24. ФЕРУМ. ЗАЛІЗО

24. ФЕРУМ. ЗАЛІЗО

24.7. Чавун і сталь

Сучасний розвиток техніки важко уявити без використання найважливіших сплавів заліза – чавуну і сталі. За рік виробництво заліза та його сплавів перевищує виробництво усіх інших металів разом узятих.

У техніці залізо та його сплави (чавуни і сталі) називають чорними металами, а їх виробництво – чорною металургією.

Виробництво чавуну.

Чавун виробляють у доменних печах, викладених зсередини вогнетривкою цеглою. Їх висота сягає 30 м, внутрішній діаметр – 12 м (рис.24.1). Доменна піч складається з шахти (І) – верхня частина печі, обмежена зверху отвором – колошником (ІІ). Найширша частина печі – розпар (ІІІ), нижня частина – горн (IV). Отвори для подачі повітря або кисню – фурми (V).

Рис. 24.1. Схема доменної печі (А) і хімічні реакції, що відбуваються у різних її частинах (Б).

Піч через колошник пошарово завантажують коксом, агломератом (залізна руда, сплавлена з флюсом*) і знову коксом. Температуру в печі підтримують вдуванням у горн через фурми підігрітого повітря або кисню. Кокс згорає в горні, утворюючи карбон (IV) оксид СО₂, який у свою чергу реагуючи з коксом дає карбон (ІІ) оксид СО. Карбон (ІІ) оксид відновлює залізну руду, перетворюючись в СО₂. Сумарний (постадійно див. рис. 20.1) процес відновлення руди в доменній печі описується схемою:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

Одержання чавуну відбувається у 1,5 рази швидше при вдуванні замість повітря кисню. При цьому витрати коксу зменшуються на 25%.

Відновлене залізо у розплавленому стані опускається донизу (в розпар), де розчиняє вуглець коксу (утворюється Fe₃C – цементит). Чавун стікає в горн, над ним збирається шлак (СaSiO₃), запобігаючи окисненню чавуну. Чавун і шлак у міру накопичення випускають через отвори (VI).

Доменна піч працює безперервно протягом кількох років. Її за потребою довантажують коксом і агломератом. У печі об’ємом 2000 м³ за добу використовують 7000 т агломерату і 2000 т коксу, при цьому одержують 4000 т чавуну (2,5 т/хв).

Виробництво сталі.

Існує кілька способів переробки чавуну у сталь. Усі вони полягають у зменшенні в чавуні вмісту вуглецю і домішок.

Першою промисловою установкою для виробництва сталі у XVIIІ ст. стала пудлінгова піч, винайдена в Англії. Такі печі були малопотужні і на зміну їм у 1856 р. заступили конвертери, винайдені Г. Бесемером (Англія). Їх робота базувалась на продуванні повітря через шар розплавленого чавуну, при цьому вигорали деякі домішки. Проте, залишались домішки фосфору і сірки, які збільшували крихкість сталі. Позбавитись їх дала можливість пропозиція С.Д. Томаса (Англія) використовувати для зв’язування домішок вапняк СаСО₃. Утворений шлак, що містив кальцій сульфат та фосфат (томасшлак), використовували як мінеральне добриво.

У 1865 р. батько і син П. та Е. Мартени створили піч (мартенівську) з подачею підігрітого повітря, що дозволило одержати рідку (а не тістоподібну) сталь, яка легко виливалась у форми. За прізвищем авторів, таку піч назвали мартенівською, а спосіб – мартенівським.

Сучасний киснево-конверторний спосіб одержання сталі вперше використали у 1954 р. в Австрії. Кисень подавали над розплавом, домішки вигорали і підтримували дуже високу температуру розплаву. Для її зниження у розплав вводили скрап (англ. scrap – металобрухт). На сьогодні цей процес одержання сталі є найперспективнішим.

На початку ХХ ст. запропоновано електрохімічний спосіб одержання сталі. Через суміш чавуну і шлаку пропускають електричну дугу, при цьому температура сягає 4000 ⁰С і вигорають усі домішки.

В останні роки набув поширення спосіб прямого відновлення залізних руд, минаючи стадію одержання чавуну. Для цього використовують суміш природного газу з повітрям або киснем. Основний компонент газу – метан СН₄, при неповному окисненні утворює СО:

CH₂ + O₂ = 2CO + 2H₂.

Продукти реакції відновлюють руду, утворюючи губчате залізо. Його переплавляють в електропечах і одержують сталь.

Чавун.

Чавун – сплав заліза з вуглецем (понад 2,14%). Чавуни класифікують за складом та механічними властивостями (схема 24.1).

Схема 24.1

Класифікація сплавів заліза з вуглецем

За складом розрізняють чавуни:

Білі – містять увесь вуглець у формі цементиту Fe₃C – твердий крихкий матеріал, використовують для добування сталі.

Сірі – увесь вуглець (до 3,8%) перебуває у формі графіту, використовують для виготовлення прокатних виробів.

За механічними властивостями розрізняють чавуни:

Високоміцні – одержують додаванням до сірого чавуну магнію (до 0,08%), використовують для виготовлення зносостійких елементів (колінвали, вентилі, насоси).

Ковкі – одержують із білого чавуну, використовують для виробництва ударостійких елементів (задні мости автомобілів, сільськогосподарського обладнання).

Сталь.

Сталь – сплав заліза з вуглецем (не більше 2,14%). Сталі класифікують за складам і за використанням (схема).

За складом розрізняють сталі:

Вуглецеві – містять крім заліза і вуглецю фосфор і сірку, використовують для виготовлення прокатних деталей.

Леговані – містять легуючі елементи – добавки (хром, нікель, марганець, ванадій, молібден та ін.), які вводять у певних кількостях до складу сталей для зміни їх хімічних та механічних властивостей. Вони  утворюють сполуки із залізом та вуглецем.

За механічними властивостями розрізняють сталі:

Конструкційні – використовують для виготовлення деталей машин, конструкцій і споруд. Можуть бути вуглецеві і леговані (найчастіше хром, нікель, марганець – 1 – 1,5%).

Інструментальні – використовують для виробництва ріжучих та вимірювальних інструментів. Це – леговані (хром, ванадій, вольфрам) сталі.

Сталі з особливими властивостями – нержавіючі, жаростійкі, жароміцні, магнітні та ін.

Нержавіючі– стійкі до корозії за нормальних умов (вода, кислоти).

Жаростійки – стійкі до корозії за високих температур.

Жароміцні – зберігають механічні властивості при високих температурах.

Магнітні – виявляють феромагнітні властивості (леговані хромом і вольфрамом).