Производство черных металлов, свойства и применение сталей и чугунов. Классификация и маркировка сталей и чугунов.

Черные и цветные металлы перерабатываются в металлургическом комплексе, который делится на черную и цветную металлургию. Металлургический комплекс – это взаимообусловленное сочетание следующих технологических процессов: добыча и подготовка сырья к переработке (обогащение, агломерирование, получение концентратов и др.); металлургический передел (получение чугуна, стали, проката черных и цветных металлов, труб, заготовок); утилизация отходов основного производства и получение из них вторичных видов продукции.

Производство чугуна

В природе железо встречается в форме соединений, смешанных с большим количеством веществ, называемых пустой породой.

Основной схемой производства черных металлов в настоящее время является получение чугуна в доменной печи и передел чугуна на сталь.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплав­ки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов назы­вается шихтой.

Для получения чугуна употребляют следующие руды: магнитный железняк Fe304 (содержит до 72 % железа); бурый железняк 2Fe203*3H20 (от 35 % до 50 % железа); красный железняк Fe203 (до 60 % железа).

В качестве топлива используют каменноугольный кокс или природный газ.

Флюсы – это известняки (CaCO3. MgCO3), вводятся в доменную печь для отделения пустой породы и золы. Эти вещества при сплавлении с пустой породой и золой кокса образуют легкоплавкие химические соединения - шлаки, отделяемые от металла.

Перед использованием в доменной печи шихтовые материалы для ускорения плавки и снижения расхода подвергают дроблению, обогащению и окусковыванию (брикетирование, агломерация и окатывание).

В результате доменного процесса получается чугун, содержащий до 10 % углерода и других примесей. Чугун сливают в ковши и отправляют в сталеплавильные печи или заливают в металлические формы и выпускают в виде чушек.

В доменном производстве выплавляют три вида чугуна: передельный (85 % от общего объема), литейный (12 %) и специальный (3 %). Передельный чугун используется для дальнейшего передела в сталь, литейный – направляется в чугунолитейные цеха для получения литейных чугунов. Специальные чугуны – ферросплавы применяются в качестве присадок и раскислителей при выплавке сталей.

Производство стали

Сталь по сравнению с чугуном имеет более высокие физико-механические свойства, она прочнее и пластичнее, хорошо обрабатывается методами пластической деформации.

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода и примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы (придает стали красноломкость) и фосфора (придает хладноломкость).

Процессы получения стали включают окисление углерода и других примесей чугуна, последующее раскисление окиси железа и доведение концентрации углерода до требуемого уровня.

Полученный передельный чугун продувают кислородом, при этом углерод, соединяясь с кислородом, образует оксид углерода, который сгорает и улетучивается (С + О2 = СО2 ↑). Марганец, кремний и фосфор образуют газовые оксиды MnO, SiO2, P2O5, а сера - соединение CaS, которые выделяются из расплава в виде шлаков. Кроме того, железо тоже поглощает кислород, образуя окись железа. Конечной операцией выплавки стали является ее раскисление для восстановления железа и удаления газов. В зависимости от степени раскисления различают сталь кипящую (кп), спокойную (сп) и полуспокойную (пс).

Кипящая сталь раскисляется не полностью только ферромарганцем. После разливки она продолжает кипеть, то есть выделять газовые пузыри СО (FeO + C = Fe +CO ↑), которые создают химическую неоднородность в слитке. Неоднородность устраняется при последующей горячей прокатке. Такая сталь имеет небольшую плотность и прочность, высокую пластичность, применяется для изготовления хозяйственных товаров. Преимуществом кипящей стали является высокий выход годного продукта – до 95 %.

Спокойная сталь раскислена полностью в печи и в изложнице застывает спокойно (раскисляется марганцем, кремнием и алюминием), но при этом в верхней части слитка формируется усадочная раковина. Усадочные раковины удаляют обрезкой как отходы, поэтому выход готового продукта меньше – 85 %.Качество стали выше, чем у кипящей, она применяется для производства ответственных деталей и конструкций.

Полуспокойная сталь по свойствам и качеству является промежуточной между спокойной и кипящей сталью.

В металлургии применяют три основных способа производства стали в зависимости от вида печей: кислородно-конверторный, мартеновский и элетросталеплавильный. С целью получения особо высококачественных сталей применяется специальная металлургия - электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой (ПДП) переплавы и их сочетания.

Производство металлопродукции

Технологический цикл производства металлоизделий включает в себя следующие этапы: получение черновых изделий, то есть заготовок; обработка заготовок резанием или другими способами механической обработки; термическая или химико-термическая обработка; сборка изделия; отделка.

Черновые заготовки получают двумя способами: из жидкого металла в литейном производстве и твердого металла путем обработки давлением (деформации).

Литейное производство – процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм, в которых металл затвердевает.

Литые детали широко применяют при изготовлении станков, машин, механизмов. Они могут иметь массу от 5 г до 260 т, быть весьма сложными по форме; толщина стенок отливок колеблется от 0,8 до 500 мм.

Основной объем заготовок из стали и цветных металлов получают в процессах обработки металлов давлением.

Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов.

При производстве металлических изделий применяют обработку металлов давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Исходными материалами для обработки металлов давлением являются слитки и заготовки различных размеров и массы. Основными способами обработки металлов давлением являются: прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка.

Прокатка. Среди различных методов пластической обработки прокатка занимает особое положение, поскольку данным способом производят как готовые изделия, пригодные для непосредственного использования в строительстве и машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяйственного машиностроения и др.), так и заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, прессованием, волочением или реза­нием.

Сущность процесса прокатки заключается в деформировании (обжатии) заготовки металла между вращающимися валками прокатных станов в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы.

Прокатные станы различают по назначению (обжимные (блюминги и слябинги), заготовочные, сортовые, листовые и специальные); количеству валков (двух-, трех-, четырех- и многовалковые) и схеме их расположения.

Различают горячую, холодную и теплую прокатку. Основная часть проката (заготовки, сортовой и листовой прокат, трубы, шары и др.) производится горячей прокаткой при начальных температурах стали 1000 – 1300 °С. Холодная прокатка применяется главным образом для производства листов и ленты толщиной менее 1,5 – 6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб. Кроме того, холодной прокатке подвергают горячекатаный металл для получения более гладкой поверхности и лучших механических свойств. Теплая прокатка в отличие от холодной происходит при несколько повышенной температуре с целью снижения упрочнения (наклепа) металла при его деформации.

 

Продукция прокатного производства

При классификации сплавов черных металлов в таможенных целях продукция прокатного производства подразделяется на полуфабрикаты и готовые изделия.

К полуфабрикатам относятся изделия, прошедшие первичную горячую прокатку на обжимных станах, и предназначенные для дальнейшей прокатки.

Полуфабрикаты прокатного производства:

- блюмы имеют квадратное сечение с длиной сторон > 120 мм;

- биллеты могут быть квадратными (длина сторон >50 < 120 мм) или прямоугольными;

- круглые заготовки имеют круглое и многоугольное (более четырех углов) сечение и используются для последующей прокатки на бесшовные трубы;

- слябы и сутунки имеют прямоугольное сечение, но их ширина больше их толщины. Слябы используют для прокатки плит, а сутунки – для получения листов или полос.

К готовым изделиям прокатного производства относятся изделия, имеющие самые разнообразные профили. Совокупность профилей и их размеров, а также сталей, из которых их изготовляют, называют сортаментом.

Профильный сортамент проката включает: сортовой, листовой, трубный и специальный (бандажи, колеса, периодические профили и др.). Наиболее разнообразной является группа сортового проката.

Прессование (выдавливание). При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получают изделие с сечением в форме отверстия. Прессованием получают изделия различного профиля с размером поперечного сечения до 400 мм.

Волочение. Волочение применяют для изготовления проволоки диаметром от 0,002 до 4 мм, а также калиброванных прутков и тонких труб из катаной или прессованной заготовки. Волочение заключается в протягивании заготовки (обычно в холодном состоянии) через отверстие, сечение которого меньше исходного сечения заготовки.

Ковкой.

Штамповка. Штамповка — процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размер получаемой поковки.

При обработке металлов по любому способу одновременно с изменением формы и размеров исходного материала изменяются также его структура и механические свойства.

Отжиг- это нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением (обычно вместе с печью).

Нормализация. При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее.

Закалка - это нагрев стали до температуры выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение.

Отпуск - окончательная операция термической обработки, формирующая свойства металла. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже 700 °С, выдержки и последующего сравнительно медленного охлаждении на воздухе.

 

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, качеству и назначению.

По химическому составу стали условно подразделяют на углеродистые (без легирующих элементов), низколегированные, легированные, высоколегированные, стали и сплавы с особыми физико-химическими свойствами.

В зависимости от вида легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми и т.д.

По назначению выделяют следующие основные группы сталей: топочную и котельную, для железнодорожного транспорта (рельсовую, для бандажей железнодорожных колес и др.), конструкционную (для изготовления различных металлоконструкций, строительства зданий, мостов, различных машин), шарикоподшипниковую, инструментальную (для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечно-штамповочного оборудования и др.), рессорно-пружинную, трансформаторную, орудийную, трубную и другие..

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качест-ва, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками по качеству стали являются более жесткие требования по химическому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесей, таких как фосфор и сера.

К высоколегированным сталям и сплавам с особыми физико-химическими свойствами относят:

 коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии;

 жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 550 С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;

 жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоя-нии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью;

 износостойкие стали и др.

Обозначение марок сталей и сплавов. Для обозначения марок сталей и сплавов принята буквенно-цифровая система.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст, перед которыми указывают группы стали Б или В (для группы А букву не ставят), за буквами - цифры от 0 до 6 — условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Далее обозначают способ раскисления и категорию стали (сталь делится на пять категорий в зависимости от нормируемых показателей). Если сталь содержит повышенное содержание марганца (около 1,2 %), тогда между номером марки и способом раскисления ставят букву Г. Примеры обозначения углеродистых сталей обыкновенного качества: ВСт5Гпс3, Ст3пс.

Углеродистые качественные конструкционные стали

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами: 05, 08, 10, 15, 20,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такие стали делят на несколько групп.

Низкоуглеродистые качественные стали 05,..., 10 (без термической обработки) хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин и сварных конструкций.

Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых качественных сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Их применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии для изготовления неответственных деталей машин, после цементации — для изготовления деталей с повышенной износостойкостью (кулачковые валики, кронштейны и др.).

Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Они хорошо обрабатываются на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Сочетание высоких прочностных и пластических свойств позволяет применять эти стали для изготовления ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 подвергаются различным видам термической обработки, в результате чего они при-обретают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Применяются для изготовления пружин, рессор, замковых шайб и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру—среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % С, сталь У 11 со-держит 1,1 % С.

Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ста-вится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) — буква Ш.

Легированные стали. В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Н - никель, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Ф - ванадий, М – молибден, Х - хром, Ц -цирконий, Ю - алюминий. Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали 45ХН2МФ) или десятых (инструментальные стали 4Х5МФС) долях процента. Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1 % и более, то цифру в начале марки иногда вообще не ставят (ХВГ) Буква "А" в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественной (30ХГСА), если та же буква в середине марки - сталь легирована азотом (16Г2АФ), в начале марки буква "А" указывает на то, что сталь повышенной обрабатываемости (автоматная) - А35Г2.

 

Классификация, обозначение и применение чугунов

В зависимости от формы углерода чугуны бывают следующих ви-дов.

Белый чугун имеет в изломе белый цвет и характерный блеск. Угле-род в белом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белый чугун отличается высокой твердостью и хрупкостью и практически полностью перерабатывается в сталь и ферросплавы.

Серый чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоянии в виде пластинчатого (чешуйчатого) графита. Маркируют его буквами «СЧ». Серые чугуны применяются в станкостроении (станины, детали станков, люки, крышки, суппорты), в авто- и тракторостроении (блоки цилиндров, распределительные валы, головки блоков, направляющие втулки, поршневые кольца, тормозные барабаны, диски сцепления), в химическом машиностроении, производстве компрессоров, насосов, для изготовления санитарно-технических изделий.

Высокопрочный (модифицированный) чугун, в котором графит имеет шаровидную форму. Маркируется буквами «ВЧ». Из высокопрочных чугунов изготовляют детали, подвергающиеся значительным нагрузкам: коленчатые валы, зубчатые колеса, прокатные валки, корпуса насосов паровых турбин и др.

Ковкий чугун получают из белых чугунов путем отжига, при кото-ром углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита. Маркируют буквами «КЧ». Ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при больших динамических и статических нагрузках, например, крюков, тройников, вентилей, гаечных ключей, крестовин для водопровода.

Обозначение чугунов

Передельный чугун, предназначенный для дальнейшего передела в сталь или переплавки в чугунолитейных цехах при производстве отли-вок, в зависимости от назначения изготовляют для сталеплавильного производства марок П1 и П2; для литейного – марок ПЛ1 и ПЛ2; фосфористый – марок ПФ1, ПФ2 и ПФ3; высококачественный – марок ПВК1, ПВК2 и ПВК3.

Литейный чугун, предназначенный для дальнейшей переплавки в чугунолитейных цехах, изготовляют следующих марок: Л1, Л2, Л3, Л4, Л5, Л6 и рафинированный магнием ЛР1, ЛР2, ЛР3, ЛР4, ЛР5, ЛР6, ЛР7.

Стандартами регламентируется химический состав передельных и литейных чугунов, а именно: содержание серы, фосфора, марганца, кремния. Чугуны изготовляют в виде чушек массой до 55 кг.

К специальным видам чугуна относятся ферросплавы. В ТН ВЭД России ферросплавы определены как сплавы в виде чушек, болванок, кусков и др., применяемые как добавки при производстве других сплавов или в качестве раскислителей в черной металлургии и непригодные для ковки, содержащие 4 мас.% или более железа и один или более элементов в следующих соотношениях: хрома более 10 мас.%; марганца более 30 мас.%; фосфора более 3 мас.%; кремния более 8 мас.%; других элементов в сумме более 10 мас.%. Ферросплавы отличаются от чугуна тем, что они содержат более низкий процент железа, а также тем, что могут содержать 2 % и менее углерода. Основные виды ферросплавов: ферросилиций (марки ФС20, ФС25…ФС90); феррохром (ФХ001А, ФХ006Б); ферромарганец; ферроникель, ферромолибден и другие.