Как из чугуна получают сталь?

Как из 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 потребления 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.

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, предохраняя 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 огнеупорными материалами.

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

• Вернуться к Списку конспектов по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии

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%).

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 автотранспортной 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 трансформаторов, 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 транспортироваться 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 предохраняет 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 практику 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

Производство стали

ЧТО ТАКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Это процесс производство стали который сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них не было.

Главный металлургический передел — производство стали из чугуна — возник в XIV в. Сталь тогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля, расположенный выше фурмы для подачи воздуха.

При горении угля чугун плавился и каплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом,— мимо фурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью от кремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоем железистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислял углерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металла повышалась, и он загустевал.

Образовавшийся мягкий слиток ломом поднимали вверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась еще какая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на дне горна образовывалась 50—100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тут же отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но и выдавить из него жидкие шлаки.

Производство стали в пудлинговой печи

Наиболее совершенным железоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретенная англичанином Генри Кортом в конце XVIII в. (Кстати, он же изобрел и прокатку профильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полоса металла, проходя через калибры, принимала их форму.)

Пудлинговая печь Корта загружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой. После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, а потом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси. Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которой осаждались кристаллы, образующие железную крицу.

После изобретения пудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничего нового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельного способа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны, а развитие промышленности и транспорта требовало все большего и большего количества стали.

Для подвода дутья служит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство для поворота в пределах 300°, Перед началом работы конвертер кладут «на спину», заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертер вертикально.

Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец… Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Такой процесс ведут до полного выгорания углерода.

Затем конвертер снова кладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетное количество ферромарганца — для раскисления. Так получается высококачественная сталь.
Способ конвертерного передела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.

Передел в бессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. В частности, из чугуна не удалялись вредные примеси — сера и фосфор. Поэтому для переработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы и фосфора. От серы впоследствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляя в жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже и ферромарганец.

С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали.

Выход был найден английским химиком С. Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Революция в стале плавлении

Самая большая революция в сталеплавильном производстве произошла в 1865 г., когда отец и сын — Пьер и Эмиль Мартены — использовали для получения стали регенеративную газовую печь, построенную по чертежам В. Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, в особых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура, что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговой печи, а в жидкое состояние.

Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы… И все это в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы на металлургических, и машиностроительных заводах.

Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти под кость?» вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.

Конвертерное производство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как и пудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIX в. русский металлург Д. К. Чернов и швед Р. Окерман писали об этом.

И в то время кислород был слишком дорог. Только в 30-40-х годах нашего столетия, когда были внедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется, в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах не привели к успеху: развивалась такая высокая температура, что прогорали днища аппаратов.

В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобы повысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечь примеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печей, но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавиться огнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.

В 1952 г. в австрийском городе Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способ производства стали — кислородно-конвертерный. Чугун заливали в конвертер, днище которого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался на поверхность жидкого чугуна.

Выгорание примесей создавало такую высокую температуру, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертер железную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры снова появились на металлургических заводах. Новый способ производства стали начал быстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас он считается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве.

Достоинства конвертера состоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружение его гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначала выплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы был разработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированных сталей.

Статья на тему производство стали

Как и из чего получают сталь

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом и другими легирующими элементами. Ее используют для изготовления металлопроката, посуды, медицинских инструментов, механизмов и различных деталей для промышленности. Сплав почти на 99 % состоит из железа. Углерод занимает от 0,1 до 2,14 % общей массы металла. Углерод, марганец, кремний, магний, фосфор и сера изменяют физико-химические свойства стали. Количество примесей определяет способы обработки металла и сферы его применения. Производство стали занимает весомую долю черной металлургии.

Из чего делают сталь?

Сталь — одна из самых востребованных в промышленности. Железо и углерод — основные компоненты для изготовления стали. Железо отвечает за пластичность и вязкость, а углерод — за твердость и прочность.

Получают деформируемый сплав железа, который поддается механической, термической, токарной и фрезерной обработке. Литьем, прессованием, резкой, шлифовкой и сверловкой добиваются нужной формы. Стальные изделия получают с точно выверенными размерами.

Железо и углерод занимают львиную долю от общей массы, но кроме них сталь всегда содержит другие примеси. Чистота по неметаллическим включениям определяет качества стали. Оксиды, сульфиды и вредные примеси делают ее хрупкой и непластичной. Их содержание снижают очисткой или вводят дополнительные компоненты, чтобы добиться нужных физико-химических свойств.

Примеси бывают полезными и вредными. Разделение условное и означает то, что элементы улучшают химический состав стали или ухудшают его свойства. К полезным элементам относятся марганец и кремний. Сера, фосфор, кислород, азот, водород — вредные примеси в составе стали.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Эффект от различных элементов в сталях:

• Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
• Кремний улучшает прочность и способствует раскислению сплава, удаляя оксиды и сульфиды.
• Сера ухудшает пластичность и вязкость. Ее большое содержание проявляется красноломкостью: во время горячей обработки металл трескается в области красного или желтого каления.
• Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при механической обработке металл трескается или разламывается на куски.
• Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают вязкость и пластичность.
• Водород приводит к хрупкости металла.

Чтобы удалить вредные примеси и неметаллические включения, жидкую сталь рафинируют. Используют комбинированное рафинирование в печи и вне печи. К примеру, раскисление, десульфурацию, дегазацию и другое. За счет очистки структура металла становится однородной, а качество возрастает.

Почему сталь сравнивают с чугуном?

Металлы похожи составом и способом изготовления. Чугун и сталь — сплавы железа, отличающиеся по концетрации углерода. В чугуне его свыше 2,14 % от общей массы, а в стали — не больше 2,14 %. Кроме процентной доли углерода в сплаве, они различны по свойствам. Чугун жаростойкий, теплоемкий, легкий и устойчивый к коррозии. А сталь прочнее, тверже и легче поддается механической обработке.

Плюсы и минусы стали

Сталь классифицируется по химическому составу и физическим свойствам. Разным маркам металла характерны свои преимущества и недостатки.

По сравнению с другими сплавами сталь отличается:

• высокой прочностью;
• твердостью;
• устойчивостью к ударной, статической и динамической нагрузке;
• пригодностью к сварке, резке и гибке заготовок механическим или ручным способом;
• многолетней износостойкостью;
• доступной стоимостью.

К минусам стали относится нестойкость к коррозии, тяжелый вес и намагничивание. Чтобы изделия из стали не портились, изготавливают нержавеющие марки. Чтобы получить устойчивый к коррозии сплав, добавляют хром. Также в составе могут присутствовать никель, молибден, титан, сера, фосфор.

Способы производства

Используют три метода изготовления стали, у каждого из которых свои достоинства и недостатки.

Мартеновские печи

Применяемые печи выкладывают из хромо-магнезитового кирпича. В них плавят сырье, окисляют сплав и удаляют посторонние включения. Печи могут быть использованы для изготовления углеродистых и легированных сталей. Они нагреваются до температуры +2000оС, позволяют добавлять различные примеси.

Кислородно-конвертерный метод

Это способ, получивший звание универсального. Его используют в производстве ферромагнитных сплавов. Выплавляют сталь из жидкого чугуна и шихты. Задействуют конвертер, облицованный огнеупорными материалами. Чтобы ускорить процесс окисления, через него подают струю воздуха.

Электродуговой способ

Принцип производства заключается в выделении тепла при горении электрической дуги. Тепловой режим обеспечивает плавление сырья под температурой +6000оС. Благодаря нему получаются высококачественные сплавы. У этой группы больше остальных хорошо раскисленных сталей.

Как получают сталь?

Производство стали состоит из нескольких этапов. Нарушения технологии влияют на свойства металла.

Расплавление шихты железных руд и нагрев ванны жидкого металла

На первом этапе плавят сырье на низкой температуре. При постепенном повышении температуры окисляется железо, кремний, марганец, фосфор. Затем повышают содержание оксида кальция, чтобы удалить фосфор.

