Как из чугуна сделать сталь?

Характеристики и виды чугуна

​В состав чугуна входят железо, углерод и разнообразные примеси, которые придают сплаву определенные свойства. Массовая доля углерода в материале должна быть не менее 2,14%, иначе это будет не чугун, а сталь. Этот элемент придает сплаву повышенную твердость, но снижает его ковкость и пластичность.

Поэтому чугун является достаточно хрупким материалом. Из других постоянных примесей стоит выделить кремний, марганец, серу и фосфор. В некоторые марки чугуна вводят дополнительные присадки, которые позволяют придать сплаву дополнительные свойства.

В качестве легирующих элементов используются хром, никель, ванадий и алюминий.

Плотность чугуна составляет 7,2 грамма на сантиметр кубический. Это является достаточно высоким показателем для металлов и их сплавов. Чугун отлично подходит для литья при производстве разнообразных изделий для всех отраслей промышленности. По этому показателю он незначительно уступает сталям некоторых марок, превосходя все остальные сплавы железа.

Температура плавления чугуна составляет 1200 градусов по Цельсию, что на 250-300 градусов ниже, чем необходимо для плавления стали. Это связано с повышенным содержанием углерода и как следствие его менее тесной связью с атомами железа на межмолекулярном уровне.

При выплавке чугуна и последующей кристаллизации весь углерод не успевает внедриться в структурную решетку железа, поэтому чугун получается хрупким. Его не используют для производства продукции, которая будет эксплуатироваться под воздействием постоянных динамических нагрузок.

Зато он идеально подходит для деталей, к которым предъявляется требование повышенной прочности.

Технология получения чугуна

Получение чугуна — очень материалоемкий процесс, требующий серьезных затрат. На получение одной тонны сплава уходит около 550 килограмм кокса и 900 литров воды. Затраты руды зависят от содержания в ней железа.

Обычно используется сырье с массовой долей элемента не менее 70%, так как обработка более бедных руд экономически неоправданна. Такое сырье сначала проходит процедуру обогащения, а уже потом отправляется на переплавку. Производство чугуна проходит в доменных печах.

Лишь около 2% от всего производимого в мире материала выплавляется в электропечи.

Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе в доменную печь загружают руду, которая содержит так называемый магнитный железняк (соединение двухвалентного и трехвалентного оксидов железа).

Кроме того продукты их горения принимают участие в химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Дополнительно в топку подает флюс, который выступает в качестве катализатора и помогает породам быстрее плавиться, освобождаю тем самым железо. Стоит отметить, что перед попаданием в доменную печь руда проходит специальную предварительную обработку.

Они измельчается при помощи дробильной установки, так как мелкие частицы быстрее расплавятся. Затем ее промывают, чтобы удалить все лишние элементы, которые не содержать металла.

После этого высушенное сырье проходит обжиг в специальных печах, который позволяет удалить из соединений серу и другие чужеродные элементы.

Когда доменная печь загружена и готова к эксплуатации начинается второй этап производства. После запуска горелок кокс начинает разогревать сырье, выделяя при этом углерод, который, проходя через воздух, реагирует с кислородом и образует оксид. Этот оксид активно участвует в восстановлении железа из соединений, находящихся в руде. При этом, чем больше газа становится в печи, тем слабее протекает химическая реакция.

После достижения определенной пропорции она им вовсе прекращается. Избыток газов используется как топливо для поддержания температуры в печи. Такой подход имеет несколько положительных моментов. Во-первых, снижаются затраты ископаемого горючего, что несколько удешевляет производство продукции.

А, во-вторых, продукты горения не выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее вредными примесями, а продолжают свое участие в технологическом процессе.

Избыток углерода смешивается с расплавом и, поглощаясь железом, образует чугун. Все не расплавившиеся элементы породы всплывают на поверхность и удаляются из материала. Отходы называют шлаком, который затем пойдет на производство других материалов. После удаления всех лишних частиц в расплав при необходимости добавляют разнообразные присадки. Таким способом получают два вида сплавов: передельный и литейный чугун.

Разновидности чугуна

Передельный материал используется для производства стали кислородно-конвертерным способом. Этот вид характеризуется низким содержанием марганца и кремния в составе сплава. Литейный чугун идет на производство разнообразной продукции. Он делится на пять разновидностей, который стоит рассмотреть более детально.

