Розділ 4. Матеріали чорної металургії.

Сирі матеріали– це вихідні матеріали металургійного виробництва, що пройшли визначену підготовку перед подачею в металургійні агрегати. Оскільки мова йде про чорну металургію, то в першу чергу говорять про залізні руди. Але при виплавці чавуну й сталі металурги змушені використовувати й інші сировинні матеріали, що добуваються з надр Землі. Для потреб металургійної промисловості гірничорудні підприємства виробляють наступні основні види сировини:

· залізну руду, концентрат, агломерат залізної руди

· залізорудні окатиші

· концентрат і агломерат марганцевої руди

· флюсові вапняки й доломіти

· вогнетривкі глини

· кварцити для феросплавної промисловості

Ці матеріали використовуються на різних технологічних переділах.

Сирі матеріали доменного виробництва - залізна руда, марганцева руда, вапняк, паливо (кокс, природний газ, коксовий газ, вугільний пил) і повітря.

Вихідні матеріали сталеплавильного виробництва - рідкий чи твердий чавун, залізна руда, феросплави, флюси, паливо (природний газ, мазут, кам'яновугільний пил), повітря, технічний кисень.

Розглянемо основні із сирих матеріалів металургійного виробництва.

Залізні руди

У земній корі залізо знаходиться у виді різних складних з’єднань, головним чином, із киснем, що входить до складу мінералів, іменованих залізними рудами. Руди ці розташовуються в земній корі по-різному. Деякі поклади руд розташовуються близько до поверхні землі, і для їхнього видобутку не треба будувати глибокі шахти, їх добувають т.зв. відкритим чи кар'єрним способом. Але іноді руда залягає дуже глибоко, і для її добування приходиться будувати дорогі шахти. У районі великих родовищ будують гірничо-збагачувальні комбінати (ГЗК), де руду не тільки добувають, але й збагачують її (підвищують уміст заліза) і підготовляють до плавки, перетворюючи тонко здрібнені концентрати в окатиші чи агломерат.

Залізо, як уже відзначалося, є одним із найрозповсюдженіших у природі елементів. Його вміст у земній корі (кларк) складає 4,2%. Більше міститься в ній тільки кисню - 49,7%, кремнію - 26% і алюмінію - 7,4%. Залізо як складова частина входить майже в усі гірські породи, однак не всі ці породи можна вважати рудами.

Рудними копалинами, або рудами, називають такі мінеральні маси (гірські породи), з яких економічно доцільний видобуток металу чи необхідного елемента. Досвід показує, що експлуатація залізорудного родовища доцільна в тому випадку, коли запаси складають не менш 100 млн. т, тому що для роботи, наприклад, металургійного заводу із двома доменними печами обсягом 1300 м куб. на 40 років потрібно 100 млн. т руди, що містить 53% заліза.

Руда складається з рудного (рудо утворюючого) мінералу, порожньої породи й домішок. Елемент, що добувається, знаходиться в рудному мінералі.

Рудні мінерали залізних руд являють собою оксиди заліза, карбонати заліза й деякі інші сполуки. Головними з них є:

Гематит, що має хімічний склад Fe₂O₃ - безводний оксид заліза. Гематит містить 70% заліза. Утворена гематитом руда називається червоним залізняком і є найрозповсюдженішим типом руди. Він, звичайно, характеризується високим умістом заліза й малим умістом шкідливих домішок.

Магнетит, що має хімічний склад Fe₃O₄, - магнітний оксид заліза. Він містить 72,4% заліза. Відрізняється від інших мінералів промислових залізних руд магнітними властивостями, що втрачаються при нагріванні вище 570 С (крапка Кюрі). Магнетитові руди називаються магнітними залізняками, чи магнетитами. Вони менш поширені, чим гематити, характеризуються більш високим умістом заліза, але зниженою відновлюваністю.

Водяні оксиди заліза Fe₂O₃ * nН₂O у залежності від значення n утворюють різні гідрооксиди, але всі утворені ними руди називаються бурими залізняками. Найбільше часто зустрічаються бурі залізняки на основі лимониту 2Fe₂O₃ * 3H₂O.

Бурі залізняки характеризуються зниженим умістом заліза, пухкі, часто супроводжуються марганцем, фосфором, мають високу міцність.

Сидерит, що має хімічний склад FeCO₃, - карбонат заліза, містить 48,2% Fe. Руда на основі FeCO₃ називається шпатовим залізняком.

Ільменіт, що має хімічний склад FeTiО₃, - залізна сіль титанової кислоти. Ільменіт містить 36,8% Fe і 31,8% Ti. Утворені ільменітом руди називаються титаномагнетитами. Титаномагнетит є щільною рудою, що дає густі й тугоплавкі шлаки. Має магнітні властивості й добре збагачується магнітною сепарацією. Часто супроводжується ванадієм.

Порожньою породоюзалізних руд називаються баластові з'єднання, що не містять заліза. Порожня порода залізних руд складається з різних складних мінералів, складовими частинами яких є: кремнезем SiО₂, глинозем Al₂O₃, вапно CaО й магнезія MgО. В ідеальному випадку порожня порода при розплавлюванні повинна давати готовий шлак. Нормальний доменний шлак характеризується відношенням (CaО + MgО ) до (SiО₂+Al₂O₃) на рівні 0.9 -1.4. Тут CaО, MgО, Al₂O₃, SiО₂ - уміст відповідних оксидів у шлаку. Саме такий склад шлаку забезпечує потрібні температури плавлення, в'язкість, здатність поглинати сірку з металу. Це відношення називається основністю шлаку.

Якщо склад порожньої породи не відповідає цьому відношенню, то його необхідно створити, додаючи або основні, або кислотні оксиди. Але, тому що в переважній більшості випадків у породі руд переважають SiО₂ і Al₂O₃, то необхідно додавати СаО й МgО у виді кускового вапняку в доменну піч чи дроблений вапняк, вапно, черепашник, крейду безпосередньо в агломераційну шихту. Найбільш коштовною є так називана само плавка руда, що має основність порожньої породи близько 1,0.

У залізних рудах завжди зустрічається деяка кількість домішок. Ці домішки можуть бути корисними й шкідливими.

Корисними домішкамиє Mn, Cr, Ni, V, W, Mo і ін. Корисність їх визначається, головним чином, позитивним впливом на якість одержуваної сталі. Найбільш розповсюджена домішка - марганець, у хімічному відношенні - аналог заліза. У звичайних умовах плавки марганець вводиться в чавун за рахунок марганцевої руди, подаваної в аглошихту. Наявність Mn у залізній руді дозволяє усунути витрати на марганцеву руду й знизити собівартість чавуну.

Хром і нікель є коштовними легуючими елементами, які переходять у чавун, а потім у сталь, і поліпшують її якість. Вони дозволяють знизити витрату дорогих ферохрому й феронікелю. Уміст Cr і Ni у рудах, звичайно, невелике й складає від десятих часток до декількох відсотків.

Ванадій у значних кількостях звичайно міститься тільки в титаномагнетитах. Вольфрам і молібден є корисними домішками, однак у рудах зустрічаються вкрай рідко.

Шкідливими домішками залізних рудє сірка, фосфор, миш'як, цинк і свинець.

Сірка викликає зниження міцності сталі при підвищених температурах і тому у всіх випадках є домішкою шкідливою.

Фосфор шкідливо впливає на якість сталі, знижує її міцність при низьких температурах і тому в переважній більшості випадків є також шкідливою домішкою. У доменній печі фосфор відновлюється, і майже цілком переходить у чавун, а потім частково в сталь.

Миш'як у хімічному відношенні аналогічний фосфору й дія його на якість сталі приблизно така ж. В усіх випадках ця домішка шкідлива. У доменній печі миш'як цілком відновлюється, і переходить у чавун. У рудах знаходиться у виді FeAs, при агломерації майже не усувається.

Цинк є шкідливою домішкою, хоча й не переходить у чавун. Переходячи в пару в нижній частині доменної печі, він конденсується в кладці верха печі, і викликає її руйнування.

Свинець теж є шкідливою домішкою. Накопичуючись у горні печі, він руйнує кладку.

Світові запаси залізних руд оцінюються більш ніж у 100 млрд. тонн. Великими запасами залізних руд володіють Бразилія, Індія, США, КНР, Швеція, Франція, Венесуела, ПАР. Приблизно третина всіх світових запасів залізних руд знаходиться на території країн СНД - у Росії, Україні й Казахстані.

За даними міжнародного інституту заліза й сталі (IISI) видобуток залізних руд у світі в 2005 р. склав понад 1 млрд. т, у тому числі по країнах і регіонах світу (перша п'ятірка): Китай - 224 млн. т., Бразилія - 209, Австралія й Океанія - 170; країни СНД - 159, у тому числі Росія - 83, Україна - 55, Казахстан - 15;

Майже всю добуту з надр залізну руду з метою підвищення вмісту заліза піддають збагаченню на збагачувальних фабриках..

Так, наприклад, у результаті збагачення бідних криворізьких залізистих кварцитів з 20-45% Fe одержують концентрати з 60-65% Fe. Основним способом збагачення залізної руди в нашій країні є магнітний. Сутність сухої магнітної сепарації полягає в тому, що тонко здрібнену руду поміщають у магнітне поле, де магнітні частки руди відокремлюються від порожньої породи. При мокрій сепарації руда при впливі на неї магнітного поля одночасно промивається водою. Цей спосіб більш екологічний, чим попередній, при якому виділяється багато пилу.

Серед інших методів збагачення найбільш розповсюджені гравітаційний: відсадження й поділ у важких суспензіях, у яких рудний мінерал тоне, а частки порожньої породи спливають.

Для видалення пухкої піщаної й глинистої порожньої породи застосовують також найбільш простий і дешевий спосіб - промивання водою. Отримані в результаті такого збагачення залізорудні концентрати йдуть на аглофабрики, де з них одержують агломерат, або на фабрики окатишів, де з них одержують окатиші.

Агломерат - продукт спікання шихти, що містить здрібнений залізорудний матеріал, вапняк і кокс. Спікання відбувається за рахунок горіння коксу при просмоктуванні повітря через шар шихти. При введенні добавок, що регулюють основність агломерату, одержують офлюсований агломерат.

Окатиші - продукт обкатування дисперсних залізорудних концентратів у тарілчастих чи барабанних огрудковувачах. Окатиші утворяться за рахунок злипання окремих часток шихти в кульки діаметром 15-20 мм при зволоженні шихти водою або спеціальним розчином. Сирі окатиші піддаються сушінню й зміцнюючому відпалу, іноді частково металізуються відновленням для одержання необхідних властивостей по міцності.

Марганцеві руди

Марганець є одним із головних легуючих елементів, тому марганцева руда майже завжди входить до складу шихти доменних печей при виплавці передільних чавунів. Чорна металургія є головним споживачем марганцевої руди - вона витрачає 90-95% усього видобутку марганцю.

Марганець розповсюджений у природі набагато менше ніж залізо; уміст його в земній корі складає всього 0.1% (заліза – 4.2%). Порожня порода марганцевих руд по складу аналогічна порожній породі залізних руд, вона містить SiО₂, Al₂O₃, CaО u MgО. Головними компонентами порожньої породи є кремнезем і в набагато меншій кількості - глинозем.

Шкідливими домішками марганцевих руд є фосфор і сірка. Сірка в цих рудах знаходиться в дуже невеликих кількостях (0.07-0.3%), тому головною шкідливою домішкою є фосфор, вміст якого доходить до 0.5%. Особливо небезпечний фосфор у рудах, призначених для виплавки феросплавів.

4.3. Флюси - добавки, що вводяться в доменну й агломераційну шихту для зниження температури плавлення порожньої породи шихтових матеріалів і додання доменному шлаку необхідного складу, і фізичних властивостей, що забезпечують очищення чавуну від сірки, і нормальну роботу печі. Флюси в сталеплавильному виробництві використовують для регулювання складу й властивостей шлаку.

У доменному виробництві практично єдиним видом флюсу є вапняк, що представляє собою природну форму мінералу кальциту - CaCO3. Шкідливими домішками вапняку є сірка й фосфор, однак уміст сірки зазвичай низьке, і вона видаляється в процесі плавки, у той час як фосфор цілком переходить у чавун і тому більш небезпечний.

Поряд зі звичайним вапняком широке застосування має доломітизований вапняк, що представляє собою суміш кальциту CaCO₃ і доломіту CaCO₃ * MgCO₃.

У сталеплавильному виробництві крім відзначених вище використовують і такий флюс, як плавиковий шпат (CaF₂) - він розріджує шлак, робить його більш рухливим.

4.4. Кокс - основне джерело тепла й вуглецю в металургійних переділах, він же - основний відновник у доменному процесі. Уміст вуглецю в коксі знаходиться на рівні 90-95%, він містить також золу.

Коксом називається пориста спечена речовина, що залишається після видалення з кам'яного вугілля летучих речовин при нагріванні його до 950-1200 С без доступу повітря. Це єдиний матеріал, що зберігає форму шматка в доменній печі на всьому шляху руху від колошника до горна. Завдяки цій обставині забезпечується проходження газового потоку через шар рідких, напіврідких і твердих матеріалів у доменній печі. У нижній частині печі розпечений кокс утворить своєрідні дренажні ґрати, через яку в горн стікають рідкі продукти плавки. Висота стовпа шихти в сучасній доменній печі досягає 30 м, тому кокс, особливо в нижній частині печі, сприймає великі навантаження. Звідси випливає основна вимога, пропоноване до коксу - висока механічна міцність як у холодному, так і в нагрітому стані.

