Основы технологии производства чугуна и стали

Чугун получают в результате доменного процесса, в ходе которого происходит восстановление железа из его природных оксидов, содержащихся в рудах, коксом при высокой температуре.

Кокс, сгорая, образует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe.

Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун.

Чугун: 93% железа, 5% углерода, примеси кремния, марганца, фосфора, серы и др.

Рис. 4.33. Схема доменного процесса

В зависимости от назначения чугуны разделяют на литейный (серый чугун) и передельный (белый чугун).

В белом чугуне углерод находится в связанном состоянии в виде Fe₃C. Такой чугун имеет высокую твердость и хрупкость.

В сером чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений (пластинчатая, хлопьевидная, волокниста или шаровидная) такой чугун имеет разные физико-механические характеристики.

Переработка передельного чугуна осуществляется с целью освобождения его от некоторой части углерода методом окисления.

Сталь получают удалением из чугуна части углерода и примесей одним из трех способов:

1. Конверторный способ;

2. Мартеновский способ;

3. Электроплавление.

Рис. 4.34. Конверторный способ выплавки стали

Рис. 4.35. Электродуговая печь

Свойства стали

Положительные свойства стали:

- Высокая прочность;

- Пластичность;

- Хорошая свариваемость;

- Выносливость;

- Способность упрочняться и улучшать свойства при термомеханических и химических воздействиях;

- Однородность механических свойств.

Недостатки стали:

- Низкая коррозионная стойкость и необходимость устройства антикоррозионной защиты стальных конструкций;

- Снижение пластических свойств при низких температурах;

- Низкая огнестойкость.

Прочность -определяется испытанием стандартных образцов круглого или прямоугольного сечения с записью диаграммы зависимости между :

Основные прочностные характеристики:

временное сопротивление, наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца;

 предел текучести, напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести;

 условный предел текучести, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2 %.

Рис. 4.36. Диаграмма «σ-ε» для малоуглеродистой стали

Мерой пластичности служит относительное остаточное удлинение при разрыве «δ»:

Упругие свойства определяются модулем упругости E.

Склонность металлов к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытаний на ударную вязкость на маятниковых копрах. Ударная вязкость определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения (Дж/см²).

Рис. 4.37. Схема испытания на ударную вязкость

Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины.

При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика и для стали составляет до 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим».

Транскристаллитное разрушение может быть как вязким, так и хрупким, межкристаллитное – только хрупким.

Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению.

Свариваемость – важнейшее требование, предъявляемое к металлам строительных конструкций. Оценивается по химическому составу (углеродному эквиваленту):

При  сварка не вызывает затруднений.

При сварка возможна при принятии специальных мер по предотвращению появления трещин.

При  резко возрастает опасность появления трещин.

Долговечность – определяется в первую очередь коррозионной стойкостью металла. Одним из показателей коррозионной стойкости служит скорость коррозии по толщине металла, мм/год.

Технологические свойства – важны для выполнения операций гибки, резки, строжки, сверления, обработки резанием.

Твердость металлов оценивается по разным шкалам – по Бринеллю(НВ), по Роквеллу (HRA; HRB; HRC), по Виккерсу (HV).