PART 3: PRODUCTION OF FERROUS ALLOYS

(steel)

A. READING

Pig iron contains more carbon, silicon, manganese, phosphorus and sulpher then steel. So steel-making processes involve reducing the concentration of these elements in pig iron. This is achieved by oxidising smelting. There are three methods of making steel in modern industry. They differ in sources of thermal energy for heating and melting metal and thereby in the equipment employed for stellmaking and in the material steel may be made of. Steel made of only molten pig iron is produced in converters. Steel made of a combination of molten or solid pig iron and steel scrap is produced in open-hearth furnaces. Steel made of only steel scrap is produced in electric furnaces.

Converter steel is made by forcing a blast of cold air under great pressure through the molten metal. The source of thermal energy is chemical isothermal reaction of oxidizing of elements. When the air blast is blown the oxygen contained in the air combines with the carbon of the pig iron, and almost all the carbon in the metal is burned out. Steel made by this methods is very cheap, but it is low grade steel. The converter is a large pear-shaped vessel made of steel and covered with refractory bricks with an open top through which the molten metal is poured into the converter and out of it. Steel made in this was is called “Bessemer steel”.

Steelmaking in the open-hearth furnaces includes charging and melting down the charge, boiling of molten metal and refining and deoxidising. The charging materials are scrap, pig iron and fluxes. The process of refining pig iron into steel takes place in the bath of the furnace at a very high temperature - 1800°…2000°C. This flame temperature are achieved because the furnace operate on preheated fuel gas and air. The gas and air pass separately into melting chamber where they mix and combustion reaction takes place. The energy of this combustion is the source of thermal energy. Melted metal and slag in the chamber further heated by the heat of the combustion upon contact of the materials with the hot gases. So carbon is burned out and the metal is purified from harmful impurities. Therefore the metal becomes steel.

The most highly perfected steelmaking is making in electric furnaces in which electric energy is converted by various methods into thermal energy for heating and melting the metal. Electric furnaces used in making steel are of two types: arc and induction (high frequency) furnaces. The first are more widely employed in metallurgy. Steelmaking in electric furnace has many advantages over converter or open-hearth steelmaking processes. They are: 1) possibility to obtain very high temperature (up to 10 000°C in the plasma of arc) and therefore to melt metals with components with high melting points (chromium, tungsten, molybdenum, etc); 2) possibility to remove a large part of harmful impurities (phosphorus and sulphur); 3) possibility to set up reducing atmosphere or a vacuum thereby to achieve better deoxidation and degasification of the metal. Ark furnaces with a basic lining operating on a solid charge produce steel by one of two principal methods: 1) with oxidation of the carbon and other components of the charge and 2) without oxidation of charge (remelting method).

EXERCISES:

I. Find in the texts the following topical words and phrases, explain what they mean, and add them to your Active Vocabulary:

bessemer steel, arc and induction furnaces, steel-making processes, converter.

II. Write out from the texts the sentences or the parts of the sentences which contain the following words and expressions and translate them into Russian:

sources of thermal energy, complex alloy, to burn out, specific gravity, highly perfected, made of combination of pig iron and steel, low grade steel, combustion reaction

III. Answer the following questions:

1. What equipment is for steelmaking?

2. How is converter steel made?

3. What is the difference between pig iron and steel?

4. How many methods of making steel are there in modern industry? What are they?

5. At what temperature does the process of refining pig iron into still take place?

6. What steel making process is the most highly perfected?

7. What does the process of steelmaking in the open-hearth furnace include?

8. What are advantages of making steel in electric furnace?

B. TRANSLATION

EXERCISES:

I. Before translating the text, find in it the sentences in which you would be able to use the following topical words and expressions:

essence, to oxidize impurities, cindering of metal, scrap-process, ore process, homogeneous metal, a basic slag to volatilize.

II. Read the text again, find in it the information about the following questions, and answer them using the topical words and phrases:

1. What is the essence of steelmaking in converters?

2. What drawbacks does steelmaking in converters have?

3. What is a scrap-process of steelmaking in the open-hearth furnace?

4. What is an ore process of steelmaking in the open-hearth furnace?

5. What merits does steelmaking in the open-hearth furnace have?

6. What is the aim of converting pig iron into steel?

7. What merits does steelmaking in the electric furnace have?

III. Now translate the text in writing. Use as many topical words and phrases as you can:

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (оксид углерода СО), который улетучивается. Другие примеси переходят в оксиды и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак.

Исходными материалами для получения стали являются передельный чугун, скрап, (стальной и чугунный лом, стружка, образки и т.п.), металлизированные окатыши.

В настоящее время применяются в основном следующие способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и электротермический. Этими способами сталь получают в жидком виде.

Сущность конверторного способа получения стали состоит в том, что через жидкий чугун, залитый в конвертор, продувается воздух, кислород которого окисляет углерод и другие примеси.

Конверторная сталь - сталь обычного качества. Стоимость ее невысока.

Достоинства конверторной плавки - высока производительность, несложное оборудование конвертора, отсутствие топлива.