Белый чугун является сплавом, в котором избыточная часть углерода содержится в виде цементита или карбида. Свое название он получил за характерный белый цвет в районе излома. Массовая доля углерода в нем составляет более 3%.

Этот материал характеризуется повышенной ломкостью и хрупкостью, поэтому его использование весьма ограничено.

Применяется данный вид при производстве простых деталей, которые работают в статических условиях и не несут дополнительной нагрузки. Добавление в сплав легирующих присадок позволяет повысить технические характеристики материала. Для этих целей используется никель или хром, реже алюминий и ванадий.

Из белого чугуна изготавливают ванны для бытовых нужд.

Серый чугун — наиболее распространенная разновидность материала, которая применяется во многих отраслях народного хозяйства. В этом сплаве углерод присутствует в виде графита, перлита или феррито-перлита. Массовая доля углерода находится на уровне 2,5%.

Материал обладает высокой для чугуна прочностью, поэтому используется для производства деталей, имеющих циклическую нагрузку определенного уровня. Из него изготавливают втулки, корпуса различного промышленного оборудования, кронштейны, зубчатые шестеренки.

Графит значительно улучшает действие смазки и снижает влияние трения, так что детали обладают повышенной стойкостью к этому виду износа. При необходимости эксплуатации в агрессивных средах в состав серого чугуна вводятся дополнительные элементы, которые позволят выдержать негативное воздействие.

К ним можно отнести никель, хром, молибден, бор, сурьму, медь. Эти элементы позволяют защитить чугун от влияния коррозии.

Также некоторые из них повышают уровень графитизации свободного углерода в сплаве, что позволяет создать защитный барьер, через который не могут пробиться какие-либо разрушающие элементы.

Половинчатый чугун является промежуточным материалом между первыми двумя разновидностями. В нем часть углерода содержится в виде графита, а часть — в виде карбида. Также в сплаве могут в незначительных долях присутствовать цементит (до 1%) и лидебурит (до 3%). Массовая доля углерода в материале составляет 3,5-4,2%.

Эта разновидность используется для производства деталей, которые будут проходить эксплуатацию в условиях постоянного трения. К ним относятся тормозные колодки для автомобильной промышленности и разнообразные измельчительные валки для станков. Для повышения износостойкости в сплав по традиции вводятся легирующие присадки.

Ковкий чугун является разновидностью белого сплава, который был подвергнут специальному отжигу с целью графитизации свободного углерода в составе материала. Этот вид обладает улучшенными демпфированными свойствами по сравнению со сталью. К тому же он менее чувствителен к надрезам и хорошо проявляет себя в работе при низких температурах.

Для повышения его эксплуатационных характеристик в сплав добавляют магний, бор и теллур.

Высокопрочный чугун получается в результате образования в сплаве шаровидной формы включения графита в металлическую решетку. Это ослабляет металлическую основу кристаллической решетки и приводит к появлению улучшенных механических свойств.

Процесс образования шаровидного графита производится путем введения в сплав магния, церия, иттрия и кальция. По своим техническим характеристикам материал очень близок к высокоуглеродистой стали. Он хорошо поддается литью и способен заменять стальные литые элементы в механизмах.

Высокий уровень теплопроводности позволяет использовать данный вид при изготовлении отопительных приборов и трубопроводов.

Какие трудности испытывает чугунная промышленность?

Перспективы развития чугунной промышленности выглядят не особо радужно. Высокий уровень затрат на производство одной тонны материала и большое количество отходов заставляют промышленников искать более дешевые заменители.

Быстрое развитие науки уже сейчас позволяет получать лучшие сплавы при меньших затратах. А в условиях глобальной экологической опасности не обращать внимания на загрязняющий фактор производство недопустимо.

Поэтому металлурги по всему миру отказываются от доменных печей в пользу электрического оборудования.

Но перевести выплавку чугуна на эти рельсы в кратчайшие сроки физически невозможно. Это потребует колоссальных финансовых затрат, которые не потянет ни одно государство.

Так что остается лишь ждать, как скоро промышленники сумеют наладить массовый выпуск новых сплавов. Полностью отказаться от чугуна в ближайшие десятилетия, конечно, не получится, но его мировое производство неуклонно будет снижаться.

Эта тенденция наблюдается уже в течение последних 5-7 лет.

Источник: https://promplace.ru/vidy-metallov-i-klassifikaciya-staty/chugun-1540.htm

Применение чугуна и изделий из него в строительстве и других областях

Чугун — это основной металл черной металлургии. Он представляет собой сплав железа и углерода. В чугун могут входить специальные добавки, которые делают его свойства особенными.

Такой чугун обладает характеристиками износостойкости, коррозионностойкости, жаропрочности, немагнитности и другими.

Про свойства, состав и области применения серого, белого, ковкого чугуна, а также высокопрочного и гранулированного расскажем ниже.

Благодаря ценным свойствам, дешевизне и хорошим литейным характеристикам чугун применяют для изготовления различных деталей и предметов. Из чугуна можно получить изделия интересной и особенной формы, так как этот материал обладает отличной твердостью и прочностью. Сделанные чугунные предметы смогут выдержать достаточно серьезные нагрузки. Именно по этой причине из чугуна делают корпуса машин и основания станков.

• Чугун всегда применялся для изготовления деталей и предметов тяжелой промышленности. Его использовали в металлургии и станкостроении. При этом этот материал брался в очень больших количествах. Он применялся в качестве основного для мелких изделий и для крупногабаритных предметов, масса которых достигала сотни тонн.
• В машиностроении нашел свое применение серый чугун с графитной составляющей. Именно это вид всегда берут для изготовления ответственных деталей. Чугунные машинные изделий хорошо противостоят колебаниям и вибрации.
• В автомобильной промышленности из чугуна изготавливают блоки цилиндров. Это ответственные детали, которые должны обладать высокой прочностью и стойкостью к износу. Этим качествам помогает соответствовать чугун. Чтобы сделать названные показатели оптимальными в чугун добавляют специальные добавки в виде графита. Графит в несколько раз повышает такое свойство сплава, как прочность. Добавки позволяют сделать чугун совершенным и использовать его при изготовлении коленчатый валов дизелей.
• Из чугуна делают тормозные колодки. Мы знаем, что эти детали работают при повышенном трении. Чугун помогает им выдержать эти жесткие условия. Кроме этого, из чугуна делают валки мукомольный и бумагоделательных машин.
• Чугунные изделия хорошо работают при низких температурах. Для этой целей используют ковкий вид чугуна. Из него делают узлы тракторов и сложных механизмов, которые будут в дальнейшем работать в жестких условиях.
• Чугун широко используется для изготовления предметов быта. Это материал очень популярен среди нашего населения. Чугунные горшки, сковородки, казаны можно встретить как на обычной кухни, так в арсенале посуды ресторана. Это действительно уникальная посуда.
• Про чугунную сковородку, которая обладает отличным качеством, знает любая хозяйка. Чугунная посуда хорошо сохраняет тепло. В ней удобно готовить блюда, для которых необходимо постоянно сохранять тепло. Чугунную посуду используют для приготовления плова, каш и рагу. Продукты в ней сохраняют массу полезных свойств. В такой пищи не образуются канцерогенные вещества. Кстати было доказано, что чугунная посуда способна обогащать продукты полезными элементами железа.
• Для нефтяной промышленности, сложной и опасной отрасли, трубы изготавливают только из чугуна. Изделия получаются с высокими эксплуатационными качествами.
• Чугун отличается своей долговечностью. Поэтому в наших домах до сегодняшнего времени можно увидеть мойки и ванны, которые были изготовлены более 50 лет назад и до сегодняшнего дня с успехом эксплуатируются.
• Чугун очень часто применяют для художественных предметов. Из него делают разные произведения искусства. Так, набережная Санкт-Петербурга, практически вся украшена чугунными изделиями. Из чугуна изготавливают интересные и необычные ограждения, ажурные ветвистые ворота и чугунные памятники. Все это стало возможным благодаря хорошим литейным качествам этого материала. Сделанные вещи практически не изнашиваются и смотрятся так же даже спустя много лет. Нередко можно встретить чугунные произведения искусства в стенах музея.

Особенно радует то, что чугун хорошо ценится как второсортный материал. То есть, если вдруг чугунная вещь стала ненужной ее можно сдать на переплавку и получить за это неплохие деньги.

Про характеристики и области применения сталей и чугунов (легированных, антифрикционных, литейных и др.) расскажем ниже.

Данное видео расскажет о сферах применения чугуна:

В этом разделе будут рассмотрены классификация, маркировка (марки) и применение чугунов и их сплавов.

Особенности применения

В строительстве используют серый чугун. Белый слишком твердый и хрупкий. Его переплавляют в ковкий чугун или в сталь.

В строительном деле чугун использовался еще в древние времена. Изделия из него получались отменного качества, если строго была соблюдена технология производства. Чугун всегда получали литьем. Изготовленный материал не должен был иметь воздушных раковин, линий формовки и трещин.

• В древние времена из чугуна делали несущие конструкции, которые собирались деталь за деталью. Сначала отливались конструктивные чугунные элементы, а затем основания соединялись крепежными предметами. Особенно часто этот метод использовали в арочных конструкциях.
• Чугун всегда использовали для изготовления канализационных труб, стоек и столбовых оснований. Из него делали различные дизайнерский штучки для домов.
• Трубы в наших домах, радиаторы отопления, краны, вентили водоснабжения, фитинги — все это изготовлено с использованием чугуна.
• Сантехнические изделия могут частично или полностью изготавливаться из описываемого материала.
• Особо хочется отметить чугунные радиаторы отопления. Эти приборы пользуются повышенным спросом. Такие радиаторы отопления долговечны, обладают высокой теплоотдачей и отличными теплоаккумулирующими свойствами. Они остаются теплыми и отдают тепло помещению даже спустя час после отключения. Если сравнивать со стальными радиаторами, то они теряют тепло в два разу быстрее.
• Сегодня и в прошлом из чугуна делали решетки. С помощью этого крепкого материала можно было создавать различные формы и конструкции. Интересные узоры и линии сделали чугунные изделия по-настоящему искусными. Некоторые украшения набережных и дворцовые ограждения дожили до сегодняшних дней. Эти произведения искусства были выполнены по идеям знаменитых мастеров. А чугун позволил воплотить эти идеи в жизнь и сохранить до наших дней.

Есть один нюанс. Современные строительные материалы вытеснили чугун. В некоторых изделиях чугун заменили пластиком. Сегодня практически не изготавливают водопроводную арматуру, канализационные трубы, сантехнические фитинги. Однако до сих пор из чугуна делают крышки, ограждения и большие трубы канализации.

Фитинги из чугуна

Литейный чугун

Этот вид чугуна стал популярным благодаря легкоплавкости. Он плавится даже при низких температурах плавления и легко заполняет форму. Отливки из чугуна получаются достаточно прочными и без пузырей.

Если речь идет о качественном литейном чугуне, то он при изменении своего состояние (из жидкого в твердое) не меняет своего объема. Такой эффект достигается благодаря добавлению в чугун специальных примесей в виде фосфора, серы, марганца и кремния.

• Благодаря легкоплавкости из чугуна изготавливают красивые строительные детали, в виде различных фигур. В последующем эти детали надежно скрепляются болтовыми соединениями.
• В архитектурном деле без чугуна никуда. Декоративные чугунные элементы способны украсить любое здание и архитектурный памятник.

Кованные изделия

Чугун очень ценят кузнецы. Этот материал отлично поддается ковке. Связано это все с атомной решеткой материала, которая имеет пробелы. Изготавливать любые изделия из него для кузнеца проще простого. В нашу жизнь плотно вошли следующие кованные изделия:

• Фонари;
• Лестницы;
• Декоративные элементы;
• Ворота;
• Оконные решетки;
• Палисадники;
• Столбы фонарей.

Сегодня кованными решетками, узорами, аппликациями украшают парки, офисы и городскую архитектуру.

Чугун устойчив к коррозии. Он долговечен. И поэтому некоторые чугунные элементы не потеряли вид до сегодняшнего дня. Отмечено, что очень эффектно смотрятся кованные чугунные лестницы (как снаружи дома, так и внутри), ажурные рисунки, скульптуры, решетки для окон, ворота и фонари для улиц.

Лестница из чугуна

В строительстве чугун зарекомендовал себя благодаря следующим положительным моментам:

• Чугунные элементы декора производят хороший зрительный эффект.
• Чугунные предметы не подвержены коррозиционным процессам.
• Сложные формы из чугуна получаются очень быстро.
• Чугунные изделия обладают высокой прочностью.
• Несложный производственный процесс.
• Изготовление чугунных изделий стоит недорого.
• Длительный период службы.

Цена на кованные изделия зависит от количества используемого материала, сложности изготовления, скорости выполнения, расценок предприятия. Цена доступна каждому желающему. Все могут украсить модными элементами и решетками свои дома.

