Из какого чугуна получают сталь

Методы получения чугуна и стали

Производство чугуна из железосодержащих материалов производят путем выплавки в специальных шахтных печах (домнах) и называют доменным процессом.

Важная роль чугуна в ме­таллургии и вообще в экономике страны определяется тем, что он является первичным продуктом переработки железных руд. Свыше 80 % чугуна, выплавляемого в до­менных печах, в дальнейшем переpaбатывается в сталь. Эти чугуны называются передельными.

Чугуны, предназначенные для получения фасонного литья в ма­шиностроительном производстве, называют литейными. Для повы­шения качества отливок применяют небольшие количества добавок для модифицирования и легирования (хром, никель и др.). Введение в расплавы модификаторов (например, магния, ферросилиция, силикокальция, алюминия, титана) способствует кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме. Легирование так­же способствует улучшению механических свойств путем изменения строения и структуры сплавов.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) выплавляют в небольших количествах и применяют для раскисления и легиро­вания стали.

Для выплавки чугуна используют железную руду, а также марган­цевые, хромовые и комплексные руды, топливо и флюсы, которые в необходимой пропорции образуют шихту. Железные руды содержат железо в виде оксидов, например Fe₂₃ (красный железняк), Fe₃₄ (магнитный железняк). В 2002 г. в России добыто примерно 84,2 млн т железных руд.

Для повышения производительности доменной печи, экономии кокса, улучшения качества чугуна железные руды предварительно дробят, сортируют для получения кусков требуемой величины и обо­гащают, отделяя и устраняя пустую породу. Для удаления вредных примесей и улучшения металлургических свойств шихту, состоящую из железной руды и флюса, спекают в агломерационных машинах при температуре 1300. 1500° С, подвергают окатыванию и обжигу при температуре 1200. 1 350 °С. Результатом такой обработки явля­ются прочные, пористые окатыши диаметром до 30 мм.

Флюсы — это материалы преимущественно минерального про­исхождения, вводимые в шихту для образования шлака и для регу­лирования его состава, в частности для связывания пустой породы, продуктов раскисления металла, а также уменьшения процентного содержания вредных примесей. По химическому составу флюсы подразделяют на основные (известняк СаС0₃), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Шлаком называют расплав, покрывающий поверхность жидкого металла, который после затвердевания представляет собой камневидное или стекловидное вещество.

В качестве основного топлива для доменной плавки служит кокс. Кокс представляет собой твердый углеродистый остаток, образую­щийся при нагревании каменного угля без доступа воздуха до тем­пературы 950. 1 050º С. Содержание углерода в коксе — 96. 98 %. Теплота сгорания кокса — 29 МДж/кг.

Доменная печь (рис. 2.1) — шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды. Она устанавливается на бетонном фунда­менте, имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупopным кирпичом.

Рис. 2.1. Схема доменной печи: 1 — горн; 2 — фурма; 3 — заплечики; 4 — распар; 5 — шахта; 6 — колошник; 7,8 — шлаковая и чугунная летка соответственно; H — высота.

В верхней части печи, называемой колошником, находится за­сыпной аппарат, предназначенный для загрузки шихты. Под (дно) доменной печи расположен над бетонным фундаментом и называется лещадь. Поскольку на лещади скапливается расплавленный чугун, ее выкладывают углеродистым кирпичом и блоками, содержащими до 92 % углерода в виде графита и обладающими высокой огнеупор­ностью.

В нижней части печи — горне — имеются отверстия для выпуска расплавленного чугуна (чугунная летка) и шлака (шлаковая лет­ка). Чугун выпускают из печи через каждые 3. 4 ч, а шлак — через 1. 1,5 ч и сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугунную летку открывают бурильной машиной. После каждого вы­пуска чугунную летку заделывают огнеупopной массой, а шлаковую летку обычно закрывают металлической пробкой.

В верхней части горна находятся устройства — фурмы, через ко­торые в печь поступает воздух, необходимый для горения топлива. Вблизи фурм кокс, взаимодействуя с кислородом нагретого воздуха, сгорает, образуя газовый поток, содержащий угарный газ (оксид углерода) СО, углекислый газ (диоксид углерода) С0₂, азот N₂, ме­тан СН₄и др. Следует иметь в виду, что некоторые из образующихся газов — вредные и опасные. Так, например, в производственных помещениях не допускается содержание угарного газа более чем 0,03 мг/л. Наличие метана в воздухе в пределах 5. 15 об. % и более приводит к образованию взрывчатой смеси.

Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателей. По­догрев воздуха снижает расход топлива. Внутри воздухонагревателей имеются насадки из огнеупopных кирпичей и камеры сгорания.

В камеру сгорания подают доменный газ, который, сгорая, про­ходит через насадку и нагревает ее. Затем подача газа прекращается и через нагретую насадку пропускается воздух, который при этом нагревается до 1 200 «С. Наличие нескольких воздухонагревателей, работающих попеременно, обеспечивает непрерывную подачу в ра­бочее прострaнcтво печи нагретого воздуха.

Температура рабочего прострaнcтва печи выше зоны подачи воздуха (выше уровня фурм) составляет 2 000 °С. Эта часть печи вы­полняется наиболее широкой и называется распаром. Ниже распара расположены заплечики с сужающимся книзу поперечным сечением. Они замедляют опускание шихты. Выше распара поперечное сечение шахты также уменьшается, что способствует свободному опусканию шихты.

Производство стали представляет собой передел чугуна в сталь и состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления (табл. 2.6).

Окисление железа, кремния, фосфора и марганца в сталепла­вильной печи происходит с вьщелением теплоты Q (экзотермическая реакция) при этом окис­ление кремния, фосфора и марганца происходит в начале плавки:

2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q

FeO + Mn = MnO + Fe + Q

1.6. Сопоставление содержания, %, углерода и примесей

Как получить сталь из чугуна на современном производстве

Сталь остается основным конструкционным материалом для строительной, машиностроительной и множества других отраслей промышленности. Разделение железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. Условно можно считать, что при содержании до 2% углерода это сталь, более 2% — чугун. В литературе в трудах великого материаловеда Гуляева уточняется, что граница раздела 2,14% справедливо только при ничтожно малом содержании любых других элементов, кроме железа и углерода. Не удивительно, что он используется при производстве на крупных комбинатах и небольших литейных цехах.

Использование высокоуглеродистых сплавов в сталеплавильном переделе может быть реализовано в холодном виде. Он имеет форму пирамидки, выплавленной предварительно на металлургических комбинатах из руды и флюсующих материалов и разлитых на специальных разливочных машинах. Преимуществом использования такого типа сырья является неограниченная логистика и гарантированный химический анализ такого материала. Это позволяет в сталеплавильных цехах произвести предварительные подготовительные работы по борьбе с серой, фосфором и другими элементами которые негативно влияют на физические свойства готовой продукции.

На крупных металлургических комбинатах с полным циклом для выплавки стали используют чугун в жидком виде. Перед тем как получит сталь из чугуна, его производят в доменном цехе. Во время выпуска из доменной печи, чугун сливается в ковши, защищенные футерованным слоем от высокой температуры. В этих ковшах его привозят в сталеплавильный цех, где его сливают в большую емкость, в которой смешивается до 1800 тонн чугуна из разных доменных печей. Эта емкость называется миксер. В ней происходит усреднение по химическому анализу и температурному показателю. На многих заводах применяют ковши – миксера. По комaнде сталевара печи, конвертера или начальника смены из миксера выдается взвешенная порция в ковшах на следующий передел.

К этому времени в сталеплавильном агрегате уже находится разогретый до определенной температуры стальной лом. Чугун заливается на этот лом. Дальше наводя и убирая шлак, меняя его основность и температуру, сталевар доводит расплав до необходимой температуры и химического состава. Такой процесс производства экономит большое количество энергоносителей и снижает себестоимость в производственных масштабах.

Основными агрегатами для использования чугуна при производстве стали являются конвертера, мартеновские, дуговые электрические, индукционные печи.

В мартеновских печах реализован процесс рекуперации тепла. Поток горячего воздуха, проходя над расплавленной ванной печи, нагревается и нагревает регенераторы. Через определенный промежуток времени меняется направление потока воздуха и он, соприкасаясь с регенераторами, нагревается. Более высокая температура воздуха повышает калорийность сжигания теплотворного газа. Изобретенная в 1864 году Пьером Мартеном этот агрегат сегодня считается перевернутой страницей в истории металлургии. Действующие мартены не в состоянии справиться с конкуренцией и требованиям, предъявляемых к выплавляемой стали.

