Металлургия

    Природный газ -- высококалорийное дешевое топливо. В последние годы он находит в металлургии все возрастающее применение. Он состоит в основном из метана СН₄ (92--98%); его теплотворная способность не менее 8000 ккал/м³. Начавшееся сравнительно недавно применение природного газа позволило значительно интенсифицировать процессы плавки в доменных и мартеновских печах, значительно повысить их производительность, уменьшить расход дорогостоящего кокса в производстве чугуна.

    Коксовый газ содержит 46--63% водорода, 21 -- 27% метана, 2--7% окиси углерода, 4--18% азота и имеет теплотворную способность 3600--4500  ккал/м³.

    Он используется как топливо в коксовых и других печах, а также как сырье в химической промышленности.

    Доменный (колошниковый) газ -- побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах. Его используют на металлургических заводах в качестве топлива в чистом виде или в смеси с коксовым газом. 
 
 

      ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

    Чугун -- железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом  для   получения  стали,   на   что  расходуется примерно 80--85% всего чугуна. Вместе с тем чугун -- наиболее распространенный литейный сплав (см. в разделе III, гл. 3).

    РУДЫ, ФЛЮСЫ.

      Железные руды -- основной исходный материал для выплавки чугуна. Рудный минерал (рудное вещество) чаще всего представляет собой окислы железа, хорошо восстанавливающиеся в условиях доменной плавки. Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин, т.е. является кислой (избыток Si0₂).

    Железные руды в отличие от медных и многих других относительно богаты. Наиболее богатые руды содержат 60% железа и больше, наиболее бедные 30--40%.

    В железных рудах всегда присутствуют вредные примеси--сера и фосфор. По типу рудного минерала руды бывают следующих основных видов.

    Красный железняк. Рудный минерал -- тема-, тит, безводная окись железа Fe₂0₃ (70% Fe). Руда обычно содержит 50--60% Fe. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.

    Магнитный железняк. Рудный минерал -- магнетит, магнитная окись железа Fe₃0₄ (72,4%Fe), в руде 55 -60% Fe.

    Бурый железняк. Рудный минерал -- водные окислы железа: Fe₂O₃-mH₂0 (52--66% Fe). В руде обычно содержится 30--50% Fe.

    Шпатовый железняк. Рудный минерал -- сидерит, карбонат железа FeCО₃ (48,3% Fe), в руде обычно 30--40 Fe.

    Железистые кварциты. Рудный минерал -- магнетит или гематит. Эти руды содержат 35--40% Fe с кремнистой пустой породой.

    Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержащая 15--20% Fe, рудными минералами которой являются магнетит и ильменит FeO-TiО₂ Ильменит используют в производстве титана.

    Марганцевая руда входит в состав шихты доменных печей при выплавке некоторых марок чугуна, а также ферромарганца (до 82% Мп). В ней марганец находится в виде пиролюзита МпО₂ и других соединений. Содержание марганца в руде обычно составляет 25--50%.

    Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы 

          Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав -- доменный шлак; в расплавленном состоянии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет состав чугуна.

    Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы руды. В отечественных железных рудах пустая порода, как правило, содержит избыток Si0₂. Поэтому в качестве флюса используют сильноосновные материалы, главным образом известняк СаС0₃. Типичный металлургический известняк после обжига содержит 50--55% СаО. Избыток извести в доменном шлаке способствует также удалению из чугуна серы. На отечественных заводах флюсы вводят в доменную печь главным образом в виде офлюсованного агломерата и офлюсованных окатышей. 
 
 

    4 КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ И ИХ МАРКИРОВКА

    Классификация сталей. Стали классифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу классифицируют главным образом конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные.

    Углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые: С ≤0,09 ... 0,25 %; среднеуглеродистые: С ≤ 0,25 ... 0,45 % и высокоуглеродистые: С ≤ 0,45 ... 0,75 %. Легированные стали условно подразделяют на низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5 %; среднелегированные - от 2,5 до 10 % и высоколегированные - более 10 %.

    Другие стали, например инструментальные, с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу обычно не классифицируются.

    По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами - жаропрочные, кислотостойкие, износостойкие, магнитные и др.

    По качеству различают стали общего назначения, качественные, высококачественные и особовысококачественные, в последнем случае в маркировке указывается способ выплавки и последующей обработки стали.

    Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми количественно трудноопределяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные - не более 0,015 %ShO,025 %P.

    Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) обозначаются индексом "Ст" и порядковым номером, например Ст1, СтЗ, Ст5. Чем выше номер в обозначении стали, тем выше ее прочность и ниже пластичность.

    По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

    Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

    Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07 %), но они содержат повышенное количество газообразных примесей.

    Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

    При классификации сталей по структуре учитывают особенности их строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

    Качественные углеродистые стали согласно ГОСТ 1050-88 маркируются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 10, сталь 15, сталь 60. Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 %. Стали этой группы, содержащие свыше 0,2 % С, выпускаются только спокойными.

    Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) с содержанием углерода более 0,7 % имеют в обозначении букву "У" и цифру, указывающую на содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8,     У12.

    Легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543-71) в зависимости от содержания серы и фосфора подразделяются на качественные, высококачественные и особовысококачественные.

    Все высоколегированные стали содержат минимальное количество вредных примесей и являются высококачественными. Для придания особых свойств их подвергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражены в обозначении сталей в конце наименования марки: ВД - вакуумнодуговой переплав, Ш - электрошлаковый переплав, ВИ - вакуумно-индукционная выплавка, СШ - обработка синтетическими шлаками.

          Кроме углерода, в стали обязательно присутствуют еще другие   элементы,   наличие которых обусловлено различными причинами. Различают примеси: постоянные, скрытые, случайные и специально введенные.

          Постоянные примеси. Это кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т. е. для удаления закиси железа, поэтому их также называют технологическими примесями.

     Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn        MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться и в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7--0,8% Мn и до 0,5% Si.

          Сера -- вредная примесь -- попадает в сталь главным образом с исходным сырьем -- чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS --сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fe+FeS) с температурой плавления 988° С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900° С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620° С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

          Содержание серы в сталях допускается не более 0,06%.

    Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2% фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,050%.

          Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.

          Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки.

    Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы -- азот, кислород, водород -- ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

          Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10^-2 - 10 ^-4%. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

    5 Основные преимущества:

    большая прокаливаемость, более 5-10 мм

    высокая теплостойкость 550-650⁰ С

    Углеродистые инструментальные стали

    Эти стали по ГОСТ 1435--74 содержат 0,65-1,35% С