23. Мета доменного виробництва полягає в отриманні чавуну із залізних руд шляхом їх переробки в доменних печах. Сирими матеріалами доменної плавки є паливо, залізні і марганцеві руди і флюс.

Паливом для доменної плавки є кокс, який отримують із кам'яного вугілля. Його роль полягає в забезпеченні процесу теплом і відновної енергії. Крім того кокс розпушує стовп шихтових матеріалів і полегшуєпроходження газового потоку в шихті доменної печі.

Залізні руди вносять в доменну піч хімічно пов'язане з іншимиелементами залізо. Відновлюючи та науглеражіваясь в печі, залізопереходить в чавун. З марганцевої руди в доменну піч вноситься марганецьдля отримання чавуну необхідного складу.

флюсом називаються добавки, програми для завантаження в доменну піч для пониженнятемператури плавлення пустої породи руди, офлюсованія золи коксу і доданняшлаку необхідних технологією виплавки чавуну фізико-хімічних властивостей. Дляруд з кремнеземистої (кислої) порожньою породою як флюс використовуютьматеріали, що містять оксиди кальцію і магнію: вапняк ідоломітізірованний вапняк.

Для отримання високих техніко-економічних показників доменноїплавки сировину та матеріали попередньо піддають спеціальної підготовки

Доменний процес є сукупність механічніх, фізичних и фізико-хімічних явищ, які протікають в працюючій доменній печі. Завантажувані в доменну піч шихтові матеріали - кокс, залізовмісні компоненти и флюс  внаслідок перебігу доменного процесу перетворюються в чавун, шлак и доменний газ.

Добова продуктивність потужної домни становить 2000 т чавуну і навіть більше. 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 і 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 і т. д. Кокс служить джерелом тепла для підтримання потрібної температури в домні і для одержання відновника -- монооксиду вуглецю CO, а флюси (найчастіше CaCO₃) -- для перетворення пустої породи (SiO₂, глини тощо) в легкоплавкі сполуки -- шлак.

Горіння коксу підтримується вдуванням у нижню частину домни (горно) попередньо нагрітого до 800--1000°С повітря. Найвища температура (до 1500°C і навіть більше) досягається в нижній частині домни у зоні горіння коксу, а найнижча (до 200°C) -- у найвищій частині.

24. Властивості чавуну

2.1 Загальні положення

Чавуни - найпоширеніший конві заліза, що використовується для виготовлення виливків. Це пояснюється порівняно невеликою вартістю й добрими технологічними властивостями чавунів - високою рідко текучістю й незначною ( ~ 1 %) усадкою під час охолодження. Для одержання виливків використовують ливарний чавун, частка якого становить більш як 15% доменного виробництва. Чавуни досить широко застосовуються завдяки високим механічним властивостям, оброблюваності різанням, можливості зміни властивостей термообробкою й легуванням. Порівняно з конструкційними сталями чавуни мають вищу рідко текучість за нижчих температур плавлення, що дає змогу виготовляти деталі складнішої форми. Разом із тим ливарні властивості металу впливають на конструкційну міцність деталей, оскільки через дефекти литої структури (мікротріщини, пори, хімічна неоднорідність) створюються концентратори напружень. Найкращі ливарні властивості мають евтектичні чавуни, оскільки в них менший температурний інтервал кристалізації. Конструкційні чавуни використовують для одержання виливків різних форми, складності й маси - від поршневих кілець до корпусних деталей, станин верстатів і т. п.

2.2 Білий чавун

У домнах одержують так званий білий чавун, який на зломі має білий колір. У ньому вуглець міститься частково в розчиненому стані, а частково у вигляді включень цементиту Fe₃C. Білий чавун дуже твердий і крихкий, через що механічній обробці він не піддається, а при ударі легко розбивається на куски. Тому з білого чавуну ніякої продукції не виробляють, він переробляється на сталь і частково на сірий чавун.

2.3 Сірий чавун

Сірий чавун має на зломі сірий колір, оскільки цементит частково розкладається:

і вуглець виділяється у вигляді пластинок графіту, які пронизують собою весь об'єм металу і роблять його сірим. Сірий чавун одержують тривалим видержуванням при температурі, близькій до температури плавлення білого чавуну, або при дуже повільному охолодженні розплавленого чавуну. Сірий чавун менш крихкий, ніж білий. З нього відливають різні деталі для машин, махові колеса, плити, станини для машин, каналізаційні труби тощо. Вироби з сірого чавуну механічній обробці не піддаються.

 Половинчастий Ч. містить частину вуглецю у вільному стані у вигляді графіту, а частина — в зв'язаному у вигляді карбідів. Застосовується як фрикційний матеріал, що працює в умовах сухого тертя (гальмівні колодки), а також для виготовлення деталей підвищеної зносостійкості (прокатні, папероробні, борошномельні валяння).

  Ковким називається Ч. у відливаннях, виготовлених з білого Ч. і підданих подальшому графітизуючому відпалу, внаслідок чого цементіт розпадається, а графіт, що утворюється, набуває форми пластівців.

По прийнятій в СРСР маркіровці позначення марок доменних Ч. містять букви і цифри. Букви вказують основне призначення Ч.: П — передільний для киснево-конверторного і мартенівського виробництва і Л — літейний для чавуноливарного виробництва. Літейний коксовий Ч. позначають ЛК, на відміну від Ч., виплавленого на деревному вугіллі (ЛД). Із збільшенням числа в позначенні марки зменшується вміст кремнію (наприклад, в Ч. ЛК5 міститься менше кремнію, чим в Ч. ЛК4). Кожна марка Ч. залежно від вмісту Mn, Р, S підрозділяється відповідно на групи, класи і категорії. Марки Ч. ливарного виробництва як правило, позначаються буквами, що показують основний характер або призначення чавуну: СЧ — сірий Ч., ВЧ(висока частота) — високоміцний, КЧ — ковкий; для антифрикційного Ч. на початку марки вказується буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифри в позначенні марок нелегованого Ч. вказують його механічні властивості. Для сірих Ч. приводять регламентовані показники меж міцності при розтягуванні і вигині (у кгс/мм ² ), наприклад СЧ21-40. Для високоміцного і ковкого Ч. цифри визначають межа міцності при розтягуванні (у кгс/мм ² ) і відносне подовження (у %), наприклад ВЧ(висока частота) 60-2. Позначення марок легованих Ч. складається з букв, вказуючих, які легуючі елементи входять до складу Ч., і цифр, що стоять безпосередньо за кожною буквою, характеризують середній вміст даного легуючого елементу; при вмісті легуючого елементу менше 1,0% цифри за відповідною буквою не ставляться. Умовне позначення хімічних елементів таке ж, як і при позначенні сталей (див. Сталь ) . Приклад позначення легованих Ч.: ЧН19ХЗ — Ч., що містить ~19% Ni і ~3% Cr. Якщо в легованому Ч. регламентується кулевидна форма графіту, в кінці марки додається буква Ш (ЧН19ХЗШ).

25. У сталі в порівнянні з чавуном міститься менше вуглецю, кремнію, сірки і фосфору. Для одержання сталі з чавуна необхідно знизити концентрацію речовин шляхом окисної плавки.

У сучасній металургійній промисловості сталь виплавляють в основному в трьох агрегатах: конвекторах, мартенівських і електричних печах.

1. Виробництво сталі в конверторах

Конвертор являє собою судину грушоподібної форми. Верхню частину називають чи козирком шоломом. Вона має горловину, через яку рідкий чавун і зливають сталь і шлак. Середня частина має циліндричну форму. У нижній частині є приставне днище, що у міру зносу заміняють новим. До днища приєднана повітряна коробка, у яку надходить стиснене повітря.

Ємність сучасних конвекторів дорівнює 60 – 100 т. і більш, а тиск повітряного дуття 0,3-1,35 Мн/м. Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуна, складає 350 кубометрів.

Перед заливанням чавуна конвектор повертають до горизонтального положення, при якому отвору фурм виявляються вище рівня залитого чавуна. Потім його повільно повертають у вертикальне положення й одночасно подають дуття, що не дозволяє металу проникати через отвори фурм у повітряну коробку. У процесі продувки повітрям рідкого чавуна вигорають кремній, марганець, вуглець і частково залізо.

При досягненні необхідної концентрації вуглецю конвектор повертають у горизонтальне положення і припиняють подачу повітря. Готовий метал розкислють і виливають у ківш.

Бесемерівський процес. У конвертор заливають рідкий чавун з досить високим змістом кремнію (до 2,25% і вище), марганцю (0,6-0,9%), і мінімальною кількістю сірки і фосфору.

По характері реакції, що відбувається, бесемерівський процес можна розбити на три періоди. Перший період починається після пуску дуття в конвертор і продовжується 3-6 хв. З горловини конвертора разом з газами вилітають дрібні краплі рідкого чавуна з утворенням іскор. Другий період починається після майже повного вигоряння кремнію і марганцю.

Нові методи виробництва й обробки сталі

Електроннопроменева плавка металів. Для одержання особливо чистих металів і сплавів використовують електроннолучевую плавку. Плавка заснована на використанні кінетичної енергії вільних електронів, що одержали прискорення в електричному полі високої напруги. На метал направляється потік електронів, у результаті чого він нагрівається і плавиться.

Електроннопроменева плавка має ряд переваг: електронні промені дозволяють одержати високу щільність енергії нагрівання, регулювати швидкість плавки у великих межах, виключити забруднення розплаву матеріалом тигля і застосовувати шихту в будь-якому виді. Перегрів розплавленого металу в сполученні з малими швидкостями плавки і глибоким вакуумом створюють ефективні умови для очищення металу від різних домішок.

Електрошлаковий переплав. Дуже перспективним способом одержання високоякісного металу є електрошлаковий переплав. Краплі металу, що утворяться при переплаву заготівлі, проходять через шар рідкого металу і рафинируются. При обробці металу шлаком і спрямованої кристалізації злитка знизу нагору зміст сірки в заготівлі знижується на 30 – 50%, а зміст неметалічних включень – у два-три разів.

Вакуумування сталі. Для одержання високоякісної сталі, широко застосовується вакуумна плавка. У злитку містяться гази і деяка кількість неметалічних включень. Їх можна значно зменшити, якщо скористатися вакуумированием сталі при її виплавці і розливанні. При цьому способі рідкий метал піддається витримці в закритій камері, з якої видаляють повітря й інші гази. Вакуумирование сталі виробляється в ковші перед заливанням по изложницам. Кращі результати виходять тоді, коли сталь після вакуумирования в ковші розливають по изложницам так само у вакуумі. Виплавка металу у вакуумі здійснюється в закритих індукційних печах.

Рафінування сталі в ковші рідкими синтетичними шлаками. Сутність цього методу полягає в тому, що очищення сталі від сірки, кисню і неметалічних включень виробляються при інтенсивному перемішуванні сталі в ковші з попередньо злитим у нього шлаком, приготовленому в спеціальної шлакоплавильної печі. Сталь після обробки рідкими шлаками володіє високими механічними властивостями. За рахунок скорочення періоду рафінування в дугових печах, продуктивність яких може бути збільшена на 10 – 15%. Мартенівська піч, оброблена синтетичними шлаками, по якості близька до якості сталі, виплавлюваної в електричних печах.

26. Конструкційна сталь — це сталь, яка застосовується для виготовлення різних деталей, механізмів і конструкцій в машинобудуванні та будівництві та характеризується певними механічними, фізичними і хімічними властивостями. Конструкційні сталі поділяються на декілька видів, кожен з яких поділяється на групи або категорії.