О том, как могут применяться чугун и стали, расскажет это видео:

Источник: http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/chyornyie/chugun/primenenie-v-stroitelstve-i-drugih-oblastyah.html

Производство чугуна и стали (стр. 1 из 4)

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Машиностроительный факультет

Кафедра «Резание, станки и инструмент»

РЕФЕРАТ

«Технология производства чугуна и стали»

Студент: Сергеев Андрей

Группа: М – 104

Преподаватель: Малышев В.И.

Тольятти — 1999 г.

1.Производство чугуна и стали.

Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота.

По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, — металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.

Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили природный газ для доменной плавки.

2. Производство чугуна.

2.1. Исходные материалы.

Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.

Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже – из доломита или известняка.

В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают обогащению.

В доменном производстве применяют разные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.

Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Разрез доменной печи схематически изображен на рисунке.

Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрываетсяподвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода.

Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО.

Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар — и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь.

Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода.

При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается.

Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.

3 Производство стали.

В стали по сравнению с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизить концентрацию веществ путем окислительной плавки.

В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических печах.

3.1. Производство стали в конверторах.

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при котором отверстия фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

Бессемеровский процесс. В конвертор заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше), марганца (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.

По характеру происходящей реакции бессемеровский процесс можно разбить на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям:

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO.

Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и марганца.

Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла.

Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.

По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма.

Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа.

Источник: https://mirznanii.com/a/170882/proizvodstvo-chuguna-i-stali

Производство чугуна и стали

» Статьи » Профессионально о сварке » Металлы и сплавы

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном — в виде сплавов.

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь:   Fe +    С  ( < 2 % ) +     примеси  (относительно немного);
Чугун:    Fe +    С  ( > 2 % )+       примеси (больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия между этими сплавами?

Основа одна  —  железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное  содержание углерода (свыше   2 % в  чугунах и до 2 %  в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве .Так же больше  во многих чугунах марганца, серы, фосфора и  кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие,  но обладают хорошими литейными свойствами.   Сталь является производной от чугуна, т.к.  производство её в основном двух стадийное:    из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ.   Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире .

  Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И, кроме того, зарытого металла  в земле на стройках, брошенного  на свалках, в лесах,  болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

1. Сыродутный процесс  ( 1500 лет до н. э. ). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до    0,5… 0,6 кг  железа. В кузнечных   горнах железо восстанавливалось из руды углём  при продувке воздухом  с помощью кузнечных мехов.
   Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода,  которая и восстанавливала чистое железо из руды.

   В  результате   длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий.

   Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и  хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре  (до 1100…1350 oС), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло  в твердой  фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо.

   Просуществовал этот способ  до XIV  века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но  был постепенно вытеснен кричным переделом.

   Отсюда следует, что  исторически самым первым сварщиком металлов был  кузнец, а самый первый способ сварки — это кузнечная сварка.

2. С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна)  оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком. В XIV век  в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час  железа. Использовалось  водяное колесо для подачи воздуха.

   Кричный передел — это  процесс рафинирования чугуна (снижение количества  C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

3. В конце  XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом  веке,  выплавляли чугун, а  далее получали  сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или  прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.
4. В конце XIX века — почти одновременно внедряются три  новых процесса получения стали:  бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает  резко (до 6 тн/час).
5. В середине  XX века: внедряются  кислородное дутье, автоматизация процесса и  непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за  резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с  пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём  имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих  90… 95 % железа) и выплавка стали в  электропечи.

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора.  Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков  При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем  количество углерода, марганца, серы и  фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 oС.

  Газ и  воздух  предварительно  подогреваются  ( до 1200…1250 oС) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом.

Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше.

  Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и  оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и  плавикового шпата.

Индукционная плавка  применяется обычно для переплавки сталей и   получения  высоколегированных и специальных сталей в условиях  вакуума или  специальной регулируемой  атмосферы.

Источник: Н.В. Храмцов. Металлы и сварка (лекционный курс)

См. также:

Источник: https://www.autowelding.ru/publ/1/1/proizvodstvo_chuguna_i_stali/4-1-0-10

Что можно сделать из отходов черного металла — железа, стали, нержавейки, чугуна

Более 90% всех изделий из металла в мире приходится на железо и его сплавы.

