Содержание

Что делают из чугуна и стали?

Применение чугуна и изделий из него в строительстве и других областях

Чугун — это основной металл черной металлургии. Он представляет собой сплав железа и углерода. В чугун могут входить специальные добавки, которые делают его свойства особенными. Такой чугун обладает характеристиками износостойкости, коррозионностойкости, жаропрочности, немагнитности и другими. Про свойства, состав и области применения серого, белого, ковкого чугуна, а также высокопрочного и гранулированного расскажем ниже.

Сферы применения чугуна

Благодаря ценным свойствам, дешевизне и хорошим литейным характеристикам чугун применяют для изготовления различных деталей и предметов. Из чугуна можно получить изделия интересной и особенной формы, так как этот материал обладает отличной твердостью и прочностью. Сделанные чугунные предметы смогут выдержать достаточно серьезные нагрузки. Именно по этой причине из чугуна делают корпуса машин и основания станков.

Чугун всегда применялся для изготовления деталей и предметов тяжелой промышленности. Его использовали в металлургии и станкостроении. При этом этот материал брался в очень больших количествах. Он применялся в качестве основного для мелких изделий и для крупногабаритных предметов, масса которых достигала сотни тонн.
В машиностроении нашел свое применение серый чугун с графитной составляющей. Именно это вид всегда берут для изготовления ответственных деталей. Чугунные машинные изделий хорошо противостоят колебаниям и вибрации.
В автомобильной промышленности из чугуна изготавливают блоки цилиндров. Это ответственные детали, которые должны обладать высокой прочностью и стойкостью к износу. Этим качествам помогает соответствовать чугун. Чтобы сделать названные показатели оптимальными в чугун добавляют специальные добавки в виде графита. Графит в несколько раз повышает такое свойство сплава, как прочность. Добавки позволяют сделать чугун совершенным и использовать его при изготовлении коленчатый валов дизелей.
Из чугуна делают тормозные колодки. Мы знаем, что эти детали работают при повышенном трении. Чугун помогает им выдержать эти жесткие условия. Кроме этого, из чугуна делают валки мукомольный и бумагоделательных машин.
Чугунные изделия хорошо работают при низких температурах. Для этой целей используют ковкий вид чугуна. Из него делают узлы тракторов и сложных механизмов, которые будут в дальнейшем работать в жестких условиях.
Чугун широко используется для изготовления предметов быта. Это материал очень популярен среди нашего населения. Чугунные горшки, сковородки, казаны можно встретить как на обычной кухни, так в арсенале посуды ресторана. Это действительно уникальная посуда.
Про чугунную сковородку, которая обладает отличным качеством, знает любая хозяйка. Чугунная посуда хорошо сохраняет тепло. В ней удобно готовить блюда, для которых необходимо постоянно сохранять тепло. Чугунную посуду используют для приготовления плова, каш и рагу. Продукты в ней сохраняют массу полезных свойств. В такой пищи не образуются канцерогенные вещества. Кстати было доказано, что чугунная посуда способна обогащать продукты полезными элементами железа.
Для нефтяной промышленности, сложной и опасной отрасли, трубы изготавливают только из чугуна. Изделия получаются с высокими эксплуатационными качествами.
Чугун отличается своей долговечностью. Поэтому в наших домах до сегодняшнего времени можно увидеть мойки и ванны, которые были изготовлены более 50 лет назад и до сегодняшнего дня с успехом эксплуатируются.
Чугун очень часто применяют для художественных предметов. Из него делают разные произведения искусства. Так, набережная Санкт-Петербурга, практически вся украшена чугунными изделиями. Из чугуна изготавливают интересные и необычные ограждения, ажурные ветвистые ворота и чугунные памятники. Все это стало возможным благодаря хорошим литейным качествам этого материала. Сделанные вещи практически не изнашиваются и смотрятся так же даже спустя много лет. Нередко можно встретить чугунные произведения искусства в стенах музея.

Про характеристики и области применения сталей и чугунов (легированных, антифрикционных, литейных и др.) расскажем ниже.

Данное видео расскажет о сферах применения чугуна:

Использование материала в строительстве

В этом разделе будут рассмотрены классификация, маркировка (марки) и применение чугунов и их сплавов.

Особенности применения

В строительстве используют серый чугун. Белый слишком твердый и хрупкий. Его переплавляют в ковкий чугун или в сталь.

Что делают из чугуна и стали

Химия и производство чугуна и стали

Среди многих материалов, используемых человеком, особая роль принадлежит чёрным металлам

, то есть
сплавам железа с углеродом и другими элементами
.

Первое железо, которое добыл человек, было неземным. Метеориты, падающие на Землю, имели железную или железо-никелевую основу.

Древние люди считали железо подарком Богов, так как оно приходило с неба и превосходило по прочности многие известные тогда материалы.

Спустя столетия люди поняли, что железо лежит под его ногами, но в чистом виде оно не встречается. Его получение – это сложный технологический процесс.

Древние металлурги в горнах выплавляли сталь

, при этом получали ещё и
чугун
. Чугун они называли «свинским железом» (свиньёй, или чушкой), так как он был очень хрупок и не поддавался ковке.

Но затем поняли, что при повторном плавлении чугун превращается в сталь, так как лишний углерод при этом выгорает.

И только в 14 веке было создано устройство – доменная печь

, в которой и началось производство чугуна.

В 30-х годах и в послевоенные годы в Советском союзе увеличилось производство доменных печей.

Для производства чугуна

необходима
железная руда
,
кокс
и
флюсы
. Из железных руд промышленное значение имеет
красный железняк
, содержащий 60-70% оксида железа три и
магнитный железняк
, в котором 55-60% железной окалины.

По запасам железных руд Россия занимает ведущее место. Железные руды залегают на Урале, в Курской области, Западной Сибири и других местах.

Основную массу железной руды получают в России открытым способом. В открытых карьерах руду добывают взрывным способом. Для этого бурят скважины, закладывают взрывчатое вещество и производят взрыв.

Раздробленную руду доставляют на обогатительную фабрику, здесь её измельчают и обогащают, то есть рудный материал и пустую породу разделяют и получают концентрат – продукт с повышенным содержанием оксидов железа

Затем концентрат смешивают с флюсами, известняком или доломитом, а также коксом. Все компоненты перемешивают и затем спекают для выгорания серы и разложения известняка. Полученный таким образом материал – шихта

поступает на рудный двор доменного цеха, который представляет собой сложный комплекс различных сооружений: там есть доменная печь, литейный двор, воздухонагреватели и другие.

Специальная скиповая тележка (вагонетка) подаёт шихту в воронку доменной печи. В нижней части печи установлены фурмы для подачи нагретого воздуха. За одну минуту в печь вдувается более шести тысяч кубических метров воздуха.

Воздух предварительно нагревается в воздухонагревателях – регенераторах.

Доменная печь

– это аппарат длительного действия.

Она непрерывно работает в течение нескольких лет. Сверху печи – шихта, а снизу раскалённые газы. Температура здесь постепенно повышается, и создаются условия для восстановления железа. В нижней части домны кислород воздуха реагирует с углеродом кокса с выделением большого количества тепла.

Образовавшихся оксид углерода четыре взаимодействует с раскалённым коксом и превращается в оксид углерода два, который используется в качестве восстановителя железа из его оксидов.

Для ускорения восстановления в печь добавляют природный газ, содержащий метан. При его горении образуется углекислый газ и вода. Оксид углерода четыре и водяной пар реагируют с углеродом кокса и доменный газ обогащается восстановителями: оксидом углерода два и водородом. Сейчас доменный газ используют в качестве топлива – электроэнергии

Восстановление железа

начинается при температуре 300 градусов по Цэльсию. Сначала из оксида железа три образуется железная окалина.

Затем окалина восстанавливается до оксида железа два.

А из оксида железа два получают восстановлением металлическое губчатое железо.

Губчатое железо постепенно опускается в зону температуры 1100 градусов по Цэльсию, где оно расплавляется. Часть этого железа реагирует с углеродом и превращается в карбид железа.

Карбид железа и углерода растворяются в жидком железе. Кремний, марганец, фосфор и сера, которые получаются из оксидов, растворяются в расплавленном железе и образуется жидкий чугун

–
сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой
.

За сутки доменная печь потребляет 68 вагонов коксованного угля и 220 вагонов железной руды.

Жидкий чугун скапливается в горне. Из чугуна выливают крупные массивные детали, трубы, большая часть чугуна идёт на производство стали.

Например, в Новолипецком металлургическом комбинате производят более трёх с половиной миллионов тонн чугуна в год. На производство этого комбината было потрачено столько металлоконструкций, что из них можно было бы соорудить 10 Эйфелевых башен.

Сталь можно получить несколькими способами.

Рассмотрим конверторный способ получения

.
Конвертер
имеет металлический кожух, а изнутри выложен огнеупорным кирпичом.

Через фурму подаётся воздух, обогащённый кислородом. Сначала в конвертер загружают металлолом, затем заливают жидкий чугун. Через желоб в конвертер поступает железная руда, известь, окалина.

Затем через фурму вдувается воздух, обогащённый кислородом. Температура при этом достигает 2400 градусов по Цэльсию. В производстве передела чугуна сначала окисляется железо, концентрация которого в чугуне больше, чем других веществ.

Оксид железа два, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод.

Газообразные продукты окисления удаляются, а остальные образуют шлак

. За 1 год можно получить около одного миллиона тонн шлака. Его хватило, чтобы обсыпать Московскую кольцевую автомобильную дорогу (МКАД).

Затем происходит выжигание углерода чугуна кислородом с образованием оксида углерода два.

После плавки преступают к выпуску металла. В расплаве ещё содержится оксид железа два, от которого сталь необходимо освободить. Для этого в жидкий металл добавляют раскислители. После выпуска стали шлак идёт на производство цемента, шлакоблоков, шлаковаты. Из стали изготавливают трубы, валы, стальные листы используют для кузовов автомобилей, из стали делают рельсы, балки, инструменты, подшипники.

Способ получения стали в мартэновских печах аналогичен. Мартэновская печь – крупное сооружение. Передняя стенка печи имеет окна, через которые подаётся шихта. В задней стенке есть отверстия для выпуска стали и шлака.

Для ускорения процесса плавки в мартэновскую печь вводится воздух, обогащённый кислородом. После полного расплавления шихты в печь вводят оставшуюся железную руду, которая вызывает интенсивное кипение. В период кипения металл освобождается от серы, уменьшается содержание углерода. Полученная сталь через жёлоб сливается в ковши. В процессе выплавки в металл вводят легирующие элементы.

Лучший способ получения стали осуществляется в электропечах.

Здесь применяют электроэнергию, что позволяет получать высокие температуры, в таких печах получают самую лучшую нержавеющую сталь. Электропечь имеет стальной кожух, а изнутри выложена огнеупорным кирпичом. Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным жёлобом. Основные элементы электропечи

– это электроды, которые могут опускаться и подниматься.

Шихту загружают сверху в печь. В шихту добавляют также известняк. Под действием высоких температур шихта плавится при температуре 3500 градусов по Цэльсию. Вводятся раскислители. По окончании правки металл разливают в ковши. Слитки стали раскатывают в листы нужной толщины и закатывают в рулоны.

Если весь чугун, произведённый в печи превратить в стальной лист, то получится такая полоса, которой можно обернуть Землю по экватору 20 раз.

Таким образом, получение чугуна и стали – сложный процесс, который состоит из множества стадий. Сырьём для получения чугуна и стали является железная руда. Основная масса чугуна идёт на производство стали. Сущность этого процесса заключается в уменьшении содержания углерода в чугуне. Сталь получают в конвертерах, мартэновских печах

или в
электропечах
.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Применение стали и чугуна в быту

Автор статьи: Екатерина Степанова, начальник отдела по планированию запасов,

Управление коммерческого сервиса ООО «МЕТИНВЕСТ-СМЦ»

Сталь, как материал, настолько тесно вошла в нашу жизнь, что мы даже не подозреваем этого. Человек уже много веков пользуется металлическими изделиями в быту. Ежедневно каждый из нас сталкивается с различными видами металлов и сплавов, многие из которых находятся у нас дома или на придомовой территории.

Что такое сталь и чугун?

Все металлы делят на два вида: цветные и черные. Черные металлы – это марганец, хром, ванадий, железо и их сплавы. К данному виду относят сталь (сплав железа с содержанием углерода до 2,14%) и чугун (сплав железа с углеродом в количестве более 2,14%). Все остальные металлы: медные, никелевые, алюминиевые и другие, — называются цветными металлами.

Основные отличия, которые есть между сталью и чугуном

Сталь обладает более высокой температурой плавления, чем чугун.
Стальной прокат легче поддается обработке, чем чугунное изделие: его проще порезать, просверлить, выполнить ковку или сварку.
Преимущество чугуна в том, что он обладает хорошими литейными качествами, что позволяет отливать изделия сложной формы.
Изделия из стали имеют большую теплопроводность, так как стальной прокат имеет менее пористую и более однородную структуру в отличие от чугуна
Есть цветовые различия. Стальной прокат и белый чугун более светлые; серый чугун, в котором свободный углерод находится в виде графита, обладает более темным цветом.

Стальная решетка

Применение чугуна в быту

Сантехническое и отопительное оборудование в доме

Сантехника, произведенная из чугуна, надежная, неприхотливая в уходе и способна долгий период сохранять свой внешний вид. К сантехнике относятся: ванны, раковины и кухонные мойки, краны, смесители, трубы и фитинги. Отопительные радиаторы, которые изготовлены из чугуна обладают долговечностью, хорошим теплоаккумулирующими свойствами и высокой теплоотдачей. Если сравнивать чугунные радиаторы со стальными радиаторами, то чугунные радиаторы при выключении продолжают излучать еще тепло на треть своей первоначальной мощности, при этом стальные радиаторы остывают в 2 раза быстрее.

Так же, благодаря литейным и прочностным характеристикам, чугун используют для производства комплектующих к кухонным плитам (дверцы, задвижки, сажетруски).

Как чугун используют на кухне

Если вы готовите блюда, в которых требуется длительное томление, тогда для приготовления таких блюд отлично подойдет посуда из чугуна. К таким блюдам относятся плов и различные каши, которые прекрасно готовить в чугунном казане, а также овощи, мясо и птица, для которых будет незаменимой чугунная утятница.

В посуде из чугуна продукты лучше сохраняют свои полезные и питательные свойства и не образуют канцерогены. На кухне также можно встретить чугунную сковородку или чугунный горшок, в котором получается очень вкусное овощное рагу. Также определенным спросом пользуются кухонные инструменты и столовые приборы из чугуна.

Чугунный казан

Чугун имеет пористую структуру, поэтому имеет свойство впитывать жир, который образуется в процессе приготовления еды. Таким образом антипригарные свойства чугунной посуды со временем только улучшаются. Чугунная посуда имеет недостатки – она тяжелая и легко поддается коррозии.

Другие изделия из чугуна в быту

Чугун широко используется в архитектуре домовой и придомовой территории. К изделиям из чугуна можно отнести ажурные ограждения, решетки, винтовые лестницы, уличные беседки и навесы, камины в доме, уличные столбы и фонари, различные декоративные скульптуры для сада. Спортивный инвентарь, к примеру гантели или диски для штанг, может также быть произведен из чугуна.

Чугунная гиря

Применение стали в быту

Различная сталь применяется при производстве посуды и утвари для кухни: черный стальной прокат, эмалированная сталь, нержавеющая сталь, сталь листовая оцинкованная. К бытовым кухонным стальным принадлежностям относятся все виды устройств, которые используются на различных этапах приготовления пищи: кухонная мясорубка, прибор с помощью которого шинкуют овощи, бытовые кухонные весы, навесная или настольная сушилка для тарелок и вилок, ложек и т.д.

Посуда для кухни

Кухонное оборудование: духовки, микроволновки, посудомоечные машины, пароварки и пр. – все имеют корпус в большинстве случаев из листа холоднокатаного.

На кухне применяются хозяйственные ножи различного назначения: хлебный нож, нож для разделывания мяса, нож для нарезки сыра и масла, нож для чистки фруктов и овощей и разные модели складных ножей.

К столовым кухонным приборам относим разные виды ложек и вилок. Ложки подразделяются по размеру и назначению: столовые, десертные, чайные и кофейные ложки. Вилки делятся на два вида: столовые и буфетные. Также используются в быту столовые кухонные наборы, куда входят ножи, вилки и ложки.

Среди хозяйственных ножниц существует несколько видов: кухонные, портновские, ножницы для маникюра, ножницы, используемые в парикмахерских и т.д.

Металлоизделия и инструменты, которые используются для ремонта и строительства

различные изделия для крепежа: гайки, гвозди, болты, шурупы и т.д;
фурнитура для окон и дверей: ручки, петли, замки, шпингалеты и т.д;
стальные инструменты, которые используются для обработки дерева: пилы, топоры и т.д;
строительные инструменты для обработки металлических элементов: зубила, зажимные тиски, кувалды, молотки, наковальни, ножовки, напильники, сверлильные инструменты и устройства для нарезания резьбы;
инструменты, необходимые для монтажа: плоскогубцы, отвертки, кусачки, клещи;
строительное оборудование, которое содержит элементы из стали: дрель, перфоратор, шуруповерт и т.д.;
садовый инвентарь: лопаты, грабли, вилы, косы, мотыги, серпы и т.д.

Садовый стальной инвентарь

Нагревательные и осветительные приборы

газовые кухонные плиты;
водонагреватели для дома;
котлы электрические для помещений;
отопительные котлы, которые работают на твердом и жидком топливе;
керосиновые лампы и уличные фонари.

Дымоходы

В устройстве дымоходов применяется труба профильная, в тч из специальной жаростойкой стали, которая имеет устойчивость к высокотемпературной коррозии.

Мебель

Различная стальная фурнитура используется в мебельных конструкциях. Основным элементом фурнитуры является мелкая труба профильная стальная, уголок металлический и полоса стальная. Часто используется металлический декор в мебели.

В чем преимущество стали и чугуна в быту?

Ответ один – долговечность. Когда у вас выбор установить ограждение из металлопроката или любого другого альтернативного материала (дерева, пластика, профнастила и т.д.), и в приоритете выбора – долговечность, то конечно же необходимо выбирать изделие из из металлопроката.

Купить металлопрокат вы можете у надежного поставщика производителя ООО «МЕТИНВЕСТ-СМЦ». Поставка розничными и оптовыми партиями. Доставка в любую точку Украины. Заявку можно оставить на сайте или перезвонить по телефону 0 800 30 70 70.

Что делают из чугуна и стали?

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