Технология производства чугуна и стали

Общие сведения о металлах и их классификация

Выполнить лабораторную работу

Ответить на следующие вопросы.

Металлы

Стеклокристаллические материалы

Ситаллы. Стеклокристаллический материал, полученный из стекла в результате полной или частичной кристаллизации. Для получения ситаллов необходима дополнительная термическая обработка, которой происходит кристаллизация. Для реакции необходимы катализаторы (соединения фторидов или фосфатов).

Цвет: черный, кремовый, серый, реже прозрачные.

У них высокие физико- механические свойства:

R_cж=более 500МПа,

низкое тепловое расширение,

высокая термическая стойкость,

высокая долговечность, стойкость к агрессивным средам,

высокая износостойкость.

Используют для изготовления плиток труб.

Шлакоситаллы. Получают из расплава металлургических шлаков с добавками, с последующей термооработкой, при которой происходит перекристаллизация. Свойства и применение, как и у ситаллов.

Каменное литье. Получают из расплавленных горных пород, методом литья. Сырье легкоплавкие горные породы (базальт, диабаз).Технология и включает следующие операции:

1. Подготовка сырья.

2. Плавка шихты.

3. Остывание до температуры формования.

4.Литье в формы.

5.Медленное охлаждение.

6.Механическая обработка.

7.Отжиг (для снятия внутренних напряжений).

Изделия обладают высокой прочностью, кислотостойкостью и атмосферостойкостью.

Цель изучения темы: Сформировать представление о металлах, их видах, свойствах, технологии производства и номенклатуре изделий

При изучении темы рассмотрим следующие разделы:

1. Общие сведения и классификация.

2. Технология производства чугуна и стали.

3. Чугун, его свойства, марки и применение.

4. Маркировка стали.

5. Свойства стали.

6. Изделия из стали.

7. Коррозия металлов и меры защиты от неё.

8. Цветные металлы.

После изучения темы необходимо:

Какова рациональная область применения строительных материалов из металлов?

Какие виды арматурной стали вы знаете?

Чем арматура класса АII отличается от арматуры класса АI?

Какие стали чаще всего применяются в строительстве?

Чем отличаются свойства и применение чугуна от свойств и применения стали?

№5 «Испытание арматурной стали на растяжение».

Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две группы:

черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2-4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, передельные и специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных строительных деталей. Передельные чугуны используют для произведства стали, а специальные чугуны – в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения. Наличие в чугуне марганца, кремния, фосфора, а также легирующих добавок – никеля, хрома, магния и др. – придает ему высокие механические свойства и обеспечивает высокие жаростойкость и коррозионную стойкость. Чугуны с добавками никеля, хрома, магния и других элементов называют легированными. Высокопрочные чугуны получают модифицированием жидкого чугуна присадками Si,Са и др.

Сталь – ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2%. В зависимости от способа получения стали разделяют на:

мартеновские,

конвертерные

электростали.

По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные.

К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на:

спокойную,

полуспокойную

кипящую.

Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др).

Кроме того, по суммарному содержанию добавок стали разделяют на низколегированные (с содержанием легирующих добавок до 2,5 %), среднелегированные (с содержанием легирующих добавок от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (с содержанием легирующих добавок более 10 %).

По назначению стали могут быть:

конструкционные (применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин),

специальные (характеризующиеся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью),

инструментальные.

По качеству стали обычно подразделяют на:

обыкновенные (рядовые),

качественные,

высококачественные,

особо высококачественные.

Цветные металлы в чистом виде весьма редко используют в строительстве. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (фермы и др.) и ограж­дающих (оконные переплеты и др.) конструкций зданий и сооружений.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунью (сплав меди с цинком). Из этих сплавов изготовляют архитектурные детали и санитарно-техническую арматуру.

Производство черных металлов из железной руды – сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй – его перерабатывают в сталь. Чугун выплавляют в доменных печах. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.

