Чугун и сталь – определения, состав, области практического использования
Чугуном называется сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14%; в чугуне содержится 1,5...2,6% кремния и 0,5... 1,0% марганца. Допустимое содержание вредных примесей в чугуне – фосфора до 0,3% и серы до 0,15%.
В автомобильной промышленности литейный чугун используется для отливки большой номенклатуры заготовок деталей грузовых автомобилей – тракторов, дорожных машин и другой техники. Из чугунов отливают заготовки картеров коробок передач, блоков цилиндров, головок блоков и других деталей.
Передельный чугун используется для выплавки сталей. В состав передельного чугуна входит 4,0...4,4% углерода, 0,75...1,25% кремния, 1,2...1,7% марганца, не более 0,3% фосфора и до 0,078% серы.
Сталью называется сплав железа с углеродом с содержанием не более 2,14 % углерода; в ее состав также входят (в %): 0,25...0,70 марганца; 0,12...0,35 кремния; до 0,055 серы и до 0,05 фосфора.
Металлургическая промышленность производит углеродистые, высокоуглеродистые, легированные и высоколегированные стали.
При производстве автомобилей, тракторов, дорожных машин из сталей изготовляют валы коробок передач, зубчатые колеса (шестерни); ведущие и направляющие колеса гусеничных тракторов, звенья гусениц (траки) и другие детали. В двигателестроении из сталей изготовляют коленчатые и распределительные (кулачковые) валы, шатуны, поршневые пальцы и другие заготовки деталей.
На свойства железоуглеродистых сплавов влияет наличие в них постоянных примесей (вредных — серы, фосфора, кислорода, азота, водорода; полезных — кремния, марганца и др.). Эти примеси могут попадать в сплав из природных соединений (руд), например, сера и фосфор; из металлического лома — хром, никель и др.; в процессе выплавки и раскисления — углерод, кремний и марганец.
Углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность.
Сера является вредной примесью. Она образует легкоплавкую эвтектику FeS + Fe. При кристаллизации сплава сера располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости. Содержание серы должно быть менее 0,06%.
Фосфор ухудшает пластические свойства сплава, вызывая явление хладноломкости. Его содержание в стали не должно превышать 0,08%. В чугуне допускается до 0,3% фосфора.
Азот, кислород и водород присутствуют в сплавах в составе оксидов FeO, SiO2, A12O3, нитридов Fe4N или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Оксиды и нитриды служат концентраторами напряжений и могут снижать механические свойства (прочность, пластичность).
Водород растворяется в стали при расплавлении. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, он накапливается в микропорах под высоким давлением и может стать причиной образования внутренних надрывов в металле (флокенов) и трещин.
Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке и в процессе раскисления. Кремний повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Он способствует графитизации чугуна. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность феррита. При содержании более 1,5% марганца снижаются пластические свойства стали. В сталях содержится обычно не более 0,4% Si и 0,8% Мп.
производство чугуна, основные
исходные материалы.
Основными исходными материалами, необходимыми для производства чугуна, стали и цветных металлов являются руды, топливо, флюсы и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называют добываемую в карьерах горную породу, из которой технически и экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения, отделяя их в последующем от примесей, или пустой породы, не содержащей соединений нужных металлов.
Различают богатые и бедные руды в зависимости от содержания в них добываемого металла. Для уменьшения доли примесей и увеличения концентрации добываемого металла добываемая руда может подвергаться обогащению на горно-обогатительных комбинатах. Продукт такого обогащения называют концентратом. Применение концентрата существенно увеличивает эффективность использования оборудования для выплавки металла. Сущность обогатительных процессов в основном сводится к измельчению промышленной руды и разделению ее частиц на основе различий в их физических свойствах - плотности, смачиваемости, магнитной проницаемости, барбатированием пузырьками воздуха (флотация), магнитным воздействием (магнитная сепарация) и т.п.
