1. Горение топлива
СО2+С=2СО
2. Восстановление
железа:
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2↑
Fe3O4+CO=3FeO+CO2↑
FeO+CO=Fe+CO2↑
3. Шлакование вредной
примеси серы:
CaCO3=CaO+CO2↑
CaO+SiO2=CaSiO3
Все три реакции носят, естественно, положительный
характер, желательны. Однако из-за наличия большого
количества углерода (кокс) и высокой температуры
происходит нежелательное насыщение железа
углеродом Ре , вследствие чего в домне
получается не железо или сталь, а чугун.
В результате в доменного
переделе получают:
1. Передельный чугун, выпускают
в утепленных сосудах (термосы) (по железнодорожной
ветке) и перемещают в сталеплавильные
цехи, где чугун заливают в печи для выплавки стали.
2. Чушковый чугун заливают в металлические
формы; в дальнейшем служит материалом
для получения фасонных отливок на машиностроительных
заводах.
3. Колошниковый газ используют в качестве топлива, например
в кауперах, стоящих рядом с домной и служащих
для нагрева доменного дутья.
4. Доменный шлак применяют например, для
получения шлакоблоков, цемента, шлаковаты.
5. Ферросплавы (ферросилиций и
ферромарганец) — для раскисления стали.
Домна в год может производить
до 4 млн т чугуна, удельный расход кокса
— около 0,4 т на 1 тонну чугуна. Коэффициент использования полезного
объема печи (КИПО), равный отношению полезного
объема домны к среднесуточной производительности,
обычно имеет значение, равное 0,56.
В связи с дефицитностью
кокса, повышением капиталоемкости доменных
печей, трудностями получения качественной
стали из чугуна, необходимостью уменьшения
количества вредных выбросов в атмосферу
имеется потребность в замене доменного
производства бескоксовой металлургией.
Восстановление железа из окислов руды
производится в шахтных печах восстановительньгм газом,
получаемым обработкой природного газа
паром и содержащим СО и H2. Продукцией
являются металлизированные материалы, подразделяемые на шихту
для доменного (70-85 % Fе), или сталеплавильного
(90-98 % Fе) производства, а также продукт
для производства железного порошка
(99% Fе).
4.3. Марки чугуна
Чугун представляет собой сплав железа ( Fe ) c углеродом ( С ) и другими примесями.
Обычное содержание углерода ( С ) составляет
более 2 %. Чаще всего в технике применяют
чугун с содержанием С (3 - 3,5) %. Содержание
основных примесей достигает следующих
пределов:
Кремний ( Si) - до 4 % ; Марганца (
Мп) - до 1,50 % ;
Фосфора ( Р ) - до 1 % ; Серы ( S ) - до
0,15 %.
Углерод (С) В чугуне
может находиться в виде химического соединения
-цементита (Fe3C), такие чугуны
называютсябелыми, или в
свободном состоянии, в виде графита -
в этом случае чугуны называются серыми. В белых
чугунах С содержится до 4 %, в серых (2,5 -
3,5) %.
Благодаря хорошим технологическим
свойствам (литейным. и обрабатываемости
резанием), относительно невысокой
стоимости, чугун является наиболее распространенным
материалом для отливок.
На свойства чугуна оказывает
значительное влияние наличие постоянных
примесей. Эти примеси делятся на вредные - S, P,
О2, N2, Н2 и полезные - Si, Мп
и др.
Углерод (С) определяет структуру и свойства
чугуна. С повышением процентного содержания
С ухудшаются механические свойства, что
объясняется увеличением количества включений
графита, ослабляющего металлическую
основу чугуна, но вместе с тем повышающего
литейные свойства.
Si - является графитообразуюшей примесью.
Способствуя выделению графита, он обуславливает
так же рост его пластинок, что ухудшает качество отливок.
Поэтому количество Si должно быть ограничено.
Мn - влияет в обратном
направлении, повышение его содержания
ускоряет охлаждение и вызывает отбеливание
чугуна, т.е. увеличивает количество цементита
и способствует более мелким выделениям
графита. Мп также увеличивает усадку ихрупкость чугуна.
S - ухудшает качество
чугуна, понижает жидкотекучестъ,
увеличивает усадку, вызывает хрупкость и склонность
к образованию трещин.
Р - почти не влияет на структуру
чугуна, т.к. не ускоряет и не замедляет
процесс графитообразования. Твердостьчугуна
от присутствия Р повышается, а вязкость значительно
уменьшается. Следовательно
Р ухудшает механические свойства, но улучшает
литейные, потакает температуру плавления.
Процесс графитизации зависит
от условий отливки чугуна - скорости охлаждения
и химического состава чугуна.
Изменяя скорость охлаждения
можно, при одном и том же химическом составе,
получить структуру как белого, так и серого
чугуна. Высокая скорость способствует
образованию цементита, замедленное охлаждение
вызывает выделение С в виде графита. При быстром охлаждении распад
цементита не успевает произойти и образуется белый чугун, примедленном охлаждении цементит
успевает распадаться и образуется серый чугун. Существенное
влияние на устойчивость цементита и образование
белого чугуна оказывают Мп, Сг, Мо. Устойчивость
цементита уменьшается при наличии Si, Ni,AI,
что способствует получению серого чугуна.
В зависимости от химического
состава и условий кристаллизации образуются
различные формы графита -пластинчатый, шаровидный и хлопьевидный, чем
и определяется образование различных
видов чугунов, приведенных на рис. 36.
Виды чугунов, применяемых для
производства отливок
Белый
чугун назван по виду излома. Структура
белого чугуна содержит избыточное количество
цементита. Он обладает очень высокой
твердостью, хрупкостью и высокой трудоемкостью
механической обработки. Применяется
для получения ковкого чугуна. Основная
же масса его используется для получения
стали и называется он передельным.
Серый чугун. Характеризуется
тем, что большая часть С находится в свободном
состоянии в виде пластинчатого графита,
чем и определен серый цвет излома. Графит
обладает низкими механическими свойствами,
он нарушает сплошностьметаллической
основы и действует как надрез или мелкая
трещина. Располагаясь между зернами металлической
основы графит ослабляет связь между ними.
Поэтому серый чугун плохо сопротивляется
растяжению и имеет очень низкие значения
пластичности и вязкости. Однако графит
оказывает и положительные влияния на
свойства чугуна - он повышает износостойкость,
действуя как смазка, облегчает обрабатываемость
резанием, делает стружку ломкой, способствует
гашению вибраций изделия.
Механические свойства серого
чугуна можно улучшить, если получить
в отливках равномерно распределенный
мелко пластинчатый графит. Это достигается
модифицированием, которое заключается
в ведении в чугун перед его заливкой в
форму небольшого количества силикокальция или
ферросилиция (Si + Ca; Si + Fe ). Эти добавки образуют
дополнительные центры графитизации, чем
и обусловлено появление мелкозернистого, мелкопластинчатого графита.
Такой чугун называется модифицированным.
Он отличается более высоким сопротивлением
разрыву, чем обычный серый чугун, но пластичность
и вязкость его не улучшаются.
Высокопрочный
чугун. Основной особенностью этого
вида чугуна является то, что графит имеет
шаровидную форму. Получают этот чугун из обычного
серого, путем введения в жидкий чугун
перед его разливкой небольшого количества
магния (Мг) в пропорции ( 0,5 - 1,0 ) % от веса
чугуна и ферросилиция.
Такая форма графита благоприятней
пластинчатой, так как при этом значительно
меньше нарушается сплошностьметаллической
основы. Такой чугун обладает сравнительно высокой прочностью при
достаточной пластичности ивязкости. Детали
из этого чугуна могут работать в условиях
трения, так как обладают высокой износостойкостью.Высокопрочный
чугун лучше сохраняет свою прочность
при нагреве и поэтому может применяться
для работы при температурах до 400 °С, в
то время как серый чугун выдерживает
температуру не выше 300 °С.
По сравнению со сталью обладает
большей износостойкостью, лучшими антифрикционными иантикоррозийными свойствами,
лучшей обрабатываемостью
резанием.
Ковкий чугун. Ковкий
чугун отличается от других видов чугунов
наличием в структуре графита хлопьевидной
формы, которую получают путем термической
обработки (ТО) белого чугуна. Его нагревают
до (950 – 1000)°С, выдерживают и охлаждают
с малой скоростью. При этом происходит
разложение цементита белого чугуна с
образованием хлопьевидного графита.
