Получение кричного (сварочного) железа

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………3

      Глава 1.Прямое получение железа из руды..……..........................5

          Глава 2. Получение кричного (сварочного) железа из чугуна ……..7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...14

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….15

                            ВВЕДЕНИЕ

        Человек научился получать железо с незапамятных времен. Применение метеоритного железа - первый шаг по пути отказа от бронзы. С этого начался переход от бронзового века к железному. Археологические раскопки древних поселений в центральной части России, на Урале, Украине, в Белоруссии, Закавказье и в ряде других районов показывают, что люди уже 2,5 - 3 тысячелетия тому назад умели получать железо из руд и изготовлять из него оружие, орудия труда и предметы домашнего обихода.

        Позже чугун стали нагревать в горне вместе с куском железной руды, что позволило превратить этот хрупкий чугун в ковкий металл - в сталь, вполне пригодную для изготовления нужных человеку предметов быта, орудий охоты, войны. Костровая металлургия сменилась горновой.

         На территории СССР железо появилось в конце второго тысячелетия до нашей эры в Закавказье. В степях Северного Причерноморья в VII-I вв. до н.э. обитали племена скифов, создавших наиболее развитую культуру раннего железного века на территории СССР.

       Вначале железо ценилось очень дорого, использовалось для изготовления монет, хранилось в царских сокровищах. Затем все шире использовалось и как орудия труда, и как оружие. Об использовании железа в качестве орудий труда упоминается в "Иллиаде" Гомера. Так же упоминается о том, что Ахилл наградил диском из железа победителя в соревновании по метанию диска. По преданию, колыбелью монголов и туркменов были богатые рудами Алтайские горы, а вышли они из этой колыбели при помощи кузнечных горнов; верховыми богами эти народы считали тех, кто ведал кузнечным искусством. Несомненно, пришедшие с Востока народы внесли свой вклад в распространение металлургии. Воинственные кочевники из Средней Азии имели металлические доспехи и железное оружие. Своеобразная культура сложилась в Китае, где, возможно, ранее, чем у других народов, научились получать жидкий чугун и делать из него отливки. До наших дней сохранились некоторые уникальные отливки их чугуна, изготовленные в первом тысячелетии н.э., например 60-т колокол высотой 4 и диаметром 3 м.

       Известны уникальные изделия металлургов древней Индии. В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна массой 6 т, высотой 7,5 м и диаметром 40 см. Надпись на колонне гласит, что она сооружена примерно в 380-330 гг. до н.э. Она сооружена из отдельных криц, сваренных в кузнечном горне. Еще большее удивление, чем размеры колонны, вызывает тот факт, что на ней нет ржавчины. В захоронениях древней Индии найдено стальное оружие, изготовленное в середине первого тысячелетия до н.э. Греческие мастера уже в древние времена использовали железо. В построенном зодчим Гермогеном около 200 г. до н.э. храме Артемиды барабаны мраморных колонн храма скреплены мощными железными дюбелями длиной 130, шириной 90 и толщиной 15 мм. Нынешняя цивилизация основывается прежде всего на использовании железа как основного материала в технике. Массовое получение железных материалов стало возможным лишь на определенном уровне развития техники (и сравнительно недавно) тогда, когда научились восстанавливать его из руд. По содержанию в литосфере (земной коре и прилегающей к ней исследованной полости) железо занимает второе место после алюминия (около 4,65% по массе) и входит в состав различных минералов (руд).

           Первым из известных способов получения железа из руд явился так называемый суродутный способ (второе тысячелетие до н.э.). Предполагают, что этот способ впервые применен подчиненными хеттам племенами, жившими в горах Армении в 15 в. до н.э. Вся история металлургии характеризуется непрерывным совершенствованием технологии. Условно процесс непрерывного совершенствования методов и технологии производства стали можно разделить на ряд этапов.

Глава 1.Прямое получение железа из руды

         Получение железа непосредственно из руды - наиболее древний способ производства железа. В глубокой древности железо получали восстановлением его из руды в примитивных горнах. Поскольку в этом процессе использовался неподогретый воздух (сырое дутье), способ получил название сыродутного. Сущность сыродутного способа получения железа заключается в следующем: в горн загружают древесный уголь и железную руду; уголь разжигают и начинают подавать дутье; по мере сгорания и оседания угля руда опускается, подвергаясь непрерывному контакту с восстановительными газами и раскаленным углем и постепенно при этом восстанавливаясь. Расчетная температура горения угля в холодном воздухе с нормальной влажностью ~1400°C. Учитывая неизбежные потери тепла, можно предполагать, что температура процесса составляла 1300-1350°C. При таких температурах шлак образовывался в жидком виде. Поскольку шлак в основном состоял из оксидов железа, то значительная часть железа руды переходила в шлак и терялась и только 2/3 восстанавливалось до железа. В результате процесса получали раскаленный лом (крицу) восстановленного железа (с прожилками шлака), который вытаскивали из горна и обрабатывали под молотами, уплотняя крицу и выдавливая из нее шлак. Состав металла зависел от состава пустой породы руды, а также от температуры процесса и продолжительности пребывания крицы в горне.

         Существовало много разновидностей сырудотного процесса, причем в некоторых установках получали за одну операцию, длившуюся 6-7 часов, до 200 кг железа. Недостатки сыродутного способа производства (малая производительность, большой расход топлива, значительные потери железа со шлаком, высокая трудоемкость процесса и низкое качество металла) определили повсеместное исчезновение этого способа к концу XIX в. (в XX в. сыродутные горны еще можно было встретить в Африке). Единственное преимущество сыродутного процесса заключается в том, что железо получали непосредственно из руды, минуя промежуточную операцию - получение чугуна. Однако это существенное преимущество, поэтому метод прямого получения железа из руд возродился теперь на основе новой техники и в последнее время получает все большее развитие, появляются все новые и новые варианты технологий. По одному из вариантов работает построенный в СССР Оскольский электрометаллургический комбинат.

Глава 2. Получение кричного (сварочного) железа из чугуна

           По мере усовершенствования сыродутного процесса горны строили большей вместимости, более высокими, подачу дутья интенсифицировали, что приводило к повышению температуры в горне и к более продолжительному пребыванию шихтовых материалов в зоне высоких температур. В результате в ряде случае происходило заметное науглероживание железа; в этом случае продуктом процесса оказывалось не низкоуглеродистое губчатое железо, а высокоуглеродистое, т.е. чугун. Поскольку чугун не обладает пластическими свойствами, то его считали нежелательным продуктом и выбрасывали. Позже было замечено, что при загрузке в горн чугуна вместо железной руды (или при оставлении в горне высокоуглеродистой крицы и продолжении операции) также получается низкоуглеродистая железная крица. Такой двустадийный процессс (вначале получение чугуна, а потом получение чугуна из низкоуглеродистого металла) оказался более производительным. Так возник более совершенный способ получения железа - так называемый кричный процесс. Дата появления кричного процесса, так же как и сыродутного, неизвестна, но уже в XII-XIII вв. кричный способ был распространен.

          Сущность кричного способа переработки чугуна в железо и сталь заключается в расплавлении чугуна в горне на древесном угле и окислении углерода, кремния, марганца и других примесей кислородом дутья и действием шлаков, богатых оксидами железа.

           Выложенный огнеупорными материалами или водоохлаждаемыми чугунными плитами горн наполняют древесным углем, разжигают его и подают дутье. После того как уголь хорошо разгорелся, присаживают чугун и богатые оксидами железа шлаки (или окалину, или богатую железную руду). Чугун помещают обычно на уровне фурмы или несколько выше ее, он постепенно плавится и капельками стекает вниз. Одновременно с этим под действием кислорода дутья и оксидов железа шлака происходит окисление (выгорание) примесей чугуна. По мере окисления примесей чугуна (в частности, углерода) повышается температура его плавления (температура плавления чугуна 1150-1200°C, низкоуглеродистого железа ~1500°С). Температура в горне достигает 1300-1400°C, т.е. достаточна для расплавления чугуна, но недостаточна для поддержания в жидком виде образующегося низкоуглеродистого сплава. По мере окисления примесей металл становится все более тугоплавким и все более вязким. В результате на дне горна получается зернистая тестообразная железистая масса, которую собирают в один ком, или крицу, извлекают из горна и подвергают обработке под молотом для удаления из металла шлака и образования возможно более плотного и однородного куска железа.

         В связи с тем что горючие материалы, применяющиеся в кричном производстве, находятся в тесном соприкосновении с металлом, они должны быть чистыми от золы и вредных примесей (главным образом, серы). Таким требованиям лучше всего удовлетворяет древесный уголь. Сера во время процесса удаляется в незначительной степени. Фосфор удается удалить на 50-60 %, чему способствует умеренная температура процесса и высокое (иногда >90 %) содержание оксидов железа в шлаке. Готовая крица содержит, %: C 0,030-0,05; Si 0,01-0,02; Mn 0,08; P 0,01-0,04; S 0,004-0,006. Кричный способ производства имеет целый ряд существенных недостатков: низкую производительность, высокий угар железа (до 20 %), большой расход топлива, значительную трудоемкость процесса и др.

         В СССР и большинстве других промышленных стран кричный процесс, как крайне непроизводительный и дорогой исчез в конце XIX - начале XX в. Низкая производительность и высокая стоимость кричного передела, а также массовое уничтожение лесов вокруг промышленных центров, вызванное необходимость получения больших количеств древесного угля, - все это заставляло искать более производительный способ производства кричного железа, причем такой, при котором можно было заменить чистый древесный уголь другим топливом - более дешевым и менее дефицитным. Такой способ был предложен в 1784 г. Г.Кортом (Англия). Способ заключался в получении стали окислительным плавлением чугуна на поду отражательной печи. Печь получила название пудлинговой. При этом способе можно сжигать в топке любое топливо, причем чистота его не играла такой роли, как при кричном переделе, так как непосредственного контакта топлива с металлом не было. Садка типичной пудлинговой печи составляла 250-500 кг (редко больше, до 1 т). Площадь пода 0,5 м2 на 100 кг садки. Слой расплавленного чугуна 25-35 мм. Длина рабочего пространства 1,5-1,8 м, ширина - не более 1,5 м (при большей ширине трудно перемешивать металл в печи). Высота от чугунной доски, на которую набивали материал пода, до свода 0,6-0,8 м. Высота трубы 12-16 м. Иногда устанавливали трубы высотой до 50 м, которые обслуживали несколько печей.

           С 1830 г. в Англии по предложению Галла подины пудлинговых печей начали выполнять из материалов, богатых оксидами железа: богатой железной руды, окалины (подины первых печей были выполнены из песка, при этом имели место большие потери железа вследствие образования силикатов железа при взаимодействии песка SiO2 с оксидами железа: 2(FeO)+SiO2=2(FeO)*SiO2. Обычно операция пудлингования протекала следующим образом: после необходимого по окончании предыдущей операции исправления пода на него загружали предварительно подогретый чугун. В процессе расплавления происходило окисление примесей чугуна. После расплавления чугуна начиналось так называемое вымешивание: температуру на короткий промежуток времени несколько снижали (для достижения более тесного контакта металла со шлаком) и рабочие-пудлингеры перемешивали металл и шлак клюкой (или ломами). Источниками образующегося шлака являются: подина, специально добавляемая окалина, железная руда или железистые шлаки и оксиды, образовавшиеся в результате окисления железа и примесей чугуна атмосферой печи. По мере окисления примесей и снижения содержания углерода C температура плавления расплава данного состава возрастает. Наступает момент, когда температура плавления оказывается равной температуре в печи. Дальнейшее возрастание температуры плавления приводит к тому, что из расплава начинают выпадать кристаллы наиболее чистого железа с высокой температурой плавления. Этот процесс называют избирательным вымораживанием. После обезуглероживания металла производят "накатку" криц (комьями по 30-50 кг), их вынимают из печи и отправляют под молот. Пудлинговый процесс, так же как и кричный, позволяет удалять из металла в шлак значительную часть фосфора (до 50-80 %), а также некоторое количество серы. Для получения готового продукта однородного состава применяют многократную прокатку криц в пакетах. Состав низкоуглеродистого железа, получаемого в пудлинговых печах (на уральских заводах), следующий, %: C 0,1-0,2; Si 0,05-0,1; Mn ~0,1; P ~0,01; S 0,004, т.е. получается очень чистый металл. В зависимости от методов работы шлаковые включения составляют от 0,2 до 1%.