Топливом в металлургических печах могут быть, вообще говоря, кокс, природный газ, мазут, иногда доменный (колошниковый) газ (табл. 1). В производстве чугуна в качестве основного топлива используется кокс.
Таблица 1.
Металлургическое топливо
| Агрегатное состояние | Естественное топливо | Искусственное топливо |
| Твердое | Каменный уголь, бурый уголь, дрова | Кокс, каменноугольная пыль |
| Жидкое | Нефть | Мазут |
| Газообразное | Природный газ | Коксовый газ, водяной газ, генераторный газ |
Кокс получают из добываемого в шахтах или разрезах каменного угля специальных коксующихся сортов путем сухой перегонки без доступа воздуха при температуре около 1000оС, после чего он содержит 80-88% углерода, 8-12% золы, 2-5% влаги, 0,1-1,8% серы, до 0,2% фосфора и до 1-2% летучих веществ. Для выплавки 1 т чугуна расходуется 0,6–1 т кокса.
Для снижения расхода кокса и интенсификации выплавки чугуна в доменную печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль.
В состав шихты – сыпучей смеси, загружаемой в доменную печь, – кроме рудного концентрата и твердого топлива, входят в определенных пропорциях флюсы - изготавливаемые на производствах минерального сырья материалы, служащие для образования легкоплавких и имеющих малую по сравнению с расплавом плотность соединений с остатками пустой породы рудного концентрата и золой топлива. Эти соединения называются шлаком, который из-за малой плотности располагается поверх металлического расплава, защищая его от печных газов и воздуха.
Флюсы выбираются в зависимости от состава пустой породы. Они понижают температуру плавления пустой породы, шлак получается легкоплавким. Кроме того, флюсы способствуют удалению золы и серы.
Шлаки могут быть кислыми (на основе, например, оксидов кремния SiO2или фосфораP2O5) и щелочные (на основе оксидов кальция CaO,магнияMgO,железаFeO,марганцаMnOи др.). Главная характеристика шлака – его кислотность 
:
Обычно кислотность шлака АК=0,9¸1,4. Если АК больше единицы, шлак называют кислым, а при АК меньше 1 – основным.
Для выплавки 1 т чугуна расходуется 0,2 ÷ 0,5 т флюса.
На специальных производствах минерального сырья изготавливаются также огнеупорные материалы, применяемые для изготовления внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла (табл. 2).
Здесь важно отметить одно важное правило обеспечения безопасной эксплуатации металлургических печей. Дело в том, что огнеупорные материалы могут изготавливаться на основе кислых минералов (например, кремнезема SiO2), материалов, содержащих основные оксиды (CaO, магнезит MgO), или же быть химически нейтральными, содержащими большое количество Al2O3 и Сr2O3 и т.п. комбинации минералов. Шлаки же, в соответствии с содержанием компонентов руды и флюсов, состоящих опять-таки из оксидов, также могут быть кислыми или основными. Поэтому при выборе флюсов чрезвычайно важно не допускать, чтобы кислые шлаки попадали в объем с основными огнеупорными футеровками или наоборот - основные шлаки в объем, защищенный кислыми огнеупорами. Нарушение этого правила неизбежно приведет к реакциям между шлаками и огнеупорами и в итоге к разрушению защитного слоя и контакту расплава металла с металлической стенкой печи или ковша.
Таблица 2.
Огнеупорные материалы
| Наименование | Химические свойства | t0C плавления | Главная составная часть |
| Динас | Кислый | SiO2 (96%) | |
| Магнезит | Основной | MgO (96%) | |
| Доломит | Основной | CaO× MgO(по 50%) | |
| Шамот | Нейтральный | Al2O3× SiO2(40%, 60%) | |
| Графит | Нейтральный | C(92%) |
Кроме перечисленных исходных материалов, для окисления топлива при выплавке металла необходим кислород, которых поступает в печи из магистралей сжатого воздуха или компрессоров.