Конвертер это агрегат, в котором скрап и передельный чугун в жидком виде продувается кислородом или воздухом. Окисление углерода происходит с дополнительным выделением тепла. Таким образом, решается одновременно две задачи – уменьшение углеродного эквивалента и достижение температурных показателей достаточных для борьбы с серой и рядом других элементов. Больше половины стали в мире производят в конвертерах.

Электродуговая печь является неотъемлемым элементом производства нержавеющих, легированных, специализированных сталей. Тепло в этой печи наводится электрической дугой, которая возникает между электродами и металлической ванной. Чугун ложится в завалку или заливается после предварительного нагрева металла. Дальше добавляются флюсующие материалы и вспениватели шлака. Это позволяет вывести серу и фосфор из металла.

В индукционной печи чугун преимущественно используется в виде холодного шихтовального материала при выплавке сталей. Невозможность влиять на содержание серы и фосфора при плавке в такой печи к чугуну предъявляют особо высокие требования по содержанию этих элементов.

Производство стали из чугуна оправданно в крупных масштабных производствах и небольших литейных цехах и участках.

Из какого чугуна получают сталь

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потрeбления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

• Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
• Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
• Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
• FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Читать еще:  Как открутить крестовой болт с сорванными гранями

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. (Агломерат – это определённым образом подготовленная руда, спечённая с флюсом, в данном случае – с известняком.) Через специальные отверстия (фурмы) в нижнюю часть домны подаётся горячий воздух, обогащённый кислородом. В нижней части домны кокс сгорает, образуя СO₂, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО:

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, пpeдoxpaняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупopными материалами.

Конспект урока по химии «Производство чугуна и стали. Доменная печь». Выберите дальнейшее действие:

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА И СТАЛИ

Все металлы получают из руд, залегающих в земной коре. В чистом (самородном) виде добывают только платину и золото. Вначале требуется из руды удалить пустую породу, т. с. примеси различных минералов. Процесс обогащения руды возможен с помощью воды, так как руда тяжелее пустой породы и при измельчении в потоке воды легкая порода выносится, а руда остается. Применяют и другие способы обогащения руды: механические, электромагнитные, физико-химические. Для выделения металла из обогащенной руды используют технологические приемы, основанные на восстановлении металла. Хорошим восстановителем служит уголь, так как атомы углерода относительно легко отдают свои электроны.

ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНА

Для выплавки железа из руды разработан доменный процесс с получением в нем чугуна, поступающего затем на выработку стали. Домна — высокая шахтная печь высотой до 30 м, шириной более 6 м. Стенки доменной печи выложены из огнеупopного кирпича, а снаружи кладка заключена в стальной кожух толщиной 20—40 мм. Загрузка рудой, коксом, флюсом послойная, причем обычно железорудный материал переводится в сыпучий агломерат. Схема работы доменной печи (рис. 19.1): в нижней части домны сгорает кокс: С + Ог = СОг. Углекислый газ, поднимаясь, соприкасается с раскаленным коксом и переходит в оксид углерода: СОг + С = 2СО. Еще выше в шахте оксид углерода взаимодействует с раскаленной рудой: СО + ЕегОз = 2Ь’еО + СОг и далее: FeO + СО = Fc + СО2. Чугун стекает в нижнюю часть домны. Из домны чугун выпускают через специальное отверстие — летку. Первые капли чугуна образуются при температуре 1250°С и стекают между кусками кокса в горне. Температура чугуна в домне равна 1480— 1520°С. Содержание углерода в чугуне составляет 4—4,5%.

Флюсы играют роль плавня, способствуя переводу пустой породы в шлак. Доменный шлак с содержанием в нем СаБЮз легче чугуна и собирается выше его с последующим выпуском наружу из другого отверстия домны. Он служит ценным сырьем для производства различных строительных материалов.

Выделяющиеся из домны газы, именуемые колошниковыми, содержат оксид углерода СО, поэтому как сгорающее топливо на-

40 Рис. 19.1. Схема работы доменной печи правляются для обогрева каналов кауперов домны и воздуха в них, который затем поступает в доменную печь и поддерживает в ней горение кокса. Каупер сложен из огнеупopного кирпича и заключен в железный кожух. Имеет нагреваемую насадку.

