Машинобудівні матеріали. Чавуни, їх властивості та застосування.
- Сировиною для виробництва чавуну є залізні руди, основою яких можуть бути:
- Оксиди Феруму: червоний залізняк або гематит, магнітний залізняк, або магнетит, від чого походить назва явища магнетизму;
- гідроксиди Феруму: гетит, гідрогетит;
- карбонати Феруму: сидерит.
Магнетит
Гематит
Гетит
Сидерит
Щоб одержати металічне залізо, його треба відновити. З огляду на величезні масштаби виробництва заліза (у світі його виробляється понад 500 млн. т щорічно), відновник повинен бути доступним і досить дешевим. Такими властивостями володіє вуглець у вигляді коксу, але безпосереднім відновником виступає, в основному, карбон(II) оксид.
Кокс кам`яновугільний
Сировина для виробництва чавуну
Кокс (англ. coke, нім. Koks) — вид твердого палива, яке одержують нагріванням кам'яного вугілля, торфу тощо до високих температур без доступу повітря. Найчастіше застосовують кокс з кам'яного вугілля — твердий поруватий міцний високовуглецевий продукт сірого кольору отриманий при коксуванні (нагріві без доступу повітря до 1000—1100°С) суміші кам'яного вугілля
- Для видалення домішок, які завжди містяться в залізних рудах, використовують флюси.
- Флюс (нім. Fluß — «потік», «течія») — речовина, що додається до розплавленого металу для видалення його окисів і сторонніх шлаків. При виробництві чавуну найчастіше у якості флюсів використовують вапняки.
Доломіт
Органогенно-детритовий вапняк
- Відновлення Феруму з його оксидів відбувається коксом (С) або чадним газом (СО)
- Чадний газ СО утворюється в доменній печі в результаті кількох реакцій
2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
С + О2 = СО2, Н 0
СО2 + С = 2СО, Н0.
- Видалення пустої породи, яка містить пісок, глину тощо. Вміст цих речовин у чавуні дуже знижують його якість.
- Флюси забезпечують перетворення складових пустої породи в легкоплавкі сполуки – шлаки.
- Спочатку розкладається вапняк
- А вже кальцій оксид взаємодіє з піском, алюміній оксидом, що міститься в глині
СаСО3 = СаО + СО2
СаО + SiО2 = СаSiО3
СаО + Al2О3 = Са(AlО2)2
Обладнання для виробництва
Доменна піч – велетенська сталева споруда висотою 30 м з внутрішнім діаметром близько 6 м. Зсередини вона викладена вогнетривкою цеглою.
Верхня частина називається колошник, середня – шахта, нижня – горно.
Обладнання для виробництва
У доменну піч зверху засипають шихту – суміш коксу, залізної руди та флюсів.
Знизу подається повітря.
Розплавлений чавун збирається в нижній частині доменної печі. Зверху над ним збираються легкоплавкі шлаки.
Операції з підготовки шихти, завантаження її в домну, випуску чавуну і шлаків періодичні і автоматизовані.
Доменна піч після пуску працює безперервно 5-6 років, а інколи навіть і до 10 років. Потім її зупиняють, очищають, проводять ремонтні роботи і знову запускають
Схема доменного процесу
Продукти виробництва чавуну
- Білий чавун (переробний) – переробляють на сталь або сірий чавун.
- Сірий чавун (ливарний) – виливають різні деталі для машин, каналізаційні труби тощо.
- Шлаки – виготовлення шлакоблоків, щебню, шлаковати тощо.
- Доменний газ, до складу якого входять азот, вуглекислий та чадний гази тощо. Щоб уникнути забруднення довкілля доменні гази спалюють у спеціальних печах – кауперах, а теплоту згоряння використовують для нагрівання повітря, що вдувається в домну.
Чавун переробний
Чавун ливарний
Доменна піч
Доменна піч № 9 «Криворіжсталі»
Чавун — порівняно дешевий метал. Він має добрі ливарні властивості, легко обробляється різанням, але деякі його механічні властивості невисокі: він крихкий, погано зварюється, непластичний, не піддається куванню, штампуванню тощо. Все це обмежує застосування чавуну в промисловості і тому 90 % його переробляється на сталь.
Процес переробки чавуну на сталь полягає у видаленні з нього домішок і перш за все Карбону. Сталь на відміну від чавуну містить меншу кількість Карбону (до 1,7%), Сульфуру, Мангану, Фосфору тощо.
Сировина для виробництва сталі
- Сировиною для виробництва сталі є:
- переробний чавун;
- флюси;
- кисень;
- металобрухт;
- залізна руда;
- інколи природний газ.
Хімізм виробництва сталі
Видалення надлишку Карбону, Сульфуру, Мангану, Фосфору та інших домішок з чавуну проводять за допомогою окиснення їх киснем або ферум(ІІ) оксидом до оксидів при підвищених температурах. Карбон(ІІ) оксид виділяться, тому що газоподібний. Інші оксиди реагують з флюсами, утворюючи легкоплавкий шлак, який спливає на поверхню сталі.
Залежно від способу окиснення існують різні способи переробки чавуну на сталь:
- конверторний;
- мартенівський;
- електротермічний.
Кожен з цих способів має як свої переваги, так і свої недоліки.
Конверторний спосіб
Окиснення надлишку Карбону та інших домішок чавуну проводять киснем повітря, який продувають крізь розплавлений чавун під тиском у спеціальних печах – конверторах.
Конвертор – грушоподібна стальна піч, викладена всередині вогнетривкою цеглою. Він може повертатись навколо горизонтальної осі. Місткість конвертера – 50-60 т сталі.
Конверторний спосіб поділяють на два види: бесемерівський та томасівський.
Конверторний спосіб
Переваги
- Усі процеси йдуть швидко – протягом 10-20 хв, оскільки кисень повітря, що продувається через чавун, реагує з відповідними речовинами по всьому об`єму металу.
- Процес не потребує палива (використовується фізичне тепло рідкого чавуну і екзотермічних реакцій вигоряння домішок)
Недоліки
- Вихід готового металу порівняно невеликий (90-92 % від вихідного);
- Ним можна переробляти тільки невелику кількість металобрухту;
- Складно регулювати хімічний склад сталі.
Мартенівський спосіб
Випалювання надлишку Карбону в чавуні відбувається за рахунок кисню повітря та ферм оксидів, які додаються у вигляді залізної руди та іржавого залізного брухту
Мартенівська піч складається з плавильної ванни завдовжки 16 м, завширшки до 6 м, заввишки понад 1 м. Місткість таких ванн досягає 500 т сталі. В плавильну ванну завантажують переробний чавун, залізну руду, залізний брухт, флюси.
Мартенівський спосіб
Переваги
- Великі об`єми виплавляння сталі.
- Невисокі вимоги до якості сировини.
- Процес плавки добре регулюється.
- Вихід готової сталі високий.
- Можна регулювати хімічний склад сталі, додаючи до чавуну залізний брухт, залізну руду, спеціальні добавки.
- Завдяки цьому можна отримувати різноманітні леговані сталі.
Недоліки
- Процес виплавляння сталі триває 6-7 годин, оскільки повітря подається зверху над розплавленою сумішшю і реакція відбувається на поверхні розплавлених речовин.
- Для процесу виплавляння необхідне паливо.
- Собівартість мартенівської сталі на 15% вища за собівартість електросталі та конверторної сталі.
- Обсяг викидів шкідливих речовин в атмосферу вище на 40%, а парникових газів − у два рази більше порівняно з електросталеплавильними і конверторними способами.
Електротермічний спосіб
Відновлення заліза досягається дуговим методом за температури 2000оС
Електродугова піч складається зі сталевого кожуха, який зсередини викладений вогнетривкою цеглою. У склепінні печі є отвори для трьох електродів (піч використовує трьохфазний струм). Електроди діаметром понад 550 мм бувають графітові або вугільні. Дно печі — чашоподібне. В стінках печі є завантажувальне вікно і випускний отвір із зливним жолобом.
Спеціальний механізм дозволяє нахиляти піч в бік для випуску шлаку та розплавленого металу.
Електротермічний спосіб
Переваги
- Дозволяє одержувати сталь дуже високої якості і точно регулювати її хімічний склад.
- Завдяки дуже високій температурі можна одержувати тугоплавкі сталі.
- Значно менше шкідливих викидів в атмосферу.
Недоліки
- Великі затрати електроенергії.