Черные металлы

Размещено на http://allbest.ru

Черные металлы

В соответствии с промышленной классификацией металлов к черным металлам относятся железо и его сплавы с углеродом - железоуглеродистые сплавы.

Свойства железа и его сплавов

Железо - один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет 4,2 %. Как составная часть железо входит почти во все горные породы.

Железо представляет собой твердый светло-серебристый металл, пластичный, легко поддающийся ковке, прокатке, штампованию и волочению.

Временное сопротивление на разрыв составляет 170-210 МПа.

Плотность железа 7,87 т/м³, температура плавления 1539 °С, температура кипения 3200 °С.

Многие свойства железа существенно зависят от его чистоты.

В отсутствие влаги чистый металл химически стоек, не реагирует с кислородом, серой, галогенами, однако в высокодисперсном состоянии пирофорен. металлургия ферросплав чугун сталь

Техническое железо и его сплавы коррозируют в атмосфере паров воды, оксида углерода (IV) и кислорода с образованием пористого слоя гидратированного оксида железа (II) FeOnH₂O. He взаимодействует со щелочами.

С углеродом при высоких температурах образует растворимый в металле карбид железа Fe₃С (цементит) с содержанием углерода 6,67 % и температурой плавления 1550 °С, а также два типа твердых растворов. Железо также образует многочисленные сплавы с другими металлами.

Железо полиморфно и в зависимости от температуры существует в четырех аллотропических формах (модификациях), связанных обратимыми переходами:

Модификации железа различаются типом кристаллической решетки, удельным объемом, теплоемкостью, магнитными и механическими свойствами и растворимостью в них углерода.

В основе полиморфных превращений железа лежит процесс кристаллизации; они протекают через стадию образования и роста зародышей новой фазы с последующим формированием вокруг них кристаллов иной структуры.

Ввиду узости температурных интервалов переходов б-железа в в-железо (142 °С) и д-железа в жидкое состояние (139 °С) ими можно пренебречь и рассматривать только два перехода:

На основании этих переходов строят упрощенную диаграмму состояния:

ОЦК - кубическая объемно центрированная решетка;

ГЦК - кубическая гранецентрированная решетка.

В зависимости от того, в какую кристаллическую решетку внедряется углерод при его растворении в железе, различают два типа твердых растворов - феррит и аустенит.

Феррит - это твердый раствор внедрения углерода в б-железо (ОЦК). По свойствам он близок к чистому железу, пластичен, имеет малую прочность, обладает магнитными свойствами.

Аустенит (по имени Р. Остена) представляет собой твердый раствор внедрения углерода в г-железо (ГЦК). Он устойчив при температурах выше 727 °С, тверд, но хрупок, не обладает магнитными свойствами.

Изменения фазового состава и структуры железоуглеродистых сплавов, то есть системы «железо - углерод», в зависимости от температуры при различном содержании компонентов в ней представлены на упрощенной (не учитывающей существование в- и д-форм железа) диаграмме состояния этой системы.

Диаграмма состояния «железо - углерод» позволяет проанализировать сущность превращений, происходящих в железо-углеродистых сплавах при нагреве и охлаждении, и, исходя из этого, выбрать соответствующие режимы термической обработки сталей и чугунов с целью придания им определенных свойств и структуры.

Классификация черных металлов

В основу классификации черных металлов положен их химический состав. В общем случае черные металлы - это сложные системы, которые помимо железа и углерода содержат разнообразные примеси (серу, азот, фосфор, кремний и др.), вносимые в металл из исходного сырья в процессе производства, а также металлы, целенаправленно добавляемые с целью придания сплаву определенных свойств.

По содержанию углерода черные металлы делят на две основные группы: стали (менее 2,14 % С) и чугуны (более 2,14 % С). Так как это количественное различие связано с особенностями модификаций железа и структурой металла, подобная классификация является естественной классификацией.

Стали делят на углеродистые, в которых другие металлы содержатся в незначительных количествах и не влияют на их свойства, и легированные, в состав которых введены такие металлы, как хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден и др., для придания им определенных свойств. По содержанию углерода углеродистые стали делят на низко-, средне- и высокоуглеродистые.

Чугуны делят на белые (передельные), серые (литейные) и модифицированные. Белые чугуны содержат углерод в форме карбида железа Fe₃C (цементита) и образуются при кристаллизации расплавов. В серых чугунах углерод находится частично в виде графитовых включений различной конфигурации, выделяющихся из жидкой или твердой фазы при медленном охлаждении (графитизация). Модифицированные чугуны содержат добавки, улучшающие распределение графита и структуру чугунов (кремний, магний, алюминий).

Особую группу черных металлов составляют ферросплавы - малоуглеродистые сплавы железа с высокой концентрацией других элементов: ферромарганца, ферросилиция, феррохрома и др.

Области применения черных металлов

Черные металлы относятся к числу важнейших конструкционных материалов, являются основой современной индустрии и в определенной степени мерилом уровня ее развития.

Широкое использование черных металлов обусловлено богатой сырьевой базой, относительной простотой производства и их высокими механическими свойствами. Различные железоуглеродистые сплавы составляют около 92 % от всех производимых металлов.

Область применения черных металлов как конструкционных материалов чрезвычайно многообразна и практически не ограничена. Серые чугуны используют как материалы для производства фасонных отливок. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют повышенную сопротивляемость износу, вследствие включений графита хорошо работают в условиях трения. Используются в станкостроении и автостроении (станины, корпусные детали, зубчатые колеса, гильзы, блоки цилиндров, поршневые кольца и др. детали), для изготовления товаров массового потребления (ванны, раковины, отопительные батареи, посуда и др.). Из модифицированных высокопрочных чугунов изготавливают детали прокатных станов, коленчатые валы и детали двигателей автомобилей.

Белые чугуны хрупки, плохо обрабатываются резанием. Их используют для переделки в сталь и производства методом отжига ковкого чугуна. Ковкий чугун хорошо воспринимает переменные и ударные нагрузки, занимая промежуточное место между серым чугуном и сталью. Он используется для изготовления деталей высокой прочности (цепи, тормозные колодки, ступицы маховиков, крюки и т. п.).

Область использования сталей значительно шире. По назначению стали подразделяются на конструкционные, предназначенные для изготовления деталей машин, конструкций и приборов, инструментальные - для изготовления режущего, штампового и измерительного инструмента и стали специального назначения - коррозиестойкие (нержавеющие), износостойкие, жаропрочные и т. п.

Наиболее распространенные углеродистые конструкционные стали используют для производства кровельного и котельного железа, жести, стального листа, мягкой проволоки, деталей, изготавливаемых методом проката (балки, рельсы, трубы) или литья.

Легированные конструкционные стали с содержанием легирующих элементов от 2,5 до 10 % применяют в производстве шарикоподшипников, деталей транспортных машин (валы, поршни, шестерни), химической аппаратуры, корпусов летательных аппаратов, газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей.

Инструментальные стали могут быть высокоуглеродистыми или легированными. Они характеризуются высокой твердостью, достаточной вязкостью и большой износо- и теплостойкостью. Из них изготавливают резцы, фрезы, штампы, рабочие детали измерительных инструментов.

Ферросплавы применяют для раскисления чугуна и стали (ферромарганец, ферросилиций) или их легирования (феррованадий, феррохром, ферровольфрам и др.). Ферросплавы имеют более низкую, чем соответствующие элементы, температуру плавления, что облегчает их введение в жидкие сталь и чугун.

К черным металлам относят и магнитные материалы, применяемые для изготовления сердечников трансформаторов, электрических машин, измерительной аппаратуры и т. п. Особую группу веществ, близких к ним по свойствам, составляют ферриты - соединения оксида железа (Ш) с оксидами других металлов, широко используемые в приборостроении.

Для обозначения чугунов и сталей принята определенная система обозначений. Серые чугуны маркируются буквами СЧ с указанием пределов прочности при растяжении и изгибе, например, СЧ12-28. Ковкий чугун обозначается буквами КЧ с указанием предела прочности при растяжении и относительного удлинения, например КЧ50-4.

Углеродистые стали в зависимости от назначения подразделяют на группы А, Б и В, а внутри каждой группы разделены на категории, указанные в марке стали, например: СтЗ - сталь группы А третьей категории, БСт2 - сталь группы Б второй категории и т. д.

Легированные стали маркируют набором цифр и букв. Буква обозначает легирующий элемент (В - вольфрам, Н - никель, X - хром, М - молибден, К - кобальт, Г - марганец, С - кремний, Ю - алюминий, Т - титан), цифра перед буквой - содержание углерода в сотых долях процента, цифра после буквы - содержание легирующего элемента, превышающее 1 % в целых процентах. Например, сталь марки 30X13 содержит 0,3 % углерода и 13 % хрома, сталь 20ХН2Т - 0,2 % углерода, 2 % никеля, а также хром и титан в количествах менее 1 %.

Краткая история развития производства черных металлов

Железо и его сплавы известны человечеству в течение нескольких тысячелетий. С ними неразрывно связаны создание и совершенствование разнообразных орудий труда и развитие материальной культуры, что нашло отражение в исторической терминологии в выражении «железный век».

До ХIII столетия единственным методом получения железа был сыродутный процесс, при котором руда восстанавливалась в горнах древесным углем с принудительной подачей воздуха ручными мехами. Из-за низких температур при этом получался мягкий пластичный металл, содержащий значительное количество шлака.

Для его удаления полученную губчатую массу - крицу -обжимали молотом, получая сварочное железо. Процесс был мало производителен (до 60 кг в сутки с горна), требовал большого расхода угля (до 16 кг на 1 кг железа) при весьма низкой степени извлечения железа из руды (не более 0,4 долей ед.).

По мере увеличения высоты горна и интенсификации дутья (механические мехи) температура плавки возрастала, что приводило к науглероживанию железа и образованию наряду с мягким металлом жидкого чугуна. Вначале чугун из-за хрупкости рассматривали как отход производства, затем его стали использовать как литейный материал, а с XIV столетия его начали перерабатывать в специальных печах - кричных горнах -вжелезо. В связи с этим сыродутный горн постепенно трансформировался в шахтную печь высотой до 8 метров - домницу, предназначенную уже для производства исключительно чугуна. Это был прототип современной доменной печи.

Подобный двухступенчатый метод переработки железных руд оказался более совершенным - возросла производительность печи, снизился расход угля, увеличился выход чугуна.

В дальнейшем развитие техники выплавки чугуна (доменный процесс) и получения стали (сталеплавильное производство) шли параллельно в направлении совершенствования технологии, увеличения мощности агрегатов, внедрения новых материалов и снижения стоимости выплавляемого металла.

В 1735 году в качестве топлива в доменных печах был предложен вместо древесного угля каменноугольный кокс и с XIX века началось его интенсивное внедрение в доменное производство, что способствовало развитию черной металлургии в степных безлесных районах.

В 1828 году был выдан патент на применение в доменных печах для дутья подогретого воздуха. Это позволило за счет повышения температуры в горне сократить расход топлива и увеличить производительность печи.

В 1832 году в конструкцию доменной печи был введен закрытый колошник, что обеспечило возможность улавливания доменного газа и его использование в качестве топлива для подогрева дутья, одновременно улучшив экологию.

Дальнейшее совершенствование доменного процесса заключалось в применении обогащенного кислородом воздушного дутья, повышении давления дутья, использовании газообразного и жидкого топлива для снижения расхода кокса в связи с дефицитом коксующихся углей.

Одновременно совершенствовался и способ производства стали. Кричное мягкое железо не могло удовлетворить всех потребностей. Его переработка в сталь (науглероживание) вплоть до середины XIX века осуществлялась или в твердой фазе, или в тиглях (тигельный метод). В 1784 году для переделки чугуна в железо был предложен метод пудлингования в пламенных отражательных печах, в которых топка отделялась от ванны с расплавленным чугуном. Примеси удалялись из чугуна под воздействием окислительной атмосферы в печи. Полученную крицу подвергали обжиму под молотом.

В 1856 году Г. Бессемер предложил высокопроизводительный метод переделки чугуна в литую сталь продувкой его воздухом в конвертере - конвертерный метод. Модификация метода, отличавшаяся материалом футеровки конвертера была разработана в 1878 году С. Томасом. В 1864 году П. Мартен предложил способ получения литой стали в регенеративных пламенных печах, использовав для этой цели изобретенную Ф. Сименсом печь для варки стекломассы. Тем самым была решена и проблема переработки стального лома, то есть регенерации металла.

С начала XX столетия для выплавки стали, главным образом ее высококачественных легированных марок, стали использоваться электрические дуговые и индукционные печи.

Решающий шаг в совершенствовании сталелитейного производства был сделан в 50-х годах XX века разработкой кислородно-конвертерного метода выплавки стали, который позволил использовать в качестве сырья не только чугун, но и стальной лом, и руду, существенно повысить производительность и улучшить качество стали. В настоящее время этот метод, наряду с электроплавильным, преобладает.

Дальнейшее совершенствование металлургии черных металлов шло по пути разработки и промышленного внедрения метода прямого восстановления железа, минуя доменный процесс, и создания непрерывных металлургических комплексов переработки чугуна в сталь.

Теоретические основы металлургии чугуна и стали создавались на протяжении нескольких столетий.

К числу первых исследований в этой области следует отнести фундаментальный труд Г. Агриколы (Бауэра) «12 книг о металлах» (1556 г.), обобщивший многовековой опыт извлечения металлов из руд; работу М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.), созданную им на основе изучения движения воздуха и газов в пламенных металлургических печах; разработку П. П. Аносовым теоретических основ получения высококачественной литой стали (1828 г.), метода прямого получения железа из руд и принципов микроскопического метода изучения структуры сталей.

В период 1868-1876 гг. Д. К. Чернов проводит цикл исследований по установлению взаимосвязей между тепловой обработкой стали, ее структурой и свойствами и создает теорию кристаллизации стали. В ряде работ он формулирует основы современного металловедения, теорию термической обработки стали, устанавливает значения критических точек в диаграмме состояния «железо - углерод».

В 1891 году выходит в свет его курс «Сталелитейное дело» - первый в России труд по металловедению. В последующие годы исследования Ф. Осмонда, Р. Остена, А. А. Байкова, Н. Т. Гудцова и П. Геренса позволили уточнить диаграмму состояния «железо - углерод» и вместе с работами М. А. Павлова, Н. С. Курнакова и И. П. Бардина создать теоретический фундамент доменного и сталеплавильного производств и существенно усовершенствовать их технологию.

Промышленное производство чугуна и стали в России возникло в начале XVIII века с постройкой доменных печей в Тульской губернии и металлургических заводов на Урале. В 1699 году был построен Невьянский завод, после чего начинается бурное развитие отечественной черной металлургии, затормозившееся к XIX веку в связи с истощением запасов древесного угля.

В конце XIX века производство черных металлов развивается на юге России. В 1870 году построен Сулинский и позже Юзовский заводы и на базе руд Кривого Рога и донецких углей создана мощная металлургическая база. В 1870 году на Сормовском заводе (Н. Новгород) вступают в строй первые в стране мартеновские печи, а на заводах Донецкого бассейна - конвертеры. В 1910 году в России установлена первая дуговая электропечь, а в 1917 году под Москвой построен электрометаллургический завод.

В 30-е и 40-е годы ХХ века в стране были построены Магнитогорский и Кузнецкий металлургические комбинаты, Запорожский и Криворожский заводы, реконструированы Днепропетровский, Макеевский, Нижнеднепровский и Таганрогский заводы, строятся заводы высококачественных сталей «Электросталь» и «Днепроспецсталь». В послевоенные годы в стране продолжается рост производства черных металлов, строятся Новолипецкий, Западно-Сибирский, Череповецкий и другие заводы.

В металлургическом производстве начинают применяться кислородные конвертеры емкостью 350 т, 900-тонные мартеновские печи, двухванные сталеплавильные агрегаты, доменные печи с полезным объемом до 5000 м³. Одновременно развивается металлургия специальных сталей и сплавов, в производство внедряются методы электрошлакового (ЭШП), вакуумно-индукционного (ВИП), вакуумно-дугового (ВДП), электронно-лучевого (ЭЛП) и плазменно-дугового (ПДП) переплава стали.

Железные руды

Исходное сырье для производства черных металлов - железные руды. Вследствие высокого сродства к кислороду железо находится в природе в виде оксидов различной степени окисления. Минеральные породы, содержащие подобные оксиды в смеси с пустой породой называются железными рудами.

Пустая порода руды состоит из оксидов кремния, алюминия, кальция и магния, образующих разнообразные силикаты и алюмосиликаты. Кроме пустой породы, в железных рудах содержатся в виде оксидов такие металлы, как марганец, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий.

По содержанию железа руды делятся на бедные (менее 30 %), средние (30 - 50 %) и богатые (более 50 %).

По форме соединений железа руды делятся на следующие разновидности:

Магнетитовая руда (магнитный железняк). Содержит железо в виде магнетита Fe₃O₄ (78,4 % Fe), который можно рассматривать как состоящий из оксидов железа II и III (FeOFe₂O₃). Степень окисления магнетита, то есть соотношение в нем оксидов железа, характеризуется отношением Fe_общ : FeO. Для чистого магнетита оно равно 2.

В рудах за счет окисления оксида железа (II) оно повышается до 7 и выше. Подобные руды называются мартитом. В наиболее распространенных рудах содержание железа составляет 50-60 %, обычно они содержат серу и фосфор и трудно восстанавливаются.

Гематитовая руда (красный железняк). Содержит железо в виде безводного оксида Fe₂O₃ (70,0 % Fe), образовавшегося в результате выветривания и окисления магнитного железняка. Содержит 50-70 % железа с небольшим количеством серы и фосфора. Легко восстанавливается.

Бурый железняк. Содержит железо в виде гидратированного оксида железа (III): лимонита 2Fe₂O₃3H₂O и гетита Fe₂O₃H₂O и образуется при выветривании и окислении других железных руд. Наиболее распространенный лимонит содержит значительную примесь оксидов алюминия и кремния при содержании железа 30-40 %. Легко восстанавливается.

Сидерит (шпатовый железняк). Содержит железо в виде его карбоната FeCO₃ без каких-либо вредных примесей. Содержание железа не превышает 30-40 %.

Общая схема производства черных металлов

Из всех черных металлов наибольшее промышленное значение имеет сталь. Она может быть получена из железной руды переделкой чугуна, прямым восстановлением руды в твердой фазе и гидрометаллургическим методом через хлориды железа.

В настоящее время в промышленности используется практически только первый метод. Мировое производство стали прямым восстановлением не превышает 2-3 % от общего ее производства. Гидрометаллургический метод находится в стадии проработки. Помимо стали к основным целевым продуктам черной металлургии относятся серый (литейный) чугун и металлические порошки.

На рисунке 1 представлена общая схема переработки железной руды в целевые продукты.

Рисунок 1 - Общая схема переработки железной руды в целевые продукты

Современное производство черных металлов представляет собой сложное комбинированное производство, состоящее из основных и вспомогательных цехов и заводов. Оно включает:

- шахты по добыче руды и каменного угля;

- горнообогатительные комбинаты по измельчению, обогащению и окускованию руд и концентратов;

- коксохимические цехи и заводы, обеспечивающие подготовку углей, их коксование и улавливание продуктов коксования;

- энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха для дутья и очистки газов металлургических производств;

- доменные цехи для выплавки передельного и литейного чугунов;

- заводы для производства ферросплавов;

- сталеплавильные цехи (электросталеплавильные, конвертерные, мартеновские) для производства стали;

- прокатные цехи.

Заводы с полным металлургическим циклом «руда - чугун - сталь - прокат» вследствие высокой материалоемкости производства (6 т сырья на 1 т продукции) размещены в районах месторождений руды или угля; предприятия по выплавке ферросплавов и специальных сталей - в районах, обеспеченных дешевой электроэнергией.

Контрольные вопросы

1. В каких модификациях может существовать металлическое железо?

2. В чем различие свойств различных модификаций железа и какое значение это имеет для производства?

3. Чем отличаются стали от чугунов?

4. Какие стали называются легированными?

5. Перечислите основные виды.

Размещено на Allbest.ru