Запущенная в действие доменная печь функционирует непрерывно в течение нескольких лет. Руду, кокс и флюсы периодически добавляют через верхнее отверстие (колошник) печи. Также периодически производится выпуск из нее чугуна и шлака — через каждые 4—6 ч. При этом 99—99,8% железа переходит в чугун и только 0,2—1,0% — в шлак. Кроме углерода в составе чугуна присутствуют элементы кремния, марганца, серы, фосфора и пр. По назначению доменные чугуны разделяют на литейный и передельный. Литейный чугун переплавляют, и из него отливают чугунные изделия. Из передельного чугуна получают сталь. Он составляет около 90% всей выплавки чугуна. В нем содержится повышенное количество углерода, 0,3—1,2% Si, 0,2—1,0% Мп, 0,2—1,0% Р, 0,02—0,07% S.

Современная доменная печь может выплавлять 12000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака, а также до 27000 т колошникового газа в сутки. Кроме процесса, осуществляемого в домне, существует вне- доменное производство железа, что относится к более прогрессивному способу. Он заключается в непосредственном получении железа из руды, минуя доменную печь. На производстве получают очень чистое металлическое железо без применения кокса. С этой целью при глубоком обогащении железных руд изготовляют концентраты с высоким содержанием железа (70—71,8%), почти полностью освобожденные от серы и фосфора. Затем действуют твердым или газообразным восстановителем, получая металлизованные окатыши. Если используют твердый восстановитель — углерод (в виде каменного угля), тогда — с обжигом в шахтной печи, трубчатой печи, реторте. Если используют газообразный восстановитель — природный газ, тогда — с конвертированием газа в невысоких шахтных печах или ретортах. Способы металлизации могут быть и иными — в кипящем слое на решетке. Вследствие относительно низкой температуры бездоменного процесса получаемое железо, обычно спеченное в куски, содержит меньше примесей. Чугуны обладают высокими литейными свойствами, малой пластичностью. Они разделяются на белый и серый.

Белый чугун (передельный) содержит весь углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа, именуемого цементитом ЕезС. При нормальной температуре его структура слагается из двух фаз: феррита и цементита. Белым этот чугун называется потому, что в изломе он имеет матово-белый цвет. Белый чугун имеет высокую твердость и большую хрупкость, вследствие чего его невозможно обpaбатывать режущим инструментом. Его применяют, главным образом, для выплавки стали, а также для получения ковкого чугуна.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита (100% С); они называются серыми потому, что вследствие наличия в них графита имеют в изломе серый цвет. Содержание С — до 3,8%.

По форме графитовых включений серые чугуны разделяют на обычный серый с пластинчатым графитом, вермикулярный серый, высокопрочный и ковкий. По структуре металлической основы их разделяют на ферритный, ферритно-перлитный и перлитный.

Обычный серый чугун получают медленным охлаждением жидкого расплава или аустенита высокоуглсродистых сплавов. В нем частицы графита имеют пластинчатую форму. В зависимости от механических свойств и назначения серый чугун с пластинчатым графитом разделяют на марки: СЧ-25, СЧ-30, СЧ-35, СЧ-40, СЧ-45 (цифры показывают минимальный предел прочности при растяжении, кге/мм 2 ).

Вермикулярный серый чугун получают путем специальной плавки или обработки с изменением формы графита на волокнистую, червеобразную (вермикулярную), вследствие чего этот чугун обладает лучшими свойствами по сравнению с обычным серым чугуном.

Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит (рис.

19.2, а), получаемый при выплавке с присадкой небольшого количества магния или церия. Благодаря шаровидной форме графита прочность при растяжении и изгибе высокопрочного чугуна значительно выше, чем обычного серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высокопрочный чугун разделяют на марки: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ50-7, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2, ВЧ120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые числа за ними — минимальный предел прочности при растяжении (в кге/мм 2 ), а последующие числа — минимальное относительное удлинение (в %).

Рис. 19.2. Микроструктура высокопрочного ферритного чугуна с шаровидным графитом (а) (х250) и ковкого ферритного чугуна с хлопьевидным графитом (б)

Ковкий чугун содержит хлопьевидный графит (рис. 19.2, б). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига (томления), при котором происходит распад цементита. Хлопьевидный графит имеет почти равноосную компактную форму. Этот чугун разделяют на марки: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2. В обозначение марки входят буквы КЧ (ковкий чугун), затем число — минимально допустимый предел прочности при растяжении ( кге/мм 2 ), второе число — относительное удлинение ( %).

Читать еще:  Как проверить трaнcформаторы тока на исправность

Свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы, вида и количества графитных включений.

Графит имеет низкие показатели механических свойств, и включения его можно условно рассматривать как пустоты и трещины. Чем больше графита, крупнее графитные включения, тем ниже механические свойства чугуна и особенно прочность при растяжении и изгибе. Прочность при сжатии и твердость чугуна зависят в основном от металлической основы и мало отличаются от сталей.

В некоторых случаях графитные включения полезны благодаря смазывающему действию графита. Такой чугун легче обpaбатывается резанием, чем сталь, стружка становится ломкой, когда резец доходит до графитных включений.

Подобно другим железоуглсродным сплавам, чугуны содержат постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора в больших количествах, чем в сталях. Эти примеси оказывают значительное влияние на графитизацию, структуру и свойства чугунов.

В чугуны часто вводят также медь, алюминий, титан, хром, никель. Эти элементы оказывают влияние на процесс графитизации. Подобно сталям такие чугуны называют легированными.

Серые чугуны применяют при изготовлении опopных элементов для ферм, железобетонных балок и колонн, тюбингов в метро, при производстве многих других строительных конструкций, а также находят широкое применение в деталях машин, не подвергающихся большим растягивающим напряжениям и ударным нагрузкам.

Как получают чугун? Сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун?

Чугун — широко используемый в разных отраслях промышленности металл, отличающийся замечательными эксплуатационными хаpaктеристиками. Процесс его получения относительно несложен и слишком много шагов в себя не включает. Выплавляют этот материал в домнах — особых печах, представляющих собой нечто вроде увеличенной копии пробирки. О том, как получают чугун, и поговорим далее во всех подробностях.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при производстве чугуна, является железная руда. Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком «сыром» виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют пустые породы и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процеДypa в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Что происходит в печи

Итак, давайте посмотрим, как получают чугун в домне. Изнутри печь такой конструкции облицована кирпичом. Принцип ее работы относительно прост. При производстве чугуна, помимо агломерата, используются кокс, известь и флюс. Смесь из этих материалов готовится в определенной пропорции. Она то и называется доменной шихтой. Ее насыпают в специальные подъемники и поднимают на самый верх печи.

Для того чтобы кокс загорелся, необходимо большое количество воздуха, обогащенного кислородом. Он подается в доменную печь снизу, через специальные отверстия, называемые фурменными. Вдувается он в печь под очень большим давлением. Это необходимо для того, чтобы воздух проник через пласт подаваемой сверху шихты. При этом предварительно поток подогревается до 600-800 градусов, иначе температура внутри печи снизится.

Полученный при расправлении шихты чугун стекает вниз и с периодичностью примерно один раз в 40 мин выпускается наружу через специальное отверстие, называемое леткой. Далее он переливается в чаши большой емкости и перевозится в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Все домны работают по принципу противотока. При этом в них поочередно происходят следующие химические процессы:

1. Восстановление железа. Происходит этот процесс последовательно и выглядит так: Fe₂O₃ — Fe₃O₄ — FeO — Fe. В качестве восстановителя в данном случае выступает оксид углерода (CO), образующийся при взаимодействии CO₂ с раскаленным коксом, а также твердый углерод последнего.
2. Науглероживание железа. Реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ + Q. Карбид Fe₃C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Стекая вниз, он омывает куски кокса и науглероживается еще больше. Помимо этого, в нем растворяются такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д.

Таким образом, становится понятно, доменный металл — это сплав железа с каким веществом. Получить чугун можно просто путем науглероживания расплава шихты.

Восстановление других элементов

Mn, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO₂ — Mn₂O₃ — Mn₃O₄ — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO₂. Восстановление его происходит по реакции SiO₂ + 2C = Si + 2CO — Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, переходит в чугун пpaктически полностью. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. Позволяет получить чугун хорошего качества присутствующий в шихте кремнезем, а также высшие оксиды марганца. Mn в некоторых случаях добавляется в домну специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обpaбатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO₂.

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Виды чугуна

Как видите, вопрос о том, как получить чугун в домне, относительно несложен. В конечном итоге, однако, из печи может выходить материал, немного отличающийся по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны в основном подразделяются на две разновидности: передельные (белые) и литейные (серые). Первый тип используется как сырье при производстве сталей. Литейный применяют для получения разного рода чугунных изделий, пользующихся на рынке неплохим спросом.

Белый чугун

Доля этой разновидности выплавляемого в доменных печах металла составляет 75-80%. Основными свойствами такого чугуна являются: большая твердость, хрупкость и износоустойчивость. Марганца и серы в нем содержится обычно больше, чем в литейном. Обработке белый чугун поддается с большим трудом. Использовать для изготовления из него каких-либо изделий обычные режущие инструменты современных станков нельзя. Зато сталь получают из чугуна этой разновидности довольно-таки просто. Подразделяется передельный доменный металл в зависимости от способа дальнейшей переплавки на три класса: мартеновский (М), бессемеровский (Б) и томасовский (Т).

Литейный чугун

Углерод в этом материале в основном содержится в виде свободного графита, имеющего в своем составе кремний. Поставляется он для изготовления чугунных изделий в виде чушек. Маркируется этот материал буквой «Л» и цифрами от «1» до «6», в зависимости от назначения. Существует также рафинированный магнием литейный чугун, помечаемый буквами «ЛР».

Ну что ж, надеемся, мы в достаточно полной мере ответили на вопрос о том, сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун. Это обычный углерод, замещающий в доменной печи входящий в состав руды кислород. Основные же свойства чугуна зависят от количества входящих в его состав примесей: марганца, фосфора, кремния и серы.

Сталь из чугуна

Прежде чем перейти к описанию собственно сталеплавильного производства, посмотрим, какие бывают типы стали, поскольку от этого, в определённой степени, зависит способ производства того или иного вида стали.

По химическому составу различают углеродистые и леги­рованные стали. Основным элементом, определяющим свойства углеродистых сталей, является углерод. По его содержанию различают стали низкоуглеродистые с 0,25 % С и менее, среднеуглеродистые с 0,25-0,60 % С и высокоуглеродистые с 0,60-2,0 % С. Легированными сталями называют стали, в состав которых для получения требуемых свойств вводят один или несколько легирующих компонентов. К легирующим компонентам относят Cr, Ni, Mo, V, W, Со, Ti и др. Кроме того, к легирующим элементам относятся также Мn и Si, если они содержатся в большем количестве, чем в обыкно­венных сталях. Стали различают в зависимости от суммарного содержания легирующих компонентов: низколегированные (менее 2,5 %); среднелегированные (от 2,5 до 10 %); высоколегированные (более 10%).

Читать еще:  Где делать заземление в частном доме

Марки сталей имеют условные обозначения, выраженные буквами и цифрами, отображающими химический состав стали: хром – X, никель – Н, кобальт – К, кремний – С, вольф­рам – В, ванадий – Ф, молибден – М, марганец – Г, медь – Д, фосфор – П, титан – Т, алюминий – Ю, селен – Е, бор – Р, азот – А, ниобий – Б. Цифры, следующие за буквами, указывают среднее содержание данного элемента в процен­тах, если за буквой отсутствует цифра, значит, содержание данного элемента около 1%.

По назначению прокатываемые стали разделяют на конст­рукционные, инструментальные и специальные. К наиболее распространенным сталям относятся конструкционные углеро­дистые и легированные стали.

Качественная конструкционная углеродистая сталь обозначается так: 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65. Двузначные цифры означают среднее со­держание углерода в сотых долях процента с нормальным содержанием марганца, а стали марок 15Г, 20Г, З0Г, 40Г, 50Г, 60Г, 70Г – с повышенным содержанием марганца.

К прокатываемым углеродистым инструментальным каче­ственным сталям относят стали марок У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Буква У обозначает: сталь углеродистая инстру­ментальная, а цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

К конструкционным легированным сталям относят стали:

• хромистую (l5X, 20Х, З0Х, 35Х и др.), которую применя­ют для деталей машин в автотрaнcпортной и автомобильной промышленности. Хромистая сталь с высоким содержанием углерода (0,9-1,1 %) и хрома (0,8-1,65 %) идёт для изго­товления колец, шариков, роликов, подшипников и имеет обозначения ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ;
• марганцовистую сталь (15Г, 20Г, З0Г и др.), имеющую высокую твёрдость, а также в некоторых случаях высокое сопротивление износу, что дает возможность использовать её в деталях, подвергающихся высокому износу;
• хромоникелевую сталь (ЗЗХС, 38ХС, 60С2ХА, 50ХСА, 70С2ХА), обладающую высокими твердостью и упругостью и применяемую в связи с этим для изготовления рессор и пру­жин;
• хромомарганцовистую сталь (20ХГ, 20ХГР, 40ХГР, З0ХГТ, 18ХГТ), применяемую частично в целях экономии никеля как заменитель хромоникелевой стали и используемую для изго­товления автомобильных деталей;
• хромованадиевую сталь (15ХФ, 50ХФА и др.), обладающую высокой прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью и применяемую для изготовления ответственных пружин, ва­лов, шестерен, муфт;
• хромомолибденовую сталь (например, З0ХМА), обладающую высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и теплоус­тойчивостью при температурах 400-600 °С. Сталь этих марок служит для изготовления роторов, осей, зубчатых колес;
• хромоникельвольфрамовую и хромоникельмолибденовую ста­ли (З0ХНВА, 40ХНМА, 18Х2Н4ВА и др.), предназначенные для нагруженных деталей машины, забчатых колес, коленчатых валов, высоконагруженных шатунов.

К прокатываемым легированным инструментальным сталям относят:

• сталь для режущего и мерительного инструмента (7ХФ-11ХФ, 13Х, ХВ4, 9X1, X, 12X1, ХГС, ХВГ и др.);
• сталь для штампового инструмента (Х6ВФ, Х12, Х12ВМ, ЗХ2ВФ, 7X3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ и др.);
• сталь для ударного инструмента (4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др.).

Для режущего инструмента, который работает со снятием стружки при высоких скоростях резания, широко используют быстрорежущую сталь. Её отличает высокая красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твёрдость, прочность и износостойкость при температуре до 600 °С. Эти стали обозначают буквой Р, следующая цифра означает среднее содержание W в процентах. Буквы Ф и К и цифры после них обозначают среднее содержание V и Со соответственно. Основными легирующими компонентами быстрорежущей стали Р9 и Р18 являются Cr, W, V. Высокая красностойкость быстрорежущих сталей обеспечивается за счёт добавки W.

Также существуют легированные стали с особыми свойствами:

• нержавеющие или коррозионностойкие стали (Х18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т), обладающие большой пластичностью, высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Эти стали содержат около 18 % Cr и около 9 % Ni. К нержа­веющим хромистым сталям также относятся стали с содержанием хрома 13-17-25 % – (08X13, 20X13, 40X13, 12X17, 14Х17Н2, 15Х25Г и др.);
• жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С и работающие в нагруженном состоянии, а также стали, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени. Химический состав этих сталей отличается большим разнообразием и имеет большое содержание Cr и Ni. Эти стали находят применение в котлостроении для изготовления паропроводов, паронагревателей, крепёжных и других деталей;
• электротехнические стали, предназначенные для изготовления трaнcформаторов, электрических машин, регуляторов и приборов. В зависимости от содержания кремния различают следующие группы электротехнической стали: слаболегированную (0,8-1,8%); среднелегированную (1,8-2,8%); повышеннолегированную (2,8-3,8 %), высоколегированную (3,8-4,8%).

Легирующие элементы вносятся в жидку сталь в составе ферросплавов – сплавов на основе железа с высоким (десятки процентов) содержанием вносимого элемента. Ферросплавы, за редким исключением, производят в электропечах специальной конструкции на ферросплавных заводах.

Чугун может как трaнcпортироваться непосредственно в печь для выплавки стали, так и накапливаться в промежуточной ёмкости – миксере, где происходит его усреднение по химсоставу. Кроме того, чугун предварительно может подвергаться обработке с целью удаления вредных примесей – серы и фосфора, а также части кремния, что положительно влияет на технологию выплавки стали.

В случае, если сталь выплавляется в конвертере, в него сначала загружается лом, затем заливается чугун. После этого конвертер приводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают продувку кислородом. Также в конвертер добавляют (присаживают) шлакообразующие материалы, чаще всего – известь. Шлак пpeдoxpaняет поверхность металла от окисления, снижает вероятность выплёскивания металла, а также очищает (рафинирует) металл от некоторых примесей. Кроме того, в шлак переходят образующиеся при продувке оксиды окисляющихся при этом элементов – кремния, марганца и железа.

По ходу продувки регулярно проводятся анализы металла и газа с целью определения момента окончания продувки. После окончания из повёрнутого (поваленного) конвертера через горловину скачивают шлак, а затем через выпускное отверстие сливают металл.

