Сучасне виробництво

Добова продуктивність потужної домни становить 2 000 т і більше чавуну. Доменна піч після її пуску працює безперервно 5–6 років, а інколи – навіть і до 10 років. Потім її ремонтують і знову пускають у роботу. Операції з підготовки шихти, заван­таженні її в домну, випуску чавуну й шлаку механізовані. Шихту завантажують через верхню частину домни (колошник).

Спочатку засипають шар коксу, потім шар суміші руди з коксом і флюсами, потім знову шар коксу й т. д. Кокс служить джерелом тепла для підтримання потрібної температури в домні й для одержання відновника – монооксиду вуглецю CO, а флюси (найчастіше CaCO₃) – для перетворення пустої породи (SiO₂, глини тощо) у легкоплавкі сполуки – шлак.

Горіння коксу підтримується вдуванням у нижню частину домни (горно) попередньо нагрітого до 800–1 000 °С повітря. Найвища температура (до 1 500 °C і більше) досягається в ниж­ній частині домни в зоні горіння коксу, а найнижча (до 200 °C) – у найвищій частині.

У результаті згоряння коксу в нижній частині домни утво­рюється діоксид вуглецю CO₂, який, піднімаючись угору й проходячи крізь шар розжареного коксу, перетворюється на монооксид вуглецю CO:

C + O₂ = СО₂;

CO₂ + C = 2CO.

Монооксид вуглецю як сильний відновник, проходячи через шари шихти, відновлює оксиди заліза (залізну руду). Причому ступінь відновлення залежить від температури. При температурі 200…500 °С Fe₂O₃ відновлюється до Fe₃O₄:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂↑;

при 600 °C Fe₃O₄ відновлюється до FeO:

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂↑.

Вище 700 °C FeO відновлюється до вільного заліза, яке утво­рюється у твердому стані (так зване губчасте залізо):

FeO + CO = Fe + CO₂↑.

При вищих температурах у процесах відновлення оксидів заліза бере участь, крім монооксиду вуглецю, і вільний вуглець:

FeO + C = Fe + CO↑.

Відновлення заліза з руди закінчується при температурі 1 000…1 100 °C. За цієї температури частково відновлюються й інші елементи зі сполук, що входять до складу руди як домішки, – манган, силіцій, фосфор тощо. Наприклад:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO↑

Ca₃(PO₄)2 + 5C = 2Р + 3CaO + 5СО↑.

Рис. 11.1. Схема доменного процесу. Приблизний розподіл температур по висоті домни

Утворюване губчасте залізо частково реагує з розжареним вуглецем і утворює хімічну сполуку – карбід заліза Fe₃C:

3Fe + C = Fe₃C.

Ця сполука не підлягає правилам звичайної валентності. Карбід заліза Fe₃C називають цементитом. Цементит в залізі утворює розчин, який називають чавуном.

Температура плавлення чавуну нижча, ніж чистого заліза, і залежить від вмісту вуглецю. Температура плавлення заліза 1538 °C, а чавун із вмістом вуглецю 4,3 % плавиться при 1130 °C. Це найнижча температура плавлення чавуну. Доменний чавун містить звичайно 3–4 % вуглецю і плавиться при 1 200…1 300 °С.

У розплавленому чавуні легко розчиняються силіцій, манган, фосфор, сірка й інші домішки, які й залишаються в чавуні. Розплавлений чавун стікає в найнижчу частину домни (горно), звідки його періодично випускають. Пуста порода, що міститься в залізній руді, видаляється у вигляді шлаку. Шлак утворюється за такими хімічними рівняннями. Вапняк, що додається до шихти як флюс, при 800…1 000 °С розкладається на оксид каль­цію і діоксид вуглецю. Утворюваний CaO як оксид з основними властивостями взаємодіє із силіцієвим ангідридом SiO₂ й амфо­терним оксидом алюмінію Al₂O₃ (що міститься в глині) з утво­ренням відносно легкоплавких силікату кальцію і алюмінату кальцію:

CaCO₃ = CaO + CO₂↑;

CaO + SiO₂ = CaSiO₃;

CaO + Al₂O₃ = Ca(AlO₂)₂.

Шлак плавиться за температури близько 1 100 °C і стікає в горно. Оскільки шлак легший за чавун, він збирається над роз­плавленим чавуном і захищає його від окиснення. Розплавлений шлак, як і чавун, періодично випускають із домни. Доменний шлак використовують для виробництва будівельних матеріалів.

Доменний газ, крім азоту N₂, діоксиду вуглецю CO₂ та інших газів, містить близько 30 об’ємних відсотків монооксиду вуг­лецю CO. Його спалюють у кауперах, у яких нагрівається по­вітря, що вдувається у домну. З метою підвищення продук­тивності доменних печей і зниження собівартості одержуваного чавуну на багатьох металургійних заводах застосовують збага­чене киснем повітря і дешевий природний газ. Заміна зви­чайного повітря збагаченим до 30 об’ємних відсотків кисню повітрям, а також вдування у домну природного газу підвищує продуктивність на 10 % і більше і знижує витрати коксу до 20 %. Природний газ, який складається головним чином із мета­ну, згоряє в домні з утворенням діоксиду вуглецю CO₂ і водяної пари H₂O. Останні, реагуючи з розжареним коксом, перетво­рюються на монооксид вуглецю CO і водень:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О;

СО₂ + С = 2СО;

Н₂О + С = СО + Н₂.

Унаслідок цього доменні гази збагачуються відновниками – монооксидом вуглецю і водню, а це прискорює процеси віднов­лення руди й зменшує витрати коксу.

Види чавунів

Чавуни, які виплавляють у доменних печах, поділяють на:

– переробні, які використовуються для виробництва сталі в кисневих конверторах, електропечах, мартенівських печах;

– ливарні, які використовуються для одержання виливків у ливарних цехах машинобудівних чи ливарних заводів. Частка цих чавунів зменшується й не перевищує 10 %.

Широке застосування чавунів у машинобудуванні поясню­ється порівняно невеликою вартістю й добрими технологічними властивостями чавунів – високою рідкоплинністю й незначною (~1 %) усадкою під час кристалізації та наступного охоло­дження, здатністю легко оброблятися різанням, можливістю зміни властивостей термообробкою й легуванням. Найкращі ливарні властивості мають евтектичні чавуни, оскільки в них менший температурний інтервал кристалізації.

Залежно від хімічного складу та умов кристалізації карбон у чавунах може кристалізуватися як у вільному стані у вигляді графіту, так і у вигляді сполуки з ферумом – цементиту Fe₃C. Залежно від стану карбону в чавунах, їх класифікують на білі та машинобудівні чавуни.

Білий чавун

У білих чавунах весь карбон перебуває в цементиті. Завдяки цементиту такі чавуни мають білий блискучий злам, від кольору якого й походить їх назва. Структуру білих чавунів у рівно­важному стані створюють дві фази – ферит та цементит. За рахунок твердого цементиту, кількість якого зростає зі збіль­шенням вмісту карбону, білі чавуни мають високу твердість (450–550 НВ), дуже крихкі, практично не підлягають різанню лезовим інструментом. Тому в машинобудуванні білі чавуни мають обмежене застосування. Їх використовують тільки як зносотривкий матеріал для відливання деталей шламових насо­сів, гідроциклонів, доменних печей, кульових млинів для розмелювання руд. З виливків білого чавуну отримують ковкі чавуни.

Машинобудівні чавуни

Машинобудівні чавуни відливають за таких умов, що забез­печують повну або часткову графітизацію – виділення графіту. Тому властивості цих чавунів визначаються не тільки структу­рою металевої основи (ферит, перліт), й формою, розмірами, кількістю й характером розташування в основі графітних виді­лень. Виливки з цих чавунів добре обробляються різанням й не підлягають обробці тиском.

Чавуни з пластинчастим графітом

Виливки із чавунів з пластинчастим графітом одержують без­посередньо заливанням розплавленого металу в ливарні форми. Графіт під час кристалізації формується у вигляді вигнутих пелюсток, пластинок. Такий графіт називають пластинчастим. Наявність у структурі вільного графіту зумовлює матовий сірий колір зламу, від якого походить інша назва цих чавунів – сірі чавуни.

Пластинчастий графіт порушує суцільність металевої основи, створює на краях пелюсток зони сильної концентрації напру­жень, і тому сірі чавуни характеризуються низькою міцністю на розтягування, згинання, скручування й дуже низькою пластич­ністю. Максимальна межа міцності на розтягування цих чавунів не перевищує 450 МПа. За ГОСТ 1412-85 марки чавунів із плас­тинчастим графітом позначаються літерами СЧ (С – сірий, Ч – чавун) і числами, які відповідають мінімально допустимим зна­ченням межі міцності на розтягування σ_в у МПа·10^–1 (наприклад СЧ 35).

Їх рекомендується використовувати для виробів, що підля­гають переважно стисканню. Та завдяки пластинчастому графі­ту в сірих чавунах вдало поєднуються добрі антифрикційні властивості, зносотривкість, здатність гасити вібрації та мала чутливість до концентраторів напружень. З них відливають різні деталі для машин, махові колеса, шківи, плити, станини та столи верстатів, корпуси електродвигунів тощо.

Чавуни з кулястим графітом

Чавуни з кулястим графітом порівняно з іншими чавунами мають вищу пластичність, ударну в’язкість й одночасно міц­ність (за що їх називають високоміцними), що насамперед зумовлено кулястою формою графіту, яка забезпечується сфе­роїдизуванням. Сфероїдизування полягає у введенні в розплав малих додатків (0,03–0,06 %) сфероїдизувальних металів – маґнію, церію, кальцію, під дією яких графіт кристалізується у формі кульок, які мінімально послаблюють металеву основу чавуну.