Железные руды – горные породы, содержащие железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами. В состав железных руд входят и другие соединения (объединяемые общим названием «пустая порода») в виде кремнезема, глинозема, известняка и т. П. Обычно для производства чугуна используют:

магнитный железняк (Fе₃О₄) с содержанием железа до 70 %,

красный железняк (Fе₂О₃), содержащий до 65 % железа,

бурый железняк (2Fе₂О₃-2Н₂О), содержащий до 60 % железа.

Топливом в доменном процессе служит кокс, получаемый при сухой перегонке (сжигании без доступа воздуха) коксующихся каменных углей.

Флюсы (плавни) – известняки, доломиты и песчаники – применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак.

Доменная печь представляет собой шахту, снаружи покрытую металлическим кожухом и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. В печь через верхнюю часть, называемую колошником, непрерывно загружают шихтой, чередуя слои руды, флюса и топлива. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи – горн – через фурмы подают под давлением нагретый воздух. Горение топлива – кокса – происходит в верхней части горна за счет кислорода воздуха по реакции С+О₂=СО₂. Образующийся при этом углекислый газ поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: СО₂+С=2СО. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа, а сам переходит в углекислый газ. Восстановление железа происходит по схеме:Fе₂О₃->Fе₃О₄->FеО->Fе. _и

Процесс этот может быть представлен следующими химическими уравнениями:

Зfе2Оз+СО=2Fе3О4+СО2;

2Fе3О4+2СО=6FеО+2СО2;

6FеО+6СО=6Fе+6СО2.

Восстановление железа из его оксидов происходит во время движения шихты под действием собственной массы от верхней части печи к нижней. В нижней части печи при 900-1100 °С часть восстановленного железа соединяется с углеродом, в результате чего получается карбид железа Fе₃С. Этот процесс называют науглероживанием. При температуре около 1150 °С начинается плавление науглероженного железа, и образовавшийся жидкий чугун стекает в горн печи. Сюда же стекает расплавленный шлак, который как более легкий материал всплывает над чугуном. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия – чугунную и шлаковую летки, причем сначала выпускают шлак, а затем – чугун. Чугун в расплавленном состоянии подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи, где его перерабатывают в сталь. Жидкий шлак из доменной печи используют для производства шлаковой пемзы, гранулированного шлака, каменного литья или сливают в отвал. Побочным продуктом доменного производства является колошниковый газ, который применяют для нужд металлургической промышленности.

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

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

По конвертерному способу сталь получают в печах-конвертерах Конвертер – стальной футерованный сосуд грушевидной формы, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси на двух цапфах. В нижней части конвертера имеются фурменные отверстия для подачи воздуха под давлением 0,2-0,25 МПа (изб.). Жидкий передельный чугун заливают из ковша в конвертер, после чего через фурменные отверстия пропускают воздух, обогащенный кислородом. Под воздействием воздуха в расплавленном чугуне образуется закись железа Fе₂О₃, которая реагирует с примесями (кремнием, марганцем, фосфором), образуя оксиды, которые переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавливается до чистого железа. Этот процесс продолжается всего 15-30 мин, что является большим преимуществом данного способа. Емкость современных конвертеров достигает 600 т. Этот способ отливки стали высокопроизводителен и наиболее экономичен.

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

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

Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа (вторичный металл, металлическое сырье в виде лома и отходов производства) или руды плавится в мартене за счет сжигания топлива – смеси колошникового газа или генераторного газа с воздухом. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, применяют кислородное дутье. Примеси – кремний, марганец и фосфор – окисляются закисью железа Fе₂О₃, образовавшейся в расплаве, переходя в оксиды, и удаляются в виде шлака, а закись железа переходит в чистое железо. Серу из расплава удаляют при помощи известняка, вводимого в качестве флюса. Углерод при высоких температурах выгорает. Образующийся в процессе выплавки стали шлак скапливается на поверхности жидкого металла, и его периодически удаляют.

Во время выплавки стали, продолжающейся 4- 8 час., в ее состав вводят различные добавки – ферросплавы (например, феррохром, феррованадий), получая тем самым легированную сталь. Химический состав расплава контролируют путем систематического отбора проб для анализа. После получения стали, заданного химического состава, ее выпускают в ковш и разливают по изложницам – чугунным и стальным формам.

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

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

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

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