32 Билет. Производство металлов (чугун, сталь, алюминий)

Производство чугуна.  Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %). Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

Кричный передел- это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

- В конце XIX века — почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко (до 6 тн/час).

- В середине XX века: внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90-95 % железа) и выплавка стали в электропечи.

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет. Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков. При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа Производство стали.

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах. Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800˚С.Газ и воздух предварительно подогреваются ( до 1200…1250 ˚С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

Алюминий — легкий серебристо-белый металл. Важное его достоинство — низкая плотность(2700 кг/м3). В чистом виде алюминий мягок, пластичен, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления — 657 °С. Алюминий имеет повышенную стойкость к коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки (Аl20з), высокую тепло- и электропроводность. Предел прочности при растяжении у алюминия — 90... 120 МПа, относительное удлинение — 20...30%, твердость НВ 25...30, коэффициент теплопроводности — 200 Вт/(м °С).

В чистом виде алюминий применяется в строительстве для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски и газообразователи при приготовлении ячеистых бетонов), фольги, электропроводов. Из алюминиевой фольги делают высокоэффективный утеплитель (альфоль), используют ее в качестве отражателя тепловых лучей, а также декоративного материала. Путем анодного оксидирования из алюминиевых сплавов получают архитектурные детали различной расцветки.

Сплав, состоящий из алюминия, меди, магния и марганца, называется дюралюминием. Сплавы алюминия имеют предел прочности при растяжении более 100 МПа. Из алюминиевых сплавов изготавливают плоские и волнистые листы, прокатные, гнутые, клепаные и сварные профили, трубы.