Кипение ванны металла

Повышение температуры и интенсивное окисление железа путем введения руды, окалины и кислорода. Введение добавок позволяет получить оксид железа. С ним будет взаимодействовать углерод. Образующиеся пузырьки оксида углерода приводят сплав в кипящее состояние. К пузырькам прилипают сторонние примеси, тем самым очищая состав стали. Также удаляют сульфид железа, чтобы избавиться от серы.

Раскисление стали

В этом процессе восстанавливают оксид железа, который был растворен в жидком металле. Когда плавят шихту, кислород окисляет примеси, но в готовой стали он не нужен. Кислород понижает механические свойства стали, поэтому его нужно восстановить и удалить. Раскисляют стали ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Попадая в сплав, раскислители образуют оксиды низкой плотности, а затем отходят в шлак.

Как классифицируют сталь?

Физико-механические свойства и химический состав определяют виды металла. Сталь делят по составу, методу получения, структуре и примесям. Углеродистые и легированные стали различают по содержанию углерода и легирующим элементам. Сплавы обычного и высокого качества делят по содержанию примесей. Инструментальные, конструкционные и специальные стали делят в зависимости от назначения.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь содержит углерод от 0,1 до 2,14 %. Количество углерода определяет группы стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,3 % углерода.
• Среднеуглеродистые — от 0,3 до 0,7 %.
• Высокоуглеродистые — более 0,7 до 2,14 %.

По процентному содержанию углерода определяют структуру сплава. Сталь с 0,8 % углерода сохраняет ферритно-перлитную структуру, с повышением меняет ее на перлит и цементит. Преобразования каждой фазы отражаются на прочностных характеристиках. Также углеродистые стали разделяют на группы А, Б, В, которые в свою очередь делятся на категории и марки.

Легированные

Сталь обогащают марганцем, хромом, никелем, молибденом и другими легирующими элементами. Количество примесей считают суммарно. В зависимости от их содержания различают:

• низколегированные — до 2,5 % примесей;
• среднелегированные — от 2,5 до 10 %;
• высоколегированные — более 10 %.

Марганцем повышают прочность и твердость материала, хромом — стойкость к ударам, жаропрочность и устойчивость к коррозии. Никель делает сталь упругим и стойким к высоким температурам.

Марки стали отличаются сложной структурой. Обязательно указывают их состав в порядке убывания. Начинают с доли углерода, а затем прописывают меньшие доли легирующих добавок.

Спокойные, полуспокойные и кипящие

Стали классифицируют по степени раскисления. Чем меньше в сплаве газов, тем равномернее его структура и чище состав. Спокойные стали содержат меньше закиси железа, а кипящие — большое количество оксидов. Пузырьки оксида углерода ухудшают прочностные и пластичные свойства металла. Спокойные стали стабильны, их используют в изделиях ответственного назначения. Полуспокойные марки — среднепрочные, их задействуют как конструкционный материал. Кипящие разрушаются, трескаются и плохо поддаются сварке, поэтому и стоят меньше. Они разрешены в простых конструкциях.

Строительные

Низколегированные сплавы обычного качества. Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, выдерживают статические и динамические нагрузки, пригодны к сварке.

Инструментальные

Высокоуглеродистые или высоколегированные сплавы. Их используют для изготовления штампов, режущего и измерительного инструмента. Разделяют соответственно на штамповые металлы, сплавы для режущего и измерительного инструмента. Названия группы зависит от назначения сталей. К примеру, штамповую сталь используют для изготовления инструментов, которыми будут обрабатывать металлы под давлением.

Конструкционные

Стали с низким содержанием марганца. Их делят на цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые и другие. Используют для изготовления узлов механизмов или конструкций.

Стали специального назначения

Эти сплавы относятся к конструкционным сталям. Они бывают жаропрочными, жаростойкими, кислотоупорными, криогенными, электротехническими, парамагнитными, немагнитными.

Основы производства чугуна и стали

Производство черных металлов из железной руды — сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй — его перерабатывают в сталь.

