Обзор современных способов получения чугуна и стали

Область технологии металлов, которая занимается изуче­нием способов производства металлов и сплавов, называется металлургией. В соответствии с общей классификацией металлов ее можно разделить на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

Для получения чугуна необходимо приготовить шихту - смесь сырых материалов, подлежащую переработке в металлурги­ческих печах. Шихта для производства чугуна состоит из желез­ной руды, топлива и флюсов, взятых в определенных соотношениях.

В качестве сырья в черной металлургии используются различные природные железные руды (окиси, гидроокиси, карбонаты), а также металлические отходы и лом. Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеро­дистых сплавов. Флюсы служат для понижения температуры пла­вления пустой породы — соединений, не содержащих элементов, не­обходимых для получения чугуна.

Железная руда путем восстановления превращается либо в передельный чугун в доменных печах или электропечах, либо в губчатый металл (губчатое железо), или в кусковое железо при помощи различных процессов восстановления; если требуется железо исключительной чистоты для специальных целей (например, в химической промышленности), то оно получается путем электролиза или при помощи других химических процессов.
Большая часть чугуна, полученного из железной руды, все еще вырабатывается при помощи доменного процесса. Восстановители в доменных печах состоят преимущественно из твердого кокса, иногда в сочетании с небольшими количествами угля или жидкими или газообразными углеводородами.

Чугун, получаемый таким образом, является жидким передельным чугуном. Побочными продуктами являются шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Большая часть получаемого таким образом жидкого передельного чугуна перерабатывается непосредственно в сталь на металлургических заводах.

Некоторая часть чугуна может быть использована на литейных заводах (чугунолитейные заводы) для производства изложниц, чугунных труб и т.п. Оставшаяся часть может быть отлита в форме чушек или брусков.

Переработка железной руды в установках прямого восстановления

В отличие от описанного выше процесса, в данном случае восстановителями обычно являются газообразные или жидкие углеводороды или уголь, так что не возникает потребности в твердом коксе.

В данных процессах температура восстановления ниже, поэтому конечные продукты (обычно известные как губчатое железо) получаются, не проходя через расплавленное состояние, в форме губчатого металла, металлизованных окатышей или кусков. По этой причине содержание в них углерода бывает обычно ниже, чем в доменном чугуне (где расплавленный металл находится в тесном контакте с углеродом). Большинство этих черновых продуктов переплавляется на сталелитейных заводах и перерабатывается в сталь.

Производство стали

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и продукты из черных металлов, полученных путем прямого восстановления (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как негашеная известь, флюорит, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.

Процессы производства стали разделяются на две основные категории, а именно: конвертерные процессы, в которых расплавленный передельный чугун в конвертере проходит очистку от примесей продуваемым воздухом; и нагревательные процессы, для осуществления которых используются мартеновские и электрические печи.

Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда завалка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии.
Мартеновские процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твердая завалка (например, металлолом или скрап, губчатое железо и твердый передельный чугун).

Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагревание осуществляется при помощи сжигания мазута или газа, и электросталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагревание осуществляется электричеством.

Возникло много новых процессов для производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти новые процессы включают электродуговую плавку в вакууме, электронно-лучевую плавку или электрошлаковый процесс. Во всех этих процессах сталь получается из плавящегося электрода.

Стали, полученные в этих процессах, подразделяются согласно содержанию в них легирующих элементов на нелегированные стали и легированные стали (нержавеющая сталь или другие виды). Далее они классифицируются в соответствии с их особыми свойствами на автоматную сталь, кремнистую электросталь, быстрорежущую сталь или, например, марганцевокремнистую сталь.

Классификация сталей

По химическому составу:

- углеродистые:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;

• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;

• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

- легированные (В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов):

• низколегированные - менее 2,5%;

• среднелегированные - 2,5... 10%;

• высоколегированные - более 10%.

По прочности:

- обычной прочности;

- повышенной прочности;

- высокой прочности.

По способу производства:

- мартеновские;

- конверторные;

- электростали.

По качеству (Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора):

- углеродистые обыкновенного качества;

являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов, так как отличаются повышенными ликвацией (химической и структурной неоднородностью) и количеством неметаллических включений.

- качественные;

по химическому составу - углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах.

– высококачественные;

по химическому составу бывают углеродистые или легированные; также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.

- особо высококачественные.

выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств.

По назначению:

- конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

- инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

- специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь – сплав в который кроме железа и углерода (до 2%) входят также кремний, марганец, сера и фосфор.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества предназначены для изготовления: горячекатаного проката, холоднокатаного тонколистового проката, слитков, труб, штамповок, метизов и др.

Стали углеродистые конструкционные качественные характеризуются высокими пластичностью и свариваемостью. Они могут использоваться без упрочняющей термической обработки или после нее.

В углеродистых инструментальных сталях буква У в обозначении марки означает "углеродистая сталь", а цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7 и У8, У8А наиболее пластичные из углеродистых инструментальных сталей. Они идут на производство молотков, стамесок, долот, зубил.

Из сталей У 10, У11, У11А изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы, плитки и прочий мерительный и режущий инструмент для резания мягких материалов. Стали У12, У13, У13А используются для изготовления инструмента, работающего без ударных нагрузок (напильники, рашпили, бритвы).