          Усовершенствованные регенеративные пудлинговые печи со сдвоенным рабочим пространством позволяли получать в сутки ~15 т металла при расходе угля ~9 т. В начале XX в. стоимость пудлингового железа ненамного превышала стоимость мартеновской стали ( в 1908 г. в России стоимость пуда кричного железа 94 коп., пудлингового 80 коп., мартеновского 75 коп.). Недостатками пудлингового процесса являются: высокий расход топлива, низкая производительность, низкий выход годного, невозможность получения литой стали. Несмотря на то что было приложено много усилий для повышения производительности и уменьшения трудоемкости пудлингового процесса (применение регенеративных печей, печей с вращающимся вокруг вертикальной или горизонтальной оси рабочим пространством, работа на жидком чугуне и т.п.), этот процесс не выдержал конкуренции с появившимися конвертерным, а затем мартеновским. Одним из существующих недостатков и кричного, и пудлингового процессов является невозможность получения плотной литой отливки из стали, так как и в кричных горнах, и в пудлинговых печах температура оказывалась недостаточной для расплавления металла. Получаемые крицы представляли собой комья сварившихся между собой зерен металла. Окончательная сварка зерен происходила при последующих нагревах и обработке металла давлением, поэтому продукты и кричного, и пудлингового процессов часто называют сварочным железом. В СССР пудлинговый процесс не применяют с 30-х годов XX в. Однако из-за особых качеств пудлингового металла этот процесс еще долго сохранялся в таких промышленно развитых странах, как Англия, Швеция, США.

           В 1930 г. в США фирмой "Bayers" был построен завод для получения сварочного железа (25-50 тыс. т в год) оригинальным способом, получившим по имени изобретателя (Астона) название "процесса Байерс-Астон". Жидкий чугун продували в конвертерах, затем металл медленно с большой высоты выливали в шлаковни, наполненные жидким железистым шлаком. Температура стали, заливаемой в шлаковни, значительно выше температуры шлака (1260-1300°С), объем которого значительно (в шесть-восемь раз) превышает объем металла. При соприкосновении мелкораздробленных капелек металла с высокожелезистым жидким шлаком происходят те же процессы, что и в пудлинговой печи, но с очень большой скоростью. Очищенный от примесей металл застывает и в виде крицы опускается на дно шлаковни. Застывшую под слоем шлака крицу извлекают из шлаковен и подают сначала под пресс, а затем на блюминг для вторичного обжатия. Масса извлекаемых из шлаковен криц до 2,5 т. Выход металла в виде криц составляет 90-91 % от массы металлической шихты, заданной в конвертер. Расход топлива очень мал: в мартеновских печах на формирование шлака расход топлива составляет 2,5-4,5 % от массы металла, а в нагревательных печах перед прокаткой 8 %. По качеству металла не уступает пудлинговому, но стоимость его значительно ниже и приближается к стоимости литой стали.