Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » Железо
16:21
Железо

Железо и его сплавы находят широкое применение как, в конструкционном, так и в инструментальном машиностроении. Основным сырьем железной металлургии является руда, содержащая оксиды железа (Fe2O3, Fe3O4, FeO), сульфиды железа (FeS и Fe2S3) или гидроксид железа (Fe(OH)3 – болотная руда). Для получения металлического железа, все эти соединения превращают в чистые (95-98%) оксиды железа.

Получившие широкое распространение, вот уже более двухсот лет назад углеродистые стали, на сегодняшний день имеют лишь один существенный плюс – низкую стоимость. К недостаткам следует отнести большую массу и низкую коррозионную стойкость. Высокоуглеродистые стали, в том числе инструментальные, неплохо подходят для создания конструкций и механизмов, для которых не важна масса. Кроме того, работающих в защитных средах (минеральные масла и т.п.). Низкая стоимость позволяет изготавливать из них ручной немеханический инструмент (зубила, молотки, ножовки, плоскогубцы, стамески и т.д.).

Начальный процесс получения железа – доменная плавка. Процесс происходит в периодически действующей установке – доменной печи, представляющем из себя шахтную конструкцию из термостойкого шамотного кирпича, армированную металлическим каркасом. Верхний срез печи называется колошник, нижняя часть – горном, средняя часть – распар. Здесь восстанавливаются оксиды железа до серого чугуна. В колошник подается при помощи ковшового элеватора смесь сырья (железная окалина – Fe2O3), топлива (кокс) и жженой извести (CaO) в качестве флюса, также именуемого "плавнем”. Флюсы связывают вредные примеси стали, давая расплав шлака, всплывающего на поверхность. Шлак домны напоминает кусковый остаток от сгорающего на ТЭЦ угля, после застывания он представляет собой пористую стекловидную массу с множеством включений.

Избыток углерода растворяется в железном расплаве, реагирует с ним, переходя в цементит, с приблизительной формулой Fe3C. Цементит – очень хрупкое и твердое вещество, не имеющее практического применения в промышленности (может быть использован только в качестве абразива, но здесь не выдерживает конкуренции с карбидами бора и кремния). Но, для достижения высокой твердости поверхности изделий из углеродистой стали, иногда применяют цементацию – процесс высокотемпературного насыщения поверхности стальной детали углеродом, при прокалке детали в слое угля или кокса, без доступа кислорода.

В зависимости от условий доменной плавки, получают серый или белый чугун. Серый чугун идет на отливку деталей, не требующих высокой ударной вязкости. А белый чугун, так же как и лишний серый чугун, перерабатывается на сталь в кислородных конвертерах. Аналогично доменной печи, в конвертер (напоминающий что-то среднее между ковшом и маленькой домной, но, без отверстий в нижней части) загружается некоторое количество флюса СаО с добавками CaF2 для снижения температуры плавления извести. Что повышает скорость и полноту диспергирования (растворения) флюса в расплаве. В кислородный конвертер заливается чугун прямо из выводного патрубка домны и проводится кислородное дутье. Для этого в горловину конвертера опускается телескопическая труба из термостойкой стали, через которую подается струя кислорода. Можно вести продувку и воздухом, но в этом случае сталь получится намного ниже качеством, из-за пузырьков азота, а полнота выгорания лишнего углерода будет ниже, так как азот воздуха будет уносить тепло от расплава, способствуя его остыванию. Регулировку процесса кислородной конверсии производят при помощи изменения: напора кислорода, высоты поднятия штуцера, а также, количества, формы и размеров отверстий в штуцере. При продувке происходит сгорание лишнего углерода, который уходит в виде оксидов углерода, охлаждая ванну. При этом выделяется энергия, которой достаточно, что бы вызвать кипение расплава с интенсивным выбросом искр (мелкие капли стали, сгорающие на воздухе). Поэтому, процесс дутья проводят не спеша, в течении 10-30 минут (в зависимости от объема конвертера и режима дутья).

Объем доменных печей может достегать нескольких тысяч метров кубических, а конвертеров до 20-100 кубометров. При загрузке доменной печи до тысячи тон чугуна (плавка при этом идет до двух суток), а кислородного конвертера – от двух до 150 тонн. С конца 19 века повелось монтировать кислородные конвертеры в количестве 2-6 штук на одну домну (при этом, на каждый конвертер приходится 2-3 ковша, пока один заполняется, во втором идет дутье, третий разгружается). Для транспортировки, разгрузки и загрузки ковшей кислородных конвертеров используются электротали (своего рода, лебёдки), смонтированные на козловых кранах, для перемещения которых по полу цеха проложены рельсы. Ковш кислородного конвертера представляет из себя стальную чашку, футерованную (покрытую) изнутри одним-двумя слоями термостойкого кирпича, что бы при дутье не расплавилась несущая стальная оболочка. Для разгрузки, ковш наклоняют, выливая стальной расплав.

В целом, сталелитейное производство, это огромные и величественные конструкции из стали и бетона, приводимые в движение электродвигателями, чья мощность достегает мощности нескольких бульдозеров. Все это царство черной металлургии потребляет ежедневно несколько ЖД составов кокса (угольный пек, подробнее см. соотв. статью сайта), и вдвое больше железной руды. Но, производительность потрясающая: за один день такой завод производит столько стали, что можно изготовить несколько речных теплоходов по 200 пассажиров каждый.

В советскую эпоху все это величие было доказательством превосходства советской науки и техники и являлось опорой военной промышленности. В сегодняшний век экономии и экологии, главная причина подобной гигантомании лежит в области экономии сырья, упрощения и удешевления очистки отходящих газов. Недаром, в годы мировой индустриализации, ряды дымящих доменных печей, являли собой символ промышленной мощи и экономического процветания целых народов.

Но, вернемся к технике процесса. После выгорания лишнего углерода, мы можем разлить сталь по формам, получив отливки дешевой, низкоуглеродистой стали для нужд конструкционного машиностроения (станины станков, арматура, мосты, каркасы зданий и сооружений и мн. др.). В любом случае, перед разливкой стали производят ее раскисление, то есть удаление лишнего кислорода, присутствующего в виде взвешенных в расплаве частичек окислов железа. Раскисление производят добавлением алюминиевой стружки или ферросплавов, восстанавливая железо, алюминий окисляется в корунд (Al2O3) и всплывает вместе с остатками шлака (шлак остается в литнике или всплывает в виде корочки на поверхность отливки). Использование ферроспалавов более экономически выгодно и позволяет повышать содержание углерода в сталях. Если при раскислении добавить еще немного флюса, тогда сталь дополнительно очистится от вредных примесей. Полученная сталь отличается высокой регулярностью кристаллической решетки, мелким структурным зерном (что способствует пластичности и ударной вязкости) и малым количеством структурных дефектов. Из такой стали можно делать ответственные детали машин и механизмов и инструменты.

Если требуется еще более качественная сталь, в том числе нержавеющая, то проводят последнюю плавку с флюсом, но уже под действием нагрева в электропечи с индукционным (миктроволновка), дуговым (электросварка) или контактным (резистивным) нагревом. В ходе такого процесса удаляются практически все примеси, полученная сталь сплавляется с легирующими добавками.

В любом случае, расплав в конце выливают в форму и при температуре 500-600оС подают на прокатные станы, напоминающие отжимные валки на старых стиральных машинах. Стан прокатывает слитки в профильный прокат, иногда за несколько проходов. При этом, раньше прокатывали на одном стане, возвращая заготовку с конца на начало при помощи крана, при этом приходилось дополнительно нагревать заготовку пламенем от сгорающего природного газа (или колошникового газа, богатого СО). Сегодня прокатные станы выстраивают в конвейер, каждая пара волков отрегулирована и процесс может идти непрерывно. Это повышает качество проката и снижает затраты времени и электроэнергии.

Впоследствии, металлопрокат расходуется в производстве для изготовления различных деталей и др. изделий.

Таким образом, самым дешевым сплавом железа является серый чугун. Более дорогим, томленый (томление – выдержка при температуре 300-400оС в течении нескольких часов с целью глобулизации (сферизации) углерода, растворенного в сером чугуне) или ковкий чугун. Низкоуглеродистая сталь имеет цену на 10-20% выше из-за дополнительного расхода флюса, времени и электроэнергии. Высокоуглеродистая сталь с дополнительной очисткой, в том числе инструментальная, имеет цены на 20-50% выше, чем низкоуглеродистая сталь. А легированная сталь, в 2-7 раз дороже высокоуглеродистой, так как добавляется стоимость амортизации электропечей, электроэнергия, дополнительные флюсы и легирующие добавки.

На мой взгляд, будущее за легированными сталями, так как запасы легирующих элементов более чем достаточны. А стоимость электроэнергии, относительно стоимости сырья и материалов, постепенно падает с ходом технического прогресса. Кроме того, следует учесть, что углеродистая (черная) сталь, легко подвержена коррозии, а значит, безвозвратно теряется в ходе эксплуатации на ржавчину. Так что, несмотря на высокую стоимость нержавеющих сталей, они экономически выгоднее углеродистых.

Категория: Металлургия | Просмотров: 1524 | Добавил: Chemadm | Теги: железо, Металлургия, технология металлов | Рейтинг: 4.6/30
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]