Такая тенденция в промышленности и активная добыча руды стали причиной истощения многих месторождений.

На сегодняшний день вторичная переработка лома черных металлов набирает обороты.

Немало этому поспособствовали упрощенный процесс обработки и низкая цена приемки на металлобазах.

Именно из-за малой стоимости и высоких требований при сдаче металлолома многие промышленные предприятия отказываются везти лом в специальные пункты для сбора чермета. Сдавать лом получается невыгодным делом для самих предприятий.

Чтобы государственные наблюдательные органы не налагали взыскание за излишки чугунных и стальных отходов, компании и частные лица предпринимают попытки самостоятельно решить эту проблему.

Виды черного лома

К отходам черных металлов относят железо и его различные сплавы.

Лом разделяют на:

• чугун (доля углерода составляет более 2%);
• сталь (доля углерода менее 2%);
• внеклассовые отходы.

В свою очередь, сплавы могут иметь легирующие элементы (алюминий, никель, молибден и т.п.) и подразделяться на:

• углеродистые;
• легированные.

По качественным показателям классификация лома черного металла включает 25 видов и 67 групп. Более детально об этом можно прочесть в ГОСТ 278-86.

Типовые варианты отходов

Наиболее распространенные варианты отходов черного металла:

1. Цельные куски металла неопределенной формы. Также это могут быть сплющенные трубы или другие полые изделия.
2. Трубы различного диаметра и толщины. Для использовавшихся в быту приспособлений предусматривается их очистка от шлака и загрязнений.
3. Автомобильный лом: части двигателя, оси колес и прочие механизмы.
4. Рельсовый металл, включая болты для крепления.
5. Стальной листовой и перфорированный лом. Обрезки или некондиционный металл.
6. Метизная продукция: гайки, болты, шайбы и прочий мелкий металлолом.
7. Стальная стружка, в том числе брикетированная.
8. Стальная проволока и канаты.
9. Негабаритный чугун: радиаторы отопления, ванны, утюги и пр.
10. Эмалированный или оцинкованный металлолом: посуда, ведра и т.п.
11. Детали бытовых электроприборов.
12. Арматура.
13. Детали орудий и боеприпасы. Демонтируются до нерабочего состояния. Не должны иметь взрывоопасных устройств.
14. Военная техника. Должна быть разбракована, разобрана и освобождена от горюче-смазочных веществ и боеприпасов.
15. Различные сосуды: баллоны, бочки и пр.
16. Станины и другие детали промышленного оборудования.
17. Некондиционные отходы: скрап, чугунный шлак, печной шлак, отходы от марганцевого производства и пр.

Подобное разнообразие черного лома демонстрирует незаменимость железа в нашей жизни.

Выгодная реализация чермета

Получать копейки за сдачу металлолома, затратив при этом массу времени и сил на привоз старых деталей, не хочется никому. Поэтому владельцы, предпочитают хранить изношенные изделия в гараже или сарае, в надежде, что когда-то это все обретет ценность.

Не обязательно копить этот хлам годами, загромождая полезное пространство. Есть вполне доступные способы реализовать его по выгодной цене и освободить место в подсобном помещении.

Чугунная ванна, тяжелый радиатор или основание для швейной машинки – казалось бы, хлам, но кто-то за такими вещами охотится не первый год.

Можно сфотографировать их и выставить на продажу на соответствующем сайте (Avito, Из рук в руки и т.п.). Это займет не более получаса.

Зато есть шанс освободиться от ненужной вам вещи довольно быстро.

Продажа на рынке

Не нужно сидеть самому на рынке с ржавыми напильниками или гайками. Сдать эту мелочь торговцам будет выгоднее, чем через пункты приема металлолома.

Непосредственная продажа

Небольшие частные предприятия, занимающиеся фигурной ковкой и литьем, заинтересованы в приобретении качественного черного лома. Если одна из таких компаний расположена неподалеку, вы можете предложить им свой металл по цене немного выше, чем предлагают на пункте для сбора вторсырья.

Итак, лом черных металлов:

• железа,
• чугуна,
• стали,
• нержавейки

можно сдать в пункты приема вторсырья. Возможно выгоднее будет продать его через Интернет, сдать на реализацию на ближайшем рынке или продать предприятию, которое занимается фигурной ковкой и литьем.