Кокс, що завантажується в доменну піч, не повинний містити ні дрібних шматків, що погіршують газопроникність шихти, ні надмірно великих шматків, що, як правило, уражені тріщинами, і легко руйнуються в печі з утворенням дрібних фракцій.

Кокс повинний бути пористим для забезпечення гарної горючості в горні печі й мати високу теплоту згоряння для одержання необхідної кількості тепла й необхідної температури. Теплота згоряння залежить від умісту в ньому вуглецю, що визначається вмістом золи, шкідливих домішок і летучих речовин у коксі. Чим вище вміст золи, шкідливих домішок і летучих речовин у коксі, тим менше в ньому вуглецю, і менше теплота його згоряння. Кокс повинний містити по можливості менше золи, сірки, фосфору й помірна кількість летучих речовин.

Коксування виникло в 18 столітті, коли винищування лісів для одержання деревного вугілля, яке йшло на виплавку чавуну, стало загрозливим і треба буде замінити це вугілля мінеральним паливом. У 1735 р. у Великобританії була проведена перша доменна плавка на коксі. Кокс випалювався в купах, подібно тому як до цього випалювалося деревне вугілля. У кінці 18 століття було освоєне коксування в напівзакритих, а з 1830 р. у закритих камерах, причому летучі продукти, що виділялись, спалювалися. З 70-х років 19 століття починають використовувати летучі продукти, удосконалюються методи обігріву печей для коксування. До початку 20 століття процес коксування оформився в сучасному виді, і надалі відбувалося лише його вдосконалювання.

Світове виробництво коксу досягає 350-375 млн. т/рік, в Україні - порядку 20 млн. т/рік.

4.5. Дуття - це суміш газів і пилоподібного палива, що вдмухаються в доменну піч. Основою дуття є повітря, входить туди природний і коксовий газ, вугільний пил, мазут.

Повітря - атмосферне повітря Землі, суміш азоту (79% об.) і кисню (21%) при дуже незначному вмісті інших газів.

У сучасну доменну піч для виплавки 1 т чавуну вдмухається близько 3000 м куб. повітря; його витрата на великих печах досягає 6000-10000 м. куб/хв., що забезпечується швидкохідними турбоповітродувними машинами. Повітря нагрівається в спеціальних повітронагрівачах (кауперах).

Природний газ у надрах може бути у вільному й розчиненому стані. Розчинений газ зветься побіжним і добувається одночасно з нафтою з тих самих свердловин. Вільний газ - це природний газ, що виходить зі свердловин, може містити деяку кількість води та конденсату, тому перед подачею в магістральні газопроводи його піддають сепарації й осушуванню. Особливістю використання природного газу в доменних печах є розкладання його в горні з утворенням водню й СО - активних відновників.

Коксовий газ є продуктом коксування вугілля. Це летучі продукти коксування, що виходять із коксових печей у виді паро газової суміші. У цьому газі містяться також смоли, бензольні вуглеводні, аміак, сірководень, оксиди азоту та ін. Сирий газ піддається очищенню, у процесі якого конденсуються пари, і уловлюються аміак і бензольні вуглеводні. Після очищення коксовий газ містить 57-60% H₂, 24-26 CH₄, 2,5-3% CnHm, 6,0 - 7,0% CO. У горн доменної печі коксовий газ вносить значні кількості відновників H₂ і CO.

Крім газоподібних замінників коксу, використовують рідке й пилоподібне паливо, зокрема, мазут і кам'яновугільний пил.

Мазут являє собою важкий залишок прямої перегонки й крекінгу нафти. Пальна маса мазуту містить 84-88%СО, 10-11% Н₂, 0.7% S і 0.8%(O₂+N₂).

4.6. Скрап - відходи як власне металургійного виробництва (обріз злитків, літники, брак), так і металобрухт від відслуживших свій час сталевих (чавунних) конструкцій, машин, споруджень, відходи машинобудування.

4.7. Вогнетриви - неметалічні матеріали й вироби, призначені для використання в умовах високих температур у різних теплових агрегатах. Застосовуються для футерівки доменних і інших металургійних печей.

По хімічному складу вогнетриви поділяють на три групи:

Кислі - динасова цегла, кварцовий порошок і інші матеріали з високим умістом SiО₂.

Основні - магнезитові, доломітові й ін. з високим умістом MgО, CaО.

Нейтральні - шамот, вуглецеві й ін. матеріали.

