Откуда берется углерод в стали

Так что же такое литье?

Откуда берется чугун. Чаще всего отливки изготовляют из чугуна и стали. В природе, однако, нет ни чугуна, ни стали. Оба эти металла представляют собой сплав железа с углеродом и рядом других элементов. В чугуне углерода больше, в стали — меньше. Чугун тверд, но хрупок. Сталь мягка, хорошо куется, легко обрабатывается резцами. Откуда же они берутся, если в природе их нет?

Чистого железа в земной коре тоже нет. Железа в ней много, но все оно окислено, соединено с кислородом, да еще загрязнено другими примесями. Горные породы, содержащие значительное количество железа, называются железными рудами. Горняки в железорудных копях и занимаются добычей железной руды. Большую часть руды отправляют в горно-обогатительные комбинаты, где стремятся удалить из руды часть пустой породы.

Затем железнодорожники доставляют руду на металлургические заводы. Тут ее доменщики и загружают в доменные печи. В них руда переплавляется вместе с коксом и известняком. Однако из доменной печи получить чистое железо не удается. Находясь в печи бок о бок с кусками кокса, железо растворяет в себе углерод. Три-четыре процента углерода совершенно меняют свойства железа. Затвердев, такое железо оказывается очень твердым, хрупким, не поддающимся ковке, но в жидком состоянии хорошо заливающимся в формы. Его и называют чугуном.

А как получается сталь? Большую часть получаемого в доменных печах чугуна металлурги переплавляют в сталеплавильных печах с тем, чтобы выжечь из него излишек углерода. И получают совсем иной продукт — сталь. Крепкую, упругую, податливую. Сталь, которую можно не только резать, ковать, штамповать, прокатывать, но и отливать из нее любые изделия.

Что же делает литейщик? Итак, дело доменщика выплавить чугун. Дело сталеплавильщика — получить добротную сталь. А дело литейщика — придать чугуну или стали нужную форму, изготовить из них изделие, обладающее необходимыми качествами. При этом литейщик вновь расплавляет эти металлы, доводит их до нужной температуры, вводит в металл необходимые добавки и заливает расплав в заранее приготовленные формы. Умение приготовить нужную форму — это не только сложное мастерство, но и большое искусство. О нем — впереди.

Итак, литейное производство — это та отрасль промышленности, которая занимается изготовлением изделий или заготовок путем заливки расплавленного металла в специально изготовленные формы.

Источник статьи: http://www.stroitelstvo-new.ru/litye/chto-takoe.shtml

2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СТАЛИ. Растворение углерода в железе.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Основу стали составляет железо, а содержание углерода обычно не превышает 1,5%. Если нужно получить сталь с какими-нибудь специальными свойствами (высокой прочностью, устойчивостью против коррозии, жаропрочностью и т. п.), то в нее добавляют различные элементы: хром, никель, вольфрам и др. Элементы, вводимые в сталь, называются легирующими, а стали, имеющие специальные свойства, легированными или специальными. Суммарное содержание легирующих элементов обычно не превышает 30%, а часто бывает всего лишь 1—2%, и поэтому во всех случаях основой стали остается железо. Рассмотрим структуру железа.

Железо, как и все металлы, имеет кристаллическое строение. В каждом кристалле атомы железа располагаются в закономерном порядке, на определенном расстоянии друг от друга, образуя атомную решетку. Для того чтобы изобразить такую решетку, достаточно нарисовать кубик и расположить в нем девять атомов: восемь — на вершинах углов и один в центре (рис. 3,а). В самом деле, вся решетка представляет собой повторение такого кубика. Решетка такого типа, когда в центре каждого кубика располагается один атом, называется объемно-центрированной.

Если теперь нагреть железо, то по достижении определенной температуры (911 °С) произойдет перестройка атомов в более выгодное (в энергетическом отношении) положение, и образуется решетка, состоящая из кубиков с четырнадцатью атомами: восемью по вершинам углов и шестью — в центре каждой грани (рис. 3,б). решетка такого типа называется

Рис. 3. Объемно-центрированная (а) и гранецентрированная (б) решетки

Если в расплавленное железо добавить небольшое количество углерода, например 1%, то при затвердевании будут образовываться кристаллы железа с гранецентрированной атомной решеткой, внутри которой располагаются атомы углерода (рис. 4). Получится так называемый твердый раствор углерода в железе — При повышенной температуре, когда железо имеет гранецентрированную решетку, в нее может внедриться до 2,14% С.

Рис. 4. Твердый раствор углерода в железе—аустенит

При снижении температуры до определенного предела атомная решетка железа перестраивается из гранецентрированной в объемно-центрированную. В такую решетку может внедриться всего лишь 0,025% С. Образующийся при этом твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной решеткой называется Где же находится остальной углерод? Ведь мы добавили к железу 1%. Остальная часть углерода образует с железом химическое соединение F 3 C, которое носит название

Источник статьи: http://delta-grup.ru/bibliot/100/4.htm

Химия и производство чугуна и стали

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы. ) необходимы для получения шлаков При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Методы передела чугуна в сталь

Технологические основы производства стали.

Мероприятия, связанные с экономией кокса, как восстановителя.

Мероприятия, связанные с экономией кокса, как топлива.

1.Обогащение железной руды. Кокс не тратится на нагрев пустой породы; уменьшаются транспортные затраты.

2.Вдувание природного газа. Газ, будучи дешевле, сгорает с выделением тепла.

3.Утилизация тепла. Вдуваемые в доменную печь газовые потоки нагреваются в специальных печах – кауперах, за счет тепла и теплотворной способности доменных газов, которые сжигаются в печах — кауперах

1.Агломерация железной руды. Частичное восстановление железа происходит за счет дешевого коксика – отхода коксового производства. Кроме того, уменьшается потребность во флюсах, что повышает съем чугуна с единицы объема печи.

2.Вдувание природного газа – сгорая, газ образует

СО2
– источник основного восстановителя –
СО.

Сталь –сплав железа с углеродом, с содержанием углерода от 0,2 до 1,4%, содержащий мало вредных примесей (P, S, Si)

c возможным наличием
легирующих
добавок. В качестве легирующих добавок используются различные элементы, изменяющие свойства стали. В отличие от чугуна, сталь обладает пластичностью и может обрабатываться давлением. Сталь является самым распространенным конструкционным материалом современности.

Суть передела чугуна в сталь является в удалении лишнего углерода, удалении вредных примесей и раскислении полученной стали (удалении оксида железа).

Кислородно-конверторный метод передела чугуна в сталь.Кислородный конвертор представляет собой сосуд грушевидной

формы, изготовленный из листовой стали и выложенный внутри (футерованный) огнеупорным кирпичом. Конвертор способен наклоняться с помощью поворотного механизма. Конвертор имеет летку для выпуска стали и шлака и горловину, через которую загружают шихту и опускают медную водоохлаждаемую фурму для вдувания кислорода. Исходным сырьем служит передельный чугун, стальной скрап (металлолом), флюсы.

Перед началом процесса конвертор наклоняют, заливают расплавленный чугун, засыпают скрап и флюсы. Затем его переводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают вдувать кислород. Железо чугуна при температуре плавления реагирует с кислородом (горит), образуя оксид железа с выделением большого количества тепла, которого достаточно для поддержания шихты в расплавленном состоянии. Оксид железа растворяется в шихте и реагирует с избытком углеродом чугуна, окисляя его до СО. Вредные примеси (S, P) окисляются до оксидов, которые реагируют с флюсами и превращаются в шлак, нерастворимый в стали. Через 30 – 50 минут дутье кислорода прекращают, фурму поднимают и проводят раскисление, т.е. удаляют образовавшийся избыток FeO, который существенно ухудшает качество стали. Раскисление проводят, добавляя ферромарганец, ферросилициум, а потом – алюминий. В зависимости от технологии раскисления различают сталь «спокойную» и «кипящую». При изготовлении «кипящей» стали, дутье кислорода прекращают раньше, и удаление углерода происходит за счет накопившегося FeO. Выделяющиеся при этом пузырьки СО создают впечатление, что сталь кипит. Раскисление проводят в изложнице, куда добавляют ферросилициум. “Кипящая” сталь дешевле, более пластична и легко поддается механической обработке, однако легко корродирует и не обладает хорошей прочностью. Производительность конвертора достигает 250-350 тонн стали за 30-50 минут.

O2 Fe + O2 FeO + Q FeO + C Fe + CO

FeO + Mn(Si, Al) Fe + MnO(SiO2, Al2O3)

Мартеновский способ производства стали. Источником тепла служит газ, сжигаемый в печи, в присутствии воздуха, обогащенного кислородом. Для снижения затрат топлива применяется утилизация тепла с помощью регенераторов. Сырьем является чугун и стальной скрап. Окислителем служит железная руда. Данным методом можно как переделывать чугун в сталь, так и передалывать сталь в другие виды стали, можно получать также высоколегированные стали. Производительность метода — до 950 тонн стали за 8-16 часов. Мартеновский метод является технологически устаревшим, т.к. строительство печей требует больших капиталовложений, тратится большое количество топлива, а производительность значительно ниже, чем при кислородно-конверторном методе.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

большая разновидность состояний.
некоторые виды обладают высокой прочностью;
возможность длительное время сохранять температуру;
экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
стойкость к кислотно-щелочной среде;
высокая гигиеничность;
длительный срок эксплуатации и долговечность;
безвредность материала.

Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
высокая стоимость материала;
низкая пластичность серого вида чугуна;
хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек – в наличии на складе!

Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки – в наличии на складе!

Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном – в виде сплавов.

Читать также: Каким шпателем лучше шпаклевать стены

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь: Fe + С ( 2 % )+ примеси (больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия между этими сплавами?

Основа одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве .Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна, т.к. производство её в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ. Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире . Причинами этого «достижения» были : несовершенство конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного производства, ,строительных и дорожных работ. Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И, кроме того, зарытого металла в земле на стройках, брошенного на свалках, в лесах, болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

Сыродутный процесс ( 1500 лет до н. э. ). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом с помощью кузнечных мехов. Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода, которая и восстанавливала чистое железо из руды.

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 o С), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был кузнец, а самый первый способ сварки – это кузнечная сварка.

С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком. В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо для подачи воздуха. Кричный передел
– это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.
В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе
. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.
В конце XIX века — почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали: бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко (до 6 тн/час).
В середине XX века: внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

Читать также: Компаратор на транзисторах схема

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95 % железа) и выплавка стали в электропечи.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

Сера уменьшает текучесть металла.
Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Читать также: Работа аксиально поршневого гидронасоса

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 o С. Газ и воздух предварительно подогреваются ( до 1200…1250 o С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

Источник: Н.В. Храмцов. Металлы и сварка (лекционный курс)

Источник статьи: http://nicespb.ru/materialy/kakoj-chugun-peredelyvaetsya-v-stal-2.html