Помимо наиболее распространённого конвертера с верхней продувкой также существуют конвертеры с продувкой через дно, снизу, а также комбинированные конструкции.

Большая часть легирующих элементов в ходе продувки окисляется, кроме того, в металле остаётся растворённый кислород, поэтому после окончания продувки в металл добавляют ферросплавы. Крмний- и марганецсодержащие ферросплавы взаимодействуют с растворённым кислородом, связывая его в оксиды, поэтому их применяют для операции «раскисления» металла. Для более полного раскисления используют алюминиевую проволоку.

Часть ферросплавов подают в ковш, в который выпускается металл из конвертера, однако окончательная обработка и легирование стали производят в так называемых установках доводки металла (УДМ). Они вошли в металлургическую пpaктику не так давно – в конце XX века, в связи с более жёсткими требованиями, предъявляемыми потребителями к свойствам стали. Эти требования связаны, прежде всего, с содержанием в стали таких элементов как азот и водород, ухудшающих механические свойства стали и приводящих к образованию дефектов.

Для удаления из металла растворённых газов используются два способа: продувка аргоном и вакуумирование. В первом случае металл снизу через пористую пробку продувается аргоном, в пузырьки которого переходят растворённые в металле газы. При вакуумировании металл постепенно просасывается через камеру (не входит в состав УДМ), из которой откачан воздух. Поскольку давление в камере чрезвычайно низко, создаётся градиент давлений, увлекающий газы из металла в камеру.

Для того, чтобы металл не остыл в процессе обработки, в установке доводки металла его подогревают электрической дугой. Также в УДМ добавляют в необходимом количестве ферросплавы для получения стали заданного состава.

В случае использования вместо конвертера электропечи технология плавки зависит от исходного сырья. Если используется чугун, то для его окисления в жидкий металл добавляется оксидный материал – агломерат или окатыши. При этом оксид железа, взаимодействую с углеродом чугуна, восстанавливается до железа, а сам углерод окисляется и удаляется в виде газа. Для нагрева используют тепло электрической дуги. Иногда для окисления углерода используют кислород, который вводят сбоку печи через фурму.

Если же печь переплавляет лом, без использования чугуна, то он расплавляется с помощью электрической дуги, а затем его состав корректируют присадкой ферросплавов. В обоих случаях также используют шлакообразующие материалы для наводки шлака. После выпуска металл также подвергается доводке на УДМ.

Ковш с выплавленным в конвертере или электропечи и доведённым на УДМ металлом направляется на установку непрерывной разливки (УНРС или МНЛЗ). Главная её часть – медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Жидкий металл, контактирующий со стенками кристаллизатора, быстро образует тонкую корочку, за которую он вытягивается из кристаллизатора. На выходе его захватывают тянущие ролики, которые медленно тянут слиток дальше.

Поскольку кристаллизатор соединён с промежуточным ковшом, в котором постоянно находится жидкий металл, при вытягивании слитка в кристаллизатор тут же поступает новая порция металла, то есть внутри кристаллизатора также всегда есть металл и процесс идёт непрерывно, то есть образуется как бы бесконечный слиток.

На выходе из кристаллизатора слиток имеет жидкую середину и постепенно охлаждается, застывая во всём объёме. Вместе с тем тянущие ролики изгибают его, меняя траекторию его движения от вертикальной к горизонтальной (менее распространены горизонтальные и вертикальные прямолинейные установки). При выходе на горизонтальную плоскость непрерывный слиток режется газовыми резаками на мерные длины – таким образом получаются слябы или квадратная заготовка, которая затем направляется на прокатку.

Схема производства от железорудного сырья до непрерывнолитой заготовки на металлургическом комбинате «Северсталь»

1 – производство агломерата, 2 – коксохимическое производство, 3 – доменное производство, 4 – конвертерный цех, 5 – электросталеплавильный цех

Непрерывная разливка также может осуществляться с помощью литейно-прокатных комплексов (ЛПК). Кристаллизатор ЛПК имеет подвижные стенки, образованные поверхностью вращающихся водоохлаждаемых роликов. Благодаря этому можно получить не сляб, а сразу лист, который, после обжатия в валках, является конечной продукцией. Такая схема исключает ряд операций нагрева и прокатки и существенно снижает затраты ресурсов на эти операции