Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах термической обработкой (нагревом до температуры 1900 °С) шихты - смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса.

Железная руда состоит из рудного минерала (обычно в виде оксидов Fe203 и Fe304), пустой породы, не содержащей железа (кварцит, песчаник, известняк), и примесей.

К вредным примесям относятся сера, фосфор, мышьяк, содержание которых в руде строго ограничивают, поскольку они ухудшают качество чугуна и стали.

Для выплавки чугуна используют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, содержащие 30...70 % железа в виде оксидов Fe203 или Fe304.

Флюсы - это материалы минерального происхождения, вводимые в шихту для образования шлака и регулирования его состава.

Флюсы способствуют переходу вредных для металла примесей в шлак.

По химическому составу различают основные (известняк), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем) флюсы.

Шихту непрерывно подают в верхнюю часть печи ( 62) через загрузочное устройство, а снизу через фурмы - воздух. Кокс, находящийся в зоне воздушных фурм, интенсивно сгорает, образуя углекислый газ С02. В результате горения температура в этой зоне поднимается до 1900 °С.

По мере продвижения вниз температура шихты повышается.

Углекислый газ при контакте с раскаленным коксом переходит в оксид углерода СО, благодаря чему газовая среда в печи приобретает восстановительные свойства, т. е. способность отнимать от оксидов кислород.

Оксид углерода и твердый углерод восстанавливают руду ступенчато, образуя металлическое железо по реакциям:

Fe203 + ЗСО -» 2Fe + ЗС02;

FeO + С = Fe + СО.

Таким образом, углерод кокса при высоких температурах восстанавливает железную руду до чистого железа. Железо плавится и при этом насыщается углеродом (науглероживается примерно до 3,5...4 %), превращаясь в чугун:

3Fe + 2СО = Fe3C + С02;

3Fe + С = Fe3C.

Одновременно из шихты восстанавливаются марганец, кремний и фосфор, которые также переходят в расплав металла. Расплавленный чугун стекает в низ печи, а расплавленный шлак как более легкий находится сверху чугуна. Продукты плавки - чугун и шлак - периодически выпускают через летки в ковш.

При доменном производстве на каждую тонну чугуна получают около 0,6 т огненно-жидкого шлака. Шлак - ценное сырье для промышленности строительных материалов. Из него получают шлакопортландцемент, шлаковую пемзу, шлаковую вату и другие материалы.

Выплавляемые в доменных печах чугуны по назначению подразделяют на передельные, литейные и специальные.

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. На долю передельных чугунов приходится свыше 80 % всей продукции доменных печей. В структуре передельного чугуна преобладает цементит - твердое и хрупкое соединение. Излом такого чугуна серебристого цвета, поэтому чугун называют белым.

Литейный чугун служит для производства фасонных отливок. Его выпускают шести марок - от Л1 до Л6, различающихся содержанием кремния и углерода. В литейных чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита, который образуется в результате распада хрупкого цементита. В изломе такой чугун дает серый цвет.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) содержат кремний или марганец в повышенном количестве и их используют как добавки при выплавке стали.

Чугуны обладают высокими литейными свойствами и хорошо сопротивляются коррозии. Из серого чугуна изготовляют отдельные элементы строительных конструкций, в частности башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей, опорные части железобетонных ферм и балок, санитарно-технические изделия (ванны, мойки, канализационные трубы).

Производство стали. В сравнении с чугуном сталь обладает лучшими механическими свойствами, что обусловлено меньшей концентрацией в ней углерода и нормальных примесей (кремния, марганца, серы и фосфора). Для получения стали используют шихту, в состав которой входят передельный чугун и стальной лом, а также шлакообразующие вещества, раскислите-ли и легирующие добавки.

В начале плавки передельного чугуна в нем получают оксид железа FeO путем окисления железа кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный чугун, или введения в печь железной руды либо металлолома. В расплавленном чугуне протекают следующие реакции:

FeO + С = Fe + СО;

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeO + Si = 2Fe + Si02;

5FeO + 2P - 5Fe + P205.

Все приведенные реакции, за исключением реакции взаимодействия оксида железа с углеродом, протекают с выделением теплоты, что приводит к повышению температуры расплавленного металла. Получаемые при этих реакциях соединения кремния и марганца не растворимы в расплавленном железе и, обладая меньшей плотностью, чем железо, всплывают на поверхность и затем удаляются в виде шлака. Оксид углерода СО в виде газовых пузырей поднимается на поверхность и улетучивается.

Для удаления фосфора и серы, которые растворяются в расплавленном железе, в состав плавки вводят оксид кальция СаО, который образует с серой сернистый кальций CaS, а с фосфором - соединение 4СаО • Р2О5. Эти соединения, не растворимые в расплавленном железе, переходят в шлак и удаляются, К концу плавки в расплавленном металле остается часть непрореа-гировавшего оксида железа FeO. Присутствие оксида железа в стали снижает ее механические свойства. При разливке стали протекает реакция FeO + С = Fe + СО.

Выделяющийся оксид углерода СО в виде газовых пузырей поднимается на поверхность и вызывает как бы «кипение» стали у поверхности слитка. Газовые пузыри, не вышедшие на поверхность, могут стать причиной образования мелких трещин при горячей прокатке и сварке стали. Поэтому в конце плавки сталь раскисляют, т. е. восстанавливают, вводя в расплав вещества, более энергично соединяющиеся с кислородом, чем железо. Такие вещества называют раскислителями. К ним относятся марганец, кремний и алюминий. Первые два элемента вводят в виде их сплавов с железом (ферромарганца и ферросилиция).

При раскислении протекают следующие реакции:

FeO + Mn = Fe + MnO; 2FeO + Si - 2Fe + SiOz;

3FeO + 2Al-3Fe + Al203.

Образующиеся оксиды марганца МпО, кремния Si02, алюминия А1203 удаляют в виде шлаков. Чем лучше раскислена сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические свойства.

Полностью раскисленную сталь называют спокойной, частично раскисленную - полуспокойной и мало раскисленную -кипящей, В процессе разливки выплавленной стали могут образоваться усадочные раковины и другие дефекты. Для их сокращения используют особые приемы разливки.

Применяют конвертерный, мартеновский и электроплавильный способы производства стали.

В настоящее время используют в основном кислородно-конвертерный процесс выплавки стали. Он заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом в конвертерах с глухим дном. Кислород подают сверху под давлением 0,8... 1,2 МПа через опущенные в конвертер трубы. Весь металл в конвертере сильно разогревается, температура его в зоне действия кислорода достигает 3000 °С. Поэтому в конвертер можно вводить не только жидкий чугун, но и металлический лом, железную руду. Для удаления серы и фосфора в конвертер после разогрева металла кислородом вводят известь.