ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Производство стали в конверторах.

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при котором отверстия фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

Бессемеровский процесс. В конвертор заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше), марганца (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.

По характеру происходящей реакции бессемеровский процесс можно разбить на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям:

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO.

Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.

По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле происходят реакции

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiO2 + Fe,

3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.

Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода (например, 0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количество ферросплавов.

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЧУГУНА И СТАЛИ

Таблица 7.1. Физико-механические свойства металлов и их сплавов

Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10…15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то, что плотность стали-(7850 кг/м3) в 3 раза выше плотности бетона (2500 кг/м), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов (табл. выше).

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, воло­чением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защи­щать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике нано­сит коррозия металлов (см. п. 7.10). Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получе­ния стали используют также металлолом. В последние годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна.Чугун получают в доменных печах высоко­температурной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твер­дого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО3) не­обходим для перевода в расплавленное состояние пустой породы (состоящей в основном из SiO2 и А12О3), содержащейся в руде, и зо­лы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с дру­гом, образуют доменный шлак, который представляет собой в ос­новном смесь силикатов и алюминатов кальция.

Рис. Схема доменной печи:

1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2— расплавленный шлак; 3

— загрузочное устройство;
4—
газоотводная труба; 5—капли расплавленного чугуна;
6—
капли шлакового расплава;
7
— фурма для подачи воздуха;
8—
летка для выпуска расплавленного шлака;
9
— жидкий чугун

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. По­лезный объем печи — 2000…3000 м3, а суточная производитель­ность — 5000…7000 т. В печь (см. рис.) сверху через устройство 3

за­гружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере про­движения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до СО2. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун
9
стекает в низ печи, а расплав шлака
2,
как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огнен­но-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполни­теля для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты, шлакоситаллов и др.

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства ста­ли, остальная часть чугуна используется для получения литых чу­гунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Бе­лый чугун твердый и прочный, содержит большое количество це­ментита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образует­ся и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали.Сталь получают из чугуна и железного ме­таллолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах или электрических печах. Выплавка стали — (сложный процесс, складывающий­ся из целого ряда химических реак­ций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заго­товки методом непрерывной раз­ливки.

Изготовление стальных изделий.Стальные слитки — полуфабрикат, изкоторого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под дей­ствием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретен­ную форму. При обработке металла давлением практически нет от­ходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагре­вают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее (распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 % получаемой стали).

При прокатке

стальной слиток пропускают между вращающи­мися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжи­мается, вытягивается и в зависимости от. профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката— сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др. При
волочении
заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоя­нии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и глад­кой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и ше­стиугольного сечения.

Ковка

— обработка раскаленной стали повторяющимися удара­ми молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой из­готовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка

— разновидность ковки, при которой сталь, растя­гиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование

представляет собой процесс выдавливания находя­щейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матри­цы. Исходным материалом для прессования служит литье или про­катные заготовки. Этим способом можно получать профили раз­личного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование —

процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получа­ют гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

Свойства сталей

Плотностьстали — 7850 кг/м3, что приблизительно в 3 раза вы­ше плотности каменных материалов (например, обычный тяжелый бетон имеет плотность — 2400 ±50 кг/м ).

Прочностные и деформативные свойствастали обычно опреде­ляются испытанием стали на растяжение. Сталь, как и другие металлы, ведет се­бя как упруго-пластичный материал. Модуль упругости

стали составляет 2,1 • 105 МПа.

Теплопроводностьстали, как и всех металлов, очень высока и со­ставляет около 70 Вт/(м • К), т. е. в 50…70 раз выше, чем у бетона.

Коэффициент линейного термического расширения стали составля­ет10 • 10-6 К-1, т. е. практически равен КЛТР бетона.

Температура плавлениястали зависит от ее состава и для обыч­ных углеродистых сталей находится в пределах 1500… 1300°С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

ТемпературоустойчивостьНебольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 «С; после достижения температуры 500…600°С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их не­обходимо защищать от действия огня, например, оштукатуривани­ем цементными растворами.

3.8. Цветные металлы и сплавы.

Алюминий и его сплавы.Алюминий — легкий серебристо-белый металл низкая плот­ность (2700 кг/м3). В чистом виде алюминий мягок, пластичен, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления со­ставляет 657 °С.

Алюминий обладает
повышенной стойкостью к коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки (А12О3), имеет высокую тепло- и электропроводность. Предел прочности у алюминия при растяжении — 90… 120 МПа, относи­тельное удлинение — 20…30 %, твердость НВ = 25…30, коэффи­циент теплопроводности — 200 Вт(м • °С).
В чистом виде в строительстве алюминий применяется для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски и газообразователи при изготовлении 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.

Для строительных изделий алюминий применяют в виде сплавов, в состав которых входят Сu, Mn, Mg, Si, Fe.

Таблица 7.1. Физико-механические свойства металлов и их сплавов

Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10…15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то, что плотность стали-(7850 кг/м3) в 3 раза выше плотности бетона (2500 кг/м), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов (табл. выше).

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, воло­чением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защи­щать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике нано­сит коррозия металлов (см. п. 7.10). Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получе­ния стали используют также металлолом. В последние годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна.Чугун получают в доменных печах высоко­температурной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твер­дого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО3) не­обходим для перевода в расплавленное состояние пустой породы (состоящей в основном из SiO2 и А12О3), содержащейся в руде, и зо­лы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с дру­гом, образуют доменный шлак, который представляет собой в ос­новном смесь силикатов и алюминатов кальция.

Рис. Схема доменной печи:

1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2— расплавленный шлак; 3

— загрузочное устройство;
4—
газоотводная труба; 5—капли расплавленного чугуна;
6—
капли шлакового расплава;
7
— фурма для подачи воздуха;
8—
летка для выпуска расплавленного шлака;
9
— жидкий чугун

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. По­лезный объем печи — 2000…3000 м3, а суточная производитель­ность — 5000…7000 т. В печь (см. рис.) сверху через устройство 3

за­гружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере про­движения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до СО2. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун
9
стекает в низ печи, а расплав шлака
2,
как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огнен­но-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполни­теля для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты, шлакоситаллов и др.

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства ста­ли, остальная часть чугуна используется для получения литых чу­гунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Бе­лый чугун твердый и прочный, содержит большое количество це­ментита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образует­ся и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали.Сталь получают из чугуна и железного ме­таллолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах или электрических печах. Выплавка стали — (сложный процесс, складывающий­ся из целого ряда химических реак­ций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заго­товки методом непрерывной раз­ливки.

Изготовление стальных изделий.Стальные слитки — полуфабрикат, изкоторого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под дей­ствием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретен­ную форму. При обработке металла давлением практически нет от­ходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагре­вают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее (распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 % получаемой стали).

При прокатке

стальной слиток пропускают между вращающи­мися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжи­мается, вытягивается и в зависимости от. профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката— сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др. При
волочении
заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоя­нии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и глад­кой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и ше­стиугольного сечения.

Ковка

— обработка раскаленной стали повторяющимися удара­ми молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой из­готовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка

— разновидность ковки, при которой сталь, растя­гиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование

представляет собой процесс выдавливания находя­щейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матри­цы. Исходным материалом для прессования служит литье или про­катные заготовки. Этим способом можно получать профили раз­личного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование —

процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получа­ют гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

Свойства сталей

Плотностьстали — 7850 кг/м3, что приблизительно в 3 раза вы­ше плотности каменных материалов (например, обычный тяжелый бетон имеет плотность — 2400 ±50 кг/м ).

Прочностные и деформативные свойствастали обычно опреде­ляются испытанием стали на растяжение. Сталь, как и другие металлы, ведет се­бя как упруго-пластичный материал. Модуль упругости

стали составляет 2,1 • 105 МПа.

Теплопроводностьстали, как и всех металлов, очень высока и со­ставляет около 70 Вт/(м • К), т. е. в 50…70 раз выше, чем у бетона.

Коэффициент линейного термического расширения стали составля­ет10 • 10-6 К-1, т. е. практически равен КЛТР бетона.

Температура плавлениястали зависит от ее состава и для обыч­ных углеродистых сталей находится в пределах 1500… 1300°С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

ТемпературоустойчивостьНебольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 «С; после достижения температуры 500…600°С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их не­обходимо защищать от действия огня, например, оштукатуривани­ем цементными растворами.

3.8. Цветные металлы и сплавы.

Алюминий и его сплавы.Алюминий — легкий серебристо-белый металл низкая плот­ность (2700 кг/м3). В чистом виде алюминий мягок, пластичен, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления со­ставляет 657 °С.

Алюминий обладает
повышенной стойкостью к коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки (А12О3), имеет высокую тепло- и электропроводность. Предел прочности у алюминия при растяжении — 90… 120 МПа, относи­тельное удлинение — 20…30 %, твердость НВ = 25…30, коэффи­циент теплопроводности — 200 Вт(м • °С).
В чистом виде в строительстве алюминий применяется для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски и газообразователи при изготовлении 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.

Для строительных изделий алюминий применяют в виде сплавов, в состав которых входят Сu, Mn, Mg, Si, Fe.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обрабатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Читать также: Lm358 схема включения в зарядном устройстве

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Сферы применения

Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:

1. Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
2. Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
3. Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
4. Приборостроение — изготовление электроники для дома.
5. Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
6. Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
7. Изготовление оружия.

Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.

Разработка месторождений

Существует несколько методов добычи руды. Применяют тот, который находят наиболее экономически целесообразным.

• Открытый способ разработки – или карьерный. Рассчитан на неглубокое залегание минеральной породы. Для добычи выкапывают карьер глубиной до 500 м и шириной, зависящей от мощности месторождения. Железную руду извлекают из карьера и транспортируют машинами, рассчитанными на перевозку тяжелых грузов. Как правило, так добывают именно богатую руду, так что необходимости в ее обогащении не возникает.
• Шахтный – при залегании породы на глубине 600–900 м, бурят шахты. Такая разработка куда более опасна, поскольку связана со взрывными подземными работами: обнаруженные пласты взрывают, а затем собранную руду транспортируют наверх. При всей своей опасности этот метод считается более эффективным.
• Гидродобыча – в этом случае бурят скважины на определенную глубину. В шахту спускают трубы и подают воду под очень большим давлением. Водная струя дробит породу, а затем железную руду поднимают на поверхность. Скважинная гидродобыча мало распространена, так как требует больших затрат.

Далее рассмотрены технология, процессы изготовления железа.

История открытия

Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени. По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы. Так появлялись новые сплавы.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

• Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
• Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
• Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процедура в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при производстве чугуна, является железная руда. Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком «сыром» виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют пустые породы и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.