Основы производства чугуна и стали.

Общие сведения о металлах и сплавах.

Металл в качестве строительного материала человек стал использовать еще в древние времена (первые элементы из железа датируются периодом до нашей эры). Высокая прочность, пластичность, способность к обработке, эстетические характеристики металлов способствовали их широкому вовлечению в строительство. Кроме уникальных свойств высоким объемам использования способствовала распространённость металлов в природе их доступность, а также рентабельность их добычи и производства.

Металлам принадлежит ведущая роль в современном строительстве. Они становятся незаменимы когда необходимо снизить массу несущих элементов. Их часто используют для создания протяженных несущих конструкций. Они эффективно используются в мобильных домах, сборно-разборных сооружениях. Наконец, металлы применяют для создания особых, с эстетической точки зрения, архитектурных форм (открытая каркасная структура).

Следует отметить и технологические преимущества работы с металлами. Как уже говорилось выше, металлы хорошо обрабатываются (режутся, свариваются, сверлятся и др.). Благодаря этому повышается производительность работ. Как правило, монтаж металлических конструкций происходит на много быстрее и проще, чем железобетонных, так как для их производства не требуется особых условий (температура, защита от осадков и тп).

Все это обуславливает высокие объемы использования металлов в современном строительстве.

В настоящее время в большей степени применяют сплавы железа (чугуна и стали), алюминия и меди.Наибольшее применение имеют черные металлы, стоимость их значительно ниже цветных, однако последние обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и декоративностью. Наибольшее применение имеют конструкции из алюминия.

Основы производства чугуна и стали.

Железо и его сплавы называют черными металлами, остальные и их сплавы – цветными. Сплавы Fe с С, содержащие до 2.14 % называют сталью, содержащие больше 2.14 % С – чугуном.

Сырьем для получения черных металлов служат руды железа, марганца, хрома. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным

веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже – из доломита или известняка. Виды:

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановимость железа из руды хорошая.

Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов (25- 50%).

Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли (30-37 %). Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Чугун. Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах (рис. 1), выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м. Чугун получают в ходе процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом, при высокой температуре. (Кокс каменноугольный — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый коксованием каменного угля. Коксование это переработка угля без доступа кислорода с целью его отчистки от летучих примесей. Осуществляется при Т= 900-1050⁰ С в течение 10-12 ч). Кокс, сгорая, образует углекислый газ, при прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по схеме Fe₂O₃ →Fe₃O₄ → FeO → Fe_. Опускаясь в нижнюю часть печи железо, плавится в соприкосновении с коксом и частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится 93 % железа и 5 % углерода.

Рис. 1 Доменный процесс

Углерод содержится в чугуне в виде химического соединения, называемого цементит Fe₃С или в виде механической примеси – свободного графита. Чугун, содержащий углерод в виде цементита имеет белый излом, характеризуясь высокой прочностью и твердостью, пониженным содержанием Si. он мало пригоден для литейных целей и в основном перерабатывается в сталь. Данный чугун называют белым или предельным чугуном.

Чугун, содержащий углерод в виде свободного графита имеет серый излом, крупнозернистое строение и повышенное содержание Si. Благодаря наличию свободного углерода он обладает высокими литейными свойствами и легко обрабатывается инструментом. Он применяется в литейных целях и называется литейным.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают серый, высокопрочный и ковкий чугун. Высокопрочный чугун получают при введении в состав серого чугуна при его выплавке 0,03-0,7 % магния. Ковкий чугун получают длительным нагревом белого чугуна до полного распада ледобурита, аустенита и цементита и образования феррита и графита.

Таблица 1

Классификация чугуна в зависимости от формы графита

Вид чугуна	Форма графита	Обозначение марки
Серый	Пластинки	СЧ10, СЧ15, СЧ18…
Высокопрочный	Шаровидная	ВЧ35-22, ВЧ40-15, ВЧ100-2
Ковкий	Хлопьевидная	КЧ30-6*, КЧ33-8…

* 300 МПа временное сопротивление, 6% относительное удлинение.

 

Строительные материалы из чугуна. В строительстве серые чугуны используют в конструкциях, работающих на статическую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, балки, канализационные трубы и др.). Высокопрочный чугун, обладающий повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промзданий, фундаменты тяжелого оборудования, опоры железнодорожных и автомобильных мостов.

Другим направлением применения чугуна являются трубы. Канализационные трубы из чугуна выпускаются диаметром от 81 до 1048 мм с толщиной стенки от 7,4 до 24,8 мм (класс А). Согласно требованиям и нормам ГОСТ чугунные трубы лучше всего применять в зданиях, где создается нагрузка, существенно превышающая хозяйственно-бытовую, например:

- на предприятиях общественного питания или пищевой промышленности;

- на крупных фабриках-бойнях;

- на мясоперерабатывающих комбинатах;

- на фермах и прочих местах, где содержатся животные;

- в санаториях, где имеется выход минеральных или термальных вод;

- на объектах здравоохранения;

- в образовательных учреждениях;

- в непромышленных лабораториях и т.д.

 

Чугунные трубы канализационные имеют перед пластиковыми аналогами следующие преимущества:

- высокая прочность;

- хорошая стойкость к износу;

- шумоизоляция;

- пожаробезопасность;

- устойчивость к действию высоких и низких температур;

- низкое значение коэффициента растяжения.