Такая форма графита снижает механические
свойства. Ковкий чугун обладает большей
прочностью и повышенной пластичностью,
от которой он и получил условное название
ковкий, но ковке, в прямом понимании слова,
не подвергается. Применяется чугун в основном
для небольших отливок, сечением не более
50 мм, в условиях динамических нагрузок.
Конкурентом является высокопрочный чугун,
у которого аналогичные свойства получают
при меньшей сложности технологического
процесса
4.4. Производство
стали
Задачей сталеплавительного процесса
является уменьшение в сплаве содержания
углерода и примесей – кремния, марганца,
серы и фосфора, а также повышенными механическими
свойствами. Процесс получения стали из
чугуна заключается в уменьшении содержания
углерода путем его окисления (выгорания)
и примесей, которые переходят в шлак.
Сталь выплавляют из предельного чугуна
и стального лома в конвертерах, мартеновских и электрических печах.
Выплавка
стали в конвертерах заключается в том, что через
расплавленный чугун или лом металлов,
находящийся в конвертере, продувается
воздух под давлением. Кислород воздуха,
взаимодействуя с углеродом и примесями
чугуна, окисляет и превращает их в газ
и шлак, при этом чугун превращается в
сталь.
Конвертер с воздушным дутьем
(рис. 4,а) представляет собой стальной
кожух 2, выложенный изнутри огнеупорным
кирпичом 5. С помощью поворотного устройства
1 конвертер может быть установлен в вертикальное
или наклонное положение. Конвертер заливают
чугуном через горловину 4. При этом конвертер
находится в наклонном положении (рис.
4,б). После заливки конвертер устанавливают
вертикально (рис. 4,в) и через воздушную
коробку б и отверстия 3 в днище продувают
воздух под давлением 2 – 2,5 кгс/см2. В конце
плавки конвертер переводят в наклонное
положение (рис. 4,г) и выпускают сталь через
горловину. Емкость конвертеров обычно
составляет 10 – 70 т. Продолжительность
одной плавки 15 – 20 минут.
Если перерабатываемый чугун
содержит много кремния, то выплавку стали
в конвертерах производят побессемеровскому
способу, который был впервые предложен
в 1856 г. англичанином Генри Бессемером.
В этом случае в качестве огнеупорного
материала применяют динасовый кирпич,
который не разъедается кислыми шлаками,
образующимися при переработке кремнистых
чугунов. Тепло получается за счет реакции
окисления кремния. При повышении температуры
железо окисляется, а углерод выгорает.
Присутствие в стали закиси железа отбирают
кислород. Для этого в конце плавки в конвертер
вводят определенное количество ферромарганца, ферросицилия и
алюминия. Этим способом можно перерабатывать
чугуны, содержащие мало фосфора и серы.
При большом содержании в чугуне
фосфора и серы выплавку стали в конвертерах
производят по томасовскому способу, который
был впервые предложен англичанином Сидней
Томасом в 1878 г. В качестве огнеупорного
материала используют доломитовый кирпич,
который не разъедается флюсом (окисью
кальция), необходимым для переработки
фосфористых чугунов. Во время плавки
в конвертер засыпают обожженную известь,
которая превращает фосфор в шлак.
Рисунок 4 - Конвертер с воздушным
дутьем: а – схема устройства, б – заливка
чугуна, в – продувка, г – выпуск стали;
1 – реечное поворотное устройство, 2 –
стальной кожух, 3 – отверстия в днище,
4 – горловина, 5 – огнеупорный кирпич,
6 – воздушная коробка.
Преимущества конвертерного
способа — простота устройства конвертера,
высокая производительность и отсутствие
необходимости в топливе, так как тепло
выделяется за счет окисления примесей
чугуна. Однако этот способ имеет и ряд
недостатков. Во-первых, выплавляемая
сталь содержит повышенное количество
окиси железа и азота, что ухудшает ее
качество. Во-вторых, происходит большой
угар (уменьшение массы) металла за счет
окисления. И, в-третьих, выплавлять сталь
можно только из жидкого чугуна.