Розділ 5. Основні й побічні продукти металургійних переділів.

На кожному металургійному переділі поряд з основними продуктами утворюються й побічні, у тому числі й шкідливі для навколишнього середовища.

Розглянемо основні й побічні продукти головних металургійних переділів.

Основним продуктом доменної плавки є чавун, побічними - доменний газ, колошниковий пил, доменний шлак.

Чавун являє собою сплав заліза з вуглецем, марганцем, кремнієм, фосфором і сіркою. Уміст заліза в чавуні 91-94%, вуглецю - 3.5 - 4.5%. У легованому чавуні, крім того, можуть бути присутнім хром, нікель, ванадій, вольфрам і титан, уміст яких залежить від складу руд.

У залежності від призначення доменні чавуни розділяють на три види:

-передільний, або переробний, призначений для переробки в сталь;

-ливарний, призначений для виготовлення виливків;

-спеціальний, використовуваний для розкислення сталі (феросплави);

У даний час феросплави в доменних печах практично не виробляються, їх виявилося вигідніше одержувати на спеціалізованих феросплавних заводах (виробництво феросплавів - окрема підгалузь ЧМ).

Передільний чавун у ковшах-чавуновозах ємністю близько 100 т по залізничних коліях із доменного цеху доставляють у міксерні відділення сталеплавильних цехів.

Ливарний чавун після випуску з доменної печі розливають у т.зв. "чушки" і в холодному виді направляють на машинобудівні заводи, де перед виливком деталей його повторно розплавляють у спеціальних печах - вагранках.

Доменний шлак утворюється при сплавлюванні порожньої породи рудного матеріалу, флюсу й золи коксу. Шлак є одним з основних регуляторів хімічного складу чавуну. У залежності від складу шлаку полегшується чи утрудняється перехід у чавун тих чи інших елементів. У міру нагромадження шлак випускають у розплавленому виді через шлакові льотки в ковші-шлаковози ємністю 30 т, що транспортуються по залізничних коліях. Ще порівняно недавно шлаки направляли у відвал. У даний час шлак усе ширше використовують для одержання будівельних матеріалів.

Широке застосування знайшла мокра грануляція шлаків: при виливанні рідкого шлаку у воду він перетворюється в дрібнозернистий матеріал. Гранульований шлак використовують для виробництва цементу, будівельних цеглин і блоків. З доменного шлаку також одержують і щебінь, литі вироби й т.д.

Доменний газ виділяється у великих кількостях, і безупинно видаляється через газовідводи в колошнику доменної печі. При згорянні 1т коксу утворюється близько 5000 м. куб. газу, таким чином, у великих печах обсягом 3000-3200 м. куб. за добу виділяється приблизно 15-17млн. м. куб. газу. Він містить значну кількість пальних складових. Після очищення від пилу (часток руди, палива, флюсів) доменний газ використовують як паливо для нагрівання повітронагрівачів доменних печей, водяних і парових казанів. У суміші з більш висококалорійним коксовим чи природним газами його застосовують також для опалення мартенівських і нагрівальних печей.

Колошниковий пил - це пил, що разом із доменним газом виноситься через верхню частину доменної печі. Утворюється він як у самій доменній печі через стирання шихтових матеріалів, так і викидається з колошникового пристрою доменної печі при завантаженні свіжих шихтових матеріалів. Колошниковий пил містить 45-50% Fe і його використовують при агломерації. У залежності від складу і якості шихтових матеріалів, а також режиму роботи доменної печі вміст пилу в доменному газі коливається від 20 до 100 кг на тонну чавуна. Хімічний склад пилу також залежить від режиму роботи доменної печі.

Крім колошникового пристрою доменної печі джерелом забруднення атмосфери доменного цеху є ливарні й рудні двори. На рудному дворі пил виділяється при розвантаженні вагонів, перевантаженню руди, подачі руди на бункерну естакаду й т.п. Питоме пилевиділення на рудному дворі коливається від 20 до 50 кг на тонну чавуну.

На ливарному дворі пил і гази виділяються від чавунних і шлакових льоток, жолобів для зливу й ковшів. Максимальна кількість викидів спостерігається при випуску чавуну й шлаку. Питомі викиди, кг на т чавуну : пил - 400-700; СО - 0.7- 1.2; SO₂ - 0.1- 0.2;.

