Как из чугуна получают сталь: Сталь из чугуна | Металлургический портал MetalSpace.ru

Как получить сталь из чугуна в масштабах современного производства

Главная » Сталь

Автор perminoviv На чтение 4 мин Просмотров 386 Опубликовано 28.06.2021

Сталь остается основным конструкционным материалом для строительной, машиностроительной и множества других отраслей промышленности. Разделение железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. Условно можно считать, что при содержании до 2% углерода это сталь, более 2% — чугун. В литературе в трудах великого материаловеда Гуляева уточняется, что граница раздела 2,14% справедливо только при ничтожно малом содержании любых других элементов, кроме железа и углерода. Не удивительно, что он используется при производстве на крупных комбинатах и небольших литейных цехах.

Использование высокоуглеродистых сплавов в сталеплавильном переделе может быть реализовано в холодном виде. Он имеет форму пирамидки, выплавленной предварительно на металлургических комбинатах из руды и флюсующих материалов и разлитых на специальных разливочных машинах. Преимуществом использования такого типа сырья является неограниченная логистика и гарантированный химический анализ такого материала. Это позволяет в сталеплавильных цехах произвести предварительные подготовительные работы по борьбе с серой, фосфором и другими элементами которые негативно влияют на физические свойства готовой продукции.

На крупных металлургических комбинатах с полным циклом для выплавки стали используют чугун в жидком виде. Перед тем как получит сталь из чугуна, его производят в доменном цехе. Во время выпуска из доменной печи, чугун сливается в ковши, защищенные футерованным слоем от высокой температуры. В этих ковшах его привозят в сталеплавильный цех, где его сливают в большую емкость, в которой смешивается до 1800 тонн чугуна из разных доменных печей. Эта емкость называется миксер. В ней происходит усреднение по химическому анализу и температурному показателю. На многих заводах применяют ковши – миксера. По команде сталевара печи, конвертера или начальника смены из миксера выдается взвешенная порция в ковшах на следующий передел.

К этому времени в сталеплавильном агрегате уже находится разогретый до определенной температуры стальной лом. Чугун заливается на этот лом. Дальше наводя и убирая шлак, меняя его основность и температуру, сталевар доводит расплав до необходимой температуры и химического состава. Такой процесс производства экономит большое количество энергоносителей и снижает себестоимость в производственных масштабах.    

Основными агрегатами для использования чугуна при производстве стали являются конвертера, мартеновские, дуговые электрические, индукционные печи.

В мартеновских печах реализован процесс рекуперации тепла. Поток горячего воздуха, проходя над расплавленной ванной печи, нагревается и нагревает регенераторы. Через определенный промежуток времени меняется направление потока воздуха и он, соприкасаясь с регенераторами, нагревается. Более высокая температура воздуха повышает калорийность сжигания теплотворного газа. Изобретенная в 1864 году Пьером Мартеном этот агрегат сегодня считается перевернутой страницей в истории металлургии. Действующие мартены не в состоянии справиться с конкуренцией и требованиям, предъявляемых к выплавляемой стали. 

Конвертер это агрегат, в котором скрап и передельный чугун в жидком виде продувается кислородом или воздухом. Окисление углерода происходит с дополнительным выделением тепла. Таким образом, решается одновременно две задачи – уменьшение углеродного эквивалента и достижение температурных показателей достаточных для борьбы с серой и рядом других элементов. Больше половины стали в мире производят в конвертерах.

Электродуговая печь является неотъемлемым элементом производства нержавеющих, легированных, специализированных сталей. Тепло в этой печи наводится электрической дугой, которая возникает между электродами и металлической ванной. Чугун ложится в завалку или заливается после предварительного нагрева металла. Дальше добавляются флюсующие материалы и вспениватели шлака. Это позволяет вывести серу и фосфор из металла. 

В индукционной печи чугун преимущественно используется в виде холодного шихтовального материала при выплавке сталей. Невозможность влиять на содержание серы и фосфора при плавке в такой печи к чугуну предъявляют особо высокие требования по содержанию этих элементов.

Производство стали из чугуна оправданно в крупных масштабных производствах и небольших литейных цехах и участках.

Основы получения чугуна и стали

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом при высокой температуре. Кокс, сгорая, об­разует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe203—*Fe304—►FeO—»Fe. Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в сопри­косновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чу­гун. В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5% углеро­да и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы. В зависимости от количества и формы связи углерода и примесей с железом, чугуны имеют разные свойства, в том числе цвет, подразделяясь по этому признаку на белые и серые.

Сталь получают из чугуна путем удаления из него части угле­рода и примесей. Существуют три основных способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.

Конвертерный основан на продувке расплавленного чугуна в больших грушевидных сосудах-конвертерах сжатым воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси, переводя их в шлак; углерод выгорает. При малом содержании в чугуне фосфора конвертеры фу­теруют кислыми огнеупорами, например динасом, при повышен­ном — основными, периклазовыми. Соответственно выплавляемую в них сталь по традиции называют бессемеровской и томасовской. Конвертерный способ отличается высокой производительностью, обусловившей его широкое распространение. К недостаткам его от­носятся повышенный угар металла, загрязнение шлаком и наличие пузырьков воздуха, ухудшающих качество стали. Применение вме­сто воздуха кислородного дутья в сочетании с углекислым газом и водяным паром значительно улучшает качество конвертерной стали.

Мартеновский способ осуществляется в специальных печах, в которых чугун сплавляется вместе с железной рудой и металлоло­мом (скрапом). Выгорание примесей происходит за счет кислорода воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами и железной рудой в составе оксидов. Состав стали хорошо поддается регулиро­ванию, что позволяет получать в мартеновских печах высококачест­венные стали для ответственных конструкций.

Электроплавление является наиболее совершенным спосо­бом получения высококачественных сталей с заданными свойствами, но требует повышенного расхода электроэнергии. По способу ее подведения электропечи подразделяются на дуговые и индукцион­ные. Наибольшее применение в металлургии имеют дуговые печи. В электропечах выплавляют специальные виды сталей — средне — и высоколегированные, инструментальные, жаропрочные, магнитные и другие.

Экологически чистые строительные материалы

В связи с развитием промышленности состояние окружающей среды каждый год ухудшается. Главный вопрос, который стоит перед человечеством: как уберечь природу от пагубного воздействия человека? Эта проблема касается всех сфер человеческой …

Асфальтовые бетоны и растворы

Для приготовления асфальтовых растворов и бетонов применя­ют асфальтовое вяжущее, представляющее смесь нефтяного биту­ма с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доло­мита, мела, асбеста, шлака). Минеральный наполнитель не только уменьшает расход битума, но …

Дегтевые вяжущие вещества

Деготь представляет собой густую вязкую массу черно­коричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воз­духа твердых видов топлива (каменного и бурого углей, горючего сланца, торфа, древесины). В строительстве применяют главным об­разом …

Преобразование чугуна в кованое железо — The Teamon Process

• Share на Facebook

• Share в Twitter

• Share на Reddit

• Share на Linkedin

• Акции по электронной почте

Печать

Открытие дешевого и простого способа освобождения чугуна от углерода уже давно является предметом серьезного исследования ученых и практиков. Способ производства кованого железа и стали, предложенный мистером Джоном Хитоном, кажется, по общему признанию, является наиболее быстрым и тщательным методом, но для многих все еще остается открытым вопрос, достаточно ли он экономичен. Наши читатели уже знают, что в основе метода лежит превращение углерода с помощью нитратов соды или калия.

Он также заявляет об использовании хлоратов. Нанесение этих окислителей должно производиться на нижнюю поверхность расплавленного железа, чтобы кислород мог действовать снизу вверх через его массу. Нитрат или хлорат помещают в камеры внутри приемника расплавленного железа, лебедку заставляют вращать так, чтобы камеры попадали под расплавленный металл, и нитрат или хлорат могли действовать через него. Поверхность селитры или хлората защищают от слишком быстрого действия расплавленного железа с помощью железной пластины, перфорированной многочисленными отверстиями. Мистер Хитон говорит, что если чугун содержит около пяти процентов углерода, то сто весовых четвертей нитрата или хлората будет достаточно для каждой бочки железа, и что эффект будет произведен через три минуты. Тот же процесс можно использовать и для превращения чугуна в сталь. Возник горячий спор относительно относительных достоинств этого процесса по сравнению с процессом Бессемера, кульминацией которого стали два судебных иска против редактора Engineering, ведущего научного журнала в Англии. Этот план занял самую решительную позицию по сравнению с достоинствами процесса Хитона. В самом деле, глядя на состязание с совершенно бескорыстной оптикой, нам казалось, что его позиция была несостоятельна с научной точки зрения и что он ничего так не желал, как провала нового метода. Его язык был языком порицания, а его дух, как проявилось в ходе обсуждения, казался каким угодно, но только не искренним. Дело, однако, попало в хорошие руки и было исследовано профессором Миллером, всемирно известным химиком, в связи с доктором Маллетом и мистером Киркалди. Каждый из этих джентльменов сделал подробные отчеты, полностью благоприятствующие успеху. Предварительный отчет профессора Миллера описывает процесс Хитона следующим образом: По случаю нашего (а именно, его и доктора Маллета) визита на завод Лэнгли Милла 10 июля 1868 г. 6 центов. кузнечный болванку № 4 на Клэй-лейн загружали в горячую вагранку, в которой не было другого железа; и сразу 6\цвц. кузнечного скребка Стэнтон, № 4 (изготовленного из двух третей бурой руды Нортгемптоншира, одной шестой глинистой руды Честерфилд и одной шестой золы) добавляли, и все это, когда расплавилось, сливали в ковша, из которого она передавалась в конвертер. Преобразователь представляет собой кованый котел, облицованный шамотом. На дно его ввели смесь 169фунтов сырой селитры соды, 40 фунтов. кремнистого песка и 20 фунтов. воздушно-гашеной извести; но эти пропорции на практике значительно варьируются. Поверх этой смеси была помещена чугунная перфорированная пластина весом 95 фунтов. Затем конвертер был надежно прикреплен к открытой горловине дымовой трубы из листового железа, и расплавленное железо из вагранки (образец этой маркировки № 4) было залито. Минуты через две началась реакция; сначала выделялось умеренное количество коричневых азотистых паров, за ними следовали обильные черноватые, затем серые, затем беловатые пары, образующиеся в результате выделения пара, несущего во взвешенном состоянии часть флюса. По прошествии пяти или шести минут произошло сильное возгорание, сопровождавшееся громким ревом и взрывом ярко-желтого пламени наверху трубы. Это продолжалось около полутора минут и стихло так же быстро, как и началось. Когда все успокоились, конвертер отсоединили от трубы, и его содержимое вылилось на железный пол литейного цеха.

Сырая сталь была в пастообразном состоянии, а шлак жидкий; чугунная перфорированная пластина расплавилась и соединилась с зарядом расплавленного металла. Шлак имел стеклообразный, комковатый вид, а в массе — черный или темно-зеленый цвет. Затем массу сырой стали из конвертера подвергали воздействию молота (№ 7). Около 4 центов. сырой стали переносили в пустую, но горячую отражательную печь, где примерно через час ее нагревали до температуры сварки и выковывали паровым молотом в четыре блюма, затем прокатывали в квадратные заготовки, которые резали раскатывают, повторно нагревают и раскатывают в готовые бруски толщиной от одного дюйма до пяти восьмых дюйма (№ 8). Три или четыре центнера. сырой стали из конвертера передавали в печь повторного нагрева, затем забивали в лепешки, которые после остывания разбивали и сортировали вручную для сталеплавильного цеха (№ 9).). Нагрели два глиняных горшка, наполненных небольшим количеством чистого песка, и в каждый подали 42 фунта. стального пирога были загружены. Примерно через шесть часов расплавленный металл был отлит в слиток (10 В). Два других подобных горшка были заряжены 35 фунтами. из того же кека, 7 фунтов. железного лома и 1 унция. оксида марганца. Их также отливали в слитки (10 С). Сталь 10 В и 10 С впоследствии была наклонена, но оказалась мягче, чем ожидалось. Эти результаты в целом следует рассматривать скорее как экспериментальные, чем как средние рабочие образцы. Поэтому я провел исследование только следующих образцов: № 4. Вагранка сырая. № 7. Кованая сырая сталь. № 8. Прокат стальной. №5. Шлак из конвертера. Сначала я приведу результаты моего анализа трех образцов металла: Купольная свинья. Сырая сталь. Стальное железо. (№ 4.) (7). (8). Углерод………… 2*830 …. 1-800 …. 0*993 силикон с небольшим титан……… 2’950 ___ 0266 ___ 0149 Сера……….. 0-113 ___ 0-018 ___ след. Фосфор……… 1-455 ___ 0*298 ___ 0*292 Мышьяк…___…… 0-041 ___ 0039 ___ 0*024 Марганец…….. 0-318 ___ 0090 ___ 0*088 Кальций……… — — . … 0-319 …. 0*310 Натрий………… ___ 0*144 ___ следов’ Железо (по разнице).. 92*293 ___ 97*026 ___ 98,144 100-000 100-000 100-000 Из сравнения этих результатов будет очевидно, что реакция с нитратом соды удалила большую часть углерода, кремния и фосфора, а также большую часть серы. Количество фосфора (0*298 процентов), оставшиеся в образце сырой стали из конвертера, который я проанализировал, явно не таковы, чтобы ухудшить качество. Прутковое железо (№ 9) было в нашем присутствии подвергнуто многим суровым испытаниям. Его согнули и заколотили, не треснув. Он был выкован и подвергнут такому же испытанию как при вишнево-красном, так и при ярко-желтом калении, без трещин; также удовлетворительно сваривается. Удаление кремния также является заметным [результатом действия нитрата. Очевидно, что практический момент, на который следует обратить внимание, состоит в том, чтобы добиться однородных результатов, чтобы получить сталь одинакового качества, если чушка аналогичного состава подвергается процессу. Опыты г-на Киркалди по прочности на растяжение различных образцов дают убедительные доказательства того, что такая однородность достижима. Я не счел нужным произвести полный анализ шлака, но определил количество песка, кремнезема, фосфорной и серной кислоты, а также количество содержащегося в нем железа. Он был менее растворим в воде, чем я ожидал, и не растекся; хоть и оставленный в бумажной посылке. Я нашел, что из 100 частей тонкоизмельченного шлака 11*9были растворимы в воде. Результатом моего анализа стало следующее: Песок, 47 футов 3 дюйма; диоксид кремния в комбинации, 6*1; фосфорная кислота, 6×8; серная кислота, 1*1; железо (много его в виде металла) 12*6; сода и известь, 26*1. Итого, 100. Результат показывает, что большая часть фосфора извлекается за счет окислительного воздействия селитры и что некоторое количество железа механически диффундирует через шлак. Доля шлака в выходе сырой стали не была установлена ​​прямым опытом, но, исходя из использованных материалов, его максимальное количество не могло превышать 23% веса шихты расплавленного металла. Следовательно, 12,6% железа в шлаке не может превышать 3% переработанного железа. В заключение я без колебаний утверждаю, что процесс Хитона основан на правильных химических принципах. Способ достижения результата прост и быстр. Азотная кислота нитрата в этой операции сообщает кислород примесям, всегда присутствующим в чугуне, превращая их в соединения, которые соединяются с натрием, и они удаляются вместе с натрием в шлаке. Это действие натрия является одной из особенностей процесса и дает ему преимущество перед широко используемыми окислительными методами. В дальнейшем мы можем сослаться на отчеты д-ра Малле и г-на Киркалди, оба из которых содержат дополнительные интересные вопросы.

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Преобразование чугуна в кованое железо — процесс Хитона» в журнале Scientific American 20, 14, 218 (апрель 1869 г.)

doi:10.1038/scientificamerican04031869-218a

В чем разница между Литое и кованое железо?

Люди могут подумать, что термин «чугун» относится ко всем ранним изделиям из железа, или что ранние изделия из железа всегда были «коваными», или что и то, и другое может быть правдой. Они были бы неправы. На самом деле, основное различие между ними простое:

Чугун — это расплавленное железо, залитое в форму и остывшее.

Кованое железо — это железо, которое было нагрето, а затем обработано инструментами. На самом деле термин «обрабатывал» происходит от причастия прошедшего времени слова «работал».

Но давайте углубимся в детали.

Чугун

«Чугун» — это общий термин, который относится к ряду сплавов железа, но обычно ассоциируется с наиболее распространенным серым чугуном. Хотя чугун может звучать как литая форма чистого железа, на самом деле это сплав, содержащий от 2 до 4% углерода, а также небольшое количество кремния и марганца. Другие примеси, такие как сера и фосфор, также распространены.

Чугун образуется путем плавки железной руды или переплавки чугуна (продукт добычи железной руды) и смешивания с металлическим ломом и другими сплавами. Жидкую смесь разливают по формам и дают остыть и затвердеть. Из-за более высокого содержания углерода чугун затвердевает как гетерогенный сплав, поэтому в его микроструктуре содержится несколько материалов в разных фазах, что влияет на его физические свойства.
Например, в микроструктуре чугуна есть частицы углерода, которые при охлаждении металла образуют удлиненные графитовые чешуйки. Графит имеет низкую плотность и твердость, но обладает высокой смазывающей способностью. Таким образом, он предлагает мало структурных преимуществ, но он ставит под угрозу окружающую железную матрицу, создавая внутренние точки напряжения, которые могут привести к трещинам.

По сравнению с кованым железом или сталью чугун является хрупким, твердым и не податливым. Его нельзя согнуть, растянуть или придать форму. Его слабая прочность на растяжение означает, что он сломается до того, как согнется или деформируется. Однако он обладает хорошей прочностью на сжатие и широко использовался в строительстве зданий до появления сталелитейной промышленности в начале 20 века.

По сравнению со сталью чугун имеет более низкую температуру плавления, более текучий и менее вступающий в реакцию с материалами формы, что делает его подходящим для литья. Это значительно менее трудоемкий процесс, чем изготовление изделий из кованого железа, поэтому он был важной формой производства на протяжении 18 и 19 веков.й века. Чугун в значительной степени был заменен сталью в строительной отрасли, но он по-прежнему используется во многих промышленных целях.

Кованое железо

Кованое железо состоит в основном из железа с добавлением от 1 до 2% шлака, побочного продукта плавки железной руды, обычно смеси оксидов кремния, серы, фосфора и алюминия. Во время производства железо снимается с огня и обрабатывается молотком, пока оно еще горячее, чтобы придать ему намеченную окончательную форму.

Кованое железо часто имеет волокнистый внешний вид, но оно также мягче и пластичнее чугуна. Кованое железо очень пластично, а это означает, что его можно нагревать и повторно нагревать, а также придавать ему различные формы. На самом деле, он становится сильнее, чем больше он работает.
Кованое железо имеет гораздо более высокую прочность на растяжение, чем чугун, что делает его более подходящим для изготовления горизонтальных балок в строительстве. В общем, сильно сопротивляется усталости. Он безотказно деформируется, если только не перегружен сверх своих возможностей или не деформируется от воздействия сильного тепла (например, от огня).

Он широко использовался в строительстве зданий в 19 веке, но в 20 веке его заменила сталь. Сегодня кованое железо используется в основном для декоративных целей.

Коррозия

Литое и кованое железо подвержены коррозии, когда открытые поверхности подвергаются воздействию кислорода в присутствии влаги. В отличие от других металлов, образующих защитное окислительное покрытие, железо со временем полностью ржавеет и отслаивается. Это может быть сложной задачей для наружной среды, где воздействие осадков и влажности может быть постоянным.

Чтобы предотвратить ржавчину, изделия из железа должны быть покрыты для предотвращения воздействия.