Легированные стали, содержащие менее 0,25% С, могут применяться в качестве строи тельных либо котельных. Основная цель легирования строительных сталей - повышение уровня прочности и снижение температуры хладноломкости Tx (температура перехода из вязкого в хрупкое состояние). Для повышения прочности применяют легирование марганцем либо марганцем совместно с кремнием. Такой прочностью обладают строительные стали, например, марок 14Г2 и 17ГС; такое легирование позволяет использовать эти марки сталей при температурах до -40°С. Добавки хрома и никеля позволяют снизить температуру хладноломкости до -60°С (стали ЮХСНД, 15ХСНД).
Основное применение легированные стали нашли в различных отраслях машиностроения, транспорта и энергетики. Стали, содержащие 0,1-0,2% С, могут применяться для изготовления деталей с цементованной поверхностью (цементуемые легированные стали). К ним относятся стали 15Х.20Х, 20ХН, применяемые для изготовления деталей сложной формы, но работающие при сравнительно невысоких удельных давлениях. Для повышенных нагрузок используют стали 18ХГТ, 12ХНЗА, а для высоких напряжений - сталь типа 18Х2Н4ВА (сталь мартенситного класса).
Легированные стали, содержащие 0,3- 0,5% С, относятся к улучшаемым сталям. Напомним, что «улучшение» - это специальная термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого (600-650°С) отпуска. Такая обработка обеспечивает высокий уровень ударной вязкости, поэтому детали из улучшаемых сталей могут выдерживать внезапные перегрузки. превышающие расчетные, работать в условиях ударного нагружения, знакопеременных нагрузок и т.п.
Для конкретного назначения таких сталей очень важной характеристикой является прокаливаемость (глубина проникновения внутрь детали закаленного мартенситного слоя). Величина прокаливаемости должна быть такой, чтобы обеспечить сквозную закалку детали по всему сечению.
Для деталей толщиной до 30-40 мм используют стали, легированные одним элементом (40Х, 40Г). Легирование двумя и более элементами увеличивает прокаливаемость до 60 мм (сталь 40ХН) и даже свыше 100 мм (сталь 40ХНМ). Чтобы сэкономить дефицитный никель, применяют комплексное легирование улучшаемых сталей более дешевыми элементами марганцем, кремнием, хромом.
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Железоуглеродистые сплавы, называемые чугунами, содержат более 2% углерода. Кроме углерода в чугунах всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), также фосфор и сера (в повышенном по сравнению со сталью количестве). Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на это расход дуется примерно 80-85% производимого в стране чугуна. Вместе с тем чугун-наиболее распространенный в промышленности литейный сплав.
Исходным материалом для выплавки чугуна служат железные руды. Рудный материал представляет собой различные окислы железа. Железные руды содержат и пустую породу, состоящую из кварца и песчаников с примесью глин. Железные руды относительно богаты. Наиболее богатые руды содержат 60% железа и больше, наиболее бедные (но используемые в металлургической промышленности) – 30-40%.
Для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы и золы (продукт сгорания топлива) использую доменные флюсы, которые выбирают в зависимости от вида пустой породы. В качественных рудах пустая порода, как правило, содержит избыток SiO2, т. е. является кислой. Поэтому в качестве флюса используют сильноосновные материалы, главным образом известняк СаСО3, содержащий после обжига 50-55% СаО.
Вводимый в доменную печь флюс сплавляется с пустой породой руды и золой, образуя легкоплавкий сплав-доменный шлак, который удаляется затем из печи через специальную шлаковую летку. Избыток извести в доменном шлаке способствует также удалению из чугуна серы.
Основные требования к доменному топливу - высокая теплотворность, малое содержание золы, отсутствие вредных примесей, прежде всего, серы. Топливо в доменных печах служит не только источником теплоты, но и реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образование чугуна (за счет науглерожирания железа). Главным видом топлива в доменных печах является кокс; он содержит 10-13% золы и не более 2% серы.
Однако кокс - дорогое и дефицитное топливо. На заводах СССР впервые в мировой практике применена технология доменной плавки с применением природного газа. Вдувание 60 - 100 м3 природного газа на 1 т выплавляемого чугуна снижает расход кокса на 10-15%, повышает восстановительную способность доменных газов, обеспечивает более высокую производительность доменной печи. Наиболее эффективным является использование природного газа в сочетании с высокотемпературным дутьем, обогащенным кислородом.
Подготовка руды к плавке заключается в ее дроблении до нужного размера (10-80 мм), сортировка по классам крупности на специальных механических грохотах и обогащении руды. Для плавки обогащают около 80% всей руды, доводя содержание железа в концентраторах до 60- 65%. Основным способом обогащения железной руды является магнитный. Тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы руды отделяются от пустой породы (сухая магнитная сепарация). При мокрой сепарации руда при воздействии на нее магнитного поля одновременно промывается водой.
Получаемые в результате обогащения тонкоизмельченные концентраты могут уноситься из доменной печи восходящим потоком горячих газов. Это нарушает ход выплавления чугуна и снижает производительность домны. Поэтому необходимо железнорудное сырье подвергать окускованию - агломерации или скатыванию.
Агломерация - это процесс окускования мелкой руды спеканием. Руду предварительно подвергают увлажнению и окомкованию до размера комочков не менее 5 мм. В газовой печи при температуре 1300-1500°С происходит спекание шихты (смеси рудной пыли, концентрата, металлической стружки и т.п.) в пористый продукт - агломерат.
При агломерации происходит восстановление окислов железа и, что особенно важно, на 85- 95% из руды удаляется наиболее вредная примесь - сера. Куски агломерата размером более 10 мм направляются в доменный цех. Более мелкий агломерат возвращается на переработку.
Другим эффективным способом окусковывания тонкоизмельченных концентратов является окатывание (производство окатышей). Для лучшего скатывания-гранулирования – шихту увлажняют и в ее состав добавляют некоторое количество связующего, например бентонитовой глины. Сырые окатыши диаметром 20-30 мм получают во вращающихся барабанах, конусных или тарельчатых грануляторах. Затем окатыши сушат при 200-400°С, после чего обжигают при 1300-1400°С, в результате чего они приобретают высокую прочность и не разрушаются при загрузке в доменную печь. Применение окаты шей - прогрессивное направление в подготовке доменной шихты.
Устройство доменной печи. Доменная печь вертикальная печь шахтного типа. Высота ее (до 35 м) в 2,5-3 раза превышает диаметр наиболее утолщенной части (рис. 46). Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов (шамота). Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов - углеродистых (графитизированных) блоков. Кроме того, предусмотрены циркуляционные устройства для охлаждения стенок печи (на 3/4 высоты) водой. Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух, стенки которого имеют толщину до 40 мм.
С увеличением полезного объема доменных печей повышается их экономичность. Современные крупные доменные печи имеют объем до 5000 м3.
Воздух для горения топлива вдувается через 14-36 фурм в верхнюю часть горна печи (для выплавки 1 т чугуна требуется до 3000 м3воздуха). Значительный эффект дало применение высокотемпературного (1200-1300°С) дутья, обогащенного кислородом.
Доменная печь работает непрерывно в течение 5-10 лет. По мере необходимое т в нее загружают отдельными порциями шихтовые материалы, периодически выпускают готовый чугун и шлак, непрерывно удаляют доменные газы. Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы - агломерат, кокс и др. загружают сверху с помощью засыпного аппарата. Для выплавки 1 т чугуна расходуется в среднем 1,8 т офлюсованного агломерата, 550 кг кокса. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.
Процесс восстановления железа происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу (принцип А. А. Байкова): Fе2О3→Fе3О→ FеО→Fе.
Главными восстановителями железа в доменной печи являются образующиеся в результате взаимодействия углекислого газа с углеродом кокса окись углерода СО и твердый углерод кокса.
Косвенное восстановление Fe2О3 начинается при температурах 400-500°С в верхней части печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части печи при температурах 900-950°С.
Рис. 46. Профиль рабочего пространства доменной печи.
1- чугунная летка, 2 – горн, 3 – заплечики, 4 – распер, 5 – шахта, 6 – колошник, 7 – засыпной аппарат, 8 – горизонт образования чугуна, 9 – горизонт образования шлака, 10 – зона горения кокса, 11 – слой шлака, 12 - шлаковая летка, 13 – расплавленный чугун.
Одновременно в шахте печи проходит также косвенное восстановление окислов железа водородом. Прямое восстановление твердым углеродом кокса происходит.при температурах 950- 1000°С и выше (зона распара печи, см. на рис. 46). Процесс восстановления железа заканчивается при 1300-1400°С; получаемое железо находится в твердом состоянии в виде пористой (губчатой) массы. Такое железо подвергается затем науглероживанию и в нижней части шахты начинается плавление сплава (чугуна). Жидкий чугун, стекая вниз, омывает 'куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавлдвается в горне.
Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Химический состав шлака определяет состав чугуна, поэтому важнейшая характеристика шлака - его основность (отношение содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов) - строго контролируется. С увеличением основности шлака улучшаются удаление серы и восстановление марганца; для восстановления же кремния основность шлака должна быть уменьшена.
Доменный шлак по мере его накопления выпускают в расплавленном состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы емкостью около 30 т, транспортируемые по железнодорожным путям.
Расплавленный чугун выпускают через одну-две чугунные летки по 10-18 раз в сутки. В ковшах-чугуновозах емкостью 80-100 т его по железнодорожным путям подают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на специальную разливочную машину для получения чугунных отливок.
Таким образом, в доменных печах выплавляют передельные (ГОСТ 805-69) и литейные ч./ гуны, а также некоторые ферросплавы.