За ДСТУ 3925-99 умовне позначення марки містить літери ВЧ (В – високоміцний, Ч – чавун), цифрове позначення міні­мального допустимого значення межі міцності на розтягування σ_в у МПа та через дефіс – відносне видовження δ у відсотках. Максимальну міцність має чавун марки ВЧ 1000-2.

З них виготовляють розподільні й колінчасті вали, блок-картери, головки циліндрів, шатуни, поршні, поршневі кільця в автомобілебудуванні; супорти, шпинделі, зубчасті колеса у верстатобудуванні; плити гідравлічних пресів, напрямні та плунжери ливарних машин, напірних труб для води, нафти, агресивних рідинних та газових середовищ.

Чавуни з вермикулярним графітом

Чавуни з вермикулярним графітом також одержують моди­фікуванням маґнієм, тільки в меншій кількості, що зумовлює утворення вермикулярного графіту у формі графітних пелюсток із заокругленими краями, менших розмірів та грубших порів­няно з пластинчастим графітом. Марки цих чавунів позначають подібно як і високоміцних, наприклад ЧВГ 400-4.

За однакової структури металевої основи механічні власти­вості чавунів із вермикулярним графітом проміжні між власти­востями сірих з пластинчастим та високоміцних з кулястим графітом. Вони переважають сірі чавуни за пластичністю, удар­ною в’язкістю, корозійною тривкістю, герметичністю, а висо­коміцні – за здатністю гасити вібрації, оброблятися різанням, меншою вартістю (дешевші на 20–30 %).

Ковкі чавуни

Ковкі чавуни одержують шляхом тривалого графітизуваль­ного відпалу виливків з білого маловуглецевого (2,4…2,9 % С) чавуну. Відпал при високій температурі спричиняє розкладання метастабільного цементиту з утворенням графіту компактної форми з кошлатими краями, так званого графіту відпалу. За впливом на механічні властивості чавуну такий графіт займає проміжне становище між пластинчастим із кулястим графітом. Структура металевої основи ковких чавунів – від феритної до перлітної – залежить від хімічного складу та режиму термічної обробки виливків із білого чавуну.

За ГОСТ 1215-79 марки ковких чавунів позначають літерами КЧ (К – ковкий, Ч – чавун), після яких указуються мінімально допустимі значення межі міцності на розтяг у МПа · 10^–1 й через дефіс – відносного видовження у відсотках (наприклад, КЧ 30-6).

Істотним недоліком виробів із ковких чавунів є висока вар­тість унаслідок тривалого високотемпературного відпалу та обмеження розмірів.

Виробництво сталі

Сталь, або криця (рос. Сталь; англ. Steel; нім.

Stahl) – сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14 % вуглецю і домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор та гази.

За вмістом вуглецю сталі поділяють на дві групи:

– м’яка сталь, або технічне залізо (містить до 0,3 % вуглецю);

– тверда сталь (містить від 0,3 до 2,14 % вуглецю).

Сталь отримано із чавуну в II ст. до Р.Х. китайськими мета­лургами. Спосіб отримав назву «сто очищувань» і полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрям розплавле­ного чавуну при його перемішуванні. Це приводило до змен­шення частки вуглецю в металі й наближенні його до власти­востей сталі. Винахід сталі згадується у трактаті «Хайнаньцзи» (122 р. до Р.Х.).

У Європі подібний спосіб пудлінгування був освоєний лише в другій половині ХVIII ст. (патенти братів Томаса й Джорджа Кранеджі та Г. Корта).

Виробництво сталі

Суть процесу переробки чавуну на сталь полягає в зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок — фосфору та сірки, які роблять сталь крихкою і ламкою.

Залежно від способу окиснення вуглецю існують різні спо­соби переробки чавуну на сталь: конверторний, мартенівський і електротермічний. В Україні найбільш поширений мартенів­ський спосіб, яким одержують понад 80 % світової виробки сталі.

Україна станом на 2011 р. займає п’яте місце у світі за обся­гами експорту сталі 76,46 % сталі, що виробляється на світово­му ринку, припадає на десять провідних країн.

Конверторний спосіб

За цим способом окиснення надлишку вуглецю та інших до­мішок чавуну проводять киснем повітря, який продувають крізь розплавлений чавун під тиском у спеціальних печах – конвер­торах. Конвертор являє собою грушоподібну сталеву піч, футе­ровану всередині вогнетривкою цеглою. Він може повертатися навколо своєї осі. Місткість конвертора 50–60 т сталі. Матеріа­лом його футерування служить або динас (до складу якого входить головним чином SiO₂; що має кислотні властивості), або доломітна маса (суміш CaO і MgO, які одержують з доло­міту MgCO₃ · CaCO₃. Ця маса має основні властивості. Залежно від матеріалу футерування печі конверторний спосіб поділяють на два види: бессемерівський і томасівський.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: