14.Получение стали

Переработка передельного чугуна осуществляется с целью получения стали в результате освобождения его от некоторой части углерода методом окисления. При этом сталь может производиться тремя методами: конверторным — продувкой расплавленного чугуна сжатым воздухом или кислородом в больших грушевидных сосудах — конверторах с различной внутренней огнеупорной футеровкой; мартеновским — в печах Сименса-Мартена с регенерацией тепла отходящих газов; электроплавкой — в электродуговых, индукционных или высокочастотных печах.

При плавке в мартеновских печах или при электроплавке добавляется в расплавленный чугун железная руда или скрап (отходы ржавого железа, железный лом). Кислород добавляемых оксидов также выжигает примеси, а железо понижает содержание углерода в общей массе металла. Можно переплавлять в печи и железный лом, превращая его в продукт, годный к вторичному употреблению, что экономически весьма выгодно. При использовании железа, спеченного в куски при бездоменном производстве, сталь получают насыщением его углеродом с помощью переплавки с чугуном. Полученные тем или иным методом углеродистые стали с содержанием углерода до 1,3% широко используют в машиностроении, на транспорте, в строительстве и т. п.

При производстве стали часто добавляют в печь легирующие вещества (металлы), получая специальные сорта стали с необходимыми свойствами, например хромонике-левую (нержавеющую) сталь и др. Упрочненные низколегированные стали, содержащие хром, никель, марганец, кремний, выпускают в качестве массовых технических материалов, тогда как специальные сорта с повышенной прочностью, жаростойкостью, коррозиестойкостью и другими улучшенными свойствами содержат увеличенное количество легирующих компонентов. Нередко в качестве легирующего компонента выступает и железо в сплавах на основе алюминия, меди и других металлов.

В конверторах выплавляется более 50% в мире стали, причем эта доля стали, выплавляемой высокопроизводительными методами (конвертор и электроплавка), имеет тенденцию к непрерывному увеличению, тогда как доля мартеновской выплавки постепенно уменьшается. У нас в стране на долю углеродистых сталей приходится около 90%, а легированных — 10%. Качество тех и других обусловлено в основном их составом и структурой как железоуглеродистого сплава. В нем железо образует термодинамически неустойчивое химическое соединение с углеродом Fe3C, называемое цементитом. Значительная часть железа находится в чистом виде с температурой плавления 1539°С. Железо имеет четыре полиморфные модификации: a-Fe, p-Fe, y-Fe и 5-Fe. Практическое значение имеют модификации a-Fe и y-Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модификация a-Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку, Y-Fe — кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 19.6). В процессе охлаждения расплавленного железа при температуре 1535°С образуется площадка, характеризующая формирование кристаллической модификации 5-Fe; при температуре 1392 °С происходит полиморфная модификация 5-Fe в модификацию y-Fe, которая при температуре 898°С переходит в модификацию P-Fe; при температуре 768 °С модификация p-Fe переходит в модификацию oc-Fe. Изучение этих четырех форм существования кристаллического железа показало, что в модификации y-Fe имеется межатомное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации p-Fe, и поэтому переход y-Fe в p-Fe сопровождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация a-Fe обладает магнитными свойствами (ферромаг-нит), тогда как модификация p-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя кристаллические решетки их сходны между собой.

Большое значение для практики имеет свойство модификации y-Fe растворять до 2,14% углерода при температуре 1147°С с образованием твердого раствора и с внедрением, атомов углерода в кристаллическую решетку. При повышении и понижении температуры растворимость углерода в модификаций y-Fe уменьшается. Твердый раствор углерода и других элементов (азот, водород) в модификации y-Fe называется аустенитом (по имени ученого Р. Аустена), почти в 100 раз меньше углерода может раствориться в модификации a-Fe, причем твердые растворы углерода и других элементов в модификации a-Fe называют ферритом.

Кроме твердых растворов в железе, в железоуглеродистых сплавах может быть, как отмечено выше, химическое соединение железа с углеродом — карбид железа РезС. Это соединение, называемое цементитом, содержит 6,67%о углерода, имеет сложное кристаллическое строение с плотноупакованной ромбической кристаллической решеткой.

В сплавах цементит является метастабильной фазой. Его температура плавления равна примерно 1500°С. Он хорошо растворим в модификации y-Fe, меньше — в 5-Fe и совсем мало — в a-Fe.

Феррит отличается мягкостью и пластичностью, его прочность сравнительно невысока — предел прочности при растяжении 250 МПа, относительное удлинение 50%, твердость НВ составляет 800 МПа. Аустенит также имеет высокую пластичность, низкий предел прочности при растяжении. Твердость аустенита НВ 1700— 2200 МПа. Цементит обладает низкой пластичностью и высокой твердостью НВ, равной 10000 МПа, хрупкий.

Переработка передельного чугуна осуществляется с целью получения стали в результате освобождения его от некоторой части углерода методом окисления. При этом сталь может производиться тремя методами: конверторным — продувкой расплавленного чугуна сжатым воздухом или кислородом в больших грушевидных сосудах — конверторах с различной внутренней огнеупорной футеровкой (рис. 19.3); мартеновским — в печах Сименса-Мартена с регенерацией тепла отходящих газов; электроплавкой — в электродуговых, индукционных или высокочастотных печах Конвертор для выплавки стали из чугуна:

1 — чугун; 2 — набойка; 3 — воздух; 4 — дутье; 5 — фурмы для подачи воздуха.в метаПри плавке в мартеновских печах или при электроплавке добавляется в расплавленный чугун железная руда или скрап (отходы ржавого железа, железный лом). Кислород добавляемых оксидов также выжигает примеси, а железо понижает содержание углерода в общей массе металла. Можно переплавлять в печи и железный лом, превращая его в продукт, годный к вторичному употреблению, что экономически весьма выгодно. При использовании железа, спеченного в куски при бездоменном производстве, сталь получают насыщением его углеродом с помощью переплавки с чугуном. Полученные тем или иным методом углеродистые стали с содержанием углерода до 1,3% широко используют в машиностроении, на транспорте, в строительстве и т. п.

При производстве стали часто добавляют в печь легирующие вещества (металлы), получая специальные сорта стали с необходимыми свойствами, например хромонике-левую (нержавеющую) сталь и др. Упрочненные низколегированные стали, содержащие хром, никель, марганец, кремний, выпускают в качестве массовых технических материалов, тогда как специальные сорта с повышенной прочностью, жаростойкостью, коррозиестойкостью и другими улучшенными свойствами содержат увеличенное количество легирующих компонентов. Нередко в качестве легирующего компонента выступает и железо в сплавах на основе алюминия, меди и других металлов.

В конверторах выплавляется более 50% в мире стали, причем эта доля стали, выплавляемой высокопроизводительными методами (конвертор и электроплавка), имеет тенденцию к непрерывному увеличению, тогда как доля мартеновской выплавки постепенно уменьшается. У нас в стране на долю углеродистых сталей приходится около 90%, а легированных — 10%. Качество тех и других обусловлено в основном их составом и структурой как железоуглеродистого сплава. В нем железо образует термодинамически неустойчивое химическое соединение с углеродом Fe3C, называемое цементитом. Значительная часть железа находится в чистом виде с температурой плавления 1539°С. Железо имеет четыре полиморфные модификации: a-Fe, p-Fe, y-Fe и 5-Fe. Практическое значение имеют модификации a-Fe и y-Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модификация a-Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку, Y-Fe — кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения. В процессе охлаждения расплавленного железа при температуре 1535°С образуется площадка, характеризующая формирование кристаллической модификации 5-Fe; при температуре 1392 °С происходит полиморфная модификация 5-Fe в модификацию y-Fe, которая при температуре 898°С переходит в модификацию P-Fe; при температуре 768 °С модификация p-Fe переходит в модификацию oc-Fe. Изучение этих четырех форм существования кристаллического железа показало, что в модификации y-Fe имеется межатомное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации p-Fe, и поэтому переход y-Fe в p-Fe сопровождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация a-Fe обладает магнитными свойствами (ферромаг-нит), тогда как модификация p-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя кристаллические решетки их сходны между собой.

Большое значение для практики имеет свойство модификации y-Fe растворять до 2,14% углерода при температуре 1147°С с образованием твердого раствора и с внедрением, атомов углерода в кристаллическую решетку. При повышении и понижении температуры растворимость углерода в модификаций y-Fe уменьшается. Твердый раствор углерода и других элементов (азот, водород) в модификации y-Fe называется аустенитом (по имени ученого Р. Аустена), почти в 100 раз меньше углерода может раствориться в модификации a-Fe, причем твердые растворы углерода и других элементов в модификации a-Fe называют ферритом.

Кроме твердых растворов в железе, в железоуглеродистых сплавах может быть, как отмечено выше, химическое соединение железа с углеродом — карбид железа РезС. Это соединение, называемое цементитом, содержит 6,67%о углерода, имеет сложное кристаллическое строение с плотноупакованной ромбической кристаллической решеткой.

В сплавах цементит является метастабильной фазой. Его температура плавления равна примерно 1500°С. Он хорошо растворим в модификации y-Fe, меньше — в 5-Fe и совсем мало — в a-Fe.

Феррит отличается мягкостью и пластичностью, его прочность сравнительно невысока — предел прочности при растяжении 250 МПа, относительное удлинение 50%, твердость НВ составляет 800 МПа. Аустенит также имеет высокую пластичность, низкий предел прочности при растяжении. Твердость аустенита НВ 1700— 2200 МПа. Цементит обладает низкой пластичностью и высокой твердостью НВ, равной 10000 МПа, хрупкий.