Класифікація конструкційних сталей

[ред.]За показниками якості

Якість конструкційних вуглецевих сталей визначається наявністю в сталі шкідливих домішок фосфору (P) і сірки (S). Фосфор додає сталі холодноламкості (крихкість). Сірка (найшкідливіша домішка) — додає сталі червоноламкості. Вміст шкідливих домішок у залежності від групи якості для конструкційних сталей наступний:

Звичайної якості (ДСТУ 2651:2005/ГОСТ 380-2005, ISО 1052—82)^[1] — P і S до 0,05% (маркування Ст за ДСТУ або Fe за ISO).

Якісна — P і S до 0,035% (маркування Сталь).

Високоякісна — P і S до 0,025% (маркування А в кінці марки).

Особливо високоякісна — Р і S до 0,015% (маркування Ш в кінці марки).

За ступенем легування

За ступенем легування конструкційні сталі поділяються на: вуглецеві і леговані. Конструкційні леговані сталі бувають:

низьколеговані;

леговані;

пружинно-ресорні;

теплостійкі;

кульковопідшипникові.

За призначенням

Конструкційні сталі класифікуються за призначенням на:

будівельні (арматурні);

машинобудівні, які, у свою чергу, поділяються на групи:

загального призначення

спеціального призначення

За сортаментом

Сортамент конструкційної сталі регламентується:

гарячекатаної круглої — ГОСТ 2590-88;

гарячекатаної квадратної — ГОСТ 2591-88;

гарячекатаної шестигранної — ГОСТ 2879-88;

гарячекатаної полосової — ГОСТ 103-76;

кованої круглої і квадратної — ГОСТ 1133-88.

Широко застосовуються при виготовленні конструкцій масового призначення в будівництві та машинобудуванні, як відносно дешеві, технологічні і що характеризуються необхідними властивостями. В основному ці сталі використовують в гарячекатаному стані без додатковоїтермічної обробки з феритно-перлітною структурою. Залежно від подальшого призначення конструкційні вуглецеві сталі звичайної якості поділяють на три групи: А, Б, В.

Сталі групи А

Постачаються з певними регламентованими механічними властивостями. Їх хімічний склад не регламентується. Ці сталі застосовуються в конструкціях, вузли яких не піддаються гарячій обробці — куванням, гарячому штампуванню, термічній обробці і т. д. У зв'язку з цим механічні властивості гарячекатаної сталі зберігаються.

Сталі групи Б

Постачаються з певним регламентованим хімічним складом, без гарантії механічних властивостей. Ці сталі застосовуються у виробах, що піддаються гарячій обробці, технологія якої залежить від їх хімічного складу, а кінцеві механічні властивості визначаються самою обробкою.

Сталі групи В

Постачаються з регламентованими механічними властивостями і хімічним складом. Ці сталі застосовуються для виготовлення зварних конструкцій. Їх зварюваність визначається хімічним складом, а механічні властивості поза зоною зварювання визначені в стані постачання. Такі сталі застосовують для відповідальніших деталей.

За ступенем розкислення вуглецеві сталі звичайної якості поділяються на спокійні (сп), напівспокійні (пс), киплячі (кп). Ступінь розкислення визначається вмістом кремнію (Si) у цій сталі:

спокійні — 0,12...0,03% (Si),

напівспокійні — 0,05...0,17% (Si),

киплячі — менше 0,07% (Si).

Маркування

Основні марки конструкційних вуглецевих сталей звичайної якості: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Ст — показує, що сталь звичайної якості.

Перша цифра — номер за ДСТУ 2651:2005 (від 0 до 6) марки, залежить від хімічного складу сталі (збільшення номера від 1 до 6 означає підвищення вмісту вуглецю в сталі від 0,06...0,12% до 0,38...0,49%, для сталі Ст0 вміст вуглецю не більше 0,23%).

Буква Г після першої цифри — підвищений вміст марганцю (Mn) (служить для підвищення прогартовуваності сталі).

сп; пс; кп — ступінь розкислення сталі.