72525

Металлы

Лекция

Производство и промышленные технологии

Знакомство с черными металлами начнем с чугуна так как чугун генетически по технологии предшествует стали определяет ее состав и в какой-то мере структуру и свойства Получение состав структура и свойства чугуна Черные металлы издавна получают так называемым пирометаллургическим способом: сначала из руд...

Русский

2014-11-24

6.33 MB

0 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT6

Лекция по теме 7 Металлы. (адаптирована для первого курса)

Металл применяется человеком с древнейших времен. С ним связано развитие нашей цивилизации. Изделия из металла есть во всех областях человеческой деятельности. Для будущих бакалавров техники  и технологии по направлению «Строительство» металл – это, во-первых, материал всей современной техники и, во-вторых, строительный материал. Чистые металлы в строительстве не используются. Находят применение сплавы. Сплавом называют твердую смесь, состоящую из двух и более компонентов, из которых, по крайней мере, один является металлом. В большинстве случаев, когда в тексте не акцентируется внимание на составе, сплавы также называют металлами. В данном первично-ознакомительном курсе рассматриваются лишь самые общие сведения о составе, структуре и свойствах металлов и их применении в качестве строительных материалов.

Все металлы можно разделить на черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы, все остальные – к цветным. Свыше 90 % используемых в технике металлов и сплавов – черные. Это, прежде всего, сталь и чугун, представляющие собой сплавы железа с углеродом.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержит углерода менее 2,14 %. В чугуне содержание углерода 2,14… 6,67 %.

Из огромного числа цветных металлов здесь будут упомянуты лишь некоторые сплавы алюминия и меди, применяемые в строительстве.

Знакомство с черными металлами начнем с чугуна, так как чугун «генетически», по технологии, предшествует стали, определяет ее состав, и, в какой-то мере, структуру и свойства

Получение, состав, структура и свойства чугуна

Черные металлы издавна получают так называемым пирометаллургическим способом: сначала из руды выплавляют чугун, затем большую часть чугуна «переделывают» в сталь.

Сырье для производства чугуна: обогащенная железная руда, кокс и флюсы (используются для снижения температуры плавления руды). Основной агрегат для выплавки чугуна – доменная печь.

Обогащение руды – это повышение в ней содержания металла путем удаления «пустой породы», т.е. минералов, не содержащих металла или содержащих его в мизерном количестве. При обогащении руда обязательно измельчается. Полученные частицы можно разделить либо используя магнитные свойства железа (сухое обогащение), либо разную плотность минералов (мокрое обогащение). В последнем случае более легкие частицы пустой породы уносятся с потоком воды или всплывают вместе с искусственно созданной пеной, минералы, богатые железом, остаются.

Концентрат (мелкие частицы обогащенной руды) спекают в куски, получая агломерат или окатыши.

Кокс – твердый остаток при нагревании каменного угля без доступа воздуха (коксовании), состоит более чем на 90 % из углерода.

Флюсы (плавни) – различные материалы, которые при взаимодействии с пустой породой дают более легкоплавкий шлак. При силикатных породах в качестве флюсов используют известняки и доломиты.

Домна – металлургическая печь шахтного типа высотой до 35 м (рис.1). Сверху через загрузочное устройство 3 в домну поступает шихта (рудный материал, кокс и флюсы). В шахте и нижележащих частях печи происходят процессы нагрева и химические реакции, приводящие в итоге к образованию чугуна. В нижней части домны, в горне, весь материал плавится, высокой температуре способствует дутье подаваемое в верхнюю часть горна через фурмы 5. (Собственно само слово домна от старославянского «дмение» – дутье).

Рис.1.Устройство доменной печи (а) и распределение температуры по высоте печи (б).1 – чугунная летка, 2 – кожух, 3 – загрузочное устройство, 4 – опорное кольцо, 5 – фурмы, 6 – шлаковая летка, 7 – фундамент.