Чугун выплавляют в доменных печах (рис.1). Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Железные руды — горные породы содержащие железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами. В состав железных руд, кроме того, входят и другие соединения в виде кремнезема, глинозема, известняка и т. п. (объединяемые общим понятием — «пустая порода»). Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк (Fe₃O₄) с содержанием железа до 70%, красный железняк (Fe₂О₃ ), содержащий до 65 % железа, и бурый железняк (2Fe₂О₃ 2H₂О), содержащий до 60 % железа. Топливом в доменном процессе служит кокс, получаемый при сухой перегонке (сжигание без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) — известняки, доломиты, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак.

Доменная печь представляет собой шахту, снаружи покрытую металлическим кожухом и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. Печь через верхнюю часть, называемую колошником непрерывно загружают шихтой, чередуя слои руды, флюса и топлива. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи — горн через фурмы подают под давлением нагретый воздух.

Рис.1. Схема доменной печи

— шахта; 2 — колошник; 3 — загрузочное устройство; 4 — металлический кожух; 5 — футеровка;6 — цилиндрическая часть печи; 7 — заплечики; 8 — горн; 9 — шлаковая летка; 10 — чугун;11 — летка для выпуска чугуна; 12 — воздухоподающая труба

Горение топлива — кокса происходит в верхней части горна за счет кислорода воздуха по реакции С + О₂ = СО₂. Образующийся при этом углекислый газ поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода СО₂ + С = 2СО. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа, а сам переходит в углекислый газ. Восстановление железа происходит по схеме: Fe ₂O₃ Fe ₃O₄ FeO Fe.

Процесс этот может быть представлен следующими химическими уравнениями:

6FeO + 6CO = 6Fe + 6CO

Восстановление железа из его оксидов происходит во время движения шихты под действием собственной массы от верхней части печи к нижней. В нижней части печи при 900-1100°С часть восстановленного железа соединяется с углеродом, в результате чего получается карбид железа Fe₃C. Этот процесс называют: науглероживанием. При температуре около 1150°С начинается плавление науглероженного железа, и образовавшийся жидкий чугун стекает в горн печи. Сюда же стекает расплавленный шлак, который как более легкий материал всплывает над чугуном. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия — чугунную и шлаковую летки, причем сначала выпускают шлак, а затем — чугун.

Чугун в расплавленном состоянии подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи, где его перерабатывают в сталь. Жидкий шлак из доменной печи используют для производства шлаковой пемзы, гранулированного шлака, каменного литья или сливают в отвал. Побочным продуктом доменного производства является колошниковый газ, который применяют для нужд металлургической промышленности.

Процесс производства стали состоит в уменьшении содержания имеющихся в передельном чугуне примесей (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Указанные примеси при выплавке стали выгорают либо переходят в шлак. Исходными материалами для выплавки стали являются: передельный чугун, стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы.

Современными способами производства стали являются конвертерный, мартеновский и электроплавильный (в электропечах).

По конвертерному способу сталь получают в печах — конвертерах. Конвертер — стальной футерованный сосуд грушевидной формы, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси на двух цапфах. В нижней части конвертера имеются фурменные отверстия для подачи воздуха под давлением 0,2-0,25 МПа (изб.). Жидкий передельный чугун заливают из ковша в конвертер, после чего через фурменные отверстия пропускают воздух, обогащенный кислородом. Под воздействием воздуха в расплавленном чугуне образуется закись железа FeO, которая реагирует с примесями (кремнием, марганцем, фосфором), образуя оксиды, которые переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавливается до чистого железа. Этот процесс продолжается всего 15-30 мин, что является большим преимуществом данного способа. Емкость современных конвертеров достигает 600 т. Этот способ отливки стали высокопроизводителен и наиболее экономичен.

Конвертерную сталь используют для изготовления строительных профилей, сортовой и листовой стали, проволоки и т.д.

Рис.2. Схема конвертера

— вращающийся грушевидный сосуд; 2 — футеровка; 3 — фурменные отверстия для подачи воздуха;4 — поворотный механизм

Мартеновский способ получения стали в настоящее время наиболее распространен. Мартеновская печь представляет собой агрегат, рабочее пространство которого имеет форму вытянутой в горизонтальном направлении камеры. Нижнюю часть камеры, имеющей вид ванны, называют подом. Его делают набивным из огнеупорных материалов, а стенки и свод печи выкладывают из огнеупорного кирпича. В верхней части имеются каналы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенераторами. Емкость современных мартеновских печей до 1000 т.

Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа (металлолома) или руды плавится в мартене за счет сжигания топлива — смеси колошникового газа или генераторного газа с воздухом. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, применяют кислородное дутье. Примеси — кремний, марганец и фосфор окисляются закисью железа FeO, образовавшейся в расплаве, переходят в оксиды и удаляются в виде шлака, а закись железа переходит в чистое железо. Серу из расплава удаляют при помощи известняка, вводимого в качестве флюса. Углерод при высоких температурах выгорает. Образующийся в процессе выплавки стали шлак скапливается на поверхности жидкого металла и его периодически удаляют.

Рис.3. Схема мартеновской печи 1 — под; 2 — свод; 3 — регенераторы

Во время выплавки стали, продолжающейся 4 — 8 ч, в ее состав вводят различные добавки — ферросплавы, например феррохром, феррованадий, получая тем самым легированную сталь. Химический состав расплава контролируют путем систематического отбора проб для анализа. После получения стали заданного химического состава ее выпускают в ковш, а из него разливают по изложницам — чугунным или стальным формам.

Мартеновская сталь отличается от конвертерной более высоким качеством. Ее широко применяют для изготовления строительных конструкций (ферм, подкрановых балок, мостов, рельсов и др.), а также для высокопрочной арматуры.

Электроплавка — наиболее совершенный способ производства специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 200 т.

В качестве сырьевой шихты для электроплавки стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Кроме того, в состав шихты вводят флюсы и легирующие добавки. Источником тепла является электродуга, образующаяся между вертикально установленными угольными электродами и расплавленным металлом. По существу протекающих процессов электроплавка не отличается от мартеновского способа производства стали. Однако существенным недостатком электроплавки является низкая производительность и высокая себестоимость стали.

В последние годы начинают применять комбинированные способы производства стали с использованием последовательной выплавки стали в кислородных конвертерах, а затем в основных мартеновских печах, где происходит получение стали заданного химического состава. Для сокращения расхода электроэнергии при производстве стали вначале используют для нагрева и расплавления мартеновскую печь, а затем для окончательной доводки стали до заданных свойств — электропечь.

Перспективна технология получения губчатого железа непосредственно из руд путем продувки их под давлением водородом или смесью водорода с оксидом углерода с последующим выделением железа.

Чугунное литье

Свойства и марки чугуна. В зависимости от содержания примесей и скорости охлаждения получают два основных вида чугуна: белый и серый. Эти наименования соответствуют цвету чугуна. Белый чугун имеет высокую твердость, но он весьма хрупок; его применяют для получения ковкого чугуна и стали. Серый чугун в расплавленном состоянии обладает хорошей текучестью и легко заполняет формы, дает малую усадку при затвердевании, а также легко поддается механической обработке. Серый чугун используют для литья разнообразных строительных изделий. Разновидность серого чугуна — модифицированный черный чугун. Его получают за счет введения в жидкий чугун добавок (модификаторов). Этот чугун обладает повышенными механическими свойствами.

Серый, а также модифицированный чугун, маркируют буквами СЧ, например, СЧ12-28, СЧ18-36, СЧ28-48 и СЧ32-52. Первая цифра марки чугуна показывает допустимый предел прочности при растяжении, а вторая — при изгибе (в кгс/мм°). Серый чугун, используемый для отливки изделий, работающих главным способом на сжатие (колонны, опорные подушки, канализационные трубы, тюбинги и др.) характеризуется пределом прочности при растяжении 120 — 210 и при изгибе 280 — 400 МПа. Значительно реже в строительстве используют высокопрочные и легированные чугуны.

Чугунные изделия. Чугунные литые изделия изготовляют различными способами, среди которых наиболее простым является литье в формы. Прогрессивные формы литья чугуна — под давлением и центробежный. Путем отливки из серого чугуна получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие (колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т. п.). Серый чугун используют для литья печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники, решетки), а также архитектурно-художественных изделий.