Бытовые поделки из чермета

Плох тот хозяин, который не даст вторую жизнь вышедшей из употребления вещи. В особенности это касается изделий из черного металла. Валяющиеся на свалках трубы, радиаторы и емкости из нержавейки вполне могут сослужить еще службу.

Что же можно сделать из отходов железа? Перечислим самые распространенные варианты использования чермета.

Летний душ

Это простое, но очень востребованное приспособление требует вместительной емкости и приваренной к ней трубы с краником.

При наличии деталей и сварочного аппарата работа занимает не более пары дней, а то и меньше.

Летний душ поможет существенной сэкономить на горячей воде в теплое время года.

Контур для заземления

В частном секторе и домах старой постройки о заземлении не думали, когда возводили жилье. Сейчас множество бытовых приборов обладают настолько высокой мощностью, что без заземления не обойтись.

Для заземляющего устройства необходимы 3 толстых металлических стержня длиной 1,5-1,8 метра и стальные пруты длиной 1-1,2 метра.

В качестве стержней подойдут зачищенные от краски трубы небольшого диаметра, остатки рельсов, металлопрофиль. Вместо прутов можно взять использованную арматуру.

Еще вам понадобится изолированный провод, сварочный аппарат и пара рабочих рук для рытья котлована.

Хотя устройство заземления не такая простая вещь, зато это навсегда обезопасит ваших домочадцев от электрического разряда.

Полив в саду и на огороде

Большие бочки могут накапливать выпавшие осадки. Приделанный к ним снизу слив поможет использовать дождевую воду как дополнительный источник для полива.

Удобно, если на вашем дачном участке отсутствует собственная скважина, или до источника воды далеко идти.

Пресс

Самый распространенный способ использования небольшого, но неформатного куска железа.

Многие хозяйки при отжиме творога или сока используют пресс.

Достаточно умелые руки способны из железа и подручных деталей сконструировать удобное устройство, заменяющее соковыжималку.

Мангал

Обрезки листового металла или некондиционный материал вполне подойдут для данного устройства. Положенная сверху сетка поможет приготовить не только шашлык, но и мясо или рыбу барбекю.

Настоящий мужчина обязательно должен иметь мангал у себя дома, чтобы порадовать гостей мясным блюдом на майские праздники.

Каркас от старой стиральной машины и остатки металлопрофиля могут стать отличным жильем для вашего питомца. В такой будке ему будет не страшен сильный ветер, а от мороза ее можно утеплить изнутри.

Буржуйка

Хотя старая печь уже давно изжила себя, на открытом пространстве такой вид обогрева более эффективен, чем разжигание обычного костра. Подойдет для пастухов или людей других профессий, работающих постоянно на открытом воздухе.

Как видите, из остатков металла можно изготовить множество полезных в быту вещей. Все, что для этого нужно – желание и умелые руки.

Дизайнерские изделия

На улицах городов можно увидеть оригинальные инсталляции, сделанные из отходов чермета.

Различные скульптуры животных, каркасы для клумб или другие поделки органично вписываются в городской ландшафт.

Существуют и более оригинальные изделия народных умельцев.

Небольшие сувениры из лома черных металлов подойдут как для подарка, так и в качестве эксклюзивной вещицы.

В качестве идей используют разные направленности.

Военная тематика

Инкрустированные фляги, ручки из снарядов, модели танков станут отличным дополнением к поздравлениям на День Защитника.

Походный инвентарь

Самодельные

• кружки,
• ножи,
• ложки,
• открывалки

просто незаменимы для ужина возле костра.

Украшения на полку

Красивые вещицы порой напоминают изделия Левши своей утонченностью и грацией.

Письменные приборы

Идеально впишутся в интерьер кабинета делового человека такие уникальные поделки из чермета как:

• подставка для канцелярских принадлежностей,
• ручки,
• пепельницы и прочие аксессуары.

Рыболовные снасти

Блесны и грузики, сделанные своими руками, по поверьям приносят больший улов, чем купленные в магазине.

Подробнее об изготовлении поделок из отходов чермета смотрите в видеоролике:

Выводы

При наличии фантазии и желания из любой вещи можно сделать что-то оригинальное и приятное для души. На ум приходит новая интерпретация притчи про лужу.

Можно сказать, что одни в груде металлолома видят хлам, а другие – великолепную арт-скульптуру.

Источник: https://rcycle.net/metally/chernye/chto-mozhno-sdelat-iz-otxodov-jeleza