Доменний газ, що містить 35% пальних компонентів і 20-60 г/м. куб. пилу, перед відправленням споживачам (нагадаємо, що він використовується як пальне на коксових батареях, для нагрівання доменних повітронагрівачів, для одержання електроенергії й ін.) повинний бути очищений від пилу до рівня 10 мг/м. куб. і нижче. Попереднє очищення газу здійснюється в послідовно розташованих апаратах грубого очищення. На виході із цих апаратів уміст пилу знижується до 3-10 г/м. куб. Далі газ надходить в апарати напівтонкого очищення мокрого типу, де вміст пилу знижується до 0,6 -1,0 г/м. куб. Таке очищення газу здійснюється, як правило, у мокрих електрофільтрах. Залишковий уміст пилу після цих апаратів - 10 мг/м. куб. і дозволяє використовувати цей газ для одержання електроенергії на газових утилізаційних без компресорних турбінах (ГУБТ), що хоч частково компенсує витрати на очищення газу. А витрати ці дуже істотні - на очищення 1000 м. куб. газу треба затратити 700-800 г води й 10-15 МДж електроенергії.

Витрати на пристрої для очищення від пилу й газів усіх основних джерел забруднення атмосфери доменного цеху складає приблизно 15-20% суми всіх капіталовкладень цеху.

Основним продуктом сталеплавильних переділівє сталь, побічними - пил, газоподібні продукти згоряння палива й домішок чавуну.

Сталь - ковкий сплав заліза з вуглецем (0.04-2.0%С) і домішками марганцю, кремнію, сірки, фосфору. Одержані тим чи іншим способом сталі надзвичайно різноманітні по своїх властивостях і складу. Їх класифікують по способу виробництва, призначенню, якості, хімічному складу, характеру затвердіння у виливницях і будівлі одержуваного злитка. Єдиної світової системи класифікації стали немає.

По способі виробництва сталь буває мартенівською, конвертерною, електросталлю й т.п.

По будівлі одержуваного злитка розрізняють сталь киплячу (кс), спокійну (сп) і напівспокійну (нс).

Кипляча сталь виходить при неповному розкисленні металу лише марганцем. Сталь характеризується різко вираженою нерівномірністю розподілу шкідливих домішок (сірки й фосфору) по товщині прокату. Спокійна сталь виходить при розкисленні марганцем, кремнієм і алюмінієм. Сірка й фосфор розподілені в ній більш рівномірно, чим у киплячій сталі.

По призначенню можна виділити наступні основні групи сталей:

1. Конструкційна сталь, що застосовують при виготовленні різних металоконструкцій. Конструкційні сталі можуть бути як простими вуглецевими, так і легованими.

2. Топкова й котлова сталь - низько вуглецева сталь, застосовувана для виготовлення котлів і топок. Ця сталь повинна мати гарні пластичні властивості в холодному стані, добре зварюватися, не повинна мати схильності до старіння.

3. Сталь для залізничного транспорту - рейкова мартенівська й конвертерна сталь, осьова сталь, сталь для бандажів коліс. Це середньо вуглецева сталь, до якої висувають високі вимоги по механічних властивостях.

4. Підшипникова сталь служить матеріалом для виготовлення кулькових і роликових підшипників. До цієї сталі, що містить близько 1% С і 1,5% Cr, пред'являють дуже високі вимоги по змісту неметалічних включень.

5. Інструментальна сталь застосовується для виготовлення різних інструментів, різців, валків прокатних станів, деталей ковальського й штампувального устаткування. Ця сталь звичайно містить значну кількість вуглецю ( іноді до 2%), а також у ряді марок - значну кількість легуючих елементів: Cr, W, Mo і ін.

Крім зазначених, мається ще ряд сталей, призначення яких видно із самої їхньої назви - ресорно-пружинні, електротехнічні, трансформаторні, нержавіючі, броньові, трубні сталі й ін.

По якості сталі поділяють на наступні групи: сталь звичайної якості, якісну й високоякісну. Розходження між цими групами полягають у припустимому вмісті шкідливих домішок, а також в особливих вимогах по вмісту неметалічних включень.

Легована сталь - це сталь, що крім звичайних компонентів і домішок (вуглецю, кремнію, марганцю, сірки і фосфору) містить і інші елементи (легуючі елементи).

У залежності від змісту легуючих елементів леговані сталі підрозділяються на низьколеговані ( 2,5% легуючих добавок), середньо леговані (від 2,5 до 10%) і високолеговані (понад 10%). Легуючі добавки підвищують міцність, корозійну стійкість стали, знижують небезпеку тендітного руйнування. Як легуючі добавки застосовують хром, нікель, мідь, азот, ванадій і ін. ОСТАННІМ часом як легуючі елементи знаходять усе більше застосування бор, титан, ніобій і рідко земельні елементи, що звичайно вводять у сталь у невеликих кількостях для поліпшення пластичних властивостей.

Правильно підібрані легуючі елементи забезпечують сплавам витривалість, стійкість проти корозії, підвищену міцність, твердість, стійкість проти впливу високих температур і т.п.

Величезна розмаїтість легованих сталей може бути отримана з використанням різних сполучень легуючих елементів. Наприклад, звичайна нержавіюча сталь Х18Н8 є сплавом, що містить 18% хрому, 8% нікелю й 0,08% вуглецю. Інші види нержавіючих сталей містять 12 - 30% хрому з невеликими добавками нікелю, молібдену й міді. Ці сплави широко використовуються в промисловості й у побуті. З них роблять устаткування для хімічних заводів, лопатки турбін, столові прилади. У колишньому СРСР, а нині в СНД, у тому числі й в Україні, леговані сталі маркіруються цифрами й буквами: хром - Х, нікель - Н, молібден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, азот - А, марганець - Г, мідь - Д, ванадій - Ф, кремній - С, фосфор - П, алюміній - Ю, бор - Р, ніобій - Б, цирконій - Ц.

Марка сталі позначається сполученням букв і цифр. Для конструкційних марок сталі перші дві цифри показують середній уміст вуглецю у відсотках помножений на 100. Уміст легуючих елементів, якщо він перевищує 1%, ставлять після відповідної букви в цілих одиницях. Наприклад, сталь марки 12ХН3 містить 0.12% вуглецю, близько 1% хрому й приблизно 3% нікелю. Буква «А» наприкінці позначення марки вказує на те, що сталь високоякісна. Наприклад, високоякісна конструкційна сталь, що містить близько 0.12% вуглецю, 2% хрому й 4% нікелю, має позначення 12Х2Н4А.

У сталях завжди присутні домішки, які значною мірою визначають властивості сталей. Розрізняють постійні й сховані домішки в сталі.

Постійні домішки - це кремній, марганець, фосфор і сірка. Марганець і кремній уводять у процесі виплавки в сталь для її розкислення, тобто для видалення розчиненого в залізі кисню, тому їх також називають технологічними домішками.

Сірка - шкідлива домішка - попадає в сталь головним чином, з вихідною сировиною - чавуном. Сірка утворює із залізом з'єднання FeS - сульфід заліза. При взаємодії із залізом утворюється евтектика (Fe+FeS) з температурою плавлення 988 С. Тому при нагріванні сталевих заготовок для пластичної деформації вище 900 С сталь стає крихкою. При гарячій пластичній деформації заготовки руйнуються. Це явище називається червоноламкістю. Одним зі способів зменшення впливу сірки є введення марганцю. З'єднання MnS плавиться при 1620 С, ці включення пластичні й не викликають червоноламкість. Уміст сірки в сталях допускається не більш 0,06%.

Фосфор попадає в сталь головним чином також із вихідним чавуном, використаним для виплавки стали. Фосфор має велику схильність до ліквації, тому навіть при незначній середній кількості фосфору у виливку завжди можуть утворюватися ділянки, багаті фосфором. Фосфор викликає холодноламкість, тому фосфор, як і сірка, є шкідливою домішкою, уміст його у вуглецевій сталі допускається до 0,05%. Уміст сірки й фосфору в сталі залежить від способу її виплавки.

Сховані домішки. Так називають присутні в сталі гази - азот, кисень, водень. Гази попадають у сталь при її виплавці. У твердій сталі гази можуть знаходитися як у виді хімічних сполук (нітриди й оксиди), так і у вільному стані в різних несуцільностях. Навіть у дуже малих кількостях азот, кисень і водень сильно погіршують пластичні властивості сталі.

Азот і водень успішно видаляються з рідкої сталі в результаті реакції окислювання вуглецю. Газ СО, що утворюється по цій реакції, збирається в пухирці, що вириваються на поверхню металу, пробивають шар рідкого шлаку, що знаходиться над металом, і виходять в атмосферу. У результаті цього створюється враження кипіння рідкої ванни. Спливаючі пухирці СО захоплюють по шляху нагору деяку кількість інших газів - Н₂ і N₂. Чим енергійніше протікає кипіння металу, тим менше вміст газів і тим краще якість металу. Для видалення Н₂ і N₂ застосовують також вакуумну обробку, продувку ванни нейтральним газом (аргоном) і ін.

Неметалічні включення (НВ) - дрібні тверді частки продуктів взаємодії легуючих елементів з іншими домішками в рідкому металі - це тугоплавкі карбіди, оксиди, нітриди. Будучи концентраторами напруги, НВ сильно погіршують службові властивості високоякісних сталей.

Основними продуктами феросплавного виробництва є феросплави - це сплави заліза із кремнієм, марганцем, хромом, вольфрамом і іншими елементами, застосовувані при виробництві сталі для поліпшення її властивостей і легування. Вихідною сировиною для одержання феросплавів служать руди чи концентрати. Основним агрегатом для виплавки феросплавів є закрита дугова рудо відновлювальна піч, де відбувається відновлення металів вуглецем. Найбільш розповсюджені феросплави - феросиліцій і феромарганець.

Феросиліцій - сплав заліза із кремнієм. Кремній (атомна маса 28.0, щільність 2.33 г/куб. см, температури плавлення й кипіння 1414 і 2287 С відповідно) підвищує твердість сталі, опір розриву, межі пружності й плинності, збільшує опір окислюванню. Одержують його в дугових феросплавних печах шляхом відновлення кремнію із кварциту (SiО₂) вуглецем.

Феросиліцій застосовують для розкислення й легування сталі, а також у якості відновника при виробництві деяких феросплавів. В електричних печах виплавляють феросиліцій різних марок з умістом кремнію 18-50 і 60-95%. При вмісті кремнію в сплаві в межах 50-60% і при забрудненні його фосфором і алюмінієм сплав розсипається в порошок із виділенням отрутних летучих з'єднань.

Феромарганець - сплав заліза з марганцем. Марганець - сірувато-білий метал із щільністю 7.3г/куб. см, атомною масою 54,93, температурою плавлення й кипіння 1244 і 2150 градусів Цельсія відповідно. Зі збільшенням умісту марганцю в сталі підвищуються її твердість, опір розриву, стійкість проти стирання, холодостійкість і антикорозійні властивості. Феромарганець застосовують для розкислення й легування стали. Побічний продукт феросплавного виробництва - колошниковий газ рудо відновлювальних печей, часто його називають феросплавним газом або ферогазом. Цей газ містить 80 - 88% високотоксичного монооксиду вуглецю СО й після очищення використовується як технологічне паливо.

Заключним переділом у ЧМ є прокатний переділ (прокатка). Продукцією прокатного переділу є прокат.

До основних видів прокату відносяться:

· напівпродукт, чи заготовка,

· листовий чи сортовий прокат,

· катані труби,

· заготовки деталей машин - колеса, кільця, осі, свердла, кулі,

· профілі перемінного перетину й ін.

Перелік виробів, що прокочуються, з указівкою розмірів називають сортаментом прокату, велика частина якого стандартизована. Основна кількість прокату виготовляється з низько вуглецевої сталі, деяка частина - з легованої сталі й сталі з підвищеним (більше 0,4%) умістом вуглецю.

Як приклад приведемо характеристики деяких профілів, що випускаються в прокатних цехах металургійних заводів.

1. Куточки сталеві гарячекатані рівнополочні за ДСТ 8509-86.

Це звичні для всіх куточки із двома рівними по ширині полками. Ширина полиць може коливатися від 20 до 250мм., товщина полиць - від 3 до 30мм, маса одного погонного метра (пм) від 0.89кг до 111.44кг.

2. Сталь гарячекатана кругла за ДСТ 2510-80.

У перетині це коло, діаметр якого коливається від 5 до 270 мм, маса 1пм від 0.154 до 449.22 кг.

3. Швелери сталеві гнуті рівнополочні за ДСТ 8278-83.

Це П - образний профіль з однаковою шириною двох полиць(b) і висотою перемички між ними (h) з товщиною профілю (s). Ширина полиць коливається від 32 до 140мм , висота від 60 до 280мм., товщина від 3 до 8мм., маса 1пм - від 2.67 до 37.62кг.

4. Профілі сталеві гнуті замкнуті прямокутні за ДСТ 25577-83.

Це прямокутні труби із зовнішньою шириною b, висотою h і товщиною стінки s. Висота коливається від 97 до 230мм., ширина - від 75 до 130мм., товщина стінки від 3 до 8мм., маса 1пм - від 7.76 до 36.64кг.

5. Труби сталеві водогазопровідні за ДСТ 3262-75

Труби катаються зі спокійної, напівспокійної й киплячої сталі, призначені для трубопроводів гарячої й холодної води, а також природного газу з тиском до 25 мПа. Характеризуються умовним проходом, зовнішнім діаметром і товщиною стінки. Умовний прохід коливається від 10 до 100 мм, зовнішній діаметр від 17 до 114 мм при товщині стінки від 2 до мм. Маса 1 пм коливається від 0.74 до 13.44кг.