К недостаткам способа следует отнести: невозможность переплавки значительного количества металлических отходов при плавке, использование чугуна только определенного химического состава, большой угар металла, трудность получения стали по заданному составу, наличие большого количества растворенных газов, снижающих плотность стали (особенно азота). Поэтому в качестве массового способа получения стали применяется не конверторный способ, а более рациональный мартеновский способ.

Исходными продуктами для мартеновской плавки являются: металлический лом (скрап), передельный (белый) чугун (чушковый или жидкий), железная руда. Кроме того, применяются флюсы. В зависимости от исходных продуктов в мартеновской плавке различают два важнейших процесса.

1. Скрап-процесс, в котором шихтой служат металлический лом и чушковый чугун. Этот процесс применяется в мартеновских печах машиностроительных заводов, где всегда имеется большое количество металлических отходов, причем содержание их в шихте достигает 80 %.

2. Рудный процесс, где шихтой являются железная руда и жидкий чугун (количество жидкого чугуна в шихте составляет 80-90 %). Этот способ применяется в мартеновских цехах металлургических заводов и является важнейшим.

Топливом для мартеновской плавки служит смесь доменного и коксовального газов.

В мартеновской печи можно переработать металлические отходы и чугуны обычного качества, получать сразу большое количество однородного металла, осуществлять контроль плавки и получать сталь по точно заданному анализу, а также выплавлять почти любые стали - начиная от самых мягких, с содержанием углерода 0,05-0,06 %, и кончая твердой инструментальной углеродистой сталью; можно выплавлять и легированные стали.

Крупным недостатком мартеновского способа является невозможность наиболее полного удаления серы и фосфора.

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильно основные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Легко регулировать температуру печи. Для плавки в электропечи не требуется воздуха, окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно; сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Благодаря возможности лучшего управления плавкой удается выдавать сталь точно заданного состава. В настоящее время этот способ широко применяется для выплавки высококачественных углеродистых и легированных сталей.

PART 4: CAST IRON

A. READING.

Cast iron and steel are two general forms of ferrous metals, used in industry. They consist of iron combined with carbon, silicon, manganese, phosphorus and sulphur. The component, which affects properties of ferrous alloys most of all is carbon. And in accordance with its concentration in ferrous alloys they are divided into cast iron and steel. These two ferrous alloys are derived from pig iron which is produced in a blast furnace in the form of pigs. Ferrous alloy, which contents from 2,14 to 4,3 per cent of carbon is called cast iron. The approximate composition of pig or cast iron is as follows (%): iron - to 92,0; carbon - 2,14 …4,3; silicon - 0,5…4,25; manganese - 0,2…2,0; phosphorus - 0,1…1,2; sulphur - 0,02…0,2. Carbon is in pig or cast iron in two states: in the native chemical state - graphite or in the state of chemical compound - Fe₃C, called cementite. If carbon occurs in the state of graphite the fracture of the pig or cast iron specimen has grey colour. So this kind of pig iron is called grey iron. If carbon occurs in the state of cementite the fracture colour is white. This pig iron is white iron. Grey iron is only used for casting, because it has high cast characteristics: capable of flowing in the molten state. Grey iron can be cast into almost any conceivable shape and size. Grey iron is adapted to a great variety of castings, such as engine cylinders, bed plates for machines, car wheels, furnace and stove parts, water pipes, gears, general machinery parts, etc. Grey iron can be easily machined. However, grey iron is weak and does not stand great chock. White iron is mainly used for refining into steel. White iron is seldom used in the form it comes from the moulds, as it is hard and brittle. White iron is difficult to machine because of the carbon presented in the state of cementite. White iron is limitedly used for making train wheels, rolls and some other machine parts, working in the condition of great wear.

EXERCISES:

I. Find in the texts the following topical words and phrases, explain what they mean, and add them to your Active Vocabulary:

cast iron, cast characteristics, graphite, cementite, grey iron, white iron.

II. Write out from the texts the sentences or the parts of the sentences which contain the following words and expressions and translate them into Russian:

great chock, to be limitedly used, to affect properties, approximate composition of pig iron, fracture of the specimen, to be adapted, hard and brittle.

III. Answer the following questions:

1. What do ferrous metals consist of?

2. In accordance with what are ferrous alloys divided into groups?

3. How can you characterize grey iron?

4. What kind of cast iron is difficult to machine and why?

5. What is white iron mainly used for?

6. What are two ferrous alloys derived from?

B. TRANSLATION

EXERCISES:

I. Before translating the text, find in it the sentences in which you would be able to use the following topical words and expressions:

alloy steel and cast iron, pure iron, high quality alloys, two-step method, direct reducing, conversion iron casting, chilled surface, flow ability in molten state, thin-walled casting.

II. Read the text again, find in it the information about the following questions, and answer them using the topical words and phrases:

1. What properties does white iron have?

2. What properties does grey iron have?

3. Why are sulphur and phosphorus harmful impurities in the cast iron?

4. Where is pure iron used?

5. What elements besides carbon does cast iron contain?

III. Now translate the text in writing. Use as many topical words and phrases as you can:

PART 5: STEEL

A. READING.

Ferrous alloy, which contents from 0,5 to 2,14 per cent of carbon is called steel. The approximate composition of steel is as follow (%): iron - to 99,0; carbon - 0,05… 2,14; silicon - 0,15… 0,35; manganeze - 0,3…0,8; phosphorus - to 0,07; sulpher - to 0,06. Carbon is in steel in the state of chemical compound - Fe₃C (cementite). The properties of steel depend on the percentage of carbon it contains. The more the carbon concentration (up to 1,5 %) the more hardness, strength and toughness, but the less plasticity, resistance to shock, ability to be machined and weldabilily. In dependence on chemical analysis steel is divided into two groups: carbon steel and alloy steel. Carbon steel should contain only iron and carbon and is divided into: machine steel (carbon content from 0,05 to 0,25 percent); medium carbon steel (carbon content from 0,25 to 0,7 per cent); tool steel (carbon content from 0,7 to 1,5 per cent). Machine steels are very soft and can be used for making machine parts that do not need strength. They are small articles of simple shape: axles, shafts, rollers, studs, nuts, bushes, pipes, etc. Medium carbon steels are better grade and stronger than machine steels. They are widely used for making a great number of machine articles and parts, such as shafts, washers, bolts, nuts, couplings, crank-shafts, piston pins, bushes, rods, wire, etc.

Tool steels are used for machining tools and working parts of machines, because of their high strength and hardness: hammers, press tools, chisels, dies, centre-punches, screwdrivers, cutting tools, mills, reamers, threading dies, screw taps, files gauges, drills, etc.

Alloy steels are those in which in addition to carbon an alloying element is present in some appreciable quantity. Alloying elements of these steels are: nickel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, vanadium etc. Alloying elements are added to effect on the properties of steel in definite way. Nickel increases strength and hardness of steel, chromium - rust - resistance, manganese - wear - resistance, tungsten and molybdenum - heat - resistance, vanadium - corrosion, - shock - and vibration - resistance. Alloy steel contains from 1 to 20 and even more per cent of alloying elements. Alloy steels are divided into machine special alloy steels and alloy tool steels.

Machine special alloy steels are used for making machine parts and articles requiring great wear resistance and strength: railroad equipment, agricultural machinery, bearings, springs, shafts, crank-shafts, gear-wheels, parts of motor vehicles, etc.

Alloy tool steels are widely used for metal cutting. Tools made of these steels have high heat and wear resistance. Alloy tool steels are used for making cutting tools such as: cutting tools, drills, mills, reamers, screw taps, threading dies, press tools, dies, gauges and other measuring tools and instruments, etc.

EXERCISES:

I. Find in the texts the following topical words and phrases, explain what they mean, and add them to your Active Vocabulary:

carbon steel, steel, alloy steel, machine steel, medium carbon steel, tool steel.

II. Write out from the texts the sentences or the parts of the sentences which contain the following words and expressions and translate them into Russian:

rust-resistance, carbon concentration, simple shape, machine special alloy steels.

III. Answer the following questions:

1. What is the approximate composition of steel?

2. What do the properties of steel depend on?

3. What are medium carbon steels used for?

4. What are tool steels used for and why?

5. What alloying elements of steels do you know?

6. What are special alloy steels used for?

7. What are alloy tool steels used for?

B. TRANSLATION

EXERCISES:

I. Before translating the text, find in it the sentences in which you would be able to use the following topical words and expressions:

to determine, to favour and to inhibit useful impurity, magnetoconductivity, solid solution, service life, fatigue to save metal productivity, to meet requirements.

II. Read the text again, find in it the information about the following questions, and answer them using the topical words and phrases:

1. What properties does steel have?

2. What is hot shortness?

3. What is cold shortness?

4. In what way do impurities affect properties of steel?

5. What properties does alloy steel have?

III. Now translate the text in writing. Use as many topical words and phrases as you can:

Основная масса стали в настоящее время производится путем передела чугуна.

Сталь имеет более высокие механические и технологические свойства по сравнению с чугуном: ее можно обрабатывать давлением (прокатывать, ковать и пр.), она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестью для получения отливок, однако, литейные свойства чугуна лучше.

Мягкая сталь с содержанием углерода менее 0,25 % обладает высокой пластичностью, легко обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях. Легированная низкоуглеродистая сталь широко применяется в современном машиностроении и строительстве.

Влияние примесей стали на ее свойства. Кремний, если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость против окисления при высоких температурах.

Марганец, как и кремний содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. Однако марганец образует с железом твердый раствор и несколько повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая ее пластичность. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу.

Сера является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, - свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается не свыше 0,06-0,07 % S.

Фосфор также является вредной примесью. Он образует с железом соединение Fe₃P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии, иными словами, фосфор сообщает стали хладноломкость.

Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность изделий, экономит металл, увеличивает производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике приобретает решающее значение.

В легированной стали может содержаться один или несколько легирующих элементов. Часто один элемент не может удовлетворить требованиям, предъявляемым к стали, и тогда их вводят одновременно несколько.