Подготовка руды и шихты
к доменной плавке.
Цель подготовки: повышение производительности доменной печи, снижение расхода топлива, увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей – серы, фосфора, повышения ее однородности по кусковатости и химическому составу.
Перед загрузкой в доменную печь производится окускование исходных материалов одним из двух основных способов.
1. Агломерация: Смесь (шихту) из 40-50% рудного концентрата, 15-20% известняка, 20-30% мелкого возвратного агломерата, 4-6% коксовой мелочи и 6-9% влаги спекают при 1300 - 1500оС и измельчают на агломерационных машинах. Такая термообработка удаляет серу и мышьяк, разлагает карбонаты. Получается пористый кусковой офлюсованный материал - агломерат.
2. Окатывание: Шихта из измельченных концентратов, флюсов, кокса увлажняется и с помощью вращающихся барабанов и тарельчатых чаш (грануляторов) приобретает форму шаров диаметром до 30 мм. Полученные окатыши высушивают и обжигают на обжиговых машинах при 1200-1350оС, они становятся прочными и пористыми
Устройство доменной печи
Доменная печь представляет собой массивную стальную колонну высотой до 35 ÷ 100 метров, выложенную внутри огнеупорным материалом. Схема устройства шахтной доменной печи приведена на рис. 1. Она состоит из горна, заплечников, распара, шахты и колошника. В настоящее время эксплуатируются печи с полезным объемом до 5900 м3. В таких печах выплавляют до 4,5 млн. тонн чугуна в год. Доменная печь работает непрерывно 10 – 15 лет, после чего ставится на ремонт.
На колошнике, между газоотводящими патрубками 2, установлен засыпной аппарат 3, используемый для загрузки шихтового материала в печь. Процесс загрузки шихтового материала в печь автоматизирован. Загрузка шихты в печь производится по заданной программе. Засыпной аппарат равномерно слоями загружает шихту в шахту печи.
Кроме того, засыпной аппарат предохраняет доменную печь от проникновения воздуха и предотвращает утечку доменного газа в атмосферу.
Шахта имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу, поэтому шихта здесь свободно опускается по мере плавления. В распаре и заплечиках образуется губчатое (пористое) железо, которое затем науглероживается, плавится и стекает в горн. Заплечики сужаются от распара к горну, поэтому твердая шихта удерживается в распаре и шахте.
Через фурмы 4 под давлением 0,5 МПа (5 атм) подается предварительно нагретое окислительное дутье для горения топлива. Через эти же фурмы в печь поступают топливные добавки – природный газ, угольная пыль, мазут.
Футеровка (огнеупорная кладка) горна, заплечников и распара печи выполнены из шамотного кирпича высшего сорта А; для кладки шахты используют кирпичи марки Б. Растворы для кладки кирпичей, соответственно изготовляют из порошков марок А и Б. Кирпичная кладка заплечников, распара и горна защищены сварными стальными листами толщиной 12÷15 мм.
Шахта печи оборудована более надежной защитой. Она выполнена из литых чугунных плит с отверстиями. В отверстия плит вставлены стальные трубки, по трубкам циркулирует вода, охлаждающая кирпичную кладку шахты печи. Этим обеспечивается надежность кладки печи в шахте.
В процессе плавки чугуна максимальному нагреву подвергается лещадь печи 6, непосредственно контактирующая длительное время с жидким чугуном. Поэтому толщина кладки лещади принята более 500мм. Кирпичная кладка печи опирается на толстостенное металлическое кольцо, приваренное к стальным колоннам. Колонны опираются на нижнее металлическое кольцо, залитое в фундамент печи. Доменная печь, посредством сварной конструкции из металлических (стальных) колец и стоек установлена на массивный фундамент. Учитывая большую статическую нагрузку, фундамент доменной печи изготовляют из кусков горного камня, залитых раствором из цемента.