Чугун обладает существенными недостатками – высокой плотностью и хрупкостью, что определяет ограниченность его применения в строительстве. По механической прочности он значительно уступает основному конструкционному металлическому материалу – стали.

 

Сталь. – сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твердость, снижая пластичность и вязкость.

Сталь получают из чугуна путем удаления из нее части углерода и примесей. Существует три способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.

В основе получения стали лежит окислительный процесс, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Окисление примесей осуществляется кислородом, содержащимся в газах и оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород (раскисление), вводят легирующие добавки и получают сталь заданного химического состава.

Конвертерный способ. Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь.

Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы. Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т. Перед заливкой чугуна конвертер поворачивают до горизонтального положения. В конвертер заливают чугун (0,7 – 1,25 % Si; 0,5 – 0,8 % Mn; 3,8 -4,4 % C; <0,065 P; <0,06% S) при температуре 1250 – 1300 ^оС. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье в течение 10 -15 мин. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо. При достижении необходимой концентрации углерода конвертер возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл выливают в ковш одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.

Общая длительность плавки составляет 20 -30 мин.

Рис. 2 Конвертер

 

Мартеновский способ. В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива (смесь доменного, коксовального и генераторного газа; природный газ; мазут) постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки (известь для удаления фосфора и серы, раскислители и др.) для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.

Продолжительность периодов завалки и плавления 5 – 6 ч.

Электроплавильный способ. В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые электропечи. Дуговые печи имеют емкость 30-80 т. В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 2000⁰ С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу и достигать высокого раскисления и дегазации металла.

Плавка состоит из периодов: 1) заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный период (в который происходит удаление фосфора, водорода, азота за счет кипения ванны); 5) восстановительный период (в который создаются условия для получения низких содержаний кислорода и серы, а также для ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара); 6) выпуск стали.

Классификация стали. По содержанию углерода сталь подразделяется на низкоуглеродистую (С < 0,25 %), среднеуглеродистую (С 0,25 – 0,60 %) и высокоуглеродистую (С 0,6- 2,14 %).

По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

а) конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и легированными.

б) топочная и котельная сталь – низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению;

в) сталь для железнодорожного транспорта – рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь;

г) подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1% С и 1,5% Cr, предъявляют очень высокие требования по содержанию неметаллических включений;

д) инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она содержит обычно значительное количество углерода, а также в ряде марок – значительное количество легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других.

Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорнопружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и другие.

По степени раскисления (перевод растворенного в металле кислорода в нерастворимое состояние и удаление кислорода из металла) сталь разделяется на спокойную (раскисленную, из которой кислород удален), кипящую (не проводилось раскисление) и полуспокойную (кислород удален из стали частично).

Спокойная, потому что при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться и металл будет бурлить (кипящая).

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд примесей Mn,Si, S, P,O, N, H. При содержании С в стали более 1-2% её твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается.

Кремний (содержится 0.35-0.4 %) повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной деформации – штамповке. Марганец (0.5-0.8 %) повышает прочность и уменьшает хрупкость при высоких температурах.

Сера – повышает хрупкость при высоких температурах, снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Её количество ограничивают 0.035-0.06 %

Фосфор является вредной примесью 0.025-0.08.

Азот повышает порог хладноломкости, уменьшает ударную вязкость и предел выносливости стали.

Особенно вреден водород. Он не только охрупчивает, но и приводит к образованию трещин.

Свойства стали: плотность стали: 7700—7900 кг/м³, удельная теплоемкость при Т=20⁰ С 462 Дж/(кг·°C); Температура плавления 1450-1520 ⁰ С; коэффициент теплопроводности 15,5 – 54,5 Вт/м К (в зависимости от состава).

Основными способами модифицирования структуры и свойств стали:

- введение в расплавленный металл веществ, образующих тугоплавкие соединения (карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AIN, оксиды – (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃), являющиеся центрами кристаллизации;

- введение легирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решеток феррита и аустенита, замедляющих диффузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций;

- термическая и термомеханическая обработка стали.

Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т.е. такую сталь, в составе которой находятся специальные примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.

По содержанию легирующей добавки сталь разделяется на низколегированную (< 5 %), среднелегированную (5-10 %) и высоколегированную (>10 %).

Легирующие элементы вводят в конструкционные стали Сr 0,8–1,1 %; Ni 0,5-4,5 %; Si 0,5-1,2 %; Mn 0,8-1,8 %; W 0,5 -1,2 %; Mo 0,15-0,4 % и др.

Si, Mn – повышает твердость, прочность, понижает пластичность.

Сr – повышает прочность, твердость и текучесть, улучшает коррозионную стойкость.

В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента. Отсутствие цифр означает, что содержание не превышает 1-1,5 %.

Обозначение элементов в марках стали: А –азот; Б –ниобий; В – вольфрам; Г –марганец; Д – медь; Х –хром; С – кремний; П – фосфор; М – молибден, Н –никель.

Содержание углерода в стали указывают двухзначными цифрами, приводимыми в начале марки в сотовых долях процента.

Пример: 12ХН3А

0,12 С; 1-1,5 Сr; 3% Ni;1 % N.

Буква А обозначает повышенное качество стали, особую чистоту.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: