Сталь і чавун

Виробництво железа.

Одержання заліза з залізної руди виробляється у стадії. Воно починається з підготовки руды-измельчения і нагрівання. Руду подрібнюють на шматки діаметром трохи більше 10 див. Потім подрібнену руду прокаливают видалення води та летючих примесей.

У другий стадії залізну руду відновлюють до заліза з допомогою оксиду вуглецю в доменної печі. Відновлення проводиться при високих температурах порядку 700 °С:

На підвищення виходу заліза цей процес проводиться за умов надлишку діоксиду вуглецю СО2.

Моноксид вуглецю ЗІ утворюється в доменної печі з коксу та повітря. Повітря спочатку нагрівають приблизно до 600 °З повагою та нагнітають в піч через особливу трубуфурму. Кокс згоряє в гарячому стиснутому повітрі, створюючи діоксид вуглецю. Ця реакція экзотермична і підвищення вище 1700°С:

Діоксид вуглецю піднімається угору меча у печі реагує з новими порціями коксу, створюючи моноксид вуглецю. Ця реакція эндотермична:

Залізо, образующееся за відновлення руди, забруднене домішками піску і глинозему (див. вище). Для їх видалення в піч додають вапняк. При температурах, що у печі, вапняк піддається термическому розкладанню із заснуванням оксиду кальцію і діоксиду углерода:

Оксид кальцію сполучається з домішками, створюючи шлак. Шлак містить силікат кальцію і алюминат кальция:

Залізо плавиться при 1540 °З. Розплавлене залізо разом із розплавленим шлаком стікають в нижню частина печі. Розплавлений шлак плаває лежить на поверхні розплавленого заліза. Періодично з печі випускають на відповідного рівня кожен із слоев.

Доменна піч працює цілодобово, у безперервному режимі. Сировиною для доменного процесу служать залізна руда, кокс і вапняк. Їх постійно завантажують в піч через верхню частина. Залізо випускають із печі чотири рази на добу, через рівні інтервали часу. Воно виливається з печі вогненним потоком за нормальної температури порядку 1500 °C. Доменні печі бувають різного розміру й продуктивності (1000−3000 тонн на добу). У є певні печі нової конструкції з чотирма випускними отворами і безперервним випуском розплавленого заліза. Такі печі мають продуктивність до 10 000 тонн на сутки.

Залізо, виплавлене в доменної печі, розливають у пісочний изложницы. Таке залізо називається чавун. Зміст заліза в чавуні становить близько 95%. Чугун є тверде, але крихке речовина з температурою плавлення близько 1200 °C.

Лите залізо отримують, сплавляючи суміш чавуну, брухту й почав із коксом. Розплавлене залізо розливають у форми і охлаждают.

Зварювальне залізо є найбільш чисту форму технічного заліза. Його отримують, нагріваючи неочищене залізо з гематитом і вапняком в плавильної печі. Це підвищує чистоту заліза приблизно до 99,5%. Його температура плавлення підвищується до 1400 °З. Зварювальне залізо має велику міцність, гнучкість і тягучість. Проте задля багатьох застосувань його заміняють низьковуглецевої сталлю (див. ниже).

Хімічні реакції при виплавці чавуну з залізної руды.

У основі виробництва чавуну лежить відновлення заліза з його окислів окисом углерода.

Відомо, що окис вуглецю можна було одержати, діючи киснем повітря на розжарений кокс. У цьому спочатку утворюється двоокис вуглецю, яка за високої температурі відновлюється вуглецем коксу в окис углерода:

Відновлення заліза з окису заліза відбувається поступово. Спочатку окис заліза відновлюється до закиси-окиси железа:

Далі закись-окись заліза відновлюється в закис железа:

і, нарешті, з закису заліза відновлюється железо:

Швидкість цих реакцій із підвищенням температури, зі збільшенням в руді вмісту заліза і із зменшенням розмірів шматків руди. Тож ведуть при високих температур, а руду попередньо збагачують, подрібнюють, уривки сортують по крупности: в шматках однакового розміру відновлення заліза відбувається поза один і той водночас. Оптимальні розміри шматків руди і коксу від 4 до 8—10 див. Дрібну руду попередньо спекают (агломерируют) шляхом нагрівання до високої температури. У цьому з руди видаляється більшість серы.

Залізо відновлюється окисом вуглецю практично цілком. Одночасно частково відновлюються кремній і марганець. Відновлене залізо утворює сплав з вуглецем коксу. кремнієм, марганцем, та сполуками, сірки і фосфору. Цей сплав—жидкий чавун. Температура плавлення чавуну значно нижчі від температури плавлення чистого железа.

Порожня порода і зола палива також мають бути розплавлені. Для зниження температури плавлення у складі «плавильних» матеріалів вводять, крім руди і коксу, флюси (плавні) — здебільшого вапняк СаСО3 і доломіт CaCO3? МgСО3. Продукти розкладання флюсів при нагріванні утворюють з речовинами, входять до складу порожній породи і золи коксу, з'єднання з нижчими температурами плавлення, переважно силікати і алюмосиликаты кальцію і магнію, наприклад, 2CaO? Al2O3?SiO2, 2CaO? Mg0?2Si02.

Щодо хімічного складу сировини, що надходить на переробку, іноді коливається в межах. Щоб вести процес за постійних і найкращих умовах, сировину «усредняют» за хімічним складом, т. е. змішують руди різного хімічного складу в певних вагових відносинах й отримують суміші постійного складу. Дрібні руди спекают разом із флюсами, одержуючи «офлюсованный агломерат». Застосування офлюсованного агломерату дає можливість значно прискорити процесс.

Виробництво стали.

Стали поділяються на два типу. Углеродистые стали містять до $ 1,5% вуглецю. Леговані стали містять як невеликі кількості вуглецю, але й спеціально запроваджувані домішки (добавки) інших металів. Нижче докладно розглядаються різні типи сталей, їх властивості і применения.

Кислородно-конвертерный процес. Останніми десятиліттями виробництво сталі революционизировалось внаслідок розробки киснево-конвертерного процесу (відомого ж під назвою процесу Линца-Донавица). Цей процес відбувається почав застосовуватися у 1953 р. на сталеплавильних заводах у двох австрійських металургійних центрах-Линце і Донавице.

У кислородно-конвертерном процесі використовується кисневий конвертер провідною футеровкой (кладкою). Конвертер завантажують в похилому становищі розплавленим чавуном з плавильної печі і брухтом, потім повертають в вертикальне становище. Після цього, у конвертер згори вводять мідну трубку з водяником охолодженням і крізь неї направляють на поверхню розплавленого заліза струмінь кисню з додатком порошкоподібної винищити (СаО). Ця «киснева продування», що триває 20 хв, призводить до інтенсивному окислювання домішок заліза, причому вміст конвертера зберігає ліквідність завдяки виділенню енергії при реакції окислення. Які Утворюються оксиди поєднано з аналітичними вапном і перетворюються на шлак. Потім мідну трубку висувають і конвертер нахиляють, щоб злити потім із нього шлак. Після повторної продувки розплавлену сталь виливають з конвертера (в похилому становищі) в ковш.

Кислородно-конвертерный процес використовується головним чином заради отримання вуглецевих сталей. Він характеризується великий продуктивністю. За 40−45 хв щодо одного конвертере то, можливо отримано 300−350 т стали.

Нині всю сталь у Великобританії й більшу частину стали в усьому світі одержують з допомогою цього процесса.

Електросталеплавильний процес. Електричні печі використовують головним чином заради перетворення сталевого і чавунного брухту на високоякісні леговані стали, наприклад, у нержавіючу сталь. Електропіч є круглий глибокий резервуар, викладений огнеупорным цеглою. Через відкриту кришку піч завантажують металобрухтом, потім кришку закривають і крізь що у ній отвори опускають в піч електроди, поки вони надійдуть у зустріч із металобрухтом. Після цього включають струм. Між електродами виникає дуга, у якій розвивається температура вище 3000 °З. Під час такої температурі метал плавиться й утворюється нова сталь. Кожна завантаження печі дозволяє їм отримати 25−50 т стали.

Сталь виходить з чавуну під час видалення потім із нього більшу частину вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору і сірки. І тому чавун піддають окислительной плавленні. Продукти окислення виділяються в газоподібному стані й вигляді шлака.

Оскільки концентрація заліза в чавуні значно вища, ніж в інших речовин, то спочатку інтенсивно окислюється залізо. Частина заліза перетворюється на закис железа:

Реакція йде із тепла.

Закис заліза, змішуючись з расплавом, окисляє кремній марганець і углерод:

Si+2FeO=SiO2+2Fe.

Mn+FeO=MnO+Fe.

C+FeO=CO+Fe.

Перші реакцію экзотермичны. Як багато тепла виділяється при окислюванні кремния.

Фосфор окислюється в фосфорний ангідрид, який утворює з окислами металів сполуки, розчинні в шлаку. Але вміст сірки знижується незначно, і тому важливо, аби у вихідних матеріалах майже немає серы.

Після закінчення окисних реакцій в рідкому сплаві міститься ще закис заліза, від якої його потрібно звільнити. З іншого боку, необхідно довести до встановлених доз вміст у стали вуглецю, кремнію і марганцю. Тому до кінця плавки додають відновники, наприклад феромарганець (сплав заліза з марганцем) та інші звані «раскислители». Марганець реагує з закисью заліза і «сраскисляет» сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe.

Переділ чавуну в сталь ввозяться час в різний спосіб. Більше старим, применённым вперше у середині ХІХ ст. є спосіб Бессемера.

Спосіб Бессемера. У цій способу переділ чавуну в сталь проводиться шляхом продувания повітря через розплавлений гарячий чавун. Процес протікає без витрати палива рахунок тепла, выделяющегося при екзотермічних реакціях окислення кремнію, марганцю та інших элементов.

Процес проводиться в апараті, що називається на прізвище винахідника конвертером Бессемера. Він є грушоподібний сталевої посудину, футерованный всередині огнеупорным матеріалом. У дні конвертера є отвори, якими подається в апарат повітря. Апарат працює періодично. Повернув апарат в горизонтальне становище, заливають чавун і подають повітря. Потім повертають апарат в вертикальне становище. На початку процесу окислюються залізо, кремній і марганець, потім вуглець. Що Настає окис вуглецю згоряє над конвертером сліпучо яскравим полум’ям довжиною до 8 л. Полум’я поступово змінюється бурим димом. Починається горіння заліза. Це вказує, що період інтенсивного окислення вуглецю закінчується. Тоді подачу повітря припиняють, переводять конвертер в горизонтальне ситуацію і вносять раскислители.

Процес Бессемера має низку достоїнств. Він протікає нас дуже швидко (протягом 15 хвилин), тому продуктивність апарату велика. Для проведення процесу потрібно витрачати паливо чи електричну енергію. Але цього чином можна переробляти в сталь в повному обсязі, лише окремі сорти чавуну. До того ж значну кількість заліза в бессемеровском процесі окислюється і втрачається (великий «чад» железа).

Значним удосконаленням у виробництві сталі в конвертерах Бессемера є застосування продувкя замість повітря суміші його із чистим киснем («обогащённого повітря»), що дає змогу отримувати стали високого качества.

Мартенівський спосіб. Основним способом переділу чавуну в сталь в час мартенівський. Тепло, необхідне проведення процесу, виходить у вигляді спалювання газоподібного чи рідкого палива. Процес отримання сталі ввозяться полум’яною печі - мартенівської печи.

Домішки, які у шихті, окислюються вільним, киснем топочных газів і киснем, які входять у склад залізної руди, окалини і ржавчины.

Плавильне простір мартенівської печі є ванну, перекриту склепінням з вогнетривкої цегли. У передній стінці печі перебувають завантажувальні вікна, якими завалочные машини завантажують в піч шихту. У задній стінці перебуває отвір для випуску стали. З обох сторін ванни розташовані голівки з каналами для підвода палива й повітря і відводу продуктів горіння. Піч ёмкостью 350 т має довжину 25 метрів і ширину 7 м.

Мартенівська піч працює періодично. Після випуску сталі у гарячу піч завантажують у встановленій послідовності брухт, залізну руду, чавун, а ролі флюсу — вапняк чи вапно. Шихта плавиться. У цьому інтенсивно окисляються: частина заліза, кремній і марганець. Потім починається період швидкого окислення вуглецю, званий періодом «кипіння», — рух пухирців окису вуглецю через шар розплавленого металу створює враження, що він кипит.

Наприкінці процесу додають раскислители. За зміною складу сплаву старанно стежать, керуючись даними експрес-аналізу, що дозволяє з відповіддю склад сталі у протягом декількох хвилин. Готову сталь виливають в ковші. На підвищення температури полум’я газоподібне паливо й повітря попередньо підігрівають в регенераторах. Принцип дії регенераторів хоча б, як і воздухонагревателей доменного виробництва. Насадка регенератора нагрівається отходящими з печі газами, і коли він досить нагріється, через регенератор починають подавати в піч повітря. Саме тоді нагрівається інший регенератор. Для регулювання теплового режиму піч постачається автоматичними приспособлениями.

У мартенівської печі, на відміну конвертера Бессемера, можна переробляти як рідкий чавун, а й твёрдый, і навіть відходи металообробній в промисловості й сталевої брухт. У шихту вводять ще й залізну руду. Склад шихти можна змінювати в межах і виплавляти стали різноманітного складу, як углеродистые, і легированные.

Російськими ученими й експлуатаційниками сталеварами розроблено методи швидкісного сталеваріння, що б продуктивність печей. Продуктивність печей виражається кількістю стали, одержуваним з однієї кв. м площі пода печі в одиницю времени.

Виробництво сталі в електропечах. Застосування електричної енергії у виробництві сталі дає можливість досягати вищої температури і точніше її регулювати. Тож у електропечах виплавляють будь-які марки сталей, зокрема містять тугоплавкі метали — вольфрам, молібден та інших. Втрати легуючих елементів в електропечах менше, ніж у сусідніх печах. При плавленні з киснем пришвидшується плавлення шихти і особливо окислювання вуглецю в рідкої шихті, Застосування кисню дозволяє ще більше підвищити якість електросталі, позаяк у ній залишається менше растворённых газів і неметалевих включений.

У промисловості застосовують два типу електропечей: дугові і індукційні. У дугових печах тепло виходить внаслідок освіти електричної дуги між електродами і шихтою. У індукційних печах тепло виходить рахунок индуцируемого в металі електричного тока.

Сталеплавильні печі всіх типів — бессемеровские конвертери, мартенівські і електричні — є апарати періодичної дії. До вад періодичних процесів ставляться, як відомо, витрата часу на завантаження і розвантаження апаратів, необхідність змінювати умови принаймні течії процесу, труднощі регулювання та інших. Тому перед металургами поставлено завдання створення нової безперервного процесса.

Застосування як конструкційних матеріалів сплавів железа.

Деякі d-элементы широко йдуть на виготовлення конструкційних матеріалів, головним чином вигляді сплавів. Сплав-это суміш (чи розчин) будь-якого металу з однією або кількох іншими элементами.

Сплави, головною складовою яких служить залізо, називаються сталями. Вище ми вже казали, що це стали поділяються на два типу: углеродистые і легированные.

Углеродистые стали.

Тип стали Зміст вуглецю, % Применения.

Низкоуглеродистая 0,2 Загальне машинобудування: корпусу автомашин, дріт, труби, болти і гайки.

Среднеуглеродистая 0,3−0,6 Балки і ферми, пружины.

Высокоуглеродистая 0,6−1,5 Свердла, ножі, молотки, резцы.

Углеродистые стали. За змістом вуглецю ці сталі у своє чергу поділяються на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую і высокоуглеродистую стали. Твердість вуглецевих сталей зростає підвищенням змісту вуглецю. Наприклад, низкоуглеродистая сталь є тягучому і куванням. Її використав тому випадку, коли механічна навантаження немає вирішального значення. Різні застосування вуглецевих сталей зазначені у таблиці. Перед вуглецевих сталей доводиться до 90% всього обсягу виробництва стали.

Леговані стали. Такі стали містять до 50% домішки однієї чи кількох металів, найчастіше алюмінію, хрому, кобальту, молібдену, нікелю, титану, вольфраму і ванадия.

Нержавіючі стали перебувають у ролі домішок до залозу хром і нікель. Ці домішки підвищують твердість сталі та роблять її стійкою до корозії. Останнє властивість зумовлено освітою тонкого шару оксиду хрому (III) лежить на поверхні стали.

Інструментальні стали поділяються на вольфрамовые і марганцовистые. Додавання цих металів підвищує твердість, міцність і стійкість при високих температур (жаропрочность) стали. Такі стали йдуть на буріння свердловин, виготовлення ріжучих крайок металообробних інструментів, і тих деталей машин, які піддаються великий механічної нагрузке.

Крем’янисті стали йдуть на виготовлення різного електроустаткування: моторів, електрогенераторів і трансформаторов.

ТЕМА: Виробництво сталі і чавуну та їх застосування. Ковчегин Ігор 9б.