В верхней части горна печи в стальном кожухе и в кирпичной кладке имеются отверстия, в которые вставлены втулки из жаропрочной стали; в отверстия втулок вставлены фурмы кольцевого коллектора. Через коллектор и фурмы 4 в горн печи под давлением поступает воздух, нагретый до 1000÷1200°С, в нижней части горна печи установлены две летки на разных уровнях. Через верхнюю летку 5 с интервалом в 1,0 ÷ 1,5 часа выпускают шлак, а по нижней летке 1 через каждые 3,0 ÷ 4,0 часа выпускают чугун. Температура выпускаемого чугуна 1300 – 14500С, шлака на 50 – 1000С выше. Чугунную летку вскрывают бурильной машиной. После выпуска чугуна, летку закрывают густым глиняным раствором. Чугун и шлак выпускаются из доменной печи по желобам, проложенным по литейному двору. Чугун разливается в ковши емкостью 90 и 140 тонн, установленные на - железнодорожную платформу, а шлак поступает в шлаковые чаши, установленные на вторую железнодорожную платформу.
Выплавка чугуна в
доменной печи.
Доменная печь является термохимическим реактором, работающим по принципу противотока загружаемой сверху и постепенно опускающейся шихты и поднимающегося потока горячих газов, разогреваемых в нижней горновой части благодаря подаче в нее через фурмы кислорода. При этом в печи устанавливается определенное распределение температур - более 2000оС в горновой части, 1000 - 1100оС в шахте и 300 - 400оС вверху, в колошниковой зоне.
Сущность процесса выплавки чугуна заключается в восстановлении железа из составляющих основу руды его оксидов –Fe2O3, Fe3O4, FeO. Для этого используется способность углерода при определенных условиях соединяться с кислородом, образуя газообразные продукты – углекислый газ СО2 и окись углерода СО, выделяющиеся из расплава восстановленного таким образом железа, естественно, стремящиеся всплыть или, во всяком случае, двигаться вверх.
Противоток шихты и горячих газов в доменной печи принципиально важен для полноты сгорания углерода и восстановления железа, которые протекают по цепочкам последовательных химических превращений. Каждая из реакций требует для своего осуществления своих теплоэнергетических условий, т.е. она либо потребляет тепло извне (эндотермическая реакция), либо сама выделяет дополнительную энергию (экзотермический процесс):
Вблизи фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом поступающего воздуха с выделением большого количества тепла Q1(экзотермическая реакция):
C + O2 ® CO2 + Q1.
При высокой температуре в присутствии твердого углерода кокса диоксид углерода не устойчив и частично переходит в оксид углерода. Эта реакция идет с поглощением тепла Q2 (эндотермическая реакция).
CO2 + C ® 2CO - Q2 ,причем Q1 > Q2.
Одновременно на некотором расстоянии от фурм печи идет реакция неполного сгорания углерода кокса:
С+0,502 ® СО + Q3..
Врезультате горения топлива в доменной печи выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО2 и другие газы. При этом в печи, немного выше уровня фурм, температура повышается до 1900° С.
Горячие газы, поднимаясь вверх по шахте печи, в зоне колошника дополнительно нагревают шихту, а сами охлаждаются до 400°С.
В зоне печи, где температура газов понижается до 700°С, часть оксида углерода разлагается с образованием углекислого газа СО2 и сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах
2СО ® СО2+С.
Влага, которая выделяется из минералов, и водяной пар, подаваемый в составе дутья, разлагаются по реакции
Н2О + С ® Н2 + СО – Q3..
Образующийся водород затем будет восстанавливать железо и другие элементы.
Шихтовые материалы, постепенно опускаясь в шахте печи и соприкасаясь с горячими газами, нагреваются. При этом сначала испаряется влага, а затем в материалах происходит целый ряд физико-химических изменений.
Восстановление железа из оксидов происходит по цепочке
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 4951;