterialsScienceMCW/chapters/chapter_6/chapter6.html

Источник https://seventools.ru/faq/osobennosti-proizvodstva-chuguna.html