В нижней части горна выпускается жидкий чугун и расплавленный шлак (летки 1 и 6 соответственно). Чугун направляется на разливку в формы или на передел в сталеплавильный цех.

Для выяснения состава и структуры чугуна приведем химические реакции, происходящие в доменной печи

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.

C + O2 = CO2 + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO2 + C = 2CO

Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего образуется карбид железа, называемый в металловедении цементит:

3Fe + C = Fe3C

Железо не полностью успевает насытиться углеродом, поэтому жидкий чугун в горне содержит больше железа и меньше углерода, чем цементит.

При разливке карбид железа может разлагаться с выделением чистого углерода – графита, который образует включения различной формы в металлической основе чугуна. Чугун с графитовыми включениями называется серым, чугун в котором весь углерод связан в карбид, – белым. Кроме железа и углерода в составе чугуна неизбежно присутствуют примеси, перешедшие из сырья.

Элементный состав чугуна: углерод – 2,14…6,67 % (последняя цифра соответствует составу карбида, которого никогда не бывает 100 %, практически углерода в чугуне бывает не более 4,5 %); кремний (Si) – от 0,5 до 4,5 % (неизбежная примесь в чугуне, потому что руда всегда содержит кремний, способствует графитизации, т.е. образованию серого чугуна); марганец (Mn) – от 0,4 до 1,3 % (также непременная примесь, потому что марганец – спутник железа в рудах, способствует устойчивости карбида, т.е. получению белого чугуна); сера (S) – от 0,08 до 0,12 % (самая нежелательная примесь, как в чугуне, так и в стали, она снижает жидкотекучесть чугуна, способствует образованию белого чугуна); фосфор (Р) – от 0,3 до 0,8 %. (в литейных чугунах (но не в сталях!) является полезной примесью, так как увеличивает жидкотекучесть, т.е. улучшает литейные свойства).

Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (никель, хром, алюминий, молибден и др.), тем самым улучшая их свойства.

Белые чугуны не используют для производства строительных изделий ввиду того, что карбид железа – хрупкое вещество. Серые чугуны – более прочны и пластичны (уступая, конечно, в этих свойствах сталям). Поскольку углерод в серых чугунах образует графитовые включения, то металлическая основа обогащается при этом железом, поэтому повышается пластичность серого чугуна по сравнению с белым. С другой стороны, графитовые включения по прочности не могут сравниться с металлом, по существу это дефекты в металле – «поры», – заполненные углеродом. Они ослабляют металл под нагрузкой, поэтому по прочности и по пластичности чугун сильно уступает стали. Прочность и пластичность серых чугунов зависит от формы графитовых включений (микроструктуры чугуна).

Микроструктура серых чугунов приведена на рис.2. Все три чугуна в широком смысле являются серыми, т.е. содержащими свободный углерод в виде графита. В зависимости от формы и размеров графитовых включений, они имеют разные свойства и называются по-разному.

В обычном сером чугуне (левый рисунок) – пластинчатые включения графита, в ковком чугуне – хлопьевидные, в высокопрочном чугуне – включения имеют форму, близкую к шаровидной.  Более высокая прочность последнего чугуна объясняется тем, что шаровидные дефекты ослабляют материал в меньшей степени, чем включения, имеющие острые углы. Наименьшую прочность поэтому имеют обычные серые чугуны с пластинчатыми включениями. Ковкие чугуны получили свое название ввиду большей доли металлической основы, свободной от углерода. Они более пластичны по сравнению с другими чугунами, но уступают по пластичности стали.

Рис.2.  Микроструктура серых чугунов

Марки серых чугунов и их применение в строительстве

Обычные серые чугуны, ковкие и высокопрочные чугуны маркируют соответственно буквами СЧ, КЧ и ВЧ. После буквы следует цифра, означающая прочность на растяжение (временное сопротивление) в кг/мм2. Для ковких и высокопрочных чугунов указывается также относительное удлинение в процентах. Примеры маркировок: СЧ18, КЧ33-8, ВЧ50-2.

В современном промышленном и гражданском строительстве широко используются чугунные изделия. Среди них в первую очередь следует назвать санитарно-технические изделия и оборудование, например, отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили, чугунные канализационные трубы.

Чугунные изделия изготовляют преимущественно методом литья в формы. Из серого чугуна путем отливки получают элементы строительных конструкций, работающие на сжатие (колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т.п.). Из чугуна отливают элементы печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники), а также архитектурно-художественные изделия.

Однако лишь небольшая часть серого чугуна используется для производства чугунных изделий. Весь остальной чугун идет на выплавку из него стали. Такой чугун называют передельным.

Получение, состав, структура и свойства стали

Передельный чугун является основным сырьем для производства стали. Кроме того, вместе с чугуном в сталеплавильные агрегаты добавляют металлолом, флюсы, а также – в конце плавки – добавки, называемые раскислителями.

Для выплавки стали применяют три основных типа агрегатов: конвертеры, мартеновские печи, электропечи. Большая часть стали в мире выплавляется в кислородных конвертерах .

Конвертер – металлургический агрегат для получения стали путем продувки кислородом расплавленного чугуна (рис.3). При продувке происходит окисление части примесей в чугуне, в результате чего чугун превращается в сталь, а окисленные примеси переходят в шлак или в газовую фазу.

Рис.3. Схема кислородного конвертера. 1 – жидкий чугун; 2 – кислородная фурма; 3 - летка; 4 – сопло; 5 – горловина; 6 – футеровка; 7 – стальной кожух; 8 – струя кислорода; 9 – отраженная струя; 10 – схема движения металла при продувке

Кислород вдувается через фурму 2, которую можно опускать или поднимать по ходу процесса. Кислород подают под давлением 9-14 атм., что обеспечивает достаточную кинетическую энергию струи и ее требуемое углубление в металл для интенсивного перемешивания. Металл выпускают через летку 3. Шлак сливают через горловину. Для загрузки и разгрузки предусмотрена возможность поворота (наклона) конвертера.

Весь процесс выплавки стали в конвертере занимает 30—50 мин. Емкость современных конвертеров от 70 до 400 т (Размер рабочего пространства крупного конвертера: диаметр 9 м, высота 7 м, диаметр горловины 3,5 м.). Производительность конвертера 400-500 т/ч.

Рассмотрим кислородно-конвертерный процесс по существу протекающих превращений. (Английское слово converter от латинского convertio – превращаю).

Первая стадия процесса – шлакообразование. При продувке кислородом жидкость в конвертере разделяется постепенно на два слоя – металл и шлак.

С началом продувки кислород частично окисляет железо по реакции:

2Fe + O2 = 2FeO + Q.

Оксид железа распределяется в определенном соотношении между металлом и шлаком. Также окисляются кислородом примеси кремния и марганца:

Si + O2 = SiO2 + Q ,

2Mn + O2 = 2MnO + Q.

При этом содержание кремния и марганца в металле уменьшается, так как их оксиды переходят в шлак.

Фосфор из металла также удаляется в шлак по реакции с известью:

2Р + 5FeO + 4CaO = (CaO)4P2O5 +5Fe + Q

Сера, находящаяся в металле в виде сульфида, также взаимодействует с известью:

FeS + CaO = CaS + FeO + Q.

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Протеканию последней реакции препятствует значительное содержание FeO в шлаке, поэтому сера из металла удаляется с трудом.

Самая главная вторая стадия процесса – выгорание углерода – протекает по реакции:

FeO + C = Fe + COQ 

Реакция названа главной, потому что именно благодаря этому взаимодействию чугун с уменьшением содержания углерода становится сталью.

Если предоставить приведенной реакции протекать до полного израсходования углерода, то вместо твердой стали получится мягкое железо, практически не содержащее углерода. Поэтому следующая стадия процесса направлена на то, чтобы остановить последнюю реакцию при заданном содержании углерода. Для этого из системы необходимо удалить оксид железа, который и сам по себе является вредной примесью в стали.

Заключительная стадия процесса называется раскисление. В зависимости от типа раскисления получается сталь разного качества, тип раскисления указывается в маркировке сталей, поэтому рассмотрим заключительную стадию выплавки стали более подробно.

Вещества, взаимодействующие с оксидом железа и, тем самым, останавливающие реакцию выгорания углерода, называются раскислителями. Раскислители добавляют, когда содержание углерода в стали в результате его выгорания приблизилось к заданному. К раскислителям в принципе могут относиться все элементы, имеющие сродство к кислороду больше, чем у железа, т.е. способные вытеснять железо из его оксида (FeO). В металлургии применяют обычно три раскислителя: марганец в виде ферромарганца, кремний в виде ферросилиция и алюминий.

Раскисление стали ферромарганцем: FeO + Mn = MnO + Fe. Большая часть оксида марганца при этом переходит в шлак. Марганец, однако, является слабым раскислителем, потому что в его сродство к кислороду лишь немного больше, чем у железа. Раскисление не доходит до конца, т.е. в стали остается к моменту разливки еще оксид железа и, как следствие, реакция выгорания углерода продолжается во время разливки стали. При этом выделяющиеся пузырьки газа (СО) создают впечатление кипения. Поэтому сталь, раскисленную ферромарганцем, называют кипящей. Кипящая сталь после отвердевания получается невысокого качества, потому в ней могут содержаться микродефекты в виде газовых пузырьков и остается вредная примесь – оксид железа, – снижающая прочность и коррозионную стойкость.

Для получения стали более высокого качества на второй стадии раскисления (после ферромарганца) в конвертер добавляют ферросилиций:  2FeO + Si = SiO2 + 2Fe. Раскисление получается более полным, газовыделение при разливке слабое, FeO в стали остается очень мало. Сталь называют полуспокойной.

И, наконец, чтобы полностью остановить реакцию выгорания углерода, четко зафиксировать остаточное содержание углерода в стали и полностью освободить металл от примеси FeO, применяют третью стадию раскисления, где в качестве раскислителя используется алюминий: 3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe. Сталь, раскисленная в три стадии, называется спокойной. Ее качество выше, чем у полуспокойной и кипящей.

Элементный состав стали: углерод – менее 2,14 % (практически не более 1,4 %), кремний – до 0,5 %, марганец – до 0,8 %, сера – до 0,06 % в обычных сталях, фосфор – до 0,05 %. Сталь с малым содержанием углерода более пластична и лучше сваривается, а высокоуглеродистые стали – имеют большую твердость, но малую пластичность и ударную вязкость. Кремний и марганец при указанном выше содержании в стали практически не влияют на ее свойства. Сера – вредная примесь, она образует с железом легкоплавкое соединение (сульфид железа), из-за этого стальные заготовки ломаются при горячей обработке (это явление называется красноломкостью). Марганец частично нейтрализует вредное действие серы, образуя с ней тугоплавкий сульфид марганца. Фосфор в сталях – также вредная примесь, он увеличивает хрупкость стали при пониженной температуре (хладноломкость).

В металлургическом процессе можно изменять состав и свойства стали путем введения так называемых легирующих добавок, которые вводят в состав стали химические элементы, существенно влияющие на ее свойства. Стали, содержащие химические элементы, введенные с добавками, называют легированными. Легирующими элементами в стали могут быть хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, кобальт, марганец, кремний, медь и др.

Легирующие добавки (по отдельности или в комплексе) могут модифицировать свойства стали в очень широких пределах: увеличивать прочность, твердость, коррозионную стойкость стали, придавать ей жаропрочность, особые магнитные характеристики, заданные коэффициенты  линейного расширения, неизменность упругих свойств и т.п.

(в теме также применение металлов в строительстве, получение изделий из металла методом ОМД, классификация и маркировка сталей